高炉用新型埋管式铸铜冷却壁热态性能及热变形分析

高炉用新型埋管式铸铜冷却壁热态性能及热变形分析

高性能长度技术对提高钢铁企业的经济效益具有重要意义。由于铸铁冷却壁的固有缺陷,降低了高炉寿命。为了将高炉寿命延长到20年以上,日本和前西德试验了铜冷却壁并都取得成功,高炉应用结果显示,铜冷却壁的磨损很小且无任何裂纹。到2000年国外已经有33座高炉使用了铜冷却壁。近年来我国炼铁界提出了在高炉上使用铜冷却壁,以替代从20世纪80年代以来在我国广泛使用的铁素体球墨铸铁冷却壁。铜冷却壁的出现,克服了球铁冷却壁导热系数低的缺点,降低了冷却壁的本体温度,从而提高了高炉的使用寿命。目前,国内高炉使用的铜冷却壁以轧制钻孔铜冷却壁为主。轧制铜冷却壁具有本体性能稳定的优点,但它的缺点是异型通道难以加工,采用焊接的方式“接管”、“堵孔”比较困难(必须将工件预热至700～800℃),焊接过程中容易形成应力集中、裂纹和夹渣等缺陷,留下安全隐患。特别是机械加工成本增加,导致轧制铜冷却壁价格昂贵,不能得到普及。一种价格相对便宜的新型铜冷却壁——无气隙埋铜管式铸铜冷却壁正在兴起。目前,对铜冷却壁的研究工作主要集中在钻孔铜冷却壁热态试验及温度场的数值模拟上。本文在国内首次对埋铜管式铸铜冷却壁进行模拟高炉工况的热态试验。通过采用热态试验和传热学数学模型计算两者结合的方法,证明了埋管式铜冷却壁在高炉上应用的可行性,说明它的冷却效果与钻孔铜冷却壁没有明显差异。利用Ansys有限元软件,采用热-结构耦合的数值模拟法计算了铜冷却壁在热态炉内的温度分布及热变形,模拟结果与试验数据吻合,验证了计算模型的有效性和可行性。以此为依据,进一步分析运行中的高炉铜冷却壁应力应变及镶砖的破损情况。1为定义银铜壁的热态试验时1.1材料的结构参数本试验所用的冷却壁为绍兴曙光机械有限公司生产的埋管式铸铜冷却壁,本体浇注料为T1电解铜,埋入冷却壁中的铜管材质为T2铜。材料w(Cu)≥99.7%。其结构参数如下:冷却壁尺寸1852mm×820mm×130mm;冷却通道为贯通式,沿壁体高度方向共有4条,在宽度方向均匀分布,通道中心间距为200mm,通道为扁孔型,孔的规格ϕ50mm×76.5mm;水管中心线离冷面距离45mm;镶砖厚40mm,镶砖面积44%。燕尾槽镶砖为工业用粘土耐火浇注料。1.2热态温度分布本热态试验是在常熟喷嘴厂检测冷却壁热工性能的专用热态试验炉上进行的。此热态试验炉可以进行大型高炉铜冷却壁1∶1的热模拟试验。试验炉以轻柴油为燃料,炉温最高可以达到1350℃。冷却壁热面气流温度可达1275℃。为了检测热态条件下冷却壁温度分布的均匀程度,共布置了60个热电偶。一部分用于测量冷却壁冷面、内部、水管附近的温度,另一部分用于测量热面、肋及镶砖的温度,还有3支热电偶用于监测炉内的温度变化。为了研究铜冷却壁高温状况下的热变形,在壁体冷面几个关键位置均匀的布置了18个应变片,由于客观条件的限制,无法在冷却壁的热面放置应变片。1.3热态试验对比试验数据显示,当炉温1153℃,水速2.07m/s时,冷却壁冷面中间部分温度较均匀,平均56℃,上下端的温度较高,为中部的2倍,是冷却壁传热的薄弱环节,这是因为冷却壁上下端处于冷却区域之外;在宽度方向上,冷面温度曲线呈波纹状,水管中心线上温度最低。本体热面平均温度为135℃,上下端本体热面温度达到190℃。在冷却壁内部由冷面到热面,温度随深度变化曲线接近直线。只是在冷却壁肋部(深度为110～130mm)温度梯度较大。在水管附近,温度变化平缓,梯度较小。由于燕尾槽内镶砖导热系数非常小,仅仅为1.79W/(m·℃),所以本试验冷却壁镶砖热面温度很高,达到了808℃。从温度分布来看,此试验冷却壁有很强的传热特性。利用试验数据进行热阻计算得出冷却壁壁体与冷却水之间的传热热阻为2.0142×10-4(m2·℃)/W,在相同条件下,铸铜冷却壁热阻是球墨铸铁冷却壁热阻的1/20。这一结果充分说明,铸铜冷却壁本体与水管无气隙层存在。可见,试验用铸铜冷却壁的冷却性能与轧制钻孔铜冷却壁没有差异,完全能满足长寿高炉的要求。变形数据表明:安装在热态试验炉内的铸铜冷却壁,在热态条件下中间部位呈现出向冷面变形的态势,冷却壁中间部位的变形程度明显高于冷却壁的边缘。这是因为在热态条件下,冷却壁上下端被炉体完全固定,热面受压的缘故。2铜冷却壁温度场的计算高温铜冷却壁是一个典型的主要受热应力作用的大型构件,要进行铜冷却壁应力、应变的研究,冷却壁温度场的计算是重要的前提条件,因此先计算铜冷却壁温度场。将冷却壁看作沿高度方向的轴对称体,截取四分之一镶砖铜冷却壁作为传热计算模型(图1)。所取冷却壁的工作状况是热态炉内的稳态温度场。2.1温度和水质。温度5,5,5.当炉温为1153℃、水速为2.07m/s时,测得冷却水进出口水温差7.3℃,冷却水平均温度30.03℃,环境温度33.6℃。根据文献的计算方法得出模拟温度场的边界条件如下:炉内热面与烟气的复合换热系数为213.54W/(m2·℃),冷却水管与冷却水之间的换热系数6928.47W/(m2·℃),冷却壁冷面与周围介质的换热系数αa=7.42W/(m2·℃),上对称面、侧对称面设置为对称边界,冷却壁的底面、侧面设置为绝热边界。2.2物理参数在模拟计算中涉及的物性参数如表1、2所示。2.3冷却壁本体热态试验结果根据热态试验确定的边界条件,冷却壁温度场模拟计算值与热态试验温度实测值非常吻合。图2为冷却壁本体不同深度的实测值与计算值的比较。由此可见,高炉铸铜冷却壁温度场计算模型计算准确可靠,完全满足铸铜冷却壁工程研究的要求。3在热态试验中，铜冷却壁的开口电压模拟为3.1重力及其他机械载荷引起的应力在冷却壁所受的应力成分中,温度不均热应力及不同材料间的热膨胀产生的应力占主要部分,计算中忽略了由重力及其他机械载荷引起的应力。为了计算热态试验炉内铸铜冷却壁的热变形,需要根据冷却壁在热态炉上的安装情况确定力学边界条件:在铜冷却壁计算模型(图1)的底面、侧面施加固定约束,对称面设置为对称边界,冷面、热面为没有约束的自由边界。3.2热态试验的结果分析计算铜冷却壁热应力的基本步骤就是利用有限元多物理场耦合功能,首先施加温度载荷,即将炉温为1153℃温度数据作为稳定载荷施加到求解热应力的模型上(结构模型与传热模型是一个模型)。然后根据冷却壁在热态炉上的安装方式施加边界约束,物性参数的选取如表1、2所示。在以上温度载荷和边界约束下,由于受边界强约束的限制,热变形很小。模拟计算的变形值与实测值在同一个数量级,数值比较吻合,总体变形趋势一致。由此可见,高炉铸铜冷却壁应力应变计算模型准确可靠,能满足铸铜冷却壁的工程研究要求。通过计算得出热态试验炉内的铸铜冷却壁等效应力为43.7～395.0MPa,最大应力集中在铜冷却壁上、下端的边缘附近,此部位存在塑性变形。这是因为此部位是整个冷却壁冷却的薄弱环节,温度偏高,同时又受到上、下端的固定约束,限制了冷却壁的变形,局部热应力偏大。其他部位等效应力小于110MPa,不会产生塑性变形。总之,热态试验条件下的铜冷却壁不会产生裂纹、断裂等现象。镶砖的等效应力为12.2～58.5MPa,镶砖的最大等效应力和剪切应力集中在上下端镶砖与肋的接触面及砖的边缘处,此处容易破损。其他部位的应力很小,对镶砖不会造成损坏。由此得出结论:铜冷却壁镶砖的边缘及接触肋的砖面容易破损。4冷却壁热态试验变形事实上,高温结构的变形除了温度条件外,还要受其他力学约束条件的限制。热态炉只是模拟铜冷却壁在高炉温度条件下的热变形,没有模拟铜冷却壁安装在高炉上受各种结构约束下的热变形。因此,冷却壁热态试验变形结果并不能完全说明安装在高炉上的铜冷却壁变形情况。限于实际条件的限制,无法测得高炉内冷却壁的变形数据,只能根据热态试验数据验证热变形模型的正确性,然后用此模型分析高炉中冷却壁的变形情况。4.1计算模型及边界约束在高炉上安装冷却壁,需要固定销将冷却壁固定在炉壳上,冷却壁的上面、下面、侧面填充炭质填料。所以,高炉内冷却壁的边界约束条件与热态炉内的约束条件有所不同。另外,高炉炉壳对冷却壁的热变形也起到了限制作用,而炉壳与冷却壁间的填料对变形有缓冲作用。所以,在计算高炉铜冷却壁的应力应变时,计算模型增加了填料和炉壳(假设没有渣铁层)。将壁体、镶砖、炉壳、填料作为连续体考虑,下面就两种边界约束条件下的铜冷却壁热变形进行了计算。(1)计算模型的顶面、底面、侧面受10MPa接触压力的作用,对称面设置为对称边界,冷却壁有4个固定栓。(2)计算模型的顶面、底面、侧面受10MPa接触压力的作用,对称面设置为对称边界,冷却壁有5个固定栓(中间有1个固定栓)。4.2冷却壁为热应力会导致变形的原因见表3计算结果显示,高炉内铜冷却壁的热变形大于热态试验炉内铜冷却壁的热变形。图3为了比较相同温度条件下几种约束情况的热变形,绘制了几种情况下冷却壁冷面中心线变形趋势图,可以看出,热态炉内冷却壁的热变形最小,且向冷面凸起。具有4个固定销的高炉铜冷却壁的变形程度较大,5个定位销能缓解中部变形,但增加了边缘变形程度。除了固定销附近有应力集中现象外,整个冷却壁热应力明显小于热态炉内的冷却壁,塑性变形也仅仅在固定销附近。这是因为在相同温度条件下,高炉冷却壁边缘的填料缓冲了热应力,使得冷却壁整个热变形偏大。以5个螺栓的冷却壁计算结果为例,它的最大等效热应力集中在螺栓附近,其他部位热应力为0.3～101.0MPa,不会产生塑性变形,不足以超过抗拉(抗压)强度而引起裂纹,所以高炉铸铜冷却壁的使用寿命很长。镶砖应力在1.64～48.00MPa范围内,镶砖的最大应力集中在边缘部位,可见,镶砖的边缘部位容易破损。2002年对首钢2号高炉安装的铜冷却壁进行破损调研,结果发现:铜冷却壁使用2年1个月后,热面镶砖槽内尚有残砖存在,冷却壁壁体无任何磨损,但壁体向热面凸出变形,最大处11mm。沙钢进口了156块国外使用过的铜冷却壁,有的冷却壁壁体向热面凸起,有的向冷面凸起,如图4所示。通过以上计算认为,如果高炉内安装的冷却壁四边边界较为自由,热态时,热面比冷面膨胀大,形成向热面凸起的弓形。另一方面,如果安装铜冷却壁时四边约束很强,热态情况下会使热面受压,形成向冷面凸起的弓形,但冷面凸起会受到高炉炉壳的约束,变形受到了制约,所以向冷面变形的程度较小,实际变形如图4所示。另外,变形程度的大小与定位栓的位置、数量有关。冷却壁较长时,建议用5个定位销,且上下定位销尽量靠近上、下边缘,以缓解边缘的变形。冷却壁高度较小时,用4个定位销。5高炉铜冷却壁热变形的研究(1)热态试验得出埋管式铸铜冷却壁本体与冷却水间的热阻是铸铁冷却壁的1/20,说明了埋