消失模工藝生產(chǎn)的球墨鑄鐵冷卻壁熱態(tài)分析

消失模工藝生產(chǎn)的球墨鑄鐵冷卻壁熱態(tài)分析

高性能焊接壁的研究和開發(fā)一直是鐵路工人關(guān)注的中心主題。提高球墨鑄鐵冷卻壁的冷卻性能,對于煉鐵企業(yè)具有很大經(jīng)濟意義。消失模鑄造是21世紀鑄造業(yè)的革命性進步,被譽為綠色鑄造,利用消失模工藝生產(chǎn)冷卻壁可以有效提升鑄件質(zhì)量,同時生產(chǎn)工藝簡單、利于環(huán)保、節(jié)約成本。研究冷卻壁的方法通常有兩種,熱態(tài)實驗和數(shù)值模擬。本文針對某公司消失模工藝生產(chǎn)的球墨鑄鐵冷卻壁,進行1∶1熱態(tài)實驗,重點研究爐氣溫度、冷卻水速等對冷卻壁溫度分布的影響。同時建立三維穩(wěn)態(tài)傳熱模型,計算得到冷卻壁的溫度分布。1磁體摩擦壁的熱態(tài)實驗1.1冷卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)熱態(tài)實驗?zāi)M高爐冷卻壁完全裸露在高溫煤氣下的溫度分布情況。冷卻壁采用消失模工藝生產(chǎn)的“四進四出”搗料型球墨鑄鐵冷卻壁(QT400-18),冷卻壁尺寸為1680mm×800mm×240mm,具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。確認系統(tǒng)各部分狀況良好后,開始點火、升溫,在一定水速條件下(1.2m/s),使爐溫分別達到800、900、1000和1100℃,待每一階段冷卻壁的溫度數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,再進入下一階段。爐溫穩(wěn)定在1100℃后,調(diào)節(jié)使進水流速分別穩(wěn)定在2.0、1.5、1.0和0.5m/s。實驗結(jié)束后,關(guān)閉油泵、燃油器,降溫,停水。1.2熱態(tài)實驗的結(jié)果分析1.2.1爐溫上升的影響冷卻水速為1.2m/s、爐溫在800~1109℃范圍內(nèi),冷卻壁厚度方向上的溫度變化曲線如圖1。可以看出,當爐溫從800℃上升到1109℃時,冷卻壁冷面溫度由105℃上升到196℃,冷卻壁熱面溫度由514℃上升到806℃,二者分別上升了91℃和292℃。隨爐溫升高,冷卻壁冷面溫度較緩慢升高,冷卻壁熱面溫度急劇升高,冷熱面溫差逐漸增大,這表明爐溫變化對冷卻壁熱面溫度分布的影響要大于其對冷卻壁冷面溫度分布的影響。1.2.2冷卻水速不同的影響圖2為爐溫1109℃、水速在0.5~2.0m/s范圍內(nèi),冷卻壁厚度方向的溫度變化?？梢钥闯?當冷卻水速由0.5m/s增大到2.0m/s時,冷卻壁熱面溫度下降25℃,冷面溫度下降12℃。這表明增加冷卻水速可以降低冷卻壁壁體溫度,但效果不明顯。這是因為在鑄鐵冷卻壁水管和壁體之間存在一定厚度涂層和氣隙,該涂層和氣隙是冷卻壁傳熱的限制性環(huán)節(jié)。另外冷卻水速增加1倍,壓力損失增加3倍,因此通過提高水速來加強冷卻是不經(jīng)濟的。1.3冷卻壁壁體與冷卻水的綜合傳熱系數(shù)式中:Q為冷卻水帶走的熱量,W;hw為冷卻壁壁體與冷卻水的綜合換熱系數(shù),W/(m2·℃);A為水管的外表面積,m2;Tb為水管外壁與壁體接觸的平均溫度,℃;Tw為冷卻水的平均溫度,℃。把不同爐溫的熱態(tài)實驗數(shù)據(jù)代入式(1)可以得出綜合換熱系數(shù)hw,結(jié)果如表2。結(jié)果表明,冷卻壁壁體與冷卻水的綜合換熱系數(shù)平均為228W/(m2·℃)。日本水島制鐵所實驗表明,普通涂層鑄鐵冷卻壁本體與冷卻水之間的綜合傳熱系數(shù)hw為200~350W/(m2·℃),日本新日鐵開發(fā)第四代冷卻壁計算所采用的hw為210~240W/(m2·℃),可見,消失模生產(chǎn)的鑄鐵冷卻壁冷卻性能與日本新日鐵第四代冷卻壁相近,可以滿足高爐長壽要求。2由朱爾默鑄造鐵的溫度分布模擬中確定的因素2.1傳熱的充放電溫度及冷卻壁的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立冷卻壁三維穩(wěn)態(tài)傳熱模型,模型簡化如下:(1)取原冷卻壁的1/4為研究對象;(2)假設(shè)在所有傳熱表面上,傳熱系數(shù)保持不變,同時假設(shè)環(huán)境溫度、爐氣溫度和冷卻水溫度在各自的作用面上分布均勻,并保持為常數(shù);(3)忽略冷卻壁上與傳熱關(guān)系很小的結(jié)構(gòu),如吊環(huán)及水管在冷卻壁外的延長部分等;(4)冷卻壁側(cè)面和底面視為絕熱情況。鑄鐵冷卻壁的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。鑄鐵冷卻壁物理模型如圖3。2.2界條件根據(jù)文獻及鑄鐵冷卻壁熱態(tài)實驗確定的邊界條件如表3。球墨鑄鐵和搗打料(SiC)的導熱系數(shù)分別為35W/(m·℃)和14W/(m·℃)。2.3模擬結(jié)果與討論2.3.1搗打料導熱系數(shù)對燕尾槽表面溫度的影響爐溫1100℃時,模擬得到球墨鑄鐵冷卻壁的溫度分布如圖4。從圖4(a)可以看出,由于搗打料的導熱系數(shù)較小,導熱能力差,造成燕尾槽表面的溫度明顯高于冷卻壁鐵筋表面溫度。從圖4(b)可以看出,從冷卻壁壁體熱面到冷面,溫度逐漸降低,冷卻水管冷面附近的溫度最低。2.3.2熱態(tài)實驗結(jié)果的對比曲線模擬得到球墨鑄鐵冷卻壁沿厚度方向的溫度變化與熱態(tài)實驗結(jié)果的對比曲線如圖5?？梢钥闯?模擬結(jié)果略高于熱態(tài)實驗值,二者基本吻合,表明數(shù)值模擬方法可以滿足鑄鐵冷卻壁工程研究的要求。3試驗結(jié)果分析(1)消失模工藝生產(chǎn)的球墨鑄鐵冷卻壁壁體與冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)為228W/(m2·℃),與日本新日鐵第四代冷卻壁相近,可以滿足高爐長壽要求。(2)熱態(tài)實驗表明