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 .943 体考虑，利用ANSYS材料特性随温度变化的处理 上对称面 功能，对各种材料参数随温度变化进行设置， 1.2热边界条件 侧对称面 利用合金化管铸铁冷却壁热态实验数据确定的 参数列于表1，日本水岛制铁所实验表明，普通涂层 炉壳 铸铁冷却壁本体与冷却水之间的传热系数K为 热面 侧面 200~350Wm-2.℃-1，日本新日铁开发第四代冷 却壁计算所采用的K值为210~240W·m-2. 填料 ℃-).合金化管铸铁冷却壁壁体与冷却水的综合 底面 传热系数K是根据水管外壁与冷却壁壁体接触面 热电偶测量值、冷却水带走的热量及冷却水的平均 温度，采用文献[G一7]的计算方法得出的，其K值为 图1铸铁冷却壁计算模型 14651674Wm-2.℃-1，远远大于日本的实验结 Fig.1 Computational model of a cost iron cooling stave 果，这是因为合金化管铸铁冷却壁气隙层厚度是普 模型时，将炉壳、壁体、填料、定位销和镶砖看作连续 通铸铁冷却壁涂层厚度的1/10[8]. 表1铸铁冷却壁热边界条件 Table 1 Thermal boundary condition of cast iron staves 炉壳与周围介质 壁体与冷却水的 炉内综合 冷却壁 炉温/ 冷却水平 流速/ 热流密度/ 换热系数/ 综合传热系数， 换热系数/ 种类 ℃ 均温度/℃ (m's-1) (Wm2.℃- (kW.m2) K/(Wm-2.℃-J (Wm-2.℃-) 824 30.7 1.20 9.32 57.93 1643.8 157.76 1147 32.3 1.18 11.09 101.20 1465.4 303.52 无渣合金 1204 32.0 1.85 11.05 114.10 1674.6 342.54 1103 31.5 1.50 10.70 95.17 1593.6 255.06 挂渣合金 1202 29.5 1.20 8.30 35.50 1653.4 145.68 普通涂层 1158 30.0 1.14 20.00 65.83 278.0 298.00 从表1看出，合金化管铸铁冷却壁炉内综合换 据也比较接近] 热系数是随炉温变化的，在相同炉温下合金化管铸 1.3物性参数 铁冷却壁与相同结构参数的文献[6]中普通涂层冷 有限元计算中使用的相关物性参数主要根据文 却壁炉内综合换热系数相同，与日本水岛制铁所数 献[9-11]确定，如表2所示 表2铸铁、镶砖、炉壳及填料的物性参数 Table 2 Material properties of cast iron,firebrick,furnace mantle and filling material 材料 温度/℃ 导热系数/(Wm-2.℃) 弹性模量/GPa 热膨胀系数/℃-1 屈服强度/MPa 泊松比 18 42.5 168.0 14X10-6 360 0.30 200 36.7 163.0 14×10-6 320 0.30 铸铁 500 28.6 145.0 14X106 240 0.30 900 17.8 95.0 14×10-6 170 0.30 20 19.6 15.1 4.5×10-6 0.10 200 14.7 4.5X10-6 0.10 300 17.4 12.6 4.5X10-6 0.10 微孔铝碳砖 600 13.8 12.5 4.5×10-6 一 0.10 700 10.9 4.5×10-6 0.10 900 10.2 0.10 30 52.0 210.0 11.8×10-6 420 0.30 炉壳（定位销） 100 206.0 12.3×10-6 380 0.30 炭质填料 30 14.0 9.5 4.6×10-6 0.14图1 铸铁冷却壁计算模型 Fig．1 Computational model of a cost iron cooling stave 模型时‚将炉壳、壁体、填料、定位销和镶砖看作连续 体考虑‚利用 ANSYS 材料特性随温度变化的处理 功能‚对各种材料参数随温度变化进行设置． 1∙2 热边界条件 利用合金化管铸铁冷却壁热态实验数据确定的 参数列于表1．日本水岛制铁所实验表明‚普通涂层 铸铁冷却壁本体与冷却水之间的传热系数 K 为 200～350W·m －2·℃－1‚日本新日铁开发第四代冷 却壁计算所采用的 K 值为 210～240W·m －2· ℃－1［5］．合金化管铸铁冷却壁壁体与冷却水的综合 传热系数 K 是根据水管外壁与冷却壁壁体接触面 热电偶测量值、冷却水带走的热量及冷却水的平均 温度‚采用文献［6－7］的计算方法得出的‚其 K 值为 1465～1674W·m －2·℃－1‚远远大于日本的实验结 果．这是因为合金化管铸铁冷却壁气隙层厚度是普 通铸铁冷却壁涂层厚度的1／10［8］． 表1 铸铁冷却壁热边界条件 Table1 Thermal boundary condition of cast iron staves 冷却壁 种类 炉温／ ℃ 冷却水平 均温度／℃ 流速／ （m·s －1） 炉壳与周围介质 换热系数／ （W·m －2·℃－1） 热流密度／ （kW·m －2） 壁体与冷却水的 综合传热系数‚ K／（W·m －2·℃－1） 炉内综合 换热系数／ （W·m －2·℃－1） 824 30∙7 1∙20 9∙32 57∙93 1643∙8 157∙76 无渣合金 1147 32∙3 1∙18 11∙09 101∙20 1465∙4 303∙52 1204 32∙0 1∙85 11∙05 114∙10 1674∙6 342∙54 1103 31∙5 1∙50 10∙70 95∙17 1593∙6 255∙06 挂渣合金 1202 29∙5 1∙20 8∙30 35∙50 1653∙4 145∙68 普通涂层 1158 30∙0 1∙14 20∙00 65∙83 278∙0 298∙00 从表1看出‚合金化管铸铁冷却壁炉内综合换 热系数是随炉温变化的‚在相同炉温下合金化管铸 铁冷却壁与相同结构参数的文献［6］中普通涂层冷 却壁炉内综合换热系数相同‚与日本水岛制铁所数 据也比较接近［5］． 1∙3 物性参数 有限元计算中使用的相关物性参数主要根据文 献［9－11］确定‚如表2所示． 表2 铸铁、镶砖、炉壳及填料的物性参数 Table2 Material properties of cast iron‚firebrick‚furnace mantle and filling material 材料 温度／℃ 导热系数／（W·m －2·℃－1） 弹性模量／GPa 热膨胀系数／℃－1 屈服强度／MPa 泊松比 18 42∙5 168∙0 14×10－6 360 0∙30 铸铁 200 36∙7 163∙0 14×10－6 320 0∙30 500 28∙6 145∙0 14×10－6 240 0∙30 900 17∙8 95∙0 14×10－6 170 0∙30 20 19∙6 15∙1 4∙5×10－6 — 0∙10 200 — 14∙7 4∙5×10－6 — 0∙10 微孔铝碳砖 300 17∙4 12∙6 4∙5×10－6 — 0∙10 600 13∙8 12∙5 4∙5×10－6 — 0∙10 700 — 10∙9 4∙5×10－6 — 0∙10 900 10∙2 — — — 0∙10 炉壳（定位销） 30 52∙0 210∙0 11∙8×10－6 420 0∙30 100 — 206∙0 12∙3×10－6 380 0∙30 炭质填料 30 14∙0 9∙5 4∙6×10－6 — 0∙14 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 ·943·