D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.04.034 第30卷第4期 北京科技大学学报 Vol.30 No.4 2008年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2008 高炉铸钢冷却壁温度和应变分布热态实验研究 潘宏伟) 程树森)吴狄峰)宁晓钓)朱童斌)李小静) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)马鞍山钢铁股份有限公司第二机械设备制造公司，马鞍山243201 摘要为了研究铸钢冷却壁的高温工作性能，通过热态实验测试了铸钢冷却壁温度场分布，并首次在铸钢冷却壁上安装了 应变片，对其冷面的应变分布进行了研究.在炉温1100℃无渣皮条件下，铸钢冷却壁热面最高温度在600℃左右，低于铸钢 相变温度：冷面中心线部位应变在一5×10-左右，四周平均应变在一3×10-左右.对冷却水管进行了热阻分析，证实了冷却 水管与基体之间融合充分，不存在气隙·验证了铸钢特殊的屈服现象，其在热冲击后应变分布得到明显改善 关键词铸钢冷却壁；应变场：温度场：热阻分析：热态实验 分类号TF321.4 Temperature field and strain distribution of BF cast-steel cooling staves by hot test PAN Hongwei,CHENG Shusen).WU Difeng,NING Xiaojun),ZHU Tongbin2).LI Xiaojing2) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)The Second Mechanical Equipment Manufacture Company,Maanshan Iron and Steel Co.Ltd.,Maanshan 243201,China ABSTRACI In order to study the working performance of cast-steel cooling staves at high temperature,the temperature field was investigated by hot test.The strain distribution on the cool face of the stave was studied for the first time by installing strain gauges. The highest temperature on the hot face of the stave was about 600C,which is lower than the transformation temperature of cast- steel.The strain was about-5X10 at the centre of the cool face.while the average strain all around was-3X10.The heat resistance of the cooling pipe was analyzed.It was verified that the cooling pipe was fused well with the stave body,which means no gaps between them.The special yield phenomenon of cast-steel was validated that the strain distribution would be visibly improved af- ter the thermal shock· KEY WORDS cast-steel cooling stave:strain distribution:temperature field:heat resistance analysis:hot test 为了延长高炉冷却壁寿命，增加企业效益，冷却 热阻相当大的部分)，是影响其冷却效果的限制性 壁一直是广大炼铁工作者的研究对象，其寿命是决 因素，在此基础上开发了轧制铜板钻孔冷却壁，消 定高炉长寿的根本性因素山.当前高炉普遍采用的 除了冷却水管与壁体之间的间隙，但其价格相对较 冷却壁材质主要包括球墨铸铁、铜和铸钢三大类型， 高).通过国外大量的实际应用，以及大量的计 过去高炉冷却系统的设计是根据经验或破损调查， 算传热学的理论研究，不断对其进行结构参数的优 随着计算技术及传热学理论及其应用的不断发展， 化，尤其是椭圆形冷却水通道的应用，大大增强了其 加之人们对冷却器认识的不断深化，应用传热学数 冷却效果门：在保证铸造工艺良好的条件下，铸钢 值计算对冷却器进行结构参数优化已经成为可 冷却壁以其延伸率高、抗拉强度高、熔点高、热冲击 能[]，传输原理、非线性理论和计算技术的飞速发 性能好以及导热性较好的特点，也已经受到了广泛 展为高炉过程的定量化描述提供了条件刷，通过热 关注⑧.自2001年起，在马钢、济钢、杭钢、天铁及 态实验和计算传热学的研究，发现了铸铁冷却壁在 宣钢等钢铁企业已大面积应用铸钢冷却壁，由于铸 冷却水管与基体之间产生的气隙热阻占整个冷却壁 钢冷却壁应用时间相对较短，还没有一代炉龄的总 收稿日期：2007-02-20修回日期：2007-05-31 结和经验，基础理论上还缺乏研究，再加上各大钢厂 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。~60672145) 的使用条件不一样，使得铸钢冷却壁的使用情况不 作者简介：潘宏伟(1984一)男，硕士研究生：程树森(1964一)男， 是非常令人满意，因此，有必要对铸钢冷却壁的导 教授，博士生导师，E-mail:chengsusen(@mct,ustb.edu.cn 热性能、应变等方面进行研究，以期对铸钢冷却壁今
高炉铸钢冷却壁温度和应变分布热态实验研究 潘宏伟1） 程树森1） 吴狄峰1） 宁晓钧1） 朱童斌2） 李小静2） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 马鞍山钢铁股份有限公司第二机械设备制造公司马鞍山243201 摘 要 为了研究铸钢冷却壁的高温工作性能通过热态实验测试了铸钢冷却壁温度场分布并首次在铸钢冷却壁上安装了 应变片对其冷面的应变分布进行了研究．在炉温1100℃无渣皮条件下铸钢冷却壁热面最高温度在600℃左右低于铸钢 相变温度；冷面中心线部位应变在－5×10－4左右四周平均应变在－3×10－4左右．对冷却水管进行了热阻分析证实了冷却 水管与基体之间融合充分不存在气隙．验证了铸钢特殊的屈服现象其在热冲击后应变分布得到明显改善． 关键词 铸钢冷却壁；应变场；温度场；热阻分析；热态实验 分类号 TF321∙4 Temperature field and strain distribution of BF cast-steel cooling staves by hot test PA N Hongwei 1）CHENG Shusen 1）W U Difeng 1）NING Xiaojun 1）ZHU Tongbin 2）LI Xiaojing 2） 1） School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） The Second Mechanical Equipment Manufacture CompanyMaanshan Iron and Steel Co．Ltd．Maanshan243201China ABSTRACT In order to study the working performance of cast-steel cooling staves at high temperaturethe temperature field was investigated by hot test．T he strain distribution on the cool face of the stave was studied for the first time by installing strain gauges． T he highest temperature on the hot face of the stave was about 600℃which is lower than the transformation temperature of caststeel．T he strain was about －5×10－4at the centre of the cool facewhile the average strain all around was －3×10－4．T he heat resistance of the cooling pipe was analyzed．It was verified that the cooling pipe was fused well with the stave bodywhich means no gaps between them．T he special yield phenomenon of cast-steel was validated that the strain distribution would be visibly improved after the thermal shock． KEY WORDS cast-steel cooling stave；strain distribution；temperature field；heat resistance analysis；hot test 收稿日期：2007-02-20 修回日期：2007-05-31 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．60672145） 作者简介：潘宏伟（1984－）男硕士研究生；程树森（1964－）男 教授博士生导师E-mail：chengsusen＠metall．ustb．edu．cn 为了延长高炉冷却壁寿命增加企业效益冷却 壁一直是广大炼铁工作者的研究对象其寿命是决 定高炉长寿的根本性因素［1］．当前高炉普遍采用的 冷却壁材质主要包括球墨铸铁、铜和铸钢三大类型． 过去高炉冷却系统的设计是根据经验或破损调查 随着计算技术及传热学理论及其应用的不断发展 加之人们对冷却器认识的不断深化应用传热学数 值计算对冷却器进行结构参数优化已经成为可 能［2］传输原理、非线性理论和计算技术的飞速发 展为高炉过程的定量化描述提供了条件［3］．通过热 态实验和计算传热学的研究发现了铸铁冷却壁在 冷却水管与基体之间产生的气隙热阻占整个冷却壁 热阻相当大的部分［4］是影响其冷却效果的限制性 因素．在此基础上开发了轧制铜板钻孔冷却壁消 除了冷却水管与壁体之间的间隙但其价格相对较 高［5］．通过国外大量的实际应用［6］以及大量的计 算传热学的理论研究不断对其进行结构参数的优 化尤其是椭圆形冷却水通道的应用大大增强了其 冷却效果［7］；在保证铸造工艺良好的条件下铸钢 冷却壁以其延伸率高、抗拉强度高、熔点高、热冲击 性能好以及导热性较好的特点也已经受到了广泛 关注［8］．自2001年起在马钢、济钢、杭钢、天铁及 宣钢等钢铁企业已大面积应用铸钢冷却壁由于铸 钢冷却壁应用时间相对较短还没有一代炉龄的总 结和经验基础理论上还缺乏研究再加上各大钢厂 的使用条件不一样使得铸钢冷却壁的使用情况不 是非常令人满意．因此有必要对铸钢冷却壁的导 热性能、应变等方面进行研究以期对铸钢冷却壁今 第30卷 第4期 2008年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．4 Apr．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．04．034
.420 北京科技大学学报 第30卷 后的设计和应用有所裨益，分析冷却壁损坏的原 ZG200-400的相变温度线Ac1温度在730℃左右 因，研究其温度分布是冷却壁研究的重要基础]， 当铸钢冷却壁在高炉上服役时，其表面镶有耐火材 随着高炉冷却壁的发展，对冷却壁的使用提出了更 料和覆盖渣皮，热面温度会更低，不会发生相变，因 高的要求，深入研究其应变分布情况是必要的，目 此铸钢冷却壁可安全服役， 前了解到只有陈先中对铸铁冷却壁的局部范围做了 阀门3 测试研究10，但在国内对于铸钢冷却壁的应变研究 出水口 工作几乎空白.鉴于此，本次实验与马鞍山钢铁股 江河) 试验炉 份有限公司合作，在江苏省常熟烧嘴厂有限公司的冷 进水口 却壁热态实验炉上对铸钢冷却壁进行了热态实验 1热态实验 烧嘴 烧嘴 水表1 测温 本次实验研究对铸钢冷却壁进行了1：1的热态 水泵2测温 实验模拟，基本尺寸如图1. 754 阀门4 水表2 测温 图2实验装置示意图 Fig.2 Schematic diagram of the test apparatus 100 1800 600 60 400 40 200 20 0 983 104710911220 717 230 炉温/℃ 图1冷却壁示意图（单位：mm） 图3热流密度、热面最高温度与炉温关系 Fig.I Schematic diagram of cooling stave Fig.3 Relations of the heat flux and maximum temperature of the hot surface with furnace temperature 实验目的是测量铸钢冷却壁在高温工作环境中 2.2厚度方向上温度分布 的应变分布和温度分布情况，通过布置镍铬镍硅 冷却壁冷却水管中心线距离冷面为62.5mm, 热电偶和高温电阻应变片进行测量工作，共计在不 外径65mm.水速维持在1.5ms-1,炉温稳定在 同的深度埋入了60根热电偶，在冷面不同位置布置 1100℃的条件下，测得铸钢冷却壁沿基体厚度方向 了10片高温应变片，整个实验系统主要划分为冷 上的温度变化，如图4所示.在距离冷面为120mm 却壁热态实验炉、燃烧器烧嘴、水循环系统和测试仪 600 表系统四大部分，如图2 500 2实验结果和分析 400 2.1炉温、热流密度与热面温度 在铸钢冷却壁热面没有炉衬、不挂渣的情况下， 200 当进出口水温差稳定的时候，则冷却壁温度分布达 100 到稳态，实验测得的炉温、热流密度和热面温度的 结果如图3所示，从中可以看到，热流密度q与热 60 90120150180210 距离冷面距离mm 面最高温度T随着炉温的升高而升高，当炉温在 1100℃左右的时候，热流密度为65kWm-2左右， 图4沿厚度方向上温度变化 热面最高温度在600℃左右，通常使用的铸钢 Fig.4 Temperature variation in the thickness direction
后的设计和应用有所裨益．分析冷却壁损坏的原 因研究其温度分布是冷却壁研究的重要基础［9］． 随着高炉冷却壁的发展对冷却壁的使用提出了更 高的要求深入研究其应变分布情况是必要的．目 前了解到只有陈先中对铸铁冷却壁的局部范围做了 测试研究［10］但在国内对于铸钢冷却壁的应变研究 工作几乎空白．鉴于此本次实验与马鞍山钢铁股 份有限公司合作在江苏省常熟烧嘴厂有限公司的冷 却壁热态实验炉上对铸钢冷却壁进行了热态实验． 1 热态实验 本次实验研究对铸钢冷却壁进行了1∶1的热态 实验模拟基本尺寸如图1． 图1 冷却壁示意图（单位：mm） Fig．1 Schematic diagram of cooling stave 实验目的是测量铸钢冷却壁在高温工作环境中 的应变分布和温度分布情况．通过布置镍铬－镍硅 热电偶和高温电阻应变片进行测量工作共计在不 同的深度埋入了60根热电偶在冷面不同位置布置 了10片高温应变片．整个实验系统主要划分为冷 却壁热态实验炉、燃烧器烧嘴、水循环系统和测试仪 表系统四大部分如图2． 2 实验结果和分析 2∙1 炉温、热流密度与热面温度 在铸钢冷却壁热面没有炉衬、不挂渣的情况下 当进出口水温差稳定的时候则冷却壁温度分布达 到稳态．实验测得的炉温、热流密度和热面温度的 结果如图3所示．从中可以看到热流密度 q 与热 面最高温度 T 随着炉温的升高而升高当炉温在 1100℃左右的时候热流密度为65kW·m －2左右 热面最高温度在 600℃ 左右．通常使用的铸钢 ZG200－400的相变温度线 A C1温度在730℃左右． 当铸钢冷却壁在高炉上服役时其表面镶有耐火材 料和覆盖渣皮热面温度会更低不会发生相变因 此铸钢冷却壁可安全服役． 图2 实验装置示意图 Fig．2 Schematic diagram of the test apparatus 图3 热流密度、热面最高温度与炉温关系 Fig．3 Relations of the heat flux and maximum temperature of the hot surface with furnace temperature 图4 沿厚度方向上温度变化 Fig．4 Temperature variation in the thickness direction 2∙2 厚度方向上温度分布 冷却壁冷却水管中心线距离冷面为62∙5mm 外径65mm．水速维持在1∙5m·s －1炉温稳定在 1100℃的条件下测得铸钢冷却壁沿基体厚度方向 上的温度变化如图4所示．在距离冷面为120mm ·420· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第4期 潘宏伟等：高炉铸钢冷却壁温度和应变分布热态实验研究 .421. 处出现拐点，拐点前的温度变化较均匀，其温度梯度 本体平均温度，℃；R为热电偶所在位置的圆周处 为0.74℃mm1;但在拐点之后，即在远离冷却水 至冷却水之间的总传热热阻，℃·W-1.当炉温在 管、靠近冷却壁热面的部分有较大温度梯度，其梯度 1200℃左右，水速在1.5ms-1时，实验测得t1= 为5.51℃mm1,不同水速下实验都证实了这一 28.8℃，t2=84.5℃，Q1=17kW,计算得R= 点，如表1所示，这说明靠近热面部分是该铸钢冷 32.8×10-4℃.W-1 却壁传热的薄弱环节，对其设计参数还应进一步优 假设冷却壁水管与本体之间不存在气隙层，则 化，因此，在实际应用中，可以考虑减小肋的高度、 上述总传热热阻R可以分解成三部分，分别为水管 减小冷却水管间距、增大冷却水管当量直径等措施 内表面与冷却水的对流换热热阻R1,水管管壁的导 以进一步提高热面的传热效果 热热阻R2,以及本体内表面至46#热电偶处之间的 表1不同水速下沿厚度方向的温度变化 导热热阻R3,由传热学知识可得这三个热阻为串 Table 1 Temperature variation in the thickness direction at different 联关系，即有：R=R1十R2十R3· water velocities (1)水管内表面与冷却水的对流换热热阻R1, 热电偶埋入深度（距离冷面）/mm 水速/ 1 30 60 90120 150180215(ms-) R一amdl 89 97 132 157 347 508 676 0.5 其中，a=全a=0.023Rp:a为水信内 87 95 129 154 345 506673 1.0 壁与冷却水之间的对流换热系数，W·(m2.℃-1)： 82 90 124 149 343 506672 1.5 l为水管的长度，m;Nu为努塞尔(Nusselt)数；Re 83 90 124150 346510679 2.0 为雷诺(Reynolds)数；Pr为普朗特(Prandtl)数；入 2.3热阻分析 为冷却水的导热系数，Wm1.℃一1；d:为水管内 热阻分析是衡量冷却壁的冷却水管与基体间是 径，m 否充分熔合的主要理论依据，实验中，将铸钢冷却 在水管长1.218m,水温30℃，水速1.5ms1 壁内部的四根水管从左到右（从冷面上看）依次编号 的情况下带入数据e=91300,Pr=5.42,入= 为1共、2产、3*和4.为了用实验方法测得冷却壁本 0.618Wm-1.℃-1，得a=5301W·m-2.℃-1， 体与水管之间的热阻，在2#水管周围布置三个热电 R1=10X10-4℃.W-1. 偶，编号为45#，46*，47#，如图5所示.取45和 (2)水管管壁的导热热阻2， 46两个热电偶平均温度作为圆周上的温度，因此 1 do 可利用热电偶测得的温度值来计算热电偶所在的圆 R2=2x入nd 周位置与冷却水之间的传热热阻（℃.W-一1）： 式中，d。为水管外径，m;,为冷却壁本体一铸 Q1=(t2-t1)/R 钢一的导热系数，Wm1.℃-1 式中，Q1为单根水管的热流量，W;t1为冷却水进 在水管外径0.065m,冷却壁本体平均温度为 出口平均温度，℃；2为热电偶所在圆周处冷却壁 100℃的情况下，带入数据入，=40W·m-1.℃-1得 R2=9.210-4℃.w-1. (3)本体内表面至46热电偶处之间的导热热 阻R3 1 d2 R3-2xLhgln di 45热电偶 46热电偶 式中，d1为冷却壁本体内壁直径，m;d2为46#热电 偶所在位置的圆的直径，m,针对本实验d1=0.049 m,d2=0.105m,代入数据得3=15.6×10-4℃. 47”热电偶 W-1. 假设存在的气隙 水管 实测数据计算的总热阻R=32.8×10-4℃· 图5水管附近布置的热电偶位置 W-1,与R1十R2十R3=34.8X10-4℃.W-1在数值 Fig-5 Position of the thermocouples around No.2 cooling water 上是相近的，说明在该热电偶区域不存在气隙层热 pipe 阻.因此，可以认为此处冷却壁与2“冷却水管之间
处出现拐点拐点前的温度变化较均匀其温度梯度 为0∙74℃·mm －1 ；但在拐点之后即在远离冷却水 管、靠近冷却壁热面的部分有较大温度梯度其梯度 为5∙51℃·mm －1不同水速下实验都证实了这一 点如表1所示．这说明靠近热面部分是该铸钢冷 却壁传热的薄弱环节对其设计参数还应进一步优 化．因此在实际应用中可以考虑减小肋的高度、 减小冷却水管间距、增大冷却水管当量直径等措施 以进一步提高热面的传热效果． 表1 不同水速下沿厚度方向的温度变化 Table 1 Temperature variation in the thickness direction at different water velocities ℃ 热电偶埋入深度（距离冷面）／mm 30 60 90 120 150 180 215 水速／ （m·s －1） 89 97 132 157 347 508 676 0∙5 87 95 129 154 345 506 673 1∙0 82 90 124 149 343 506 672 1∙5 83 90 124 150 346 510 679 2∙0 图5 水管附近布置的热电偶位置 Fig．5 Position of the thermocouples around No．2 cooling water pipe 2∙3 热阻分析 热阻分析是衡量冷却壁的冷却水管与基体间是 否充分熔合的主要理论依据．实验中将铸钢冷却 壁内部的四根水管从左到右（从冷面上看）依次编号 为1＃、2＃、3＃和4＃．为了用实验方法测得冷却壁本 体与水管之间的热阻在2＃水管周围布置三个热电 偶编号为45＃46＃47＃如图5所示．取45＃ 和 46＃两个热电偶平均温度作为圆周上的温度因此 可利用热电偶测得的温度值来计算热电偶所在的圆 周位置与冷却水之间的传热热阻 R（℃·W －1）： Q1＝（ t2－t1）／R 式中Q1 为单根水管的热流量W；t1 为冷却水进 出口平均温度℃；t2 为热电偶所在圆周处冷却壁 本体平均温度℃；R 为热电偶所在位置的圆周处 至冷却水之间的总传热热阻℃·W －1．当炉温在 1200℃左右水速在1∙5m·s －1时实验测得 t1＝ 28∙8℃t2＝84∙5℃Q1＝17kW计算得 R ＝ 32∙8×10－4℃·W －1． 假设冷却壁水管与本体之间不存在气隙层则 上述总传热热阻 R 可以分解成三部分分别为水管 内表面与冷却水的对流换热热阻 R1水管管壁的导 热热阻 R2以及本体内表面至46＃热电偶处之间的 导热热阻 R3．由传热学知识可得这三个热阻为串 联关系即有：R＝ R1＋ R2＋ R3． （1） 水管内表面与冷却水的对流换热热阻 R1． R1＝ 1 απdil ． 其中α＝ Nu λ di Nu＝0∙023Re 0∙8Pr 0∙4 ；α为水管内 壁与冷却水之间的对流换热系数W·（m －2·℃－1）； l 为水管的长度m；Nu 为努塞尔（Nusselt）数；Re 为雷诺（Reynolds）数；Pr 为普朗特（Prandtl）数；λ 为冷却水的导热系数W·m －1·℃－1 ；di 为水管内 径m． 在水管长1∙218m水温30℃水速1∙5m·s －1 的情况下带入数据 Re ＝91300Pr ＝5∙42λ＝ 0∙618W·m －1·℃－1得 α＝5301W·m －2·℃－1 R1＝10×10－4℃·W －1． （2） 水管管壁的导热热阻 R2． R2＝ 1 2πlλb ln do di ． 式中do 为水管外径m；λb 为冷却壁本体———铸 钢———的导热系数W·m －1·℃－1． 在水管外径0∙065m冷却壁本体平均温度为 100℃的情况下带入数据 λb＝40W·m －1·℃－1得 R2＝9∙2×10－4℃·W －1． （3） 本体内表面至46＃热电偶处之间的导热热 阻 R3． R3＝ 1 2πlλb ln d2 d1 ． 式中d1 为冷却壁本体内壁直径m；d2 为46＃热电 偶所在位置的圆的直径m．针对本实验 d1＝0∙049 md2＝0∙105m代入数据得 R3＝15∙6×10－4℃· W －1． 实测数据计算的总热阻 R ＝32∙8×10－4℃· W －1与 R1＋ R2＋ R3＝34∙8×10－4℃·W －1在数值 上是相近的说明在该热电偶区域不存在气隙层热 阻．因此可以认为此处冷却壁与2＃冷却水管之间 第4期 潘宏伟等： 高炉铸钢冷却壁温度和应变分布热态实验研究 ·421·
422 北京科技大学学报 第30卷 熔合充分 1100℃后，其应变分布如图8.将热冲击前后冷面 2.4应变分析 测点的应变进行对比，如下表3，发现各点之间的差 国内对铸钢冷却壁的应变研究较少见到报道， 别明显减小.经计算在热冲击前，10个测点的应变 因此有必要对铸钢冷却壁的应变分布规律进行研 方差为526；而在热冲击后，应变方差为392，减小了 究.在冷却壁热面上，由于测试所用的高温应变片 25%,且应变最大值也从667降低到475.这些都说 无法承受这种高温环境，因此本次实验从研究冷却 明热冲击后冷却壁冷面的应变分布更加均匀，验证 壁的冷面应变入手。在其冷面上，如何规范并牢固 了低碳钢独特的屈服现象：能够使局部应变得到重 地粘贴上应变片是本次测量工作的重点及难点，实 新分配，使集中处的应变得到松弛，实验证实了文 验过程中应变片如图6所示布置.实验在水速1.5 献[11]中提出的这一理论 ms1,炉温983℃条件下，测得其应变分布如图7 表2。热冲击时的炉温 所示.实验结果显示，中心线部位应变在一5×104 Table 2 Furnace temperature at the thermal-shock 左右，对应的应力在100MPa;四周应变在3×10-4 热冲击时刻/mim051015202530 左右，对应的应力在60MPa左右.说明中心线部位 热冲击温度/℃1065110112021245128011061008 应力大于其四周的应力，因此冷却壁中心线部位是 遭受应力侵蚀的薄弱环节， 650 550 450 250 50 点编号 图8热冲击后炉温1100℃时冷面应变 Fig.8 Strain distribution on the cold surface at a furnace tempera ture of 1100 C after the thermal shock 表3热冲击前后冷面应变对比 Table 3 Strain comparison on the cold surface before and after the 图6应变片位置 thermal-shock Fig.6 Position of strain gauges 热冲击前热冲击后 热冲击前热冲击后 应变片 应变片 应变值/ 应变值/ 应变值/ 应变值/ 标号 10-6 10-6 标号 650 10-6 10-6 550 1 -223 -330 6 -529 -382 2 -188 -251 7 -171 -327 3 -667 -475 8 -138 -109 -249 -231 9 -274 -405 -148 -61 10 -222 -211 点编号 3结论 图7炉温983℃时冷面应变分布 (1)该俦钢冷却壁在炉温1100℃左右时，热流 Fig.7 Strain distribution on the cold surface at a furnace tempera- 密度为65kWm-2左右，热面最高温度在600℃左 ture of983℃ 右，低于相变温度，冷却壁在高炉上服役时，其表面 在冷却壁热冲击测试时，实验中炉温以5min 镶有耐火材料和覆盖渣皮，热面温度会更低，因此铸 为间隔迅速变化，如表2.当炉温重新稳定在 钢冷却壁可安全服役
熔合充分． 2∙4 应变分析 国内对铸钢冷却壁的应变研究较少见到报道 因此有必要对铸钢冷却壁的应变分布规律进行研 究．在冷却壁热面上由于测试所用的高温应变片 无法承受这种高温环境因此本次实验从研究冷却 壁的冷面应变入手．在其冷面上如何规范并牢固 地粘贴上应变片是本次测量工作的重点及难点．实 验过程中应变片如图6所示布置．实验在水速1∙5 m·s －1炉温983℃条件下测得其应变分布如图7 所示．实验结果显示中心线部位应变在－5×10－4 左右对应的应力在100MPa；四周应变在3×10－4 左右对应的应力在60MPa 左右．说明中心线部位 应力大于其四周的应力因此冷却壁中心线部位是 遭受应力侵蚀的薄弱环节． 图6 应变片位置 Fig．6 Position of strain gauges 图7 炉温983℃时冷面应变分布 Fig．7 Strain distribution on the cold surface at a furnace temperature of 983℃ 在冷却壁热冲击测试时实验中炉温以5min 为间 隔 迅 速 变 化如 表 2．当 炉 温 重 新 稳 定 在 1100℃后其应变分布如图8．将热冲击前后冷面 测点的应变进行对比如下表3发现各点之间的差 别明显减小．经计算在热冲击前10个测点的应变 方差为526；而在热冲击后应变方差为392减小了 25％且应变最大值也从667降低到475．这些都说 明热冲击后冷却壁冷面的应变分布更加均匀验证 了低碳钢独特的屈服现象：能够使局部应变得到重 新分配使集中处的应变得到松弛．实验证实了文 献［11］中提出的这一理论． 表2 热冲击时的炉温 Table2 Furnace temperature at the therma-l shock 热冲击时刻／min 0 5 10 15 20 25 30 热冲击温度／℃ 1065 1101 1202 1245 1280 1106 1008 图8 热冲击后炉温1100℃时冷面应变 Fig．8 Strain distribution on the cold surface at a furnace temperature of 1100℃ after the therma-l shock 表3 热冲击前后冷面应变对比 Table3 Strain comparison on the cold surface before and after the therma-l shock 应变片 标号 热冲击前 应变值／ 10－6 热冲击后 应变值／ 10－6 1 －223 －330 2 －188 －251 3 －667 －475 4 －249 －231 5 －148 －61 应变片 标号 热冲击前 应变值／ 10－6 热冲击后 应变值／ 10－6 6 －529 －382 7 －171 －327 8 －138 －109 9 －274 －405 10 －222 －211 3 结论 （1） 该铸钢冷却壁在炉温1100℃左右时热流 密度为65kW·m －2左右热面最高温度在600℃左 右低于相变温度．冷却壁在高炉上服役时其表面 镶有耐火材料和覆盖渣皮热面温度会更低因此铸 钢冷却壁可安全服役． ·422· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第4期 潘宏伟等：高炉铸钢冷却壁温度和应变分布热态实验研究 .423. (2)通过传热分析，证实该种铸钢冷却壁冷却 Res,2002,14(2).5 水管与基体之间不存在气隙，水管与基体熔合良好， (程树森，杨天钧，高炉炉墙热负荷的传热学分析和研究·钢铁 研究学报，2002,14(2)：5) 消除了气隙热阻，使得导热效果得到显著改善，这也 [4]Shi L.Cheng SS.Feng L.et al.Research of spherical graphite 是铸钢冷却壁优于铸铁冷却壁的特点 iron stave alloying on the cooling water pipe.Ironmaking.2006. (3)在炉温在1100℃时，冷面中心应变在 25(2):26 一5×10-4左右，对应的应力值为100MPa;冷面四 (石琳，程树森，冯力，等.冷却水管表面合金化球墨铸铁冷却 周应变值在一3×10-4左右，对应的应力值为60 壁的研究.炼铁，2006,25(2)：26) MPa,说明俦钢冷却壁在使用过程中，其中心部位 [5]Wu D F,Cheng SS.Research on the heat transfer performance of copper pipe-buried cast copper cooling stave.Metall Res. 是应变较大区域，设计和使用铸钢冷却壁中应该重 2006,60 视该区域的应变特性， (吴狄蜂，程树森。埋纯铜管铸铜冷却壁传热性能研究·冶金研 (4)热冲击实验后发现冷却壁各处应变重新分 究，2006：60) 配，能使局部集中的应力得到松驰，有很好的抗热冲 [6]Hathaway R.Nanavati K S,Wakelin D H.Copper stave installa- 击能力 tion in H-4 blast furnace stack:First results.Ironmaking Conf Proc,1999,58.35 (⑤)冷却壁靠近热面的部分是传热的限制性环 [7]Purdy S M.Evaluation of the Cu to be used in manufacturing 节，在设计过程中可以采用减小肋高、增大水管内 blast furnace bosh cooling staves.Ironmaking Conf Proc.2000. 径、改水管圆形截面为椭圆形截面等措施进一步提 59,149 高热面传热效果 [8]Wu L J.Zhou W G.Chen H E.et al.The study of structure op timization of blast furnace cast steel stave based on heat transfer 参考文献 analysis.Appl Math Modeling.2007.31:1249 [9]Cheng SS.Yang T J.Yang W G.et al.Heat transfer analysis of [1]Cheng SS,YangT J.Xue QG.et al.Analysis of computational hlast furnace copper stave.Iron Steel,2001.36(2):8 heat transfer of the cooling apparatus arrangement for hlast fur (程树森，杨天钧，杨为国，等.高炉铜冷却壁传热分析·钢铁， nace with long campaign life.JUniv Sci Technol Beijing 2002. 2001,36(2):8) 24(1):15 [10]Chen X Z.Chen H Y,Bai H.et al.Experiment analysis of (程树森，杨天钧，薛庆国，等。长寿高炉冷却器布置方式的计 thermal stress in the cooling wall of blast furnace.JUniv Sci 算传热学分析.北京科技大学学报，2002,24(1)：15) Technol Beijing.1999.21(2):125 [2]Cheng SS.Xue Q G.Cang DQ,et al.Heat transfer analysis of (陈先中，陈海勇，白浩，等，高炉冷却壁热应力试验分析北 blast furnace cooling stave.Iron Steel.1999.34(5):8 京科技大学学报，1999,21(2)：125) (程树森，薛庆国，苍大强，等。高炉冷却壁的传热学分析·钢 [11]Zhang S M.Wang DS.Study and application of new heat-resis- 铁，1999,34(5)：8) tance-less steel cooling stave.Iron Steel,1994,37(1):14 [3]Cheng S S.YangT J.Application of heat transfer theory in anal- (张士敏，王东升·无热阻新型钢冷却壁的研制和应用·钢铁， ysis and research for heat load of blast furnace wall.J Iron Steel 2002,37(1):14)
（2） 通过传热分析证实该种铸钢冷却壁冷却 水管与基体之间不存在气隙水管与基体熔合良好． 消除了气隙热阻使得导热效果得到显著改善这也 是铸钢冷却壁优于铸铁冷却壁的特点． （3） 在炉温在1100℃时冷面中心应变在 －5×10－4左右对应的应力值为100MPa；冷面四 周应变值在－3×10－4左右对应的应力值为60 MPa．说明铸钢冷却壁在使用过程中其中心部位 是应变较大区域设计和使用铸钢冷却壁中应该重 视该区域的应变特性． （4） 热冲击实验后发现冷却壁各处应变重新分 配能使局部集中的应力得到松弛有很好的抗热冲 击能力． （5） 冷却壁靠近热面的部分是传热的限制性环 节在设计过程中可以采用减小肋高、增大水管内 径、改水管圆形截面为椭圆形截面等措施进一步提 高热面传热效果． 参 考 文 献 ［1］ Cheng S SYang T JXue Q Get al．Analysis of computational heat transfer of the cooling apparatus arrangement for blast furnace with long campaign life．J Univ Sci Technol Beijing2002 24（1）：15 （程树森杨天钧薛庆国等．长寿高炉冷却器布置方式的计 算传热学分析．北京科技大学学报200224（1）：15） ［2］ Cheng S SXue Q GCang D Qet al．Heat transfer analysis of blast furnace cooling stave．Iron Steel199934（5）：8 （程树森薛庆国苍大强等．高炉冷却壁的传热学分析．钢 铁199934（5）：8） ［3］ Cheng S SYang T J．Application of heat transfer theory in analysis and research for heat load of blast furnace wall．J Iron Steel Res200214（2）：5 （程树森杨天钧．高炉炉墙热负荷的传热学分析和研究．钢铁 研究学报200214（2）：5） ［4］ Shi LCheng S SFeng Let al．Research of spherical graphite iron stave alloying on the cooling water pipe．Ironmaking2006 25（2）：26 （石琳程树森冯力等．冷却水管表面合金化球墨铸铁冷却 壁的研究．炼铁200625（2）：26） ［5］ Wu D FCheng S S．Research on the heat transfer performance of copper-pipe-buried cast copper cooling stave． Metall Res 2006：60 （吴狄峰程树森．埋纯铜管铸铜冷却壁传热性能研究．冶金研 究2006：60） ［6］ Hathaway RNanavati K SWakelin D H．Copper stave installation in H-4blast furnace stack：First results．Ironmaking Conf Proc199958：35 ［7］ Purdy S M．Evaluation of the Cu to be used in manufacturing blast furnace bosh cooling staves．Ironmaking Conf Proc2000 59：149 ［8］ Wu L JZhou W GChen H Eet al．The study of structure optimization of blast furnace cast steel stave based on heat transfer analysis．Appl Math Modeling200731：1249 ［9］ Cheng S SYang T JYang W Get al．Heat transfer analysis of blast furnace copper stave．Iron Steel200136（2）：8 （程树森杨天钧杨为国等．高炉铜冷却壁传热分析．钢铁 200136（2）：8） ［10］ Chen X ZChen H YBai Het al．Experiment analysis of thermal stress in the cooling wall of blast furnace．J Univ Sci Technol Beijing199921（2）：125 （陈先中陈海勇白浩等．高炉冷却壁热应力试验分析．北 京科技大学学报199921（2）：125） ［11］ Zhang S MWang D S．Study and application of new heat-resistance-less steel cooling stave．Iron Steel199437（1）：14 （张士敏王东升．无热阻新型钢冷却壁的研制和应用．钢铁 200237（1）：14） 第4期 潘宏伟等： 高炉铸钢冷却壁温度和应变分布热态实验研究 ·423·
