高爐鑄銅冷卻壁熱應(yīng)力和熱變形的研究

高爐鑄銅冷卻壁熱應(yīng)力和熱變形的研究

為了使高架上的可靠性超過20年，中國的建筑業(yè)采用了高架上的銅冷卻壁。銅冷卻壁的制造技術(shù)按冷卻通道形成方式分為:鉆孔銅冷卻壁和冷卻通道直接成型的鑄銅冷卻壁.鉆孔銅冷卻壁包括軋制銅坯鉆孔銅冷卻壁和連鑄銅坯鉆孔鑄銅冷卻壁,冷卻通道直接成型的銅冷卻壁包括使用芯棒的直接成型鑄銅冷卻壁以及埋純銅管的鑄銅冷卻壁.鉆孔銅冷卻壁冷卻性能優(yōu)良,已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用.但是,采用鉆孔技術(shù)冷卻通道不能在壁體內(nèi)自由布置;高爐風(fēng)口和鐵口等部位特殊形狀的冷卻壁需要拼接,制造難度大;而且,采用焊接的方式“接管”、“堵孔”比較困難(必須將工件預(yù)熱至700～800℃),焊接過程中容易形成應(yīng)力集中、裂紋和夾渣等缺陷.相比較而言,冷卻通道直接成型的鑄銅冷卻壁彌補(bǔ)了鉆孔銅冷卻壁的技術(shù)缺陷,成本大大降低,但鑄造工藝復(fù)雜.外國已成功開發(fā)了使用芯棒的直接成型鑄銅冷卻壁,并在多座高爐上應(yīng)用;本文所介紹的埋純銅管鑄銅冷卻壁制造工藝是在石墨鑄型內(nèi)落入彎制成型的純銅管,然后澆入銅水成型.它的技術(shù)難題是保證本體與埋管間實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合,消除間隙.本文通過熱態(tài)試驗(yàn)證明了埋純銅管鑄銅冷卻壁與軋制銅冷卻壁冷卻能力相當(dāng),熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明鑄銅冷卻壁不會在高熱負(fù)荷下出現(xiàn)疲勞裂紋,能夠滿足長壽高爐的要求.杭鋼2號高爐工業(yè)測試說明埋純銅管鑄銅冷卻壁在高爐上應(yīng)用的可行性.1熱態(tài)實(shí)驗(yàn)與研究1.1孔隙率的結(jié)構(gòu)參數(shù)埋管式鑄銅冷卻壁的本體澆注料為T1電解銅,埋入冷卻壁中的銅管材質(zhì)為T2銅.材料Cu≥99.7%.其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:冷卻壁尺寸1852×820×130mm;冷卻通道為貫通式,沿壁體高度方向共有4條,在寬度方向均勻分布,通道中心間距為200mm,通道為扁孔型,孔的規(guī)格50×76.5mm;水管中心線離冷面距離45mm;鑲磚厚40mm,鑲磚面積44%.燕尾槽鑲磚為工業(yè)用粘土耐火澆注料.1.2熱態(tài)實(shí)驗(yàn)和熱沖擊試驗(yàn)熱態(tài)試驗(yàn)裝置包括四部分:冷卻壁試驗(yàn)爐、柴油燃燒室、水循環(huán)系統(tǒng)和測試系統(tǒng).試驗(yàn)爐提供高爐冷卻壁的模擬熱環(huán)境;柴油燃燒室為試驗(yàn)爐提供穩(wěn)定均勻的熱源;水循環(huán)系統(tǒng)則為冷卻壁提供所需的冷卻水,并保證在較大的范圍內(nèi)對流量(流速)、溫度進(jìn)行調(diào)節(jié);測試系統(tǒng)包括流量計(jì)、溫度計(jì)、熱電偶數(shù)據(jù)采集儀表.熱態(tài)實(shí)驗(yàn)為模擬高爐冷卻壁熱面完全裸露在高溫煤氣下的溫度分布情況.熱態(tài)實(shí)驗(yàn)的目的是測量不同條件下冷卻壁的溫度分布和熱流密度.為使測量準(zhǔn)確,需要使進(jìn)水口水溫盡量保持恒定,因此本試驗(yàn)用水泵直接從江河中抽取循環(huán)水,并通過下水道排入江河中.該系統(tǒng)無需換熱裝置,具有方便、準(zhǔn)確的效果.試驗(yàn)冷卻壁有4個冷卻水通道,為增大進(jìn)出水溫差、減小測量誤差,在試驗(yàn)時將冷卻水管串連為二進(jìn)二出.本試驗(yàn)共布置了60只鎳鉻-鎳硅熱電偶,測點(diǎn)位置和深度根據(jù)需要決定.為保證測量的準(zhǔn)確性,用電容焊接機(jī)將熱電偶焊在測孔底部.其中3只熱電偶用于監(jiān)測靠近冷卻壁熱面的爐內(nèi)溫度變化.在確認(rèn)系統(tǒng)各部分狀況良好的情況下開始點(diǎn)火,使系統(tǒng)升溫,爐溫從室溫升高到1270℃,壁內(nèi)冷卻通道水速在0.735～2.58m/s之間變化,在爐溫達(dá)到穩(wěn)態(tài)后記錄試驗(yàn)結(jié)果.進(jìn)水溫度一直保持在26.4℃左右,出水溫度隨著水速發(fā)生變化,最高溫度達(dá)到45.9℃.排出的煙氣溫度最高達(dá)717℃.在試驗(yàn)結(jié)束前進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn).1.3熱面溫度持續(xù)增加時熱面溫度較高,但熱面溫度較低,但熱面溫度較高,但熱面溫度較低.針對熱流密度.根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出鑄銅冷卻壁在不同爐溫下的熱流密度、平均熱面溫度和最高熱面溫度之間的關(guān)系,如圖1所示.根據(jù)對銅冷卻壁的破損研究知,純銅在250℃以上其抗拉強(qiáng)度下降較快.因此,一般將230℃作為高爐內(nèi)峰值熱流密度下銅冷卻壁的最高工作溫度,而長期的熱面工作溫度應(yīng)低于150℃.圖1顯示,試驗(yàn)鑄銅冷卻壁熱流密度181.8kW/m2時,熱面平均溫度176℃,熱面最高溫度(角部)235℃.可見,裸露的鑄銅冷卻壁可以承受的熱負(fù)荷為180kW/m2.可以推算,當(dāng)熱流密度為250kW/m2時,熱面平均溫度228℃,角部熱面溫度高達(dá)275℃,角部溫度已經(jīng)超過了安全工作溫度.但由于鑄銅冷卻壁裸露狀態(tài)下熱面溫度仍然很低,渣皮從脫落到形成時間非常短,所以短時間內(nèi)鑄銅冷卻壁也可以承受250kW/m2的熱負(fù)荷.熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明:鑄銅冷卻壁與軋制銅冷卻壁冷卻能力相當(dāng),完全滿足了高爐高熱負(fù)荷區(qū)的要求.雖然鑄造銅在溫度高于350℃時會發(fā)生晶粒長大和微觀組織結(jié)構(gòu)劣化的現(xiàn)象,但在實(shí)際操作中鑄銅冷卻壁的壁體溫度不會達(dá)到此溫度.2對鑄造銅壁的熱應(yīng)力和熱變形的分析2.1溫度變化的影響根據(jù)冷卻壁的對稱性,截取熱態(tài)試驗(yàn)鑄銅冷卻壁1/4作為計(jì)算模型,在建立有限元模型時,為了計(jì)算鑄銅冷卻壁的最大變形量,忽略了爐殼對冷卻壁變形的限制作用.將壁體、定位銷和鑲磚看作連續(xù)體考慮.利用ANSYS材料特性隨溫度變化的處理功能,對各種材料參數(shù)隨溫度變化進(jìn)行設(shè)置.(1)爐襯導(dǎo)熱系數(shù)冷卻壁溫度場的分析是冷卻壁熱應(yīng)力和熱變形分析的重要前提條件,因此先計(jì)算冷卻壁的溫度分布.高爐冷卻壁和爐襯的傳熱可視為導(dǎo)熱問題來處理,穩(wěn)態(tài)條件下,三維導(dǎo)熱微分方程為:∑i??xi(λ(Τ)?Τ?xi)=0∑i??xi(λ(T)?T?xi)=0式中,λ(T)是與溫度有關(guān)的導(dǎo)熱系數(shù),W/m·℃;i=1,2,3,表示三維,即x,y,z軸.(2)熱邊界條件利用裸露鑄銅冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定熱邊界條件列于表1.從表中看出,鑄銅冷卻壁爐內(nèi)綜合換熱系數(shù)是隨爐溫變化的.(3)物理參數(shù)有限元計(jì)算中使用的相關(guān)物性參數(shù)主要根據(jù)廠家測定的數(shù)據(jù)并參考有關(guān)文獻(xiàn)手冊確定,見表2所示.(4)計(jì)算模型的驗(yàn)證根據(jù)表1的邊界條件計(jì)算出鑄銅冷卻壁的溫度分布,計(jì)算值與實(shí)測值基本吻合(見圖2).由此可見,鑄銅冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)確定的熱邊界條件及溫度場計(jì)算模型準(zhǔn)確可靠,完全滿足鑄銅冷卻壁工程研究的要求.2.2應(yīng)力大學(xué)屬性表表變形公式冷卻壁工作條件惡劣,它要不斷承受溫度的變化,溫度的變化將引起壁體熱應(yīng)力的產(chǎn)生.壁體應(yīng)力超過其允許拉伸強(qiáng)度就會促進(jìn)裂紋的產(chǎn)生,若超過疲勞強(qiáng)度,經(jīng)過多次不穩(wěn)定溫度變化則會引起疲勞裂紋,最終導(dǎo)致冷卻壁破損.所以,有必要對冷卻壁在工作中的各種應(yīng)力、特別是熱應(yīng)力進(jìn)行定量的分析.在進(jìn)行熱應(yīng)力分析時,與材料的顯熱相比,認(rèn)為因變形產(chǎn)生的熱量可以忽略不計(jì),不考慮自身質(zhì)量的影響.根據(jù)熱彈性理論,有如下應(yīng)力協(xié)調(diào)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)幾何方程{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分別表示x、y、z三個方向的主應(yīng)力;τxy、τyz、τzx表示剪應(yīng)力,εx、εy、εz分別表示x、y、z三個方向的主應(yīng)變;u、v、w分別表示x、y、z三個方向的位移,γxy、γyz、γzx表示剪應(yīng)變,E為彈性模量,μ為泊松比,α為熱膨脹系數(shù),G=E2(1+μ)為剪切彈性模量,T0為初始溫度.2.3冷卻壁邊界的確定高爐冷卻壁是用四個(或五個)定位銷固定在爐殼上,相鄰冷卻壁之間及爐殼與冷卻壁之間留有膨脹間隙,其目的就是緩沖熱應(yīng)力.為了保證良好的導(dǎo)熱性,膨脹間隙內(nèi)灌入炭質(zhì)填料,導(dǎo)致填料與冷卻壁之間產(chǎn)生一定的接觸壓力.為此,本文采用如下力學(xué)邊界條件進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算.冷卻壁的底面和側(cè)面分別為自由邊界、固定約束、受10Mpa、30MPa、50Mpa和100MPa接觸壓力的作用,上對稱面和側(cè)對稱面設(shè)置為對稱邊界,在爐殼的4個定位銷上施加固定約束,冷面和熱面為自由邊界.2.4熱應(yīng)力和熱變形的結(jié)果表明(1)邊緣接觸壓力對鑄銅冷卻壁熱應(yīng)力的影響將爐溫為1153℃冷卻壁溫度計(jì)算數(shù)據(jù)作為溫度載荷施加到求解冷卻壁熱應(yīng)力的模型上(結(jié)構(gòu)模型與傳熱模型是一個模型),物性參數(shù)的選取如表2所示,得出相同溫度分布、不同邊緣約束下鑄銅冷卻壁等效應(yīng)力分布及其變形.圖3顯示,相同爐溫下邊緣接觸壓力越小,壁體變形幅度越大.當(dāng)邊緣接觸壓力小于50MPa時,壁體熱面比冷面膨脹大,形成向熱面凸起的弓形.當(dāng)邊緣接觸壓力大于50MPa或銅冷卻壁四邊為固定約束時,壁體熱面受壓,形成向冷面凸起的弓形.計(jì)算結(jié)果與銅冷卻壁的實(shí)際變形吻合.圖4(a)、(b)顯示,高爐內(nèi)鑄銅冷卻壁所受的熱應(yīng)力與邊緣接觸壓力有關(guān).相同溫度條件下,壁體邊緣接觸壓力越大,壁體熱應(yīng)力越大.當(dāng)邊緣接觸壓力小于100MPa時,除定位銷以外,壁體其它部位等效應(yīng)力都小于160MPa,既使邊緣為固定約束,壁體應(yīng)力也在200MPa左右(除邊緣外),小于純銅的抗拉強(qiáng)度.因?yàn)榧冦~具有很好的塑性和韌性,所以在低于抗拉強(qiáng)度下工作不會產(chǎn)生疲勞裂紋.由此表明:鑄銅冷卻壁既使在沒有渣皮的極端環(huán)境下工作,也不會出現(xiàn)斷裂、破損的情況.(2)x橫向變形量1.4mm為了分析爐溫對鑄銅冷卻壁熱應(yīng)力和熱變形的影響,本文計(jì)算了接觸壓力為10Mpa,爐溫分別為1153℃和1270℃時鑄銅冷卻壁的熱應(yīng)力和熱變形.熱變形模擬計(jì)算結(jié)果顯示,兩種爐溫下壁體變形趨勢一致,爐溫1270℃下壁體變形幅度和壁體承受的熱應(yīng)力大于爐溫1153℃的變形幅度和熱應(yīng)力(見圖5、6).爐溫1270℃下x正向最大變形量1.119mm,負(fù)向最大變形量1.936mm,z正向最大變形量1.562mm,分別是爐溫1153℃下x正向最大變形量的1.18倍,負(fù)向最大變形量的1.21倍;z向最大變形量的1.44倍.可見,爐溫升高對壁體變形的影響是巨大的.兩種爐溫下壁體熱應(yīng)力都非常小,小于純銅的抗拉強(qiáng)度.從圖6(a)看出,壁體冷面邊緣熱應(yīng)力較大,爐溫的升高對邊緣熱應(yīng)力的影響也較大.這是因?yàn)殍T銅冷卻壁角部邊緣是冷卻薄弱區(qū),溫度較高.圖6(b)顯示,壁體溫度升高對壁體熱面和近熱面的熱應(yīng)力影響較大,對冷面影響較小.事實(shí)上,高爐運(yùn)行中的銅冷卻壁是靠渣皮工作,一般情況下壁體溫度很低,所以,銅冷卻壁實(shí)際變形幅度及壁體所受的熱應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上述的計(jì)算值,因而能長壽.通過銅冷卻壁熱應(yīng)力和熱變形計(jì)算得出結(jié)論:在安裝銅冷卻壁時,為了降低壁體的應(yīng)力,相鄰銅冷卻壁之間必須預(yù)留膨脹間隙.由于高爐內(nèi)的銅冷卻壁是靠渣皮工作,一般情況下的壁體溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于爐溫1270℃下裸露狀態(tài)的壁體溫度,所以,我們以爐溫1270℃、自由邊界下壁體的最大變形量作為安裝銅冷卻壁的預(yù)留膨脹間隙的最小值,即壁體冷面與爐殼之間、相鄰銅冷卻壁間的膨脹間隙不得小于2mm.為了減小定位銷與壁體、定位銷與爐殼之間的應(yīng)力,須在定位銷與冷卻壁、定位銷與爐皮、冷卻壁的水管與爐皮開孔間留有足夠的間隙,以適應(yīng)冷卻壁受熱后的膨脹.為了控制邊緣變形,應(yīng)將定位銷盡可能安裝在壁體邊緣,并在冷卻壁中部增加一個定位銷.3鄰的氧指數(shù)和溫度比較為了檢測鑄銅冷卻壁在高爐上的實(shí)際使用情況,2004年杭鋼2#高爐檢修時,在高爐的爐腰、爐腹安裝了4塊埋純銅管鑄銅冷卻壁(爐腰8層1號,爐腹7層1號、2號、36號).根據(jù)安裝需要,工業(yè)試驗(yàn)鑄銅冷卻壁與高爐用的鑄鐵冷卻壁厚度均為185mm,其中肋厚75mm,壁體厚110mm,冷卻壁前耐火磚厚度140mm.為了監(jiān)測銅壁工作情況,同時也為了與相鄰的鑄鐵冷卻壁(爐腰8層35號,爐腹7層3號)進(jìn)行比較,分別在銅壁和鐵壁內(nèi)部距熱面75mm處布置了熱電偶,在距磚襯熱面10mm的磚襯內(nèi)部設(shè)置了熱電偶.從2004年10月21號開爐到2008年4月,銅壁壁體熱電偶溫度維持在50℃左右,相鄰鑄鐵冷卻壁壁體溫度保持在70℃左右,且兩種壁體溫度比較穩(wěn)定.銅壁和鐵壁前面磚襯的熱電偶溫度維持在110～200℃,磚襯溫度波動較壁體大.從磚襯的溫度變化看不出兩種壁體的明顯差異,說明在磚襯沒有侵蝕的開爐初期,鑄銅冷卻壁優(yōu)良的冷卻性能沒有表現(xiàn)出來.隨著磚襯的侵蝕,兩者的差異越來越明顯.到2008年12月,高爐運(yùn)行4年多,冷卻壁前的磚襯已經(jīng)完全被侵蝕,冷卻壁靠渣皮工作.從采集的數(shù)據(jù)看,四塊銅壁的壁體溫度基本維持在50℃左右,說明四塊銅壁前有比較穩(wěn)定的渣皮.而相鄰的鐵壁內(nèi)熱電偶溫度在135～210℃之間頻繁波動,與開爐初期相比,溫度升高2～3倍,且變化頻率快,變化幅度大,(見圖7、8).可見,鑄鐵冷卻壁的冷卻能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鑄銅冷卻壁.2005年12月4號爐腹36號銅壁溫度有過一次大的波動(見圖9),從52℃迅速升高到103℃,30分鐘后回到正常值,表明36號銅壁出現(xiàn)了渣皮脫落現(xiàn)象.4高爐高爐熱應(yīng)力以及熱變形計(jì)算4.1熱態(tài)試驗(yàn)表明,埋純銅管鑄銅冷卻壁冷卻能力與軋制鉆孔銅冷卻壁冷卻能力相當(dāng),能承受250kW/m2的熱負(fù)荷.4.2埋純銅管