工业模拟试验在冷却壁热态试验中的应用

工业模拟试验在冷却壁热态试验中的应用

作为高大乔木的重要部件，其冷却壁对高大乔木的长期维护有很大影响。铸钢冷却壁由于具有良好的综合力学性能及耐热疲劳性能,且在结构上完全消除了球墨铸铁冷却壁的防渗碳涂层和冷却水管与本体之间的间隙热阻,换热效果良好。因此,近年来铸钢冷却壁成为冷却壁生产厂家和炼铁企业研究开发及应用的热点。但由于铸钢冷却壁的应用尚处于起始阶段,需要试验数据及有关参数为铸钢冷却壁的应用以及高炉的设计提供依据。为了比较球墨铸铁冷却壁和铸钢冷却壁的换热效果,验证铸钢冷却壁的有关使用性能,本研究设计并建造了用于进行冷却壁热态试验的装置,使球墨铸铁冷却壁和铸钢冷却壁工作在相同的条件下,改变试验炉的炉内温度、冷却水的流速以及进水温度,对冷却壁内部特定点的温度进行测量。比较对冷却壁使用寿命有重要影响的参数如:冷却壁的热面温度、冷热面温差和冷却水温差的变化等。1试验设备设计1.1温度与流速热态试验用冷却壁为目前安钢集团机制公司生产的铸钢冷却壁和球墨铸铁冷却壁,冷却壁外形尺寸参数为:670mm×260mm×1070mm。试验将两块冷却壁置于同一试验炉上进行加热,炉内温度设计为800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃,同时通以冷却水,冷却水温度分别为30℃和40℃,冷却水流速设计为3.0m/s和6.0m/s。试验炉所用燃料为焦碳,另外辅以氧气及压缩空气来控制和调节炉温,设计最高温度为1400℃。将两块不同材质的冷却壁对称砌筑在试验炉内,其他两个面分别用耐火砖填充,外部以厚钢板焊接成炉壳和工作平台,试验炉简图见图1。1.2冷却水温度设计利用水泵将水箱中的水以设计的流量分别对冷却壁供水,在冷却水进入冷却壁之前测量进水温度和每一块冷却壁的冷却水流量,冷却水循环后分别测量冷却壁的出水温度。设计冷却水的喷淋冷却系统对出水进行冷却,并在试验过程中密切关注冷却水温度,如果温度升高较快,则采取排出部分水箱中的热水同时补充冷却水的方法进行冷却。冷却壁热态试验水循环系统组成如图2所示。1.3冷却水温度检测由于热态试验要对冷却壁内部和表面进行测温,采用了在冷却壁背部钻孔,利用K型铠装热电偶对孔底的点进行测温,得到冷却壁上特征点的温度。对于管路中水的温度,由于压力较高,温度在40℃左右,因此在冷却水管上焊接管座,将热电阻固定在管座上的方法测量冷却水的进水温度和出水温度。另外,利用16路智能温度循检仪作为冷却壁上热电偶、炉内温度热电偶、以及冷却水的进出水温度的显示仪器。2试验结果及分析2.1冷却壁出水温度分布进水温度为30℃时,不同冷却水流速、不同炉内温度时两种冷却壁的热面和冷面温度的变化曲线如图3、图4所示,冷却壁进出水温差如表1、表2所示,冷却壁冷热面温差比较如图5、图6所示。2.2温度下球墨铸铁冷却壁热面温度在不同的工作温度和冷却水流速条件下,球墨铸铁冷却壁进出水温差为4.0℃,铸钢冷却壁进出水温差低于3.0℃,铸钢冷却壁进出水温差低于球墨铸铁冷却壁。当冷却水温度由30℃升高到40℃,炉内温度和冷却水流速不发生变化时,铸钢冷却壁和球墨铸铁冷却壁的各个点的温度都上升。水速为3.0m/s,炉内温度800℃时,水温升高10℃,球墨铸铁冷却壁热面温度由410℃升高到501℃,铸钢冷却壁热面温度由282℃升高到396℃;炉内温度为1200℃时,球墨铸铁冷却壁热面温度由683℃升高到795℃,铸钢冷却壁热面温度由305℃上升至446℃。冷却水流速3.0m/s,水温30℃时,炉内温度800℃,球墨铸铁冷却壁热面温度为410℃,冷热面温差为148℃;铸钢冷却壁热面温度为282℃,冷热面温差为140℃;炉内温度为1200℃时,球墨铸铁冷却壁热面温度为683℃,冷热面温差为308℃,铸钢冷却壁热面温度为305℃,冷热面温差为148℃。相同流速和相同炉内温度条件下的,铸钢冷却壁热面温度始终低于球墨铸铁冷却壁,冷热面温差也低于球墨铸铁冷却壁。冷却水流速由3.0m/s提高到11.93m/s时,进水温度30℃,炉内温度为800℃时,球墨铸铁冷却壁热面温度由683℃下降到676℃,铸钢冷却壁热面温度由305℃下降到298℃。可见,达到确定条件后,提高冷却水水速对冷却壁热面温度影响不大。3高炉冷却系统的热应力(1)铸钢和球墨铸铁导热系数差别不大,但是由于球墨铸铁冷却壁水管和本体之间存在涂料和气隙热阻层,从而影响了球墨铸铁冷却壁的导热性能。因此相同条件下,球墨铸铁冷却壁的热面温度高于铸钢冷却壁热面温度。进水温度40℃,水速3.0m/s时,球墨铸铁冷却壁的热面温度在1200℃时为790℃,高于球墨铸铁的相变温度,对冷却壁的寿命有不利影响。而铸钢冷却壁的热面温度为446℃,远远低于相变温度,因此可以持久作业。(2)球墨铸铁冷却壁冷热面温差高于铸钢冷却壁,即其相应温度梯度和热应力均高于铸钢冷却壁。在高炉工作过程中,热应力长时间的作用,再加上球墨铸铁本身韧性低于铸钢,很容易使球墨铸铁冷却壁在热应力的作用下破坏。(3)冷却水进水温度升高时,冷却壁各个点的温度都有大幅度升高,所以在高炉操作过程中保持冷却水温度相对稳定在一个范围内也是很有必要的。且冷却水流速达到一定数值后,提高冷却水水速对冷却壁热面温度影响不大,而产生的动力损失和设备损耗是相当大的。(4)