·392· 工程科学学报，第39卷，第3期 应力值将随煤气温度线性上升，但在不同的渣皮厚度 升.在渣皮厚度较小（小于25mm)时，炉渣-镶砖交界 条件下，上升幅度有所区别.在渣皮厚度大于15mm 面处应力值较大且随煤气温度波动较剧烈.而渣皮厚 时，渣皮厚度越大，壁体应力随煤气温度升高而上升的 度较大时，该界面处的应力值较小且随煤气温度波动 趋势越明显.以渣皮厚度l5mm和85mm两种工况为 较小.这说明渣皮厚度较小时，渣皮对煤气温度波动 例，煤气温度每升高100℃，壁体应力分别上升5.02 的适应能力较弱，渣皮稳定性较差，应尽量维持边缘煤 MPa和9.64MPa.这说明煤气温度的波动易造成冷却 气流温度稳定，否则，煤气温度的波动会导致镶砖与渣 壁本体内应力的波动，而壁体内应力的频繁波动会造 层交界面处的应力值急剧变化，进而引起渣皮脱落 成铜冷却壁本体的疲劳损坏，降低冷却壁使用寿命. 首钢、鞍钢等多家企业的生产实践已经证明，煤气温 图2(b)给出了不同渣皮厚度条件下冷却壁炉渣 度的波动会造成渣皮的频繁脱落，因而在高炉操作 与镶砖交界面处的应力随温度的变化规律.在各渣皮 过程中已加强了对边缘煤气流的合理控制以保证稳 厚度条件下，渣一砖界面的应力值随煤气温度线性上 定挂渣16-刀 a -5 mm ◆-15mm ★25mm 15 120 渣层厚度 m m 55 mm 606 -65mm◆-75mm ★ ★85m 50 渣层厚度 100 0 5 mm -l5mm+25mm35mm 45mm55mm+-65mm◆75mm ★85mm 80- 30 20 1200 1250 1300 1350 1400 1200 12501300 1350 1400 煤气温度℃ 煤气温度℃ 图2煤气温度变化对铜冷却壁本体()及簇砖-炉渣界面(b)应力值的影响 Fig.2 Influence of gas temperature on the stave body (a)and slag-brick interface (b) 2.2渣皮厚度的影响 (应力循环次数为10次)，因此单纯从铜冷却壁本体 图3为不同渣皮厚度条件下（煤气温度固定为 应力角度出发，铜冷却壁渣皮厚度不宜超过60mm. 1300℃，冷却水流速固定为2.0m·s,冷却水温度为 图4(b)显示了铜冷却壁热面渣层厚度变化对镶 35℃)壁体应力分布云图.由该图可知，在不同的渣皮 砖一炉渣交界面处应力的影响，同样，渣一砖界面的应 厚度条件下，冷却壁均向热面凸起，而应力集中位置出 力值随渣皮厚度也表现出先降低后升高的现象.由于 现在冷却壁热面镶砖背后正对冷却水通道区域，在一 炉渣在铜材表面的附着能力很弱，因此铜冷却壁与炉 定的渣皮厚度范围内，随着渣皮厚度的增大，该应力集 渣之间主要依靠燕尾槽内镶嵌的耐火砖或者炉渣进行 中区域面积逐渐增大.筋肋表面的应力值普遍小于镶 结合，则镶砖一渣皮交界面结合能力的强弱决定了铜 砖沟槽位置应力值，但筋肋顶端拐角位置应力值较大， 冷却壁能否稳定挂渣，该交界面处应力值越小，则炉渣 应力最大位置出现在冷却壁侧面边缘的筋肋角部 在铜冷却壁表面附着的稳定性越强，即挂渣越稳定 位置. 由该图可明显看出，无论在何种煤气温度条件下，镶 而由图4(a)可知，在炉渣性质、冷却制度等不变 砖一渣皮交界面处的应力值均在渣皮厚度约45mm时 的条件下，壁体应力值随渣皮厚度增加而呈现先下降 达到最小，即渣皮厚度约45mm时渣皮的稳定性好：在 后上升的趋势.在渣皮厚度0~l5mm范围内，壁体应 力随渣皮厚度增大而减小；当渣皮厚度约为15mm时， 渣皮厚度小于45mm时，随着渣皮厚度的增大，镶砖- 壁体应力值最小：在渣皮厚度15~85mm范围内，壁体 炉渣交界面处应力值迅速减小，即挂渣稳定性增强；当 应力随着渣皮厚度的增大而迅速上升.在所有计算工 渣皮厚度大于45mm时，随着渣皮厚度的增大，该交界 况下，壁体应力值均小于铜冷却壁抗拉强度值，说明铜 面处的应力又逐渐增大，说明渣皮超过一定厚度时，继 冷却壁本体不会由于热应力而产生塑性变形破坏.但 续增大渣皮厚度，挂渣稳定性将减弱.为保证渣一砖界 是，若渣皮厚度频繁变化，将引起壁体内应力值在较大 面应力值较小且应力波动较小，并综合考虑铜冷却壁 范围内频繁波动，造成铜冷却壁疲劳损坏.对于铜冷 本体应力变化情况，渣皮厚度应维持在30~60mm 却壁常用的铜材而言，其疲劳强度约为70~98MP: 之间.工程科学学报，第 39 卷，第 3 期 应力值将随煤气温度线性上升，但在不同的渣皮厚度 条件下，上升幅度有所区别． 在渣皮厚度大于 15 mm 时，渣皮厚度越大，壁体应力随煤气温度升高而上升的 趋势越明显． 以渣皮厚度 15 mm 和 85 mm 两种工况为 例，煤气温度每升高 100 ℃，壁体应力分别上升 5. 02 MPa 和 9. 64 MPa． 这说明煤气温度的波动易造成冷却 壁本体内应力的波动，而壁体内应力的频繁波动会造 成铜冷却壁本体的疲劳损坏，降低冷却壁使用寿命． 图 2( b) 给出了不同渣皮厚度条件下冷却壁炉渣 与镶砖交界面处的应力随温度的变化规律． 在各渣皮 厚度条件下，渣--砖界面的应力值随煤气温度线性上 升． 在渣皮厚度较小( 小于 25 mm) 时，炉渣--镶砖交界 面处应力值较大且随煤气温度波动较剧烈． 而渣皮厚 度较大时，该界面处的应力值较小且随煤气温度波动 较小． 这说明渣皮厚度较小时，渣皮对煤气温度波动 的适应能力较弱，渣皮稳定性较差，应尽量维持边缘煤 气流温度稳定，否则，煤气温度的波动会导致镶砖与渣 层交界面处的应力值急剧变化，进而引起渣皮脱落． 首钢、鞍钢等多家企业的生产实践已经证明，煤气温 度的波动会造成渣皮的频繁脱落，因而在高炉操作 过程中已加强了对边缘煤气流的合理控制以保证稳 定挂渣［16--17］． 图 2 煤气温度变化对铜冷却壁本体( a) 及镶砖--炉渣界面( b) 应力值的影响 Fig． 2 Influence of gas temperature on the stave body ( a) and slag--brick interface ( b) 2. 2 渣皮厚度的影响 图 3 为不同渣皮厚度条件下( 煤气温度固定为 1300 ℃，冷却水流速固定为 2. 0 m·s － 1，冷却水温度为 35 ℃ ) 壁体应力分布云图． 由该图可知，在不同的渣皮 厚度条件下，冷却壁均向热面凸起，而应力集中位置出 现在冷却壁热面镶砖背后正对冷却水通道区域，在一 定的渣皮厚度范围内，随着渣皮厚度的增大，该应力集 中区域面积逐渐增大． 筋肋表面的应力值普遍小于镶 砖沟槽位置应力值，但筋肋顶端拐角位置应力值较大， 应力最大位置出现在冷却壁侧面边缘的筋肋角部 位置． 而由图 4( a) 可知，在炉渣性质、冷却制度等不变 的条件下，壁体应力值随渣皮厚度增加而呈现先下降 后上升的趋势． 在渣皮厚度 0 ～ 15 mm 范围内，壁体应 力随渣皮厚度增大而减小; 当渣皮厚度约为 15 mm 时， 壁体应力值最小; 在渣皮厚度 15 ～ 85 mm 范围内，壁体 应力随着渣皮厚度的增大而迅速上升． 在所有计算工 况下，壁体应力值均小于铜冷却壁抗拉强度值，说明铜 冷却壁本体不会由于热应力而产生塑性变形破坏． 但 是，若渣皮厚度频繁变化，将引起壁体内应力值在较大 范围内频繁波动，造成铜冷却壁疲劳损坏． 对于铜冷 却壁常用的铜材而言，其疲劳强度约为 70 ～ 98 MPa ( 应力循环次数为 108 次) ，因此单纯从铜冷却壁本体 应力角度出发，铜冷却壁渣皮厚度不宜超过 60 mm． 图 4( b) 显示了铜冷却壁热面渣层厚度变化对镶 砖--炉渣交界面处应力的影响，同样，渣--砖界面的应 力值随渣皮厚度也表现出先降低后升高的现象． 由于 炉渣在铜材表面的附着能力很弱，因此铜冷却壁与炉 渣之间主要依靠燕尾槽内镶嵌的耐火砖或者炉渣进行 结合，则镶砖--渣皮交界面结合能力的强弱决定了铜 冷却壁能否稳定挂渣，该交界面处应力值越小，则炉渣 在铜冷却壁表面附着的稳定性越强，即挂渣越稳定． 由该图可明显看出，无论在何种煤气温度条件下，镶 砖--渣皮交界面处的应力值均在渣皮厚度约 45 mm 时 达到最小，即渣皮厚度约 45 mm 时渣皮的稳定性好; 在 渣皮厚度小于 45 mm 时，随着渣皮厚度的增大，镶砖-- 炉渣交界面处应力值迅速减小，即挂渣稳定性增强; 当 渣皮厚度大于 45 mm 时，随着渣皮厚度的增大，该交界 面处的应力又逐渐增大，说明渣皮超过一定厚度时，继 续增大渣皮厚度，挂渣稳定性将减弱． 为保证渣--砖界 面应力值较小且应力波动较小，并综合考虑铜冷却壁 本体应 力 变 化 情 况，渣 皮 厚 度 应 维 持 在 30 ～ 60 mm 之间． · 293 ·