消失模工艺生产的铸铁冷却壁热阻分析

消失模工艺生产的铸铁冷却壁热阻分析

研磨壁是广泛应用于中、小、高炉的冷却设备之一。传统的球墨铸铁冷却壁采用砂型工艺生产,存在造型困难、质量不稳定、工序复杂、生产成本高等问题。利用消失模工艺生产的冷却壁可以有效的提升铸件质量,同时生产工艺简单,能源消耗较少,可有效降低成本。为测试消失模工艺生产的球墨铸铁冷却壁的热态性能,本研究设计并建造了冷却壁热态试验炉,并利用该试验炉模拟冷却壁在高炉内热面无镶砖且无渣皮保护的极限工作状况,分别测试了冷却壁在800℃、900℃、1000℃及1100℃的不同温度条件下和0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s及2.0m/s的不同水速条件下工作时的换热性能。同时,本文从传热学的角度对试验冷却壁的传热性能进行了计算,分析了不同水管涂层工艺的优劣,计算结果与试验结果吻合较好。1试验设备设计1.1温度变化规律试验装置如图1所示,主要由3部分组成:热态试验炉系统、水循环系统及信息采集系统。试验炉系统采用柴油烧嘴作为加热器,烧嘴上方砌筑一层厚约200mm的格子砖,使燃烧后的高温气流在炉膛内均匀分布,以获得均匀、稳定的炉温。在冷却水进水水箱处设有热电阻测量进水温度,并在每根支管上设有电磁流量计测量进水流量。每根出水管出水处均设有热电阻来测量出水温度。每根进水管和出水管均设有压力变送器,可实时记录进出水压力。本试验系统采用两台32路智能数字巡检仪来记录热电阻、热电偶、电磁流量计等传感器的数据信息,可实现秒级的自动连续信息采集,结果准确可靠。1.2尾槽冷却工艺试验冷却壁尺寸为1680mm×800mm,冷却壁热面均匀的设有宽度为80mm,深度为100mm的燕尾槽,燕尾槽内用碳化硅质耐火材料填充并捣实,冷却壁总厚度(含燕尾槽)为240mm。冷却壁采用“四进四出”的冷却结构,冷却水管外径为60mm,壁厚6mm。1#、2#冷却水管采用喷涂工艺在水管外制作涂层,涂层厚度为0.15mm;3#、4#水管采用人工刷涂工艺,涂层厚度为0.25mm。冷却壁内热电偶布置位置如图2所示。2热面无镶砖且无渣皮保护的极限工况本次热态试验主要目的是考察消失模工艺生产的球墨铸铁冷却壁在不同冷却水流速条件下和不同炉温条件下的传热性能,同时对比两种水管涂层工艺的优劣,因此试验主要分为两部分进行。在两部分试验中,冷却壁均工作在热面无镶砖且无渣皮保护的极限工况下。(1)固定冷却水速条件下,调节炉温。进行这一部分试验时,冷却水的流速为1.2m/s,同时通过调节烧嘴的油量和鼓风量使炉温在某一个固定的温度上稳定一段时间,待冷却壁温度数据稳定后,读取壁体内各测温点的温度并记录。然后调节油量和风量,进入下一个温度阶段。试验时控制的炉内温度如表1所示。(2)固定炉温条件下,调节冷却水速。进行本部分试验时,固定热态炉炉内温度为1000℃,同时调节冷却水水速至一较大的值,并按照表2所示的方案使水速减小并在各设计值上稳定一段时间,待冷却壁壁体内各测温点数据稳定后读取并记录数据,然后调节水速阀门,进入下一阶段。3试验结果及分析3.1炉温波动时温度波动的影响图3显示了冷却水流速1.2m/s,炉温分别为800℃、900℃、1000℃、1100℃条件下冷却壁本体在不同深度处的温度分布。图中A1、A2、A3和A4热电偶插入冷却壁壁体内深度(即离开冷面的距离)分别为19mm、71mm、146mm和236mm。图3表明,在不同试验条件下,仅当炉温为1100℃时,靠近冷却壁热面10mm以内的壁体温度高于760℃(冷却壁允许工作最高温度);在其他条件下,冷却壁壁体温度均保持在760℃以下。在冷却壁本体内部,温度由冷面到热面分布基本上为线性增加,在靠近热面时急剧增加,即炉温变化时对冷却壁热面温度所产生的影响要远大于对冷面的影响。以图3中炉温1100℃曲线为例,由A1位置到A3位置,热电偶插入深度由19mm增加至146mm,测得温度由229℃上升至413℃,即平均每离开冷面1mm,温度上升1.45℃;进入肋部以后,由A3位置到A4位置,热电偶插入深度由146mm上升至236mm,测得温度由413℃上升至802℃,平均每离开冷面1mm,温度上升4.32℃。文献表明,在冷却壁内部由冷面到热面,温度的变化曲线是接近直线的,而在冷却壁热面肋部温度梯度则急剧增大,本试验结果与文献资料一致,这说明冷却壁热面温度受炉温波动的影响较大,在没有镶砖保护且不能挂渣时极易受到破坏。综合以上的分析可知,当炉温发生变化时,将对冷却壁本体的温度分布产生很大的影响,而当冷却壁热面失去镶砖和渣皮的保护后,这种影响作用将更加明显,因此在高炉生产过程中需要保证大小合理且稳定的边缘气流以延长冷却壁寿命。3.2冷却水速提升至2.0m/s图4显示了炉温为1000℃,冷却水速分别为0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s时冷却壁本体内不同深度处温度的变化情况。当冷却水速由0.5m/s提升至2.0m/s时,热电偶A1(近冷面)测得温度由214℃下降至188℃,共下降26℃;而热电偶A4(近热面)测得温度由696℃下降至683℃,共下降13℃。上述数据表明,在冷却壁热面无镶砖且无渣皮保护的极限工作条件下,当冷却水速提高时,可以在一定程度上降低冷却壁本体温度,但降低的幅度较小。同时,提高水速对冷却壁热面温度影响要小于对冷面的影响。文献表明,当水速增大1倍时,相应的阻力损失要增加3倍,通过提高水速来降低冷却壁热面温度是不经济的。3.3不同炉温条件下冷却效果对比为改进冷却壁生产工艺,降低生产成本,提高生产效率,本次冷却壁生产过程中,1、2号水管表面的涂层采用新型的喷涂工艺,涂层厚度0.15mm,而3、4号水管采用传统的人工刷涂工艺,涂层厚度0.25mm。选取A5和B5两只热电偶的测量结果进行分析,这两只热电偶的插入深度为146mm,位于冷却水管与壁体热面之间,测得在不同炉温条件下温度变化趋势如图5所示。由图5可以看出,A5温度比B5温度略低。说明A5附近水管导热性较好,冷却能力较强。当炉温较高的时候,A5与B5的差异更加明显,即采用人工刷涂工艺的水管一侧温度上升比采用喷涂工艺的一侧更明显。3.4炉温对角部温度的影响冷却壁边角部位远离水管,是冷却壁冷却的死角,因此冷却壁边角部位的温度分布需要得到更高的关注。由于冷却水速变化对冷却壁本体温度分布影响比较小,因此选取C1热电偶及B1号热电偶在不同炉温条件下的测量结果进行分析。其中C1热电偶插入冷却壁深度为102mm,B1热电偶插入深度为106mm,二者插入深度相近。将上述两只热电偶在不同炉温下的测量结果绘制曲线如图6所示。图6显示,在不同的炉温条件下,C1号热电偶温度(即冷却壁角部温度)均比B1(即正常冷却部位)高。在800℃、900℃、1000℃和1100℃的不同条件下角部温度分别比正常冷却位置高出35℃、39℃、39℃和83℃。即炉温越高,冷却壁角部温度与正常冷却位置的差值也将越大,这是由于球墨铸铁冷却壁本身热导率的变化引起的。球墨铸铁常温下热导率为27.8W/(m·K),300℃时为30.4W/(m·K),此后随温度升高而下降,700℃时降低至22.4W/(m·K),即冷却壁边角位置的传热效率将越来越低,造成冷却壁边角位置温度急剧上升。冷却壁本体上不同位置间过大的温差将在壁体内引起很大热应力,进而产生横向或者纵向微裂纹,微裂纹发展到一定程度时造成冷却壁开裂漏水。在高炉生产过程中,当冷却壁热面测点显示的温度较高时,需要对角部的温度加以特别关注,避免冷却壁从边角部位开始发生破坏。4冷却壁厚度的计算宋阳升等人经过计算表明,冷却壁本体与冷却水之间的传热存在以下4个热阻:(1)水管内表面与冷却水之间的对流换热热阻Rα,采用如下公式计算:式中:α为水管内表面与冷却水间的对流换热系数,W/(m2·K),do为水管外径,m,di为水管内径,m。其中α采用下式进行计算:式中:v为水管内冷却水流速,m/s,λ为水的热导率,W/(m·K);Cp为水的比热容,J/(kg·℃);ρ为水的密度,kg/m3。(2)水管管壁的导热热阻Rw,采用下式计算:式中:λw为水管管壁的热导率,W/(m·K)。(3)水管表面涂层的导热热阻Rc,采用下式计算:式中:δc为涂层的厚度,m;λc为涂层的热导率,W/(m·k)。(4)水管管壁与本体间的气隙热阻Rg,采用下式计算:其中εsy=1/(1/εs+1/εc-1),θ=[(T2/100)4-(Tc/100)4]/(T2-Tc),式中:δg为管壁与本体间的气隙厚度,m;λg为气隙中气体的热导率,W/(m·K);εs和εc为冷却壁本体和涂层的厚度;T2和Tc为冷却壁本体与气隙接触面温度及涂层表面温度,K;C0为黑体辐射常数,5.67W/(m2·K4)。根据以上公式,代入冷却壁参数进行热阻计算,各参数取值如下:do=60mm,di=48mm,λw=50W/(m·K),εs=εc=0.8,λc=0.8W/(m·K),λg=0.0385W/(m·K),Tc=333.15K,T2=493.15K,v=1.5m/s,δg=0.15mm,而涂层厚度δc分别取0.15mm和0.25mm进行计算。计算得出Ra=0.2133×10-3(m2·K)/W,RW=0.1339×10-3(m2·K)/W,当涂层厚度为0.15mm时,Rc=0.1875×10-3(m2·K)/W,而涂层厚度为0.25mm时,Rc=0.3125×10-3(m2·K)/W,Rg=3.735×10-3(m2·K)/W。采用自动喷涂和人工刷涂两种工艺时,冷却壁壁体与冷却水之间换热的总热阻分别为4.2697×10-3(m2·K)/W和4.3947×10-3(m2·K)/W,则相应计算得到采用刷涂法和采用喷涂法两种涂层工艺生产的冷却壁其壁体与冷却水之间的等效换热系数αc分别为227.5W/(m2·K)和234.2W/(m2·K)。日本新日铁在开发第四代冷却壁的时候采用的αc值是210~240W/(m2·K),这表明本文对冷却壁热阻的计算是可信的,且由消失模工艺生产的冷却壁可以满足高炉炉腰炉腹位置的安全应用要求。由于冷却壁冷面与空气对流换热所带走的热量很小,可以忽略不计,因此可近似认为冷却水温度升高所带走的热量即为冷却壁本体和冷却水对流换热交换的热量,即:式中:M为水管内单位时间通过的冷却水的质量,kg/s;Δt和ΔT分别为冷却水进出水温差和冷却壁本体与冷却水间的等效温差,℃;A为冷却壁面积,m2。当炉温为1000℃,冷却水速为1.5m/s时,试验测得冷却壁4根水管的平均水温差为1.8℃,利用上式计算得到αc分别为234.2W/(m2·K)和227.5W/(m2·K)时,冷却壁本体与冷却水间的等效温差分别为194.6℃和200.3℃。若近似认为冷却水温度相同,则上述计算结果表明采用喷涂水管涂层工艺生产冷却壁与采用刷涂水管涂层工艺的冷却壁相比,壁体内相对应位置的温度前者要比后者低5.7℃左右。而在炉温1000℃,冷却水速1.5m/s条件下,1、2号水管之间热电偶A5(插入深度146mm)测得温度为264℃,而3、4号水管之间热电偶B5(插入深度146mm)测得温度为271℃,两者相差7℃,与计算所得的5.7℃基本吻合,进一步证明试验冷却壁内左侧和右侧导热性能的差异是由水管涂层引起的,且采用喷涂工艺要优于人工刷涂工艺。5冷却壁温度分布及使用过程中的问题(1)冷却壁热态试验结果表明,在冷却壁表面无渣皮和镶砖的极限条件下,由消失模工艺生产的冷却壁基本上能保证壁体温度在允许使用温度之下;热阻计算结果表明,此工艺生产的冷却壁等效换热系数值约在230W/(m2·K)左右,其传热性能满足中小高炉炉腰炉腹位置的使用要求。(2)冷却壁本体温度随炉温上升而上升,且炉温越高,本体温度上升趋势越明显,同时炉温变化对冷却壁热面的影响更加明显,因此在生产过程中需要控制合理的边缘煤气流分布,延长冷却壁使用寿命。(3)在冷却壁的极限工作条件下,冷却水流速的提升对