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第9期 石琳等：冷却水管表面合金化球墨铸铁冷却壁的热应力和热变形 .945 变形幅度逐渐减小，且变形趋势从向热面凸起逐渐 铸铁低周疲劳断裂循环次数较小（一般小于10 过渡到向冷面凸起 次)，热面在高于屈服点的载荷下工作，容易萌生疲 2000 劳裂纹]，疲劳裂纹的逐渐扩展导致冷却壁破损， 一常一自由 -o-10 MPa-30 MPa -50 MPa -e-100MPa●一固定 所以，研究铸铁冷却壁使用寿命及最大热负荷，必须 1600 ● 考虑两个因素：一是壁体热面温度低于铸铁相变温 度；二是保证热面在低于屈服点的高周疲劳条件下 1200 使用，称满足以上两个条件的铸铁冷却壁最大热负 800 荷为“高周热负荷”，对于合金化管铸铁冷却壁，高 周热负荷为75kWm-2 400 通过计算也得出，相同温度条件下减小壁体热 应力的主要途径就是减小边缘约束，所以，在安装 o -3 -1012 冷却壁时必须预留膨胀间隙，左右相邻冷却壁的间 -2 冷面中心线X方向位移mm 隙根据自由边界下Z方向最大变形量确定，与炉壳 间的膨胀间隙根据自由边界下X负向的最大变形 图4不同边界约束下冷却壁冷面中心线的变形 Fig.4 Deformation in cold side axis of the cooling stave under dif- 量确定，高度方向不需要预留膨胀间隙.由于高炉 ferent boundary constraints 内的冷却壁是向热面凸起变形，为了缓解热变形，可 将铸铁冷却壁制成具有一定弧度、向冷面微凸的形 图3(a)热应力计算结果显示：铸铁冷却壁的最 状.另外，为了减小热应力，必须在定位销与冷却 大应力集中在定位销处（约450MPa左右），已经超 壁、定位销与炉皮、冷却壁的水管与炉皮开孔间留有 过了定位销的屈服点，这是因为把定位销与壁体看 足够的间隙，以适应冷却壁受热后的膨胀 作连续体考虑的缘故；其他部位壁体应力都低于 2.3.2炉温对俦铁冷却壁热应力及热变形的影响 330MPa·图5显示，相同温度条件下自由边界的壁 为了分析炉温对铸铁冷却壁热应力和热变形的 体热应力最小，随着边界约束的增强，热面应力和冷 影响，计算了边缘接触压力为10MPa、炉温分别为 面应力逐渐增大，热态实验结果得出炉温1103℃ 827℃和1204℃时铸铁冷却壁的热应力和热变形. 时壁体冷面温度在100℃左右，热面温度在721℃ 计算结果显示，两种炉温下壁体变形趋势一致，但变 左右·几种约束情况下冷面热应力低于100℃铸铁 形量增加了2倍左右，说明温度越高，壁体变形幅 的屈服强度340MPa,热面等效应力在220~ 度越大，图6显示，壁体整体应力随炉温的增加而 260MPa之间，超过了铸铁700℃时的屈服强度 增大，在厚度方向，冷面和热面应力较大，中间部分 210MPa,说明合金化管铸铁冷却壁冷面处于弹性 应力较小，炉温827℃时，无渣壁体热面温度 状态，热面处于塑性状态，边缘接触压力越大，壁体 442℃，热面热应力200MPa,整个壁体应力都在弹 处于塑性状态的范围越大 性范围内（铸铁500℃时屈服强度240MPa).当炉 ■自由m10MPa▣30MPa 日50MPa口100MPaa周定 温1204℃时，热面温度860℃，热面应力220MPa, 310 与炉温827℃的热面应力相比，虽然热面应力增加 240 幅度很小，但由于铸铁的屈服点随温度升高而下降， 导致热面强度大大降低.所以，炉温1204℃时壁体 170 热面甚至近热面都发生了塑性变形（铸铁900℃时 100 屈服强度170MPa).可见，降低壁体温度，增加俦铁 冷面 热面 强度是提高铸铁冷却壁寿命的主要途径 图5不同边界约束的冷、热面等效应力 2.3.3渣皮对热应力和热变形的影响 Fig.5 Equivalent stress on cold side and hot side of the cooling 为了分析渣皮对铸铁冷却壁热应力和热变形的 stave under different boundary constraints 影响，计算了接触压力为10MPa、炉温为1202℃时 可见，当无渣合金化管铸铁冷却壁热流密度为 挂渣铸铁冷却壁的热应力和热变形，并与炉温 95kWm2时（即炉温1103℃），虽然热面温度低于 1204℃无渣铸铁冷却壁热应力以及热变形进行了 铸铁的相变温度，但热面已经处于塑性疲劳状态，该 比较，图6显示，炉温相同的条件下挂渣冷却壁变 状态称为低周疲劳状态·根据铸铁强度分析理论， 形量是无渣冷却壁变形量的0.37倍，当炉温变形幅度逐渐减小且变形趋势从向热面凸起逐渐 过渡到向冷面凸起． 图4 不同边界约束下冷却壁冷面中心线的变形 Fig．4 Deformation in cold side axis of the cooling stave under different boundary constraints 图3（a）热应力计算结果显示：铸铁冷却壁的最 大应力集中在定位销处（约450MPa 左右）已经超 过了定位销的屈服点这是因为把定位销与壁体看 作连续体考虑的缘故；其他部位壁体应力都低于 330MPa．图5显示相同温度条件下自由边界的壁 体热应力最小随着边界约束的增强热面应力和冷 面应力逐渐增大．热态实验结果得出炉温1103℃ 时壁体冷面温度在100℃左右热面温度在721℃ 左右．几种约束情况下冷面热应力低于100℃铸铁 的屈 服 强 度 340 MPa热 面 等 效 应 力 在 220～ 260MPa之间超过了铸铁 700℃ 时的屈服强度 210MPa说明合金化管铸铁冷却壁冷面处于弹性 状态热面处于塑性状态．边缘接触压力越大壁体 处于塑性状态的范围越大． 图5 不同边界约束的冷、热面等效应力 Fig．5 Equivalent stress on cold side and hot side of the cooling stave under different boundary constraints 可见当无渣合金化管铸铁冷却壁热流密度为 95kW·m －2时（即炉温1103℃）虽然热面温度低于 铸铁的相变温度但热面已经处于塑性疲劳状态该 状态称为低周疲劳状态．根据铸铁强度分析理论 铸铁低周疲劳断裂循环次数较小（一般小于104 次）热面在高于屈服点的载荷下工作容易萌生疲 劳裂纹［10］疲劳裂纹的逐渐扩展导致冷却壁破损． 所以研究铸铁冷却壁使用寿命及最大热负荷必须 考虑两个因素：一是壁体热面温度低于铸铁相变温 度；二是保证热面在低于屈服点的高周疲劳条件下 使用．称满足以上两个条件的铸铁冷却壁最大热负 荷为“高周热负荷”．对于合金化管铸铁冷却壁高 周热负荷为75kW·m －2． 通过计算也得出相同温度条件下减小壁体热 应力的主要途径就是减小边缘约束．所以在安装 冷却壁时必须预留膨胀间隙左右相邻冷却壁的间 隙根据自由边界下 Z 方向最大变形量确定与炉壳 间的膨胀间隙根据自由边界下 X 负向的最大变形 量确定高度方向不需要预留膨胀间隙．由于高炉 内的冷却壁是向热面凸起变形为了缓解热变形可 将铸铁冷却壁制成具有一定弧度、向冷面微凸的形 状．另外为了减小热应力必须在定位销与冷却 壁、定位销与炉皮、冷却壁的水管与炉皮开孔间留有 足够的间隙以适应冷却壁受热后的膨胀． 2∙3∙2 炉温对铸铁冷却壁热应力及热变形的影响 为了分析炉温对铸铁冷却壁热应力和热变形的 影响计算了边缘接触压力为10MPa、炉温分别为 827℃和1204℃时铸铁冷却壁的热应力和热变形． 计算结果显示两种炉温下壁体变形趋势一致但变 形量增加了2倍左右．说明温度越高壁体变形幅 度越大．图6显示壁体整体应力随炉温的增加而 增大在厚度方向冷面和热面应力较大中间部分 应力较小．炉温 827℃ 时无 渣 壁 体 热 面 温 度 442℃热面热应力200MPa整个壁体应力都在弹 性范围内（铸铁500℃时屈服强度240MPa）．当炉 温1204℃时热面温度860℃热面应力220MPa 与炉温827℃的热面应力相比虽然热面应力增加 幅度很小但由于铸铁的屈服点随温度升高而下降 导致热面强度大大降低．所以炉温1204℃时壁体 热面甚至近热面都发生了塑性变形（铸铁900℃时 屈服强度170MPa）．可见降低壁体温度增加铸铁 强度是提高铸铁冷却壁寿命的主要途径． 2∙3∙3 渣皮对热应力和热变形的影响 为了分析渣皮对铸铁冷却壁热应力和热变形的 影响计算了接触压力为10MPa、炉温为1202℃时 挂渣铸铁冷却壁的热应力和热变形并与炉温 1204℃无渣铸铁冷却壁热应力以及热变形进行了 比较．图6显示炉温相同的条件下挂渣冷却壁变 形 量 是 无 渣 冷 却 壁 变 形 量 的0∙37倍 ．当 炉 温 第9期 石 琳等： 冷却水管表面合金化球墨铸铁冷却壁的热应力和热变形 ·945·