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D0I:10.13374/i.issnl00113.2007.09.039 第29卷第9期 北京科技大学学报 Vol.29 No.9 2007年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep·2007 冷却水管表面合金化球墨铸铁冷却壁的 热应力和热变形 石琳)程素森)冯力)沈猛) 1)内蒙古科技大学理学院，包头0140102)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 3)世林（漯河）冶金设备有限公司，漯河462000 摘要为了满足高炉长寿的需要，开发了一种具有高冷却性能的铸铁冷却壁。利用热态实验数据确定了合金化管铸铁冷却 壁温度场数值模拟的边界条件，采用ANSYS软件和热结构耦合的方法分析炉温、渣皮和边缘接触压力对高温状态下铸铁冷 却壁热应力及变形的影响，以便采取有效的措施降低铸铁冷却壁热应力，控制其变形.根据球墨铸铁强度分析理论提出评价 长寿铸铁冷却壁冷却能力的新概念一高周热负荷。 关键词高炉；铸铁冷却壁：热应力；热负荷 分类号TF573.1 随着高炉技术的进步，炉体热负荷不断增大，现 大热负荷为95kWm一2，高于普通涂层铸铁冷却壁 有的普通铸铁冷却壁已难以完全满足现代高炉的需 及日本第三代冷却壁， 要山.虽然铜冷却壁冷却性能优良，但价格昂贵 本文采用热结构耦合的计算方法详细分析了 为了提高铸铁冷却壁的冷却性能，满足高炉长寿的 炉温、渣皮、边缘接触压力对铸铁冷却壁热应力及其 需求，开发了一种高性能的冷却水管表面合金化球 变形的影响，通过与普通涂层球墨铸铁冷却壁温度 墨铸铁冷却壁，简称合金化管铸铁冷却壁 分布及应力分布的比较，说明合金化管铸铁冷却壁 普通铸铁冷却壁制造工艺是在冷却钢管外壁刷 使用寿命会超过普通俦铁冷却壁，利用球墨铸铁强 涂或喷涂一层0.20~0.40mm厚的防渗碳涂料，这 度分析理论提出了铸铁冷却壁“高周热负荷”新概 样在浇注时虽然能起到很好的防渗碳作用，但在冷 念，以此评价铸铁冷却壁的冷却能力和使用寿命， 却水管外壁和冷却壁基体之间形成由涂层和气隙构 1合金化管铸铁冷却壁温度场数值 成的绝热层，该绝热层是冷却壁冷却能力的限制性 环节2).为了降低涂层及气隙层热阻，新开发的 模拟 铸铁冷却壁不是刷涂或喷涂防渗碳涂料[幻，而是对 冷却壁温度场的分析是冷却壁热应力和热变形 钢管活化处理后再进行合金化处理，在钢管外壁形 分析的重要前提条件，因此先计算冷却壁的温度分 成了一层0.1~0.2mm厚的合金层.该合金层不仅 布 防渗碳效果优良，而且导热性好，热导率≥90 1.1三维传热数学模型 Wm-1,K一1.为了测定合金化管铸铁冷却壁的实 高炉冷却壁和炉衬的传热可视为导热问题来处 际冷却性能，在常熟喷嘴厂专用的高炉冷却壁热态 理，稳态条件下，三维导热微分方程为： 实验炉上进行了1：1热态实验 2引羽 =0 (1) 合金化管铸铁冷却壁热态实验结果表明：当合 金化管铸铁冷却壁热流密度为95kWm2时，本体 式中，入(T)是与温度有关的导热系数，W·m1. 中部热面温度716℃，角部热面温度（最高温度）在 ℃-1：=1,2,3，表示三维，即x、y和z轴，冷却壁 741℃左右，低于球墨铸铁允许的工作温度760℃， 尺寸1625mm×800mm×235mm,冷却通道共四 条，在宽度方向均匀分布，通道中心间距为200mm, 可见，合金化管铸铁冷却壁裸露状态下能承受的最 冷却水管规格70mm×6mm,水管中心线离冷面距 收稿日期：2006-04-27修回日期：2006-06-16 离80mm,燕尾槽镶砖为烧成微孔铝碳砖，镶砖厚 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.60472095):内蒙古教有 75mm,镶砖面积50%.根据冷却壁的对称性，截取 厅基金资助项目(No·NJ06078) 作者简介：石琳(1964一)女，教授，博士 冷却壁1/4作为计算模型（见图1），在建立有限元冷却水管表面合金化球墨铸铁冷却壁的 热应力和热变形 石 琳12） 程素森2） 冯 力3） 沈 猛3） 1） 内蒙古科技大学理学院包头014010 2） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京 100083 3） 世林（漯河）冶金设备有限公司漯河462000 摘 要 为了满足高炉长寿的需要开发了一种具有高冷却性能的铸铁冷却壁．利用热态实验数据确定了合金化管铸铁冷却 壁温度场数值模拟的边界条件采用 ANSYS 软件和热－结构耦合的方法分析炉温、渣皮和边缘接触压力对高温状态下铸铁冷 却壁热应力及变形的影响以便采取有效的措施降低铸铁冷却壁热应力控制其变形．根据球墨铸铁强度分析理论提出评价 长寿铸铁冷却壁冷却能力的新概念－－－高周热负荷． 关键词 高炉；铸铁冷却壁；热应力；热负荷 分类号 TF573∙1 收稿日期：2006-04-27 修回日期：2006-06-16 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．60472095）；内蒙古教育 厅基金资助项目（No．NJ06078） 作者简介：石 琳（1964－）女教授博士 随着高炉技术的进步炉体热负荷不断增大现 有的普通铸铁冷却壁已难以完全满足现代高炉的需 要［1］．虽然铜冷却壁冷却性能优良但价格昂贵． 为了提高铸铁冷却壁的冷却性能满足高炉长寿的 需求开发了一种高性能的冷却水管表面合金化球 墨铸铁冷却壁简称合金化管铸铁冷却壁． 普通铸铁冷却壁制造工艺是在冷却钢管外壁刷 涂或喷涂一层0∙20～0∙40mm 厚的防渗碳涂料这 样在浇注时虽然能起到很好的防渗碳作用但在冷 却水管外壁和冷却壁基体之间形成由涂层和气隙构 成的绝热层该绝热层是冷却壁冷却能力的限制性 环节［2－3］．为了降低涂层及气隙层热阻新开发的 铸铁冷却壁不是刷涂或喷涂防渗碳涂料［4］而是对 钢管活化处理后再进行合金化处理在钢管外壁形 成了一层0∙1～0∙2mm 厚的合金层．该合金层不仅 防渗 碳 效 果 优 良而 且 导 热 性 好热 导 率 ≥90 W·m －1·K －1．为了测定合金化管铸铁冷却壁的实 际冷却性能在常熟喷嘴厂专用的高炉冷却壁热态 实验炉上进行了1∶1热态实验． 合金化管铸铁冷却壁热态实验结果表明：当合 金化管铸铁冷却壁热流密度为95kW·m －2时本体 中部热面温度716℃角部热面温度（最高温度）在 741℃左右低于球墨铸铁允许的工作温度760℃． 可见合金化管铸铁冷却壁裸露状态下能承受的最 大热负荷为95kW·m －2高于普通涂层铸铁冷却壁 及日本第三代冷却壁． 本文采用热－结构耦合的计算方法详细分析了 炉温、渣皮、边缘接触压力对铸铁冷却壁热应力及其 变形的影响．通过与普通涂层球墨铸铁冷却壁温度 分布及应力分布的比较说明合金化管铸铁冷却壁 使用寿命会超过普通铸铁冷却壁．利用球墨铸铁强 度分析理论提出了铸铁冷却壁“高周热负荷”新概 念以此评价铸铁冷却壁的冷却能力和使用寿命． 1 合金化管铸铁冷却壁温度场数值 模拟 冷却壁温度场的分析是冷却壁热应力和热变形 分析的重要前提条件因此先计算冷却壁的温度分 布． 1∙1 三维传热数学模型 高炉冷却壁和炉衬的传热可视为导热问题来处 理稳态条件下三维导热微分方程为： ∑i ∂ ∂xi λ（ T） ∂T ∂xi ＝0 （1） 式中λ（ T ）是与温度有关的导热系数W·m －1· ℃－1 ；i＝123表示三维即 x、y 和 z 轴．冷却壁 尺寸1625mm×800mm×235mm冷却通道共四 条在宽度方向均匀分布通道中心间距为200mm 冷却水管规格●70mm×6mm水管中心线离冷面距 离80mm燕尾槽镶砖为烧成微孔铝碳砖镶砖厚 75mm镶砖面积50％．根据冷却壁的对称性截取 冷却壁1／4作为计算模型 （见图1）．在建立有限元 第29卷 第9期 2007年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．9 Sep．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．09．039