埋純銅管式鑄銅冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)研究

埋純銅管式鑄銅冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)研究

1使用芯棒的直接成型鑄銅冷卻壁在高張力的高壓下，使用銅冷卻壁是高張力的重要技術(shù)措施。銅冷卻壁的制造方法可分為鉆孔銅冷卻壁和冷卻通道直接成型的鑄銅冷卻壁,鉆孔銅冷卻壁已經(jīng)在國內(nèi)外的高爐上得到廣泛應(yīng)用,日本和英國成功開發(fā)的使用芯棒的直接成型鑄銅冷卻壁也在多座高爐上應(yīng)用。鉆孔銅冷卻壁冷卻性能優(yōu)良,但其制造成本較高。相比較而言,冷卻通道和肋一次成型的鑄銅冷卻壁不僅能發(fā)揮鑄造工藝的優(yōu)勢(shì),而且機(jī)械加工很少,制造成本大大降低。但是,由于鑄銅冷卻壁采用鑄造方法生產(chǎn),其預(yù)埋水管和本體之間的結(jié)合度(即兩者之間是否存在氣隙層)是其工藝的核心問題,氣隙層的有無和大小是衡量其工藝水平的重要指標(biāo),也是影響鑄銅冷卻壁冷卻性能的重要因素。我們開發(fā)了一種冷卻通道和肋直接成型的埋純銅管式鑄銅冷卻壁,并于2005年5月在常熟噴嘴廠冷卻壁熱態(tài)試驗(yàn)爐上進(jìn)行了模擬高爐工況的熱態(tài)試驗(yàn),重點(diǎn)考察了預(yù)埋水管和本體之間是否存在氣隙層。2熱態(tài)試驗(yàn)與結(jié)果分析2.1冷卻管網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)埋純銅管式鑄銅冷卻壁本體澆注料為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1852mm×820mm×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50mm×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)用黏土耐火澆注料。2.2爐溫和水速對(duì)冷卻壁溫度分布的影響由于熱態(tài)試驗(yàn)爐本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致下部爐溫比中部爐溫高50～70℃,中部爐溫比上部爐溫高50～70℃,而上下爐溫的平均值接近中部爐溫,所以文中提到的爐溫沒有特別說明是指中部爐溫。(1)壁體熱面溫度分析。當(dāng)爐溫為1153℃、水速為2.07m/s時(shí),本體中部熱面平均溫度為135℃,上角部熱面最高溫度為162℃,下角部熱面最高溫度240℃,這是因?yàn)闋t溫不均勻的緣故。去除爐溫不均勻的因素,取兩者的平均值得出爐溫1153℃下角部熱面最高溫度為201℃,表明角部是冷卻壁的冷卻薄弱區(qū)。(2)冷面溫度分布。本試驗(yàn)在冷卻壁的冷面共布置了18個(gè)熱電偶,當(dāng)爐溫1153℃,水速2.07m/s時(shí),冷面溫度分布情況見圖1、2。圖1顯示,在冷卻壁高度方向,冷面進(jìn)水管下端溫度最高,而在進(jìn)水口附近上端溫度迅速降為67℃,位于水管之間中部溫度基本在50～70℃之間,且分布比較均勻,之后在出水口上端又迅速上升為101℃。冷面上、下端溫度偏高是因?yàn)榻遣坷鋮s性能差的緣故,而下端溫度高于上端是試驗(yàn)爐爐溫不均所致。圖2顯示,在冷面寬度方向上,冷面溫度曲線呈波紋狀,很明顯在距離冷卻壁左端310mm和510mm處,即水管中心線處溫度最低,在兩水管之間溫度最高。從冷面的溫度分布來看,冷卻壁的通道分布及管徑大小可以保證冷卻強(qiáng)度,且冷卻壁的溫度也比較均勻。(3)爐溫對(duì)壁體溫度的影響。圖3為流速1.29m/s、爐溫分別為1149℃和1270℃下不同深度的溫度分布圖。圖3顯示,在冷卻壁內(nèi)部由冷面到熱面,溫度變化的曲線接近直線,只是在冷卻壁肋部近熱面(深度為125～130mm),溫度梯度較大。隨著爐溫增加,冷卻壁內(nèi)部整體溫度升高,變化趨勢(shì)一致,但熱面增加更多。當(dāng)爐溫增加約120℃時(shí),冷卻壁冷面溫度增加12℃,本體熱面溫度增加42℃,平均爐溫每增加10℃,壁體熱面溫度增加1.3℃。而普通涂層鑄鐵冷卻壁爐溫每增加10℃,熱面最高溫度上升9℃。可見,爐溫對(duì)鑄鐵冷卻壁熱面影響更大,這是因?yàn)殂~的導(dǎo)熱性比鑄鐵大。所以,邊緣氣流過分發(fā)展和邊緣管道對(duì)鑄鐵冷卻壁壽命的影響是巨大的,但對(duì)銅冷卻壁壽命的影響相對(duì)而言較小。(4)冷卻水入口溫度對(duì)壁體溫度分布的影響。圖4是冷卻水入口溫度對(duì)冷卻壁壁體不同深度溫度分布的影響,由圖4可以看出,在爐溫較接近的條件下,進(jìn)水溫度從50℃降低到26℃時(shí),銅冷卻壁熱面溫度僅降低了15℃。平均入口溫度每降低1℃,銅壁熱面溫度降低0.625℃。德國曾有人把冷卻介質(zhì)從140℃降到40℃,鑄鐵冷卻壁熱面溫度降低了150℃左右。國內(nèi)學(xué)者把冷卻水溫度從28.5℃降低到18.5℃,鑄鐵冷卻壁熱面溫度降低了5℃?？梢?入口水溫對(duì)冷卻壁熱面溫度有直接的影響,但影響程度有限。對(duì)于高爐操作來說,最低的水溫將會(huì)是浪費(fèi)。入口溫度可根據(jù)實(shí)際情況來定,一般在30～40℃。(5)水速對(duì)鑄銅冷卻壁溫度分布的影響。圖5顯示在爐溫約為1150℃情況下,不同水速對(duì)壁體溫度分布的影響。圖5顯示,當(dāng)水速由0.74m/s增加到2.40m/s時(shí),冷面溫度降低了18℃,本體熱面溫度降低了24℃?？梢?增大水速可以降低壁體溫度,但降低的幅度有限。雖然冷卻水水速增大,可適當(dāng)降低冷卻壁的壁體溫度,但靠增加水速降低壁體溫度是不可取的。因?yàn)楫?dāng)水速過大時(shí),會(huì)使冷卻水的系統(tǒng)阻力成倍增加,如水速從1m/s增加到3m/s,冷卻系統(tǒng)阻力損失將會(huì)增加8倍,這對(duì)冷卻系統(tǒng)來說代價(jià)太大,況且試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明了冷卻壁的冷卻能力并不隨水速提高而無限制的提高。因此工業(yè)應(yīng)用上,為降低能耗,可適當(dāng)降低水速,這對(duì)鑄銅冷卻壁的溫度分布影響不大。但水速也不宜過小。當(dāng)水速偏小、熱流強(qiáng)度較高時(shí),冷卻水與冷卻壁的換熱時(shí)間延長,導(dǎo)致冷卻水進(jìn)出口溫差大幅度增加。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)爐溫1150℃、流速0.74m/s時(shí),冷卻水進(jìn)出口溫差達(dá)到了19.6℃。這種情況容易產(chǎn)生不穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰現(xiàn)象,膜態(tài)沸騰會(huì)降低熱導(dǎo)率,導(dǎo)致壁體過熱。因此,對(duì)于鑄銅冷卻壁,在高熱流強(qiáng)度區(qū)域建議使用較高水速,以防止在冷卻水與冷卻管壁之間形成高熱阻的氣泡層,一般以1.5m/s左右為宜。(6)熱沖擊試驗(yàn)的結(jié)果分析。圖6是模擬高爐爐況不穩(wěn)定和邊緣氣流發(fā)展時(shí)冷卻壁溫度變化情況,從圖6可以看到,在30min內(nèi)當(dāng)爐溫從1013℃上升到1232℃時(shí),鑄銅冷卻壁本體熱面溫度上升了50℃,離熱面5mm的熱電偶(8號(hào)熱電偶)溫度上升了37℃,冷面溫度上升了15℃?？梢?爐溫的劇烈波動(dòng),對(duì)于鑄銅冷卻壁壁體來說,熱面溫度影響最大,壁體內(nèi)部3號(hào)次之,冷面34號(hào)波動(dòng)最小。熱沖擊試驗(yàn)說明,爐溫的劇烈波動(dòng)勢(shì)必造成鑄銅冷卻壁冷熱面溫差增加,從而導(dǎo)致熱應(yīng)力增加,但這種劇烈波動(dòng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力不足以對(duì)銅冷卻壁產(chǎn)生破壞作用。因?yàn)闋t溫增加219℃(30min),銅冷卻壁的冷熱面溫差僅增加了35℃(原來冷熱面溫差78℃,現(xiàn)在113℃),由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力波動(dòng)是很微小的。有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,在25min內(nèi)爐溫從1100℃上升到1280℃,即爐溫升高180℃時(shí),球墨鑄鐵冷卻壁冷熱面溫差增加了100℃(原來溫差580℃,現(xiàn)在680℃),鑄鐵冷卻壁冷熱面溫差變化是銅冷卻壁的3倍?？梢?當(dāng)邊緣氣流發(fā)展或爐況不穩(wěn)定導(dǎo)致冷卻壁渣皮脫落后,在相同條件下鑄銅冷卻壁熱面升溫速度及幅度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鑄鐵冷卻壁,這就使得溫度相對(duì)較低的鑄銅冷卻壁熱面能在短時(shí)間內(nèi)掛渣,形成渣皮保護(hù)層。所以,鑄銅冷卻壁在熱負(fù)荷容易波動(dòng)的區(qū)域壁體溫度波動(dòng)很小,不會(huì)出現(xiàn)破損現(xiàn)象。3冷卻壁材質(zhì)熱阻的測(cè)定研究資料顯示,普通鑄管冷卻壁的致命缺陷就是本體與冷卻水管之間存在氣隙熱阻,而氣隙熱阻是導(dǎo)致普通鑄管冷卻壁(特別是普通鑄鐵冷卻壁)冷卻能力低的一個(gè)主要原因。埋銅管式鑄銅冷卻壁的技術(shù)關(guān)鍵就是落入鑄型中的銅管,既能和澆鑄銅很好的結(jié)合,又不被高溫銅水熔穿。本熱態(tài)試驗(yàn)用的鑄銅冷卻壁通過探傷檢查,未發(fā)現(xiàn)冷卻壁本體與管壁之間存在氣隙缺陷。以爐溫1153℃的情況為例,利用熱態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和熱阻分析的方法證明銅管表面與壁體基本熔合,不存在氣隙層。冷卻壁傳熱穩(wěn)定時(shí),冷卻水和其附近的冷卻壁本體之間的傳熱可近似看作多層圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)傳熱。試驗(yàn)用冷卻壁的水管為扁孔型(如圖7所示),為方便計(jì)算,把其看作圓來近似處理。(1)實(shí)測(cè)冷卻壁本體與冷卻水之間總的傳熱熱阻。本試驗(yàn)在設(shè)計(jì)布置熱電偶時(shí),就考慮了冷卻壁壁體與冷卻水之間熱阻的計(jì)算問題。熱阻計(jì)算需要確定冷卻水管外壁與冷卻壁壁體接觸面的平均溫度,考慮到水管的安全問題(擔(dān)心鉆孔時(shí)鉆破水管),將40號(hào)、59號(hào)熱電偶放置在深度45mm、距水管內(nèi)壁28mm的B處,其目的是估計(jì)冷卻水管外壁與冷卻壁壁體接觸面的平均溫度。通過對(duì)冷卻壁傳熱數(shù)值模擬計(jì)算得知,A點(diǎn)所在位置溫度值可近似看作冷卻水管外壁與壁體接觸面當(dāng)量圓周的平均溫度值。因此,利用A點(diǎn)溫度值,計(jì)算得到壁體與冷卻水之間的傳熱熱阻R≤2.1582×10-4(m2·℃)/W。(2)理論計(jì)算熱阻。如圖8所示,假設(shè)冷卻壁本體與水管之間存在氣隙層,則該傳熱過程中存在三個(gè)熱阻,分別為水管內(nèi)表面與水的對(duì)流換熱熱阻Ra、水管管壁的導(dǎo)熱熱阻Rw以及氣隙層的熱阻Rg,這三個(gè)熱阻為串聯(lián)關(guān)系,即R=Ra+Rw+Rg。通過計(jì)算可得R=3.965×10-4(m2·℃)/W。(3)實(shí)測(cè)結(jié)果和理論計(jì)算比較。很明顯,理論計(jì)算熱阻遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的總熱阻。而理論計(jì)算中,Ra+Rw=2.195×10-4(m2·℃)/W,與實(shí)測(cè)結(jié)果幾乎相同,這表明氣隙層熱阻Rg幾乎可以忽略,或者說不存在氣隙層。因此,可以認(rèn)為冷卻壁壁體與冷卻水管之間基本熔合。至于Ra與Rw之和大于總熱阻R,一方面是因?yàn)榘牙鋮s壁本體、水管以及冷卻水之間的傳熱模型看作多層圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)傳熱,與實(shí)際存在差距;另一方面是因?yàn)樗転楸饪仔?且與圓孔相差較大,用理論公式計(jì)算存在誤差。但模型用于作半定量分析是可以的。為了觀察埋銅管式鑄銅冷卻壁壁體與水管的結(jié)合情況,我們對(duì)試驗(yàn)鑄銅冷卻壁進(jìn)行了實(shí)體解剖,圖9是解剖照片。宏觀觀察解剖面,看不出埋管的痕跡。取包含水流通道的橫截面切片,拋光后在金相顯微鏡下放大100倍,觀察壁體與水管結(jié)合處的組織結(jié)構(gòu),沒有發(fā)現(xiàn)氣隙層。由此說明,上述的熱阻分析方法是正確的。正是因?yàn)槔鋮s水管與鑄銅冷卻壁壁體完全熔合,才保證了埋管鑄銅冷卻壁的冷卻能力與鉆孔銅冷卻