工業(yè)模擬試驗(yàn)在冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)中的應(yīng)用

工業(yè)模擬試驗(yàn)在冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)中的應(yīng)用

作為高大喬木的重要部件，其冷卻壁對高大喬木的長期維護(hù)有很大影響。鑄鋼冷卻壁由于具有良好的綜合力學(xué)性能及耐熱疲勞性能,且在結(jié)構(gòu)上完全消除了球墨鑄鐵冷卻壁的防滲碳涂層和冷卻水管與本體之間的間隙熱阻,換熱效果良好。因此,近年來鑄鋼冷卻壁成為冷卻壁生產(chǎn)廠家和煉鐵企業(yè)研究開發(fā)及應(yīng)用的熱點(diǎn)。但由于鑄鋼冷卻壁的應(yīng)用尚處于起始階段,需要試驗(yàn)數(shù)據(jù)及有關(guān)參數(shù)為鑄鋼冷卻壁的應(yīng)用以及高爐的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。為了比較球墨鑄鐵冷卻壁和鑄鋼冷卻壁的換熱效果,驗(yàn)證鑄鋼冷卻壁的有關(guān)使用性能,本研究設(shè)計(jì)并建造了用于進(jìn)行冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)的裝置,使球墨鑄鐵冷卻壁和鑄鋼冷卻壁工作在相同的條件下,改變試驗(yàn)爐的爐內(nèi)溫度、冷卻水的流速以及進(jìn)水溫度,對冷卻壁內(nèi)部特定點(diǎn)的溫度進(jìn)行測量。比較對冷卻壁使用壽命有重要影響的參數(shù)如:冷卻壁的熱面溫度、冷熱面溫差和冷卻水溫差的變化等。1試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)1.1溫度與流速熱態(tài)試驗(yàn)用冷卻壁為目前安鋼集團(tuán)機(jī)制公司生產(chǎn)的鑄鋼冷卻壁和球墨鑄鐵冷卻壁,冷卻壁外形尺寸參數(shù)為:670mm×260mm×1070mm。試驗(yàn)將兩塊冷卻壁置于同一試驗(yàn)爐上進(jìn)行加熱,爐內(nèi)溫度設(shè)計(jì)為800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃,同時(shí)通以冷卻水,冷卻水溫度分別為30℃和40℃,冷卻水流速設(shè)計(jì)為3.0m/s和6.0m/s。試驗(yàn)爐所用燃料為焦碳,另外輔以氧氣及壓縮空氣來控制和調(diào)節(jié)爐溫,設(shè)計(jì)最高溫度為1400℃。將兩塊不同材質(zhì)的冷卻壁對稱砌筑在試驗(yàn)爐內(nèi),其他兩個(gè)面分別用耐火磚填充,外部以厚鋼板焊接成爐殼和工作平臺,試驗(yàn)爐簡圖見圖1。1.2冷卻水溫度設(shè)計(jì)利用水泵將水箱中的水以設(shè)計(jì)的流量分別對冷卻壁供水,在冷卻水進(jìn)入冷卻壁之前測量進(jìn)水溫度和每一塊冷卻壁的冷卻水流量,冷卻水循環(huán)后分別測量冷卻壁的出水溫度。設(shè)計(jì)冷卻水的噴淋冷卻系統(tǒng)對出水進(jìn)行冷卻,并在試驗(yàn)過程中密切關(guān)注冷卻水溫度,如果溫度升高較快,則采取排出部分水箱中的熱水同時(shí)補(bǔ)充冷卻水的方法進(jìn)行冷卻。冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)水循環(huán)系統(tǒng)組成如圖2所示。1.3冷卻水溫度檢測由于熱態(tài)試驗(yàn)要對冷卻壁內(nèi)部和表面進(jìn)行測溫,采用了在冷卻壁背部鉆孔,利用K型鎧裝熱電偶對孔底的點(diǎn)進(jìn)行測溫,得到冷卻壁上特征點(diǎn)的溫度。對于管路中水的溫度,由于壓力較高,溫度在40℃左右,因此在冷卻水管上焊接管座,將熱電阻固定在管座上的方法測量冷卻水的進(jìn)水溫度和出水溫度。另外,利用16路智能溫度循檢儀作為冷卻壁上熱電偶、爐內(nèi)溫度熱電偶、以及冷卻水的進(jìn)出水溫度的顯示儀器。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1冷卻壁出水溫度分布進(jìn)水溫度為30℃時(shí),不同冷卻水流速、不同爐內(nèi)溫度時(shí)兩種冷卻壁的熱面和冷面溫度的變化曲線如圖3、圖4所示,冷卻壁進(jìn)出水溫差如表1、表2所示,冷卻壁冷熱面溫差比較如圖5、圖6所示。2.2溫度下球墨鑄鐵冷卻壁熱面溫度在不同的工作溫度和冷卻水流速條件下,球墨鑄鐵冷卻壁進(jìn)出水溫差為4.0℃,鑄鋼冷卻壁進(jìn)出水溫差低于3.0℃,鑄鋼冷卻壁進(jìn)出水溫差低于球墨鑄鐵冷卻壁。當(dāng)冷卻水溫度由30℃升高到40℃,爐內(nèi)溫度和冷卻水流速不發(fā)生變化時(shí),鑄鋼冷卻壁和球墨鑄鐵冷卻壁的各個(gè)點(diǎn)的溫度都上升。水速為3.0m/s,爐內(nèi)溫度800℃時(shí),水溫升高10℃,球墨鑄鐵冷卻壁熱面溫度由410℃升高到501℃,鑄鋼冷卻壁熱面溫度由282℃升高到396℃;爐內(nèi)溫度為1200℃時(shí),球墨鑄鐵冷卻壁熱面溫度由683℃升高到795℃,鑄鋼冷卻壁熱面溫度由305℃上升至446℃。冷卻水流速3.0m/s,水溫30℃時(shí),爐內(nèi)溫度800℃,球墨鑄鐵冷卻壁熱面溫度為410℃,冷熱面溫差為148℃;鑄鋼冷卻壁熱面溫度為282℃,冷熱面溫差為140℃;爐內(nèi)溫度為1200℃時(shí),球墨鑄鐵冷卻壁熱面溫度為683℃,冷熱面溫差為308℃,鑄鋼冷卻壁熱面溫度為305℃,冷熱面溫差為148℃。相同流速和相同爐內(nèi)溫度條件下的,鑄鋼冷卻壁熱面溫度始終低于球墨鑄鐵冷卻壁,冷熱面溫差也低于球墨鑄鐵冷卻壁。冷卻水流速由3.0m/s提高到11.93m/s時(shí),進(jìn)水溫度30℃,爐內(nèi)溫度為800℃時(shí),球墨鑄鐵冷卻壁熱面溫度由683℃下降到676℃,鑄鋼冷卻壁熱面溫度由305℃下降到298℃?？梢?達(dá)到確定條件后,提高冷卻水水速對冷卻壁熱面溫度影響不大。3高爐冷卻系統(tǒng)的熱應(yīng)力(1)鑄鋼和球墨鑄鐵導(dǎo)熱系數(shù)差別不大,但是由于球墨鑄鐵冷卻壁水管和本體之間存在涂料和氣隙熱阻層,從而影響了球墨鑄鐵冷卻壁的導(dǎo)熱性能。因此相同條件下,球墨鑄鐵冷卻壁的熱面溫度高于鑄鋼冷卻壁熱面溫度。進(jìn)水溫度40℃,水速3.0m/s時(shí),球墨鑄鐵冷卻壁的熱面溫度在1200℃時(shí)為790℃,高于球墨鑄鐵的相變溫度,對冷卻壁的壽命有不利影響。而鑄鋼冷卻壁的熱面溫度為446℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相變溫度,因此可以持久作業(yè)。(2)球墨鑄鐵冷卻壁冷熱面溫差高于鑄鋼冷卻壁,即其相應(yīng)溫度梯度和熱應(yīng)力均高于鑄鋼冷卻壁。在高爐工作過程中,熱應(yīng)力長時(shí)間的作用,再加上球墨鑄鐵本身韌性低于鑄鋼,很容易使球墨鑄鐵冷卻壁在熱應(yīng)力的作用下破壞。(3)冷卻水進(jìn)水溫度升高時(shí),冷卻壁各個(gè)點(diǎn)的溫度都有大幅度升高,所以在高爐操作過程中保持冷卻水溫度相對穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)也是很有必要的。且冷卻水流速達(dá)到一定數(shù)值后,提高冷卻水水速對冷卻壁熱面溫度影響不大,而產(chǎn)生的動力損失和設(shè)備損耗是相當(dāng)大的。(4)