·390 工程科学学报，第39卷，第3期 铜冷却壁表面渣皮的存在对有效降低其热面温 法，而采用间接热一耦合分析方法，其基本计算流 度、保护冷却壁有着至关重要的作用.国内外大量的 程为： 高炉操作者和理论研究者均从实际操作或传 (1)采用热单元建立铜冷却壁传热分析模型，给 热学角度出发，对铜冷却壁传热及其热面稳定挂渣进 定热分析参数，施加传热边界条件，进行温度场求解； 行了探讨.然而，渣皮的存在除了影响铜冷却壁本体 (2)将模型中的热单元转换为结构单元，并添加 温度外，亦对铜冷却壁本体及其自身受热膨胀所产生 结构单元属性： 的热应力有较大影响.石琳等人@通过对埋管铸铜 (3)在模型上施加应力边界条件，并将所得到的 冷却壁进行热态试验和数值模拟研究，认为煤气温度 温度场作为温度载荷施加在结构分析模型上，求解应 变化显著影响铜冷却壁本体应力分布.魏渊等人四 力场 提出了一种新型的炉腹铜冷却壁设计方案，该冷却壁 进行铜冷却壁一热力耦合分析时，仍采用作者在 温度场及应力场计算结果表明其结构的优化可明显降 之前的研究工作中所建立的物理模型圆，在温度场和 低壁体内的热变形和热应力.邓凯等人网研究了冷 应力场的计算中，均可根据计算条件的变化采用 却壁水管间距、镶砖厚度、水管直径等相关结构参数对 ANSYS生死单元技术杀死相关单元.分析结果时，采 冷却壁应力场分布的影响，并给出了相应的影响规律 用von mises等效应力表征冷却壁应力分布情况. 然而，上述研究均未涉及铜冷却壁渣皮的存在对壁体 1.2计算模型及边界条件 本身和渣层应力分布的影响.实际上，冷却壁本体及 在进行热分析时，仍采用作者在文献8]中所建 渣层的应力分布，尤其是壁体一渣层交界面处的应力 立的数学模型及边界条件.而进行应力分析时，则根 分布，对冷却壁热面渣皮的稳定性有着决定性的影响. 据弹性力学基本理论建立控制方程，并确定相应的边 因此，本文采用热力耦合分析的方法对挂有炉渣的铜 界条件 冷却壁应力分布进行计算，分析了煤气温度变化、冷却 在热弹性力学中，为求解某受热区域的应力场，需 制度、渣皮厚度、炉渣导热系数、镶砖材质等多种因素 满足平衡方程、几何方程和本构方程等一系列条件，各 对铜冷却壁及渣层应力分布影响，并从应力方面探索 方程描述详见文献山3]. 各因素对铜冷却壁热面渣皮稳定性的影响规律. 由于本文主要研究包含渣皮在内的铜冷却壁传热 1计算模型 体系在煤气温度、渣皮厚度、冷却制度等因素变化条件 下的应力分布情况，不考虑不同冷却壁固定方式等的 1.1热-力耦合分析方法 影响，因此忽略炉壳、填料层及相邻冷却壁对体系应力 本文采用ANSYS软件进行铜冷却壁传热体系的 分布的影响，所采用边界条件如下： 热-力耦合分析.在ANSYS中，热一力耦合分析有直接 (1)冷却壁和渣层底面及侧面为自由边界： 耦合和间接耦合两种类型.直接热一力耦合分析法采 (2)冷却壁及渣层在几何对称面上采用对称边界 用SOLID62、SOLD98等兼具温度场和结构场的耦合 条件： 单元，在所建立的物理模型上同时施加传热边界条件 (3)冷却壁冷面及渣层热面为自由边界： 和应力边界条件，同步进行温度场和应力场的求解 (4)冷却壁及渣层承受温度载荷，其模型内的温 此方法适宜在模型较简单、计算量较小时采用.而本 度分布由热分析求得 文将建立的铜冷却壁热一力耦合分析，由于渣层厚度 1.3物性参数选择 较小但温度、应力梯度很大，对网格精细度有很大要 在冷却壁温度场和应力场的求解中，所涉及的各 求，计算量巨大，因此不宜采用直接热一力耦合分析 材料的弹性力学参数见表14- 表1各材料弹性力学参数 Table 1 Elasticity mechanics parameters of materials 材料 温度/℃ 密度/(kgm3) 弹性模量/GPa 热膨胀系数1(10-6m℃) 泊松比 17 110 17.6 铜 100 8390 108 18.0 0.33 300 95 18.5 渣皮 工况决定 工况决定 工况决定 0.1 镶砖 由镶砖材质决定 由镶砖材质决定 由镶砖材质决定 0.1 其中，渣皮和镶砖的物性参数随高炉治炼条件和 镶砖所选用种类不同而发生变化，均为本文所考虑的工程科学学报，第 39 卷，第 3 期 铜冷却壁表面渣皮的存在对有效降低其热面温 度、保护冷却壁有着至关重要的作用． 国内外大量的 高炉操作者［1--5］和理论研究者［6--9］均从实际操作或传 热学角度出发，对铜冷却壁传热及其热面稳定挂渣进 行了探讨． 然而，渣皮的存在除了影响铜冷却壁本体 温度外，亦对铜冷却壁本体及其自身受热膨胀所产生 的热应力有较大影响． 石琳等人［10］通过对埋管铸铜 冷却壁进行热态试验和数值模拟研究，认为煤气温度 变化显著影响铜冷却壁本体应力分布． 魏渊等人［11］ 提出了一种新型的炉腹铜冷却壁设计方案，该冷却壁 温度场及应力场计算结果表明其结构的优化可明显降 低壁体内的热变形和热应力． 邓凯等人［12］研究了冷 却壁水管间距、镶砖厚度、水管直径等相关结构参数对 冷却壁应力场分布的影响，并给出了相应的影响规律． 然而，上述研究均未涉及铜冷却壁渣皮的存在对壁体 本身和渣层应力分布的影响． 实际上，冷却壁本体及 渣层的应力分布，尤其是壁体--渣层交界面处的应力 分布，对冷却壁热面渣皮的稳定性有着决定性的影响． 因此，本文采用热力耦合分析的方法对挂有炉渣的铜 冷却壁应力分布进行计算，分析了煤气温度变化、冷却 制度、渣皮厚度、炉渣导热系数、镶砖材质等多种因素 对铜冷却壁及渣层应力分布影响，并从应力方面探索 各因素对铜冷却壁热面渣皮稳定性的影响规律． 1 计算模型 1. 1 热--力耦合分析方法 本文采用 ANSYS 软件进行铜冷却壁传热体系的 热--力耦合分析． 在 ANSYS 中，热--力耦合分析有直接 耦合和间接耦合两种类型． 直接热--力耦合分析法采 用 SOLID62、SOLID98 等兼具温度场和结构场的耦合 单元，在所建立的物理模型上同时施加传热边界条件 和应力边界条件，同步进行温度场和应力场的求解． 此方法适宜在模型较简单、计算量较小时采用． 而本 文将建立的铜冷却壁热--力耦合分析，由于渣层厚度 较小但温度、应力梯度很大，对网格精细度有很大要 求，计算量巨大，因此不宜采用直接热--力耦合分析 法，而 采 用 间 接 热--耦 合 分 析 方 法，其 基 本 计 算 流 程为: ( 1) 采用热单元建立铜冷却壁传热分析模型，给 定热分析参数，施加传热边界条件，进行温度场求解; ( 2) 将模型中的热单元转换为结构单元，并添加 结构单元属性; ( 3) 在模型上施加应力边界条件，并将所得到的 温度场作为温度载荷施加在结构分析模型上，求解应 力场． 进行铜冷却壁--热力耦合分析时，仍采用作者在 之前的研究工作中所建立的物理模型［8］，在温度场和 应力场 的 计 算 中，均 可 根 据 计 算 条 件 的 变 化 采 用 ANSYS 生死单元技术杀死相关单元． 分析结果时，采 用 von mises 等效应力表征冷却壁应力分布情况． 1. 2 计算模型及边界条件 在进行热分析时，仍采用作者在文献［8］中所建 立的数学模型及边界条件． 而进行应力分析时，则根 据弹性力学基本理论建立控制方程，并确定相应的边 界条件． 在热弹性力学中，为求解某受热区域的应力场，需 满足平衡方程、几何方程和本构方程等一系列条件，各 方程描述详见文献［13］． 由于本文主要研究包含渣皮在内的铜冷却壁传热 体系在煤气温度、渣皮厚度、冷却制度等因素变化条件 下的应力分布情况，不考虑不同冷却壁固定方式等的 影响，因此忽略炉壳、填料层及相邻冷却壁对体系应力 分布的影响，所采用边界条件如下: ( 1) 冷却壁和渣层底面及侧面为自由边界; ( 2) 冷却壁及渣层在几何对称面上采用对称边界 条件; ( 3) 冷却壁冷面及渣层热面为自由边界; ( 4) 冷却壁及渣层承受温度载荷，其模型内的温 度分布由热分析求得． 1. 3 物性参数选择 在冷却壁温度场和应力场的求解中，所涉及的各 材料的弹性力学参数见表 1 ［14--15］． 表 1 各材料弹性力学参数 Table 1 Elasticity mechanics parameters of materials 材料 温度/℃ 密度/( kg·m － 3 ) 弹性模量/GPa 热膨胀系数/( 10 － 6 m·℃ － 1 ) 泊松比 17 110 17. 6 铜 100 8390 108 18. 0 0. 33 300 95 18. 5 渣皮 ― 工况决定 工况决定 工况决定 0. 1 镶砖 ― 由镶砖材质决定 由镶砖材质决定 由镶砖材质决定 0. 1 其中，渣皮和镶砖的物性参数随高炉冶炼条件和 镶砖所选用种类不同而发生变化，均为本文所考虑的 · 093 ·