铜钢复合冷却壁传热及热应力分析

通过建立铜钢复合冷却壁传热及热应力分布数学模型,研究了铜钢复合冷却壁与铜冷却壁、铸钢冷却壁的传热性能差异及其铜钢界面热应力分布。结果表明:煤气温度为1200℃时,高炉内无渣皮覆盖铜钢复合冷却壁肋热面最高温度为180℃,较相同煤气温度下铜冷却壁的最高温度高约30℃,较铸钢冷却壁的最高温度低约520℃。铜钢复合冷却壁具备铜冷却壁的传热性能。铜钢界面边缘正应力σz大于0,表现为受拉状态;冷面增加加强筋后,铜钢界面边缘正应力σz小于0,表现为受压状态,且最大等效应力降低至114.45 MPa,低于铜钢复合板的高温强度。高炉内铜钢复合冷却壁不会发生铜钢界面分离破损。热态试验中铜钢复合冷却壁温度计算值与测量值吻合较好,验证了数学模型的准确性。

铜钢复合冷却壁热力耦合分析

采用ANSYS建立铜钢复合冷却壁的传热和热应力模型,分析稳定挂渣及渣皮脱落后的温度和热应力分布。结果表明,炉气温度是影响壁体温度、渣皮厚度、热负荷和应力状态的主要因素。在稳定挂渣时,铜壁最高温度为124℃,热负荷81.1 kW/m2,变形量比铜质冷却壁有所减少。在渣皮脱落后,铜壁温度和应力快速上升,5 m in后趋向稳定。在冷却壁裸露的情况下,铜壁和钢板之间仍然保持牢固结合。

高炉铜冷却壁水管热应力分析

针对高炉内普遍出现的铜冷却壁水管断裂问题,以热结构耦合分析为手段,研究了铜冷却壁水管所受约束对其热应力分布的影响。通过建立铜冷却壁热应力数学模型,对比分析了铜冷却壁水管受不同约束作用下的热变形行为及热应力变化。计算结果表明,铜冷却壁水管末端为自由或受固定约束时,水管根部相对于其他位置产生较大热应力。但水管末端为自由时,水管根部等效应力仅45 MPa,低于纯铜的屈服强度;水管末端受到固定约束时,水管根部等效应力达到272 MPa,超过纯铜的屈服强度。水管之间应采用柔性连接。水管受到炉壳开孔约束时,其最大等效应力为600 MPa,远超过纯铜材料的屈服强度。铜冷却壁极限工作温度下水管末端产生最大位移,约为1.73 mm,考虑到安装误差等因素的影响,炉壳开孔直径应为120 mm。

高炉用铜-钢复合冷却壁传热及力学性能分析

采用热力耦合方法研究了铜层厚度和冷却水道间距对铜-钢复合冷却壁温度及应力分布的影响.以1∶1比例铜-钢复合冷却壁进行了热态试验,测试了铜-钢复合冷却壁温度分布,计算了热态试验条件下铜-钢复合冷却壁的温度分布,计算结果与试验结果基本吻合.计算结果显示,铜-钢复合冷却壁铜层厚度增加,壁体最高温度和最大等效应力减少,铜层厚度上限值为70mm;冷却水道间距减少可以降低壁体最高温度和最大等效应力,当冷却水道间距小于220mm时,减少冷却水道间距对降低壁体最高温度和最大等效应力作用较小.铜层厚度为60mm,冷却水道间距为220mm的铜-钢复合冷却壁在高炉热负荷较高区域工作不易发生塑性变形损坏.

铜钢一体冷却柱在宣钢高炉上的应用

对宣钢高炉采用铜钢一体冷却柱恢复破损冷却壁处的冷却功能进行了总结,并重点阐明了铜钢一体冷却柱的结构特点及安装要求。

铜钢复合冷却壁热变形分析

提高高炉炉腰及炉身下部冷却壁抗热变形能力是维持高炉长寿的关键.采用热态实验和数值模拟手段研究高炉炉腰及炉身下部区域铜钢复合冷却壁的传热及热变形行为,并与铜冷却壁进行对比分析.铜钢复合冷却壁热面无渣铁壳覆盖,煤气温度1200℃条件下,铜钢复合冷却壁最高温度为180℃,传热性能与铜冷却壁接近.铜钢界面最大等效应力约为114.45MPa,低于铜钢复合板的抗拉强度.铜钢复合冷却壁发生弯曲变形,中心z向位移为0.66 mm,较铜冷却壁低约25.8%;顶底端沿z向位移为0.13 mm,较铜冷却壁低约50%;曲率为0.93×10-4mm-1,较铜冷却壁低约51.81%.铜钢复合冷却壁抗变形能力优于铜冷却壁,可以避免铜冷却壁热变形过大导致的螺栓及冷却水管断裂破损问题.

铜钢复合冷却壁稳态传热分析

建立了铜钢复合冷却壁的稳态传热模型,利用ANSYS单元生死方法模拟冷却壁表面渣皮熔化行为,分析冷却壁温度分布、渣皮厚度及热负荷。结果表明：复合冷却壁附近炉气温度是影响其传热行为和渣皮厚度的主要因素;渣皮在冷却壁表面分布不均匀,随着炉气温度升高渣皮不均匀性逐渐增加;提高水速和全铜质壁体可以有效降低壁体温度,但对热负荷、渣皮厚度影响较小;在炉气温度1 200～1 400℃范围内,复合冷却壁的铜壁最高温度为125℃,承受热负荷达到82.8 kW/m2,能够满足高炉高负荷区的冷却要求。