铜钢复合冷却壁温度场的数值模拟.docx
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铜钢复合冷却壁温度场的数值模拟
中文摘要
摘要:
高炉冷却壁的设计性能是影响高炉寿命的最重要因素之一。
新开发的铜钢复合冷却壁能够克服铜冷却壁强度不够,钢冷却壁传热能力差的弊病,具有广阔应用前景,但其能否正常工作、生产是否可行有待验证。
本文建立了冷却壁传热模型,利用Fluent软件对其温度场和应力场进行数值模拟,分析观察不同因素对温度应力场分布的影响。
模拟得到冷却壁的最高温度,小于壁体材料最高工作温度,证明其能够满足使用要求。
得到结论:
是影响冷却壁的温度的主要工艺因素。
在0.5m/s~1.5m/s范围内,提高水速可以降低壁体温度。
分析得出涂层小于20mm时,温度随着涂层变厚下降很快。
在涂层大于40mm以后,对冷却壁的保护作用变小。
从保护冷却壁的角度看,涂料取20-40mm即可。
出于力学性能的考虑,铜壁临界温度取230'C-250'C,如若按此计算,则起炉阶段的涂层厚度不应小于25mm
以上成果对冷却壁的长寿化有一定的理论意义和实用价值,可以为冷却壁的设
计和生产提供指导和依据。
关键词:
铜钢复合:
冷却壁;数值模拟;温度场;
ABSTRACT
ABSTRACT:
Theperformanceofthecoolingstaveisthemostsignificantfactoroftheblastfurnace'slife.Thecopper/steelcompositecoolingstavehasgreatpracticalvalue,whilethecopperstavehaspoorstrengthandthesteelstavehaslowthermalconductivityHowever,theworkabilityandfeasibilityofproductionofthisnewlydevelopedstaveyettobeseen.
Thispaperestablishedthecoolingwallheattransfermodel,usingFluentsoftwaretothetemperaturefieldandstressfieldofthenumericalsimulationandanalysisofdifferentfactorsontemperatureobservationonthedistributionofthestressfield.Simulationofthehighesttemperaturecoolingwallget,thelessthanwallbodymaterialshighestworkingtemperature,proveitscansatisfytherequirementsofoperation.Conclusion:
thetemperatureofcoolingeffectisthemaintechnologicalfactors.Inthe0.5m/s~1.5m/srange,improvingwaterspeedcanreducethewallbodytemperature.Analysiscoatinglessthan20mm,temperaturewithcoatingbecomesthickerdownsoon.Morethan40mmincoatingaftercoolingwalltotheprotectionofsmaller.Fromthepointofviewofcoolingprotection,coatingtake20to40mmcan.Outofmechanicalpropertiesofconsideration,copperwallcriticaltemperaturetake230'C-250'C,ifpressthiscalculation,thethicknessofthefurnacestageshouldbenotlessthan25mm
Aboveresultstocoolingofthelongevityhascertaintheoreticalsignificanceandpracticalvalue,forcoolingwallcanbesetPlanandproductiontoprovideguidanceandbasis.
KEYWORDS:
copper-steelcomposite;coolingstave;numericalsimulation;temperaturefield
目录
学生毕业设计(论文)原创性声明…………………………………………………………
中文摘要………………………………………………………………………………………
ABSTRACT……………………………………………………………………………………
1绪论…………………………………………………………………………………..1
1.1课题背景高炉冷却壁…………………………………………………………...1
1.2冷却壁的发展及现状…………………………………………………………...2
1.2.1高炉冷却设备的发展史.................................................................................2
1.2.2国外冷却壁技术的发展……………………………………………………..2
1.2.3国内冷却壁技术的发展……………………………………………………...3
1.3冷却壁目前的问题………………………………………………………………3
1.3.1壁体的破损原因……………………………………………………………...3
1.3.2铸铁冷却壁…………………………………………………………………...4
1.3.3铸钢冷却壁…………………………………………………………………..4
1.3.4铜冷却壁……………………………………………………………………..5
1.4铜钢复合的新型冷却壁………………………………………………………...6
1.4.1铜钢复合冷却壁的开发……………………………………………………..6
1.4.2冷却壁的评价标准…………………………………………………………..6
.1.4.2.1冷却壁的破损机理…………………………………………………...6
1.4.2.2研究方法………………………………………………………………7
1.4.2.3研究手段………………………………………………………………7
1.5冷却壁温度场研究现状…………………………………………………………8
1.5.1冷却壁温度场模拟的研究进展…………………………………………….8
1.6研究内容和目标…………………………………………………………………14
1.6.1研究目标……………………………………………………………………14
1.6.2研究内容……………………………………………………………………15
2铜钢复合冷却壁的传热模型和温度场分析………………………………………..16
2.1温度场的能量方程…………………………………………………………...…16
2.1.1热量平衡方程…………………………………………………...…………..16
2.1.2边界条件公式……………………………………………………………….17
2.1.3稳态和瞬态温度场公式……………………………………………………18
2.2冷却壁传热模型的建立………………………………………………………..18
2.2.1总体建模方案的讨论………………………………………………………18
2.2.2建模的前期假………………………………………………………………19
2.2.3边界条件的设置……………………………………………………………19
2.3冷却壁的温度场模拟…………………………………………………………...23
2.3.1温度场模拟过程……………………………………………………………23
2.3.2不同因素对冷却壁温度场的影响…………………………………………25
3本文结论…………………………………………………………………...………...28
参考文献………………………………………………………………………………………..29
致谢……………………………………………………………………………………………..30
1绪论
1.1课题背景高炉冷却壁
高炉冷却壁是高炉内衬的重要水冷件,安装在高炉的炉身、炉腰、炉腹、炉缸等部位,不但要承受高炉炉料、熔渣、煤气的磨蚀,而且还要承受炉内高温。
维持高炉的安全生产冷却壁是必须的,它能够有效地防止炉壳因高温烧红,高炉镶砖被高温烧蚀后就主要靠渣层保护冷却壁。
所以,冷却壁的材质及性能好坏决定其工作寿命乃至高炉炉身的寿命。
国内外钢铁企业的生产情况证明,冷却壁的使用时间是高炉长寿的关键条件,因而考虑冷却壁的材质和使用时间是高炉长寿的1个重要研究课题[1]。
从20世纪70年代开始,许多发达国家进行了大量的研究以更好地对冷却壁进行寿命的延长。
目前国外先进高炉的寿命可达15~20年以上,部分高炉已将30年作为目标长寿目标。
我国于20世纪80年代中期开始对冷却壁的制造、应用技术研究,这些年来我国高炉冷却壁研究应用技术取得了很大的进展,但高炉冷却壁的设计研究和制作工艺与高炉长寿的目标还有一定的差距。
目前我国很多高炉一代炉役无中修寿命低于10年,仅少数高炉可实现10~15年。
世界的生铁产量有98%以上都是高炉生产而来,而炼铁的成本却占到钢铁联合企业总成本的50%。
因此降低高炉炼铁的成本成为企业提高经济效益的首选。
钢业企业为提高生产率、降低炼铁成本,不断地改进高炉操作,新技术的采用又使炉内高压,风温高,富氧,高炉寿命面临严峻的挑战。
高炉的容积不断变大和结构不断地复杂趋势的过程中维修高炉的费用也随着不断而随之加长地加长。
如宝钢1号高炉在进行大修期间共消耗资金14亿元,经历了418天[2]。
为了保证杆铁联合企业的生产,高炉长寿问题已经成为一代代钢铁人的首要注重的问题,并成为当今高炉冶炼技术进步的重要标志和组成部分。
各个国家的生产和科研[3-5]显示,不断强化的高炉冶炼技术使炉内最大的热负荷区域下移,炉身下部、炉腰、炉腹部位的热负荷最大(图1-1)。
另外,在高炉生产操作的中后期,主要依靠冷却设备维持正常工作,因为炉身下部、炉腰和炉腹几乎不存在耐火材料。
冷却设备如果损坏严重,高炉几乎就结束了一代炉龄。
因此上述部位冷却壁的耐用程度就是决定高炉寿命的主要因素。
为了实现长寿的目标,从不同工作层面来看有如下几个方面:
(1)设计
(2)施工(3)生产操作(4)原料供给(5)监测维护(6)末期护炉等[6-9],其中设计尤为关键,没有科学的设计其他就无从谈起。
解决高炉寿命问题的关键就是生产出优良的冷却壁,对于企业则具有很大的经济意义。
1.2冷却壁的发展及现状
1.2.1高炉冷却设备的发展史
1884年美国首先使用了青铜冷却箱,在一个世纪的时间里高炉冷却技术在全世界范围内得到了广泛的应用和快速的发展。
高炉炼铁过程中,高炉炉衬必须要承受炉料的机械磨损、炉气的浸蚀和热侵蚀,冷却设备就是用于:
(1)维持炉内的型,保护炉壳,使衬壁保持一个范围内的厚度;
(2)形成渣层,保护炉衬,当衬壁被侵蚀后,依然可以靠着冷却壁内壁的渣层继续维持高炉运作;(3)保护高炉内的金属构件。
20世纪50年代初,当时的高炉冷却条件要求不是很高,一般采普通冷却板、支梁式水箱、铸铁外框中插入铜冷却板及炉壳喷淋冷却等便可满足冷却要求。
但是高炉的容积量越来越大,炉内压力也就不断升高,那些性能劣质的的冷却产品慢慢退出了历史舞台。
1958年,前苏联在高炉上成功的试验了气化冷却含铬耐热铸铁冷却壁,它具有使高炉炉壳冷却均匀,热量损失较少,高炉容积扩大,并且第一代内部铸有蛇形水管等优点受到了当时高炉设计和生产者的青睐,铸铁冷却壁开始成为高炉的主流冷却设备[8]。
1.2.2国外冷却壁技术的发展
最早的冷却壁是由前苏联人开发的,当时的欧洲和日本引进了前苏联的冷却壁技术。
后来日本的钢铁企业同前苏联决定共同开发冷却壁。
此后,日本又研究了四代冷却壁。
除日本外,其他国家的一些钢铁公司也进行了研究,从不同方面改进了铸铁冷却。
但铸铁冷却壁
有抗热差,导热系数较低等缺点,而且冷却水管是铸入铸铁本体内的,水管和壁体在材料和膨胀系数上有差异,导致了间隙的形成,从而传热会受到影响。
铸铁冷却壁已经在材质甚至水管的结构上做了很大的改进,虽然冷却能力有所提升,但这些缺陷还是限制了铸铁冷却壁在高炉上的应用。
要达到高炉10~15年的炉龄还是有一定距离的。
铸钢冷却壁的研发时间20世纪80年代。
当时日本钢铁公司指出:
利用高韧性球墨铸铁制成冷却壁后,高炉的炉龄将有很大提升,有可能超过十年,将来应作改进的是冷却壁的材质,考虑用高级铸铁、铸钢或陶瓷结合的冷却壁[10]。
1986年西德PeterHeinrich指出:
高炉冷却壁材质方面的研究有以下几个趋势:
用高熔点铸钢取代低铬铸铁或高韧性球墨铸铁,以便能较强抵抗铁水或渣水的侵蚀[11]。
但是钢冷却壁在制造过程中,冷却水管的浇注容易产生变型,还可能被烧坏。
固其他国家钢冷却壁没有广泛的生产。
在20世纪70年代末,纯铜冷却壁的研发成功又为冷却壁技术提升到又一个台阶。
德国在日本研制铸铜冷却壁试验的基础上,以轧制钢为材质,开发出高炉纯铜冷却壁。
随后在汉博恩钢厂4号高炉炉身中安装了2块铜冷却壁。
1988年高炉停炉检修,发现这2块铜冷却壁在使用了9年之后依然完好,150mm厚的铜冷却壁仅热面磨损了3mm。
其他部位依然完整如新,而安装在附近区域的铸铁冷却壁已出现了裂纹,管道也已裸露。
1988年,蒂森公司在鲁罗尔特厂6号高炉炉身下部也进行了同样的试验,取得了相同的结果。
这两次试验的成功直接推动了铜冷却壁的发展,到目前为止,国外己经有近百座高炉安装了铜冷却壁[12]。
1.2.3国内冷却壁技术的发展
光面冷却壁是我国最开始开始采用的冷却壁,过后我国高炉的主导冷却器用普通铸铁,蛇形冷却水管铸入其内,粘土砖镶嵌的冷却壁,即我国的第一代冷却壁。
过后又经过了几代冷却壁的发展,球墨铸铁冷却壁有了很好的发展和改进,有效地提高了高炉的寿命。
至今,我国众多的钢铁企业,尤其是中小钢铁企业中仍在使用球墨铸铁材质的冷却壁。
尽管这样,球墨铸铁冷却壁还是不能满足高炉长寿的需要。
1.3冷却壁的问题
1.3.1壁体的破损之因
研究[19-22]显示,热应力是冷却壁破损的主要原因之一。
冷却壁的高温热面与冷却冷面内外温差大,就会使壁体本身产生热应力。
热应力随温差的变大而变大。
当超过壁体的承受极限后,冷却壁就会产生裂纹,严重时的后果是冷却水管断裂,向炉内漏水。
除了这个原因还有下列原因会使冷却壁破损:
(1)生产制造产生的内应力(如铸造内应力)破坏[23];
(2)冷却壁设计方面,如冷却壁材质的选择,冷却壁镶砖设计不合理[24],镶砖及炉衬耐火材料选择不合理[25]或设计冷却强度偏低等[25-26],(3)冷却水水质差,导致水管结垢现象严重[27-28],(4)冷却壁制造工艺和安装工艺不佳,制造质量差[22];(5)高炉操作不当[29]等。
1.3.2铸铁冷却壁
最初,冷却壁是镶砖铸铁材质。
20世纪70年代,我国用低铬铸铁,冷却水管的进水管在下,水流垂直向上,排水管在上方,冷却壁镶砖为粘土砖作为冷却壁本。
武钢、鞍钢、首钢都有应用次冷却壁。
20世纪80年代,我国用铸态高韧性铁素体球墨铸铁为材质,冷却水管与70年代基本相同,镶砖采用嵌砌的方式。
当前国内还在广泛应用球墨铸铁冷却壁,其原因是制作成本较低[30]。
它的缺点主要在于:
抗热震性能差和导热系数低(见表1-1),用的时间长过后,经反复温度波动,铸铁的金属组织发生很大的相变。
而冷却壁工作时内外温差较大,而且经常剧烈波动造成很大的热应力,使得壁体因为疲劳产生裂痕。
特别是在高温时,铸铁的强度大大降低,更容易产生裂纹随后扩大,最后导致冷却管裸露烧坏、断裂和漏水。
铸铁冷却壁里的冷却水管是通过铸入本体里面,制造过程会产生气隙层,且防渗碳层也会夹在气隙层中,传热效果将严重的受到影响,导致冷却壁局部温度过高。
当局部温度达到700℃时,铸铁晶体发生相变到时壁体度降低,同时较大的热应力使壁体表面出现很多裂纹,致使水管损坏漏水,十分影响壁体的寿命。
从而影响到高炉的寿命。
1.3.3铸钢冷却壁
钢具有抗拉强度大、延伸率高、熔点高、整体导热性及良好的抗热冲击性等特点。
钢冷却壁与球墨铸铁冷却壁相比有以下几点优势[15]:
(1)钢的本体材质性能优于球墨铸铁,不会因孔洞产生裂缝和裂纹,也不会助长裂缝裂纹的扩展;
(2)钢的延伸率内外基本一致,不会出现因表面和中心延伸率差别太大而产生内应力的问题;(3)钢具有较高的高温体积稳定性和耐热疲劳性,有利于防止裂纹产生和扩展。
表1-1几种冷却壁材质的导热系数,W/(m·K)[32]
材质
室温
100℃
300
500
700
800
Q235-A
57.90
52.57
36.34
31.29
27.30
25.46
球墨铸铁
27.80
28.90
30.40
28.10
22.50
22.54
20#
51.68
44.71
32.84
27.50
23.46
22.14
Cu
393
380
365
从上表可以看出在室温条件下导热系数和耐急冷急热性能都比球墨铸铁好,但钢的导热系数随温度的变化而变化得很快,随着温度的升高,钢与铸铁的导热系数差别越来越小[20]。
如果用钻孔工艺打造水管,那么钻孔的机械会给壁体留下微小的裂纹,同样会影响寿命,并且从经济方面考虑也难以接受;如果铸入水管的方法,那么就会因为钢的熔点高,可能会导致在铸造水管时水管变形或者烧穿。
1.3.4铜冷却壁
通过实际生产得出铸钢冷却壁和铸铁冷却壁在抵抗高温和CO侵蚀方面没有本质的区别,实际寿命延长不理想,冷却壁基体依然会被严重渗碳后层层剥离,以致冷去水管完全暴露,情形与所有高炉高温区使用的铸铁基本相似。
这是因为一般在高温区冷却壁受热面镶嵌耐火材料或者高级耐火材料是为了延长冷却壁寿命。
但是高炉内不仅仅只是高温,又要承受炉气的侵蚀。
特别是高炉在冶炼过程中需要添加CaO、MgO等物质。
造渣反应能把矿石中含有的Al2O3和SiO2溶解出来,恰好冷却壁镶嵌的耐火材料升或者高级耐火材料中也含有Al2O3和SiO2,所以耐火材料就不可避免的会参与到造渣反应,也就不可避免的在造渣过程中侵蚀掉了冷却壁上镶嵌的耐火材料。
当高炉冷却壁镶嵌的耐火材料被侵蚀掉以后,冷却壁不仅要承受更高的温度,而且还要在高温下饱受CO的渗碳侵蚀,这会对铸铁乃至铸钢冷却壁会产生致命的损害。
铜冷却壁是目前国内外高炉冷却壁主要开发研制的对象。
铜冷却壁的主要优点是:
(1)铜冷却壁具有很强的导热性,其导热系数是铸铁的10多倍,使壁体热面与炉内形成很大的温差梯度,可以使得高炉软熔带液态渣牢牢的粘在冷却壁的热面形成稳定的渣层,起到保护自身的作用;
(2)铜冷却壁工作时壁体热面与水通道表面不会产生很大的热应力,正常情况下仅有15-20℃的温差,且非常稳定,不易产生裂纹;(3)铜冷却壁能够快速的重新生成渣层,具有良好的耐热震性能。
在渣皮损坏、再形成的过程中,渣皮形成的速度与冷却设备的温度密不可分,冷却设备温度越低,渣皮形成的速度越快,冷却设备要承受的热疲劳周期也越短,这使得冷却壁热疲劳强度得到有效控制。
有关资料报道在铜冷却壁上渣皮建立的时间大概在15min左右。
目前主要是轧制铜和连铸铜作为铜冷却壁的材质。
轧制铜其优点有金相组织均匀、晶粒细小致密、无内应力;缺点是轧制铜冷却壁造价过高,单位质量的铜冷却壁比铸铁冷却壁贵10倍左右,所以其推广应用受到了限制。
连铸铜虽然比较便宜一些,但存在铸造组织晶体粒度过于粗大,易产生缩孔和疏松,致密性不好,其表面还存在微裂纹,整体还存在铸造应力,使用起来让人很担忧。
此外,无论连铸铜还是轧制铜,仅有300MPa抗拉强度,如果是大型高炉,会在其时机械应力和热应力的双重作用下变形,这是十分危险的。
最近几年我国就出现了两例因变形导致冷却水管断裂的事故,铜冷却壁的变形引起了业内的关注
1.4铜钢复合的新型冷却壁
1.4.1铜钢复合冷却壁的开发
冷却壁目前面临上述问题,开始研发铜钢复合冷却壁。
铜钢复合冷却壁综合了铜壁的高导热性和铸钢冷却壁的良好的力学性能,使其能避免产生大的热应力,防止壁体产生裂纹,
又能使炉体支撑得到保证,克服了单一钢冷却壁传热能力差,单一铜冷却壁强度不够缺点。
目前铜钢复合冷却壁正在试用阶段。
制造铜钢复合冷却壁的成本相对于纯铜冷却壁有很大降低,而且性能优良,相对于球墨铸铁冷却壁有显著提高,因此研究开发铜钢复合冷却壁对我国的钢铁生产具有更大的生产意义。
1.4.2冷却壁的评价标准
冷却壁的破损机理
研究[20-25]表明,热应力和化学侵蚀是造成冷却壁破损过程中的主要两种机理。
扒炉调查得出热应力作用的疲劳,磨损和烧损是晚期冷却壁损坏的主要原因。
冷却壁的裂开是由于温度的变化使其产生热应力,而当这个应力大于冷却壁的强度极限就会发生裂开。
即使小于冷却壁的强度极限也会因为温度的上下波动而产生受热疲劳。
对与延伸性材料,热疲劳会使其龟裂从而导致破坏。
当炉衬侵蚀殆尽后,高炉炉气会与直接冷却壁面直接发生熔损和其他化学蚀损,裂缝内面则增大了熔损面积,更加严重影响高炉的安全长寿和正常生产。
由壁体的破损机理可以得到,高炉内的高温和温度的大幅度上下波动是壁体已经耐火材料破损的直接或间接原因。
各种材质的冷却壁或耐火材料都有一个温度极限在其范围内正常工作,当超过这个所能承受的最高温度或最大温度变化率界限,他们的晶体组织就会发成变化造成冷却壁开裂或软化。
因此,从温度分布入手来评价一种冷却壁是否满足实际工作温度是否在其承受范围之内。
除了温度场之外,冷却壁的应力分布也对冷却壁的寿命有着很大的影响。
与温度相似,冷却壁也有一个应力的强度极限,当应力超过这个极限后,水管容易发生漏水,冷却壁也十分容易出现裂纹。
冷却壁的应力场分布能更好的为冷却壁的生产提供判定依据,但是冷却壁应力场的实际测量的不方便,冷却壁的力学性能必须能达到正常工作时炉内所产生的应力。
综上所述,对于评定冷却壁性能是否优良就必须从其工作时候的温度和应力场考虑,温度场分布来衡量冷却壁是否满足使用要求,应力场分布指导冷却壁的生产制造。
将冷却壁正常工作下的温度和应力变情况进行全面综合的分析,对冷却壁的使用维护、制造和设计有很好的指导意义,对延长冷却壁的使用寿命,进而延长高炉的寿命有着重大的意义。
研究方法
由于高炉现场恶劣的工况,直接采集数据有一定的困难。
所以通常采用停炉检查、热态实验和解析或数值模拟三种方法来进行的全面综合分析冷却壁温度和应力场的变化情况。
如果依靠高炉停炉后的破损调查来分析冷却壁情况,进而改进冷却壁的性能的话,周期很长而且缺乏理论
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