高炉铸铜冷却壁热应力和热变形的研究

高炉铸铜冷却壁热应力和热变形的研究

为了使高架上的可靠性超过20年，中国的建筑业采用了高架上的铜冷却壁。铜冷却壁的制造技术按冷却通道形成方式分为:钻孔铜冷却壁和冷却通道直接成型的铸铜冷却壁.钻孔铜冷却壁包括轧制铜坯钻孔铜冷却壁和连铸铜坯钻孔铸铜冷却壁,冷却通道直接成型的铜冷却壁包括使用芯棒的直接成型铸铜冷却壁以及埋纯铜管的铸铜冷却壁.钻孔铜冷却壁冷却性能优良,已经得到广泛的应用.但是,采用钻孔技术冷却通道不能在壁体内自由布置;高炉风口和铁口等部位特殊形状的冷却壁需要拼接,制造难度大;而且,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.相比较而言,冷却通道直接成型的铸铜冷却壁弥补了钻孔铜冷却壁的技术缺陷,成本大大降低,但铸造工艺复杂.外国已成功开发了使用芯棒的直接成型铸铜冷却壁,并在多座高炉上应用;本文所介绍的埋纯铜管铸铜冷却壁制造工艺是在石墨铸型内落入弯制成型的纯铜管,然后浇入铜水成型.它的技术难题是保证本体与埋管间实现冶金结合,消除间隙.本文通过热态试验证明了埋纯铜管铸铜冷却壁与轧制铜冷却壁冷却能力相当,热应力计算结果表明铸铜冷却壁不会在高热负荷下出现疲劳裂纹,能够满足长寿高炉的要求.杭钢2号高炉工业测试说明埋纯铜管铸铜冷却壁在高炉上应用的可行性.1热态实验与研究1.1孔隙率的结构参数埋管式铸铜冷却壁的本体浇注料为T1电解铜,埋入冷却壁中的铜管材质为T2铜.材料Cu≥99.7%.其结构参数如下:冷却壁尺寸1852×820×130mm;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50×76.5mm;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热态实验和热冲击试验热态试验装置包括四部分:冷却壁试验炉、柴油燃烧室、水循环系统和测试系统.试验炉提供高炉冷却壁的模拟热环境;柴油燃烧室为试验炉提供稳定均匀的热源;水循环系统则为冷却壁提供所需的冷却水,并保证在较大的范围内对流量(流速)、温度进行调节;测试系统包括流量计、温度计、热电偶数据采集仪表.热态实验为模拟高炉冷却壁热面完全裸露在高温煤气下的温度分布情况.热态实验的目的是测量不同条件下冷却壁的温度分布和热流密度.为使测量准确,需要使进水口水温尽量保持恒定,因此本试验用水泵直接从江河中抽取循环水,并通过下水道排入江河中.该系统无需换热装置,具有方便、准确的效果.试验冷却壁有4个冷却水通道,为增大进出水温差、减小测量误差,在试验时将冷却水管串连为二进二出.本试验共布置了60只镍铬-镍硅热电偶,测点位置和深度根据需要决定.为保证测量的准确性,用电容焊接机将热电偶焊在测孔底部.其中3只热电偶用于监测靠近冷却壁热面的炉内温度变化.在确认系统各部分状况良好的情况下开始点火,使系统升温,炉温从室温升高到1270℃,壁内冷却通道水速在0.735～2.58m/s之间变化,在炉温达到稳态后记录试验结果.进水温度一直保持在26.4℃左右,出水温度随着水速发生变化,最高温度达到45.9℃.排出的烟气温度最高达717℃.在试验结束前进行热冲击试验.1.3热面温度持续增加时热面温度较高,但热面温度较低,但热面温度较高,但热面温度较低.针对热流密度.根据试验数据得出铸铜冷却壁在不同炉温下的热流密度、平均热面温度和最高热面温度之间的关系,如图1所示.根据对铜冷却壁的破损研究知,纯铜在250℃以上其抗拉强度下降较快.因此,一般将230℃作为高炉内峰值热流密度下铜冷却壁的最高工作温度,而长期的热面工作温度应低于150℃.图1显示,试验铸铜冷却壁热流密度181.8kW/m2时,热面平均温度176℃,热面最高温度(角部)235℃.可见,裸露的铸铜冷却壁可以承受的热负荷为180kW/m2.可以推算,当热流密度为250kW/m2时,热面平均温度228℃,角部热面温度高达275℃,角部温度已经超过了安全工作温度.但由于铸铜冷却壁裸露状态下热面温度仍然很低,渣皮从脱落到形成时间非常短,所以短时间内铸铜冷却壁也可以承受250kW/m2的热负荷.热态试验结果表明:铸铜冷却壁与轧制铜冷却壁冷却能力相当,完全满足了高炉高热负荷区的要求.虽然铸造铜在温度高于350℃时会发生晶粒长大和微观组织结构劣化的现象,但在实际操作中铸铜冷却壁的壁体温度不会达到此温度.2对铸造铜壁的热应力和热变形的分析2.1温度变化的影响根据冷却壁的对称性,截取热态试验铸铜冷却壁1/4作为计算模型,在建立有限元模型时,为了计算铸铜冷却壁的最大变形量,忽略了炉壳对冷却壁变形的限制作用.将壁体、定位销和镶砖看作连续体考虑.利用ANSYS材料特性随温度变化的处理功能,对各种材料参数随温度变化进行设置.(1)炉衬导热系数冷却壁温度场的分析是冷却壁热应力和热变形分析的重要前提条件,因此先计算冷却壁的温度分布.高炉冷却壁和炉衬的传热可视为导热问题来处理,稳态条件下,三维导热微分方程为:∑i∂∂xi(λ(Τ)∂Τ∂xi)=0∑i∂∂xi(λ(T)∂T∂xi)=0式中,λ(T)是与温度有关的导热系数,W/m·℃;i=1,2,3,表示三维,即x,y,z轴.(2)热边界条件利用裸露铸铜冷却壁热态试验数据确定热边界条件列于表1.从表中看出,铸铜冷却壁炉内综合换热系数是随炉温变化的.(3)物理参数有限元计算中使用的相关物性参数主要根据厂家测定的数据并参考有关文献手册确定,见表2所示.(4)计算模型的验证根据表1的边界条件计算出铸铜冷却壁的温度分布,计算值与实测值基本吻合(见图2).由此可见,铸铜冷却壁热态试验确定的热边界条件及温度场计算模型准确可靠,完全满足铸铜冷却壁工程研究的要求.2.2应力大学属性表表变形公式冷却壁工作条件恶劣,它要不断承受温度的变化,温度的变化将引起壁体热应力的产生.壁体应力超过其允许拉伸强度就会促进裂纹的产生,若超过疲劳强度,经过多次不稳定温度变化则会引起疲劳裂纹,最终导致冷却壁破损.所以,有必要对冷却壁在工作中的各种应力、特别是热应力进行定量的分析.在进行热应力分析时,与材料的显热相比,认为因变形产生的热量可以忽略不计,不考虑自身质量的影响.根据热弹性理论,有如下应力协调方程:(1)平衡方程{∂σx∂x+∂τxy∂y+∂σxz∂z=0∂τyx∂x+∂σy∂y+∂τyz∂z=0∂τzx∂x+∂τzy∂y+∂σz∂z=0⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪∂σx∂x+∂τxy∂y+∂σxz∂z=0∂τyx∂x+∂σy∂y+∂τyz∂z=0∂τzx∂x+∂τzy∂y+∂σz∂z=0;(2)几何方程{εx=∂u∂xγxy=∂u∂y+∂v∂xεy=∂v∂yγyz=∂w∂y+∂v∂zεz=∂w∂zγzx=∂w∂x+∂u∂z⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪εx=∂u∂xγxy=∂u∂y+∂v∂xεy=∂v∂yγyz=∂w∂y+∂v∂zεz=∂w∂zγzx=∂w∂x+∂u∂z(3)物理方程{σx=2G(εx+3μ1-2με0-1+μ1-2μα(Τ-Τ0),τxy=Gγxyσy=2G(εy+3μ1-2με0-1+μ1-2μα(Τ-Τ0),τyz=Gγyzσz=2G(εz+3μ1-2με0-1+μ1-2μα(Τ-Τ0),τzx=Gγzx⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪σx=2G(εx+3μ1−2με0−1+μ1−2μα(T−T0),τxy=Gγxyσy=2G(εy+3μ1−2με0−1+μ1−2μα(T−T0),τyz=Gγyzσz=2G(εz+3μ1−2με0−1+μ1−2μα(T−T0),τzx=Gγzx式中σx、σy、σz分别表示x、y、z三个方向的主应力;τxy、τyz、τzx表示剪应力,εx、εy、εz分别表示x、y、z三个方向的主应变;u、v、w分别表示x、y、z三个方向的位移,γxy、γyz、γzx表示剪应变,E为弹性模量,μ为泊松比,α为热膨胀系数,G=E2(1+μ)为剪切弹性模量,T0为初始温度.2.3冷却壁边界的确定高炉冷却壁是用四个(或五个)定位销固定在炉壳上,相邻冷却壁之间及炉壳与冷却壁之间留有膨胀间隙,其目的就是缓冲热应力.为了保证良好的导热性,膨胀间隙内灌入炭质填料,导致填料与冷却壁之间产生一定的接触压力.为此,本文采用如下力学边界条件进行热应力计算.冷却壁的底面和侧面分别为自由边界、固定约束、受10Mpa、30MPa、50Mpa和100MPa接触压力的作用,上对称面和侧对称面设置为对称边界,在炉壳的4个定位销上施加固定约束,冷面和热面为自由边界.2.4热应力和热变形的结果表明(1)边缘接触压力对铸铜冷却壁热应力的影响将炉温为1153℃冷却壁温度计算数据作为温度载荷施加到求解冷却壁热应力的模型上(结构模型与传热模型是一个模型),物性参数的选取如表2所示,得出相同温度分布、不同边缘约束下铸铜冷却壁等效应力分布及其变形.图3显示,相同炉温下边缘接触压力越小,壁体变形幅度越大.当边缘接触压力小于50MPa时,壁体热面比冷面膨胀大,形成向热面凸起的弓形.当边缘接触压力大于50MPa或铜冷却壁四边为固定约束时,壁体热面受压,形成向冷面凸起的弓形.计算结果与铜冷却壁的实际变形吻合.图4(a)、(b)显示,高炉内铸铜冷却壁所受的热应力与边缘接触压力有关.相同温度条件下,壁体边缘接触压力越大,壁体热应力越大.当边缘接触压力小于100MPa时,除定位销以外,壁体其它部位等效应力都小于160MPa,既使边缘为固定约束,壁体应力也在200MPa左右(除边缘外),小于纯铜的抗拉强度.因为纯铜具有很好的塑性和韧性,所以在低于抗拉强度下工作不会产生疲劳裂纹.由此表明:铸铜冷却壁既使在没有渣皮的极端环境下工作,也不会出现断裂、破损的情况.(2)x横向变形量1.4mm为了分析炉温对铸铜冷却壁热应力和热变形的影响,本文计算了接触压力为10Mpa,炉温分别为1153℃和1270℃时铸铜冷却壁的热应力和热变形.热变形模拟计算结果显示,两种炉温下壁体变形趋势一致,炉温1270℃下壁体变形幅度和壁体承受的热应力大于炉温1153℃的变形幅度和热应力(见图5、6).炉温1270℃下x正向最大变形量1.119mm,负向最大变形量1.936mm,z正向最大变形量1.562mm,分别是炉温1153℃下x正向最大变形量的1.18倍,负向最大变形量的1.21倍;z向最大变形量的1.44倍.可见,炉温升高对壁体变形的影响是巨大的.两种炉温下壁体热应力都非常小,小于纯铜的抗拉强度.从图6(a)看出,壁体冷面边缘热应力较大,炉温的升高对边缘热应力的影响也较大.这是因为铸铜冷却壁角部边缘是冷却薄弱区,温度较高.图6(b)显示,壁体温度升高对壁体热面和近热面的热应力影响较大,对冷面影响较小.事实上,高炉运行中的铜冷却壁是靠渣皮工作,一般情况下壁体温度很低,所以,铜冷却壁实际变形幅度及壁体所受的热应力远远小于上述的计算值,因而能长寿.通过铜冷却壁热应力和热变形计算得出结论:在安装铜冷却壁时,为了降低壁体的应力,相邻铜冷却壁之间必须预留膨胀间隙.由于高炉内的铜冷却壁是靠渣皮工作,一般情况下的壁体温度远远低于炉温1270℃下裸露状态的壁体温度,所以,我们以炉温1270℃、自由边界下壁体的最大变形量作为安装铜冷却壁的预留膨胀间隙的最小值,即壁体冷面与炉壳之间、相邻铜冷却壁间的膨胀间隙不得小于2mm.为了减小定位销与壁体、定位销与炉壳之间的应力,须在定位销与冷却壁、定位销与炉皮、冷却壁的水管与炉皮开孔间留有足够的间隙,以适应冷却壁受热后的膨胀.为了控制边缘变形,应将定位销尽可能安装在壁体边缘,并在冷却壁中部增加一个定位销.3邻的氧指数和温度比较为了检测铸铜冷却壁在高炉上的实际使用情况,2004年杭钢2#高炉检修时,在高炉的炉腰、炉腹安装了4块埋纯铜管铸铜冷却壁(炉腰8层1号,炉腹7层1号、2号、36号).根据安装需要,工业试验铸铜冷却壁与高炉用的铸铁冷却壁厚度均为185mm,其中肋厚75mm,壁体厚110mm,冷却壁前耐火砖厚度140mm.为了监测铜壁工作情况,同时也为了与相邻的铸铁冷却壁(炉腰8层35号,炉腹7层3号)进行比较,分别在铜壁和铁壁内部距热面75mm处布置了热电偶,在距砖衬热面10mm的砖衬内部设置了热电偶.从2004年10月21号开炉到2008年4月,铜壁壁体热电偶温度维持在50℃左右,相邻铸铁冷却壁壁体温度保持在70℃左右,且两种壁体温度比较稳定.铜壁和铁壁前面砖衬的热电偶温度维持在110～200℃,砖衬温度波动较壁体大.从砖衬的温度变化看不出两种壁体的明显差异,说明在砖衬没有侵蚀的开炉初期,铸铜冷却壁优良的冷却性能没有表现出来.随着砖衬的侵蚀,两者的差异越来越明显.到2008年12月,高炉运行4年多,冷却壁前的砖衬已经完全被侵蚀,冷却壁靠渣皮工作.从采集的数据看,四块铜壁的壁体温度基本维持在50℃左右,说明四块铜壁前有比较稳定的渣皮.而相邻的铁壁内热电偶温度在135～210℃之间频繁波动,与开炉初期相比,温度升高2～3倍,且变化频率快,变化幅度大,(见图7、8).可见,铸铁冷却壁的冷却能力远远低于铸铜冷却壁.2005年12月4号炉腹36号铜壁温度有过一次大的波动(见图9),从52℃迅速升高到103℃,30分钟后回到正常值,表明36号铜壁出现了渣皮脱落现象.4高炉高炉热应力以及热变形计算4.1热态试验表明,埋纯铜管铸铜冷却壁冷却能力与轧制钻孔铜冷却壁冷却能力相当,能承受250kW/m2的热负荷.4.2埋纯铜管