消失模工藝生產(chǎn)的鑄鐵冷卻壁熱阻分析

消失模工藝生產(chǎn)的鑄鐵冷卻壁熱阻分析

研磨壁是廣泛應(yīng)用于中、小、高爐的冷卻設(shè)備之一。傳統(tǒng)的球墨鑄鐵冷卻壁采用砂型工藝生產(chǎn),存在造型困難、質(zhì)量不穩(wěn)定、工序復(fù)雜、生產(chǎn)成本高等問題。利用消失模工藝生產(chǎn)的冷卻壁可以有效的提升鑄件質(zhì)量,同時(shí)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單,能源消耗較少,可有效降低成本。為測(cè)試消失模工藝生產(chǎn)的球墨鑄鐵冷卻壁的熱態(tài)性能,本研究設(shè)計(jì)并建造了冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)爐,并利用該試驗(yàn)爐模擬冷卻壁在高爐內(nèi)熱面無鑲磚且無渣皮保護(hù)的極限工作狀況,分別測(cè)試了冷卻壁在800℃、900℃、1000℃及1100℃的不同溫度條件下和0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s及2.0m/s的不同水速條件下工作時(shí)的換熱性能。同時(shí),本文從傳熱學(xué)的角度對(duì)試驗(yàn)冷卻壁的傳熱性能進(jìn)行了計(jì)算,分析了不同水管涂層工藝的優(yōu)劣,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。1試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)1.1溫度變化規(guī)律試驗(yàn)裝置如圖1所示,主要由3部分組成:熱態(tài)試驗(yàn)爐系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)及信息采集系統(tǒng)。試驗(yàn)爐系統(tǒng)采用柴油燒嘴作為加熱器,燒嘴上方砌筑一層厚約200mm的格子磚,使燃燒后的高溫氣流在爐膛內(nèi)均勻分布,以獲得均勻、穩(wěn)定的爐溫。在冷卻水進(jìn)水水箱處設(shè)有熱電阻測(cè)量進(jìn)水溫度,并在每根支管上設(shè)有電磁流量計(jì)測(cè)量進(jìn)水流量。每根出水管出水處均設(shè)有熱電阻來測(cè)量出水溫度。每根進(jìn)水管和出水管均設(shè)有壓力變送器,可實(shí)時(shí)記錄進(jìn)出水壓力。本試驗(yàn)系統(tǒng)采用兩臺(tái)32路智能數(shù)字巡檢儀來記錄熱電阻、熱電偶、電磁流量計(jì)等傳感器的數(shù)據(jù)信息,可實(shí)現(xiàn)秒級(jí)的自動(dòng)連續(xù)信息采集,結(jié)果準(zhǔn)確可靠。1.2尾槽冷卻工藝試驗(yàn)冷卻壁尺寸為1680mm×800mm,冷卻壁熱面均勻的設(shè)有寬度為80mm,深度為100mm的燕尾槽,燕尾槽內(nèi)用碳化硅質(zhì)耐火材料填充并搗實(shí),冷卻壁總厚度(含燕尾槽)為240mm。冷卻壁采用“四進(jìn)四出”的冷卻結(jié)構(gòu),冷卻水管外徑為60mm,壁厚6mm。1#、2#冷卻水管采用噴涂工藝在水管外制作涂層,涂層厚度為0.15mm;3#、4#水管采用人工刷涂工藝,涂層厚度為0.25mm。冷卻壁內(nèi)熱電偶布置位置如圖2所示。2熱面無鑲磚且無渣皮保護(hù)的極限工況本次熱態(tài)試驗(yàn)主要目的是考察消失模工藝生產(chǎn)的球墨鑄鐵冷卻壁在不同冷卻水流速條件下和不同爐溫條件下的傳熱性能,同時(shí)對(duì)比兩種水管涂層工藝的優(yōu)劣,因此試驗(yàn)主要分為兩部分進(jìn)行。在兩部分試驗(yàn)中,冷卻壁均工作在熱面無鑲磚且無渣皮保護(hù)的極限工況下。(1)固定冷卻水速條件下,調(diào)節(jié)爐溫。進(jìn)行這一部分試驗(yàn)時(shí),冷卻水的流速為1.2m/s,同時(shí)通過調(diào)節(jié)燒嘴的油量和鼓風(fēng)量使?fàn)t溫在某一個(gè)固定的溫度上穩(wěn)定一段時(shí)間,待冷卻壁溫度數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,讀取壁體內(nèi)各測(cè)溫點(diǎn)的溫度并記錄。然后調(diào)節(jié)油量和風(fēng)量,進(jìn)入下一個(gè)溫度階段。試驗(yàn)時(shí)控制的爐內(nèi)溫度如表1所示。(2)固定爐溫條件下,調(diào)節(jié)冷卻水速。進(jìn)行本部分試驗(yàn)時(shí),固定熱態(tài)爐爐內(nèi)溫度為1000℃,同時(shí)調(diào)節(jié)冷卻水水速至一較大的值,并按照表2所示的方案使水速減小并在各設(shè)計(jì)值上穩(wěn)定一段時(shí)間,待冷卻壁壁體內(nèi)各測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后讀取并記錄數(shù)據(jù),然后調(diào)節(jié)水速閥門,進(jìn)入下一階段。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1爐溫波動(dòng)時(shí)溫度波動(dòng)的影響圖3顯示了冷卻水流速1.2m/s,爐溫分別為800℃、900℃、1000℃、1100℃條件下冷卻壁本體在不同深度處的溫度分布。圖中A1、A2、A3和A4熱電偶插入冷卻壁壁體內(nèi)深度(即離開冷面的距離)分別為19mm、71mm、146mm和236mm。圖3表明,在不同試驗(yàn)條件下,僅當(dāng)爐溫為1100℃時(shí),靠近冷卻壁熱面10mm以內(nèi)的壁體溫度高于760℃(冷卻壁允許工作最高溫度);在其他條件下,冷卻壁壁體溫度均保持在760℃以下。在冷卻壁本體內(nèi)部,溫度由冷面到熱面分布基本上為線性增加,在靠近熱面時(shí)急劇增加,即爐溫變化時(shí)對(duì)冷卻壁熱面溫度所產(chǎn)生的影響要遠(yuǎn)大于對(duì)冷面的影響。以圖3中爐溫1100℃曲線為例,由A1位置到A3位置,熱電偶插入深度由19mm增加至146mm,測(cè)得溫度由229℃上升至413℃,即平均每離開冷面1mm,溫度上升1.45℃;進(jìn)入肋部以后,由A3位置到A4位置,熱電偶插入深度由146mm上升至236mm,測(cè)得溫度由413℃上升至802℃,平均每離開冷面1mm,溫度上升4.32℃。文獻(xiàn)表明,在冷卻壁內(nèi)部由冷面到熱面,溫度的變化曲線是接近直線的,而在冷卻壁熱面肋部溫度梯度則急劇增大,本試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)資料一致,這說明冷卻壁熱面溫度受爐溫波動(dòng)的影響較大,在沒有鑲磚保護(hù)且不能掛渣時(shí)極易受到破壞。綜合以上的分析可知,當(dāng)爐溫發(fā)生變化時(shí),將對(duì)冷卻壁本體的溫度分布產(chǎn)生很大的影響,而當(dāng)冷卻壁熱面失去鑲磚和渣皮的保護(hù)后,這種影響作用將更加明顯,因此在高爐生產(chǎn)過程中需要保證大小合理且穩(wěn)定的邊緣氣流以延長(zhǎng)冷卻壁壽命。3.2冷卻水速提升至2.0m/s圖4顯示了爐溫為1000℃,冷卻水速分別為0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s時(shí)冷卻壁本體內(nèi)不同深度處溫度的變化情況。當(dāng)冷卻水速由0.5m/s提升至2.0m/s時(shí),熱電偶A1(近冷面)測(cè)得溫度由214℃下降至188℃,共下降26℃;而熱電偶A4(近熱面)測(cè)得溫度由696℃下降至683℃,共下降13℃。上述數(shù)據(jù)表明,在冷卻壁熱面無鑲磚且無渣皮保護(hù)的極限工作條件下,當(dāng)冷卻水速提高時(shí),可以在一定程度上降低冷卻壁本體溫度,但降低的幅度較小。同時(shí),提高水速對(duì)冷卻壁熱面溫度影響要小于對(duì)冷面的影響。文獻(xiàn)表明,當(dāng)水速增大1倍時(shí),相應(yīng)的阻力損失要增加3倍,通過提高水速來降低冷卻壁熱面溫度是不經(jīng)濟(jì)的。3.3不同爐溫條件下冷卻效果對(duì)比為改進(jìn)冷卻壁生產(chǎn)工藝,降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率,本次冷卻壁生產(chǎn)過程中,1、2號(hào)水管表面的涂層采用新型的噴涂工藝,涂層厚度0.15mm,而3、4號(hào)水管采用傳統(tǒng)的人工刷涂工藝,涂層厚度0.25mm。選取A5和B5兩只熱電偶的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析,這兩只熱電偶的插入深度為146mm,位于冷卻水管與壁體熱面之間,測(cè)得在不同爐溫條件下溫度變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖5可以看出,A5溫度比B5溫度略低。說明A5附近水管導(dǎo)熱性較好,冷卻能力較強(qiáng)。當(dāng)爐溫較高的時(shí)候,A5與B5的差異更加明顯,即采用人工刷涂工藝的水管一側(cè)溫度上升比采用噴涂工藝的一側(cè)更明顯。3.4爐溫對(duì)角部溫度的影響冷卻壁邊角部位遠(yuǎn)離水管,是冷卻壁冷卻的死角,因此冷卻壁邊角部位的溫度分布需要得到更高的關(guān)注。由于冷卻水速變化對(duì)冷卻壁本體溫度分布影響比較小,因此選取C1熱電偶及B1號(hào)熱電偶在不同爐溫條件下的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。其中C1熱電偶插入冷卻壁深度為102mm,B1熱電偶插入深度為106mm,二者插入深度相近。將上述兩只熱電偶在不同爐溫下的測(cè)量結(jié)果繪制曲線如圖6所示。圖6顯示,在不同的爐溫條件下,C1號(hào)熱電偶溫度(即冷卻壁角部溫度)均比B1(即正常冷卻部位)高。在800℃、900℃、1000℃和1100℃的不同條件下角部溫度分別比正常冷卻位置高出35℃、39℃、39℃和83℃。即爐溫越高,冷卻壁角部溫度與正常冷卻位置的差值也將越大,這是由于球墨鑄鐵冷卻壁本身熱導(dǎo)率的變化引起的。球墨鑄鐵常溫下熱導(dǎo)率為27.8W/(m·K),300℃時(shí)為30.4W/(m·K),此后隨溫度升高而下降,700℃時(shí)降低至22.4W/(m·K),即冷卻壁邊角位置的傳熱效率將越來越低,造成冷卻壁邊角位置溫度急劇上升。冷卻壁本體上不同位置間過大的溫差將在壁體內(nèi)引起很大熱應(yīng)力,進(jìn)而產(chǎn)生橫向或者縱向微裂紋,微裂紋發(fā)展到一定程度時(shí)造成冷卻壁開裂漏水。在高爐生產(chǎn)過程中,當(dāng)冷卻壁熱面測(cè)點(diǎn)顯示的溫度較高時(shí),需要對(duì)角部的溫度加以特別關(guān)注,避免冷卻壁從邊角部位開始發(fā)生破壞。4冷卻壁厚度的計(jì)算宋陽升等人經(jīng)過計(jì)算表明,冷卻壁本體與冷卻水之間的傳熱存在以下4個(gè)熱阻:(1)水管內(nèi)表面與冷卻水之間的對(duì)流換熱熱阻Rα,采用如下公式計(jì)算:式中:α為水管內(nèi)表面與冷卻水間的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K),do為水管外徑,m,di為水管內(nèi)徑,m。其中α采用下式進(jìn)行計(jì)算:式中:v為水管內(nèi)冷卻水流速,m/s,λ為水的熱導(dǎo)率,W/(m·K);Cp為水的比熱容,J/(kg·℃);ρ為水的密度,kg/m3。(2)水管管壁的導(dǎo)熱熱阻Rw,采用下式計(jì)算:式中:λw為水管管壁的熱導(dǎo)率,W/(m·K)。(3)水管表面涂層的導(dǎo)熱熱阻Rc,采用下式計(jì)算:式中:δc為涂層的厚度,m;λc為涂層的熱導(dǎo)率,W/(m·k)。(4)水管管壁與本體間的氣隙熱阻Rg,采用下式計(jì)算:其中εsy=1/(1/εs+1/εc-1),θ=[(T2/100)4-(Tc/100)4]/(T2-Tc),式中:δg為管壁與本體間的氣隙厚度,m;λg為氣隙中氣體的熱導(dǎo)率,W/(m·K);εs和εc為冷卻壁本體和涂層的厚度;T2和Tc為冷卻壁本體與氣隙接觸面溫度及涂層表面溫度,K;C0為黑體輻射常數(shù),5.67W/(m2·K4)。根據(jù)以上公式,代入冷卻壁參數(shù)進(jìn)行熱阻計(jì)算,各參數(shù)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,而涂層厚度δc分別取0.15mm和0.25mm進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得出Ra=0.2133×10-3(m2·K)/W,RW=0.1339×10-3(m2·K)/W,當(dāng)涂層厚度為0.15mm時(shí),Rc=0.1875×10-3(m2·K)/W,而涂層厚度為0.25mm時(shí),Rc=0.3125×10-3(m2·K)/W,Rg=3.735×10-3(m2·K)/W。采用自動(dòng)噴涂和人工刷涂?jī)煞N工藝時(shí),冷卻壁壁體與冷卻水之間換熱的總熱阻分別為4.2697×10-3(m2·K)/W和4.3947×10-3(m2·K)/W,則相應(yīng)計(jì)算得到采用刷涂法和采用噴涂法兩種涂層工藝生產(chǎn)的冷卻壁其壁體與冷卻水之間的等效換熱系數(shù)αc分別為227.5W/(m2·K)和234.2W/(m2·K)。日本新日鐵在開發(fā)第四代冷卻壁的時(shí)候采用的αc值是210~240W/(m2·K),這表明本文對(duì)冷卻壁熱阻的計(jì)算是可信的,且由消失模工藝生產(chǎn)的冷卻壁可以滿足高爐爐腰爐腹位置的安全應(yīng)用要求。由于冷卻壁冷面與空氣對(duì)流換熱所帶走的熱量很小,可以忽略不計(jì),因此可近似認(rèn)為冷卻水溫度升高所帶走的熱量即為冷卻壁本體和冷卻水對(duì)流換熱交換的熱量,即:式中:M為水管內(nèi)單位時(shí)間通過的冷卻水的質(zhì)量,kg/s;Δt和ΔT分別為冷卻水進(jìn)出水溫差和冷卻壁本體與冷卻水間的等效溫差,℃;A為冷卻壁面積,m2。當(dāng)爐溫為1000℃,冷卻水速為1.5m/s時(shí),試驗(yàn)測(cè)得冷卻壁4根水管的平均水溫差為1.8℃,利用上式計(jì)算得到αc分別為234.2W/(m2·K)和227.5W/(m2·K)時(shí),冷卻壁本體與冷卻水間的等效溫差分別為194.6℃和200.3℃。若近似認(rèn)為冷卻水溫度相同,則上述計(jì)算結(jié)果表明采用噴涂水管涂層工藝生產(chǎn)冷卻壁與采用刷涂水管涂層工藝的冷卻壁相比,壁體內(nèi)相對(duì)應(yīng)位置的溫度前者要比后者低5.7℃左右。而在爐溫1000℃,冷卻水速1.5m/s條件下,1、2號(hào)水管之間熱電偶A5(插入深度146mm)測(cè)得溫度為264℃,而3、4號(hào)水管之間熱電偶B5(插入深度146mm)測(cè)得溫度為271℃,兩者相差7℃,與計(jì)算所得的5.7℃基本吻合,進(jìn)一步證明試驗(yàn)冷卻壁內(nèi)左側(cè)和右側(cè)導(dǎo)熱性能的差異是由水管涂層引起的,且采用噴涂工藝要優(yōu)于人工刷涂工藝。5冷卻壁溫度分布及使用過程中的問題(1)冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明,在冷卻壁表面無渣皮和鑲磚的極限條件下,由消失模工藝生產(chǎn)的冷卻壁基本上能保證壁體溫度在允許使用溫度之下;熱阻計(jì)算結(jié)果表明,此工藝生產(chǎn)的冷卻壁等效換熱系數(shù)值約在230W/(m2·K)左右,其傳熱性能滿足中小高爐爐腰爐腹位置的使用要求。(2)冷卻壁本體溫度隨爐溫上升而上升,且爐溫越高,本體溫度上升趨勢(shì)越明顯,同時(shí)爐溫變化對(duì)冷卻壁熱面的影響更加明顯,因此在生產(chǎn)過程中需要控制合理的邊緣煤氣流分布,延長(zhǎng)冷卻壁使用壽命。(3)在冷卻壁的極限工作條件下,冷卻水流速的提升對(duì)