刘奇等：铜钢复合冷却壁热变形分析 ·113 120 温发 一热面(A刷 一···冷面(D0 1050 ■967 950 密 10 是 600 离 250 160 200 150 100 0 200400 600800100012001400 高度mm 图5铜钢复合冷却壁热面中心线AB和冷面中心线DC温度分布 Fig.5 Temperature distribution of hot surface centerline AB and cool surface centerline DC for the copper-steel composite stave 分布曲线可知，冷面最高温度达到约155℃，位于顶底 140 270 端位置，最低温度约为88℃，位于冷面中心，定位销根 一■一温度 一O一总热流密度 p0000000 240 部位置.由于冷面中心与定位销接触，而其他位置与 130 210 ◆ 填料接触，定位销导热系数高于填料，导致冷面中心温 180 ◆ 度最低.与热面煤气温度1200℃，冷却水速2.0ms1 120 150 条件下的铜冷却壁园相比，铜钢复合冷却壁热面最高 120 110 90 温度接近铜冷却壁最高温度.可见，铜钢复合冷却壁 达到铜冷却壁的传热性能. 100 30 (2)厚度方向温度分布.图6为铜钢复合冷却壁 000-0-0-d 0 厚度方向温度及总热流密度分布.从图中可以看出， 90L- 01020304050607080 铜钢复合冷却壁厚度方向温度由冷面至热面升高，钢 距冷面距离/mm 层内温度低于铜层内温度，由冷面至铜钢界面（距冷 图6铜钢复合冷却壁厚度方向温度及总热流密度分布 面距离为20mm位置)温度梯度小，由铜钢界面至热面 Fig.6 Temperature and total heat flux distribution of the copper- steel composite stave in the thickness direction (铜基体内部)温度梯度大.热流密度由冷面至热面增 加，钢层内热流密度远小于热面附近热流密度，说明由 知：铜钢界面两端等效应力最大，约为114.45MPa:由 热面传入热量大部分被冷却水带走，传入钢层内热量 两端至中间逐渐降低，中间等效应力最小，约为56.88 少.可见，冷面钢层在冷却水道较强的冷却作用下，可 MPa.铜钢界面两端等效应力大主要是其温度高所 以在较低温度下工作，较大热阻钢层对热面铜层传热 致.铜钢界面最大等效应力小于铜钢复合材料的抗拉 性能影响小. 强度，铜钢复合冷却壁工作时不会发生铜钢板分离 4.3铜钢复合冷却壁的热应力 问题.由以上分析可知，铜钢复合冷却壁热面铜层和 图7为铜钢复合冷却壁热面和铜钢界面等效应力 铜钢界面最大等效应力处于安全工作范围，不会发生 分布.图中给出热面和铜钢界面沿高度方向中心线上 强度失效破损，铜钢复合冷却壁可以在高炉热负荷较 的等效应力.从图中可以看出，铜钢复合冷却壁热面 高区域安全工作. 两端等效应力最大，达到92.81MPa,中间等效应力在 4.4铜钢复合冷却壁的热变形 某一常数附近波动，波峰为肋与耐火材料接触位置，即 图8为铜钢复合冷却壁热面纵向中心线AB上切 肋角部，波谷为肋中心或耐火材料中心.铜钢复合冷 应力分布.从图中可以看出，热面纵向中心线上各点 却壁顶底端温度高，热膨胀量大，在相同约束下，顶底 zx坐标面切应力介于-7.5~7.5MPa之间，顶底端位 端等效应力大于中间.铜钢复合冷却壁肋角部直接与 置切应力为零，肋与耐火材料接触位置切应力交替分 热面温度较高耐火材料接触，温度高于肋中心，肋角部 布，由底端至顶端，切应力由零升高至1.59MPa后降 等效应力大于肋中心.铜钢复合冷却壁热面最大等效 低至-6.67MP,此处为肋与耐火材料接触位置，即肋 应力小于纯铜材料的屈服强度，在高炉稳定操作条 角部，至下一个肋角部时，切应力升高至5.83MPa,至 件下，铜钢复合冷却壁热面铜层处于安全使用范围，不 下一个肋角部时，切应力降低至-5.31MPa,至下一个 会发生塑性变形破损.从铜钢界面等效应力分布可 肋角部时，切应力又升高至5.56MPa,如此循环，肋角刘 奇等: 铜钢复合冷却壁热变形分析 图 5 铜钢复合冷却壁热面中心线 AB 和冷面中心线 DC 温度分布 Fig． 5 Temperature distribution of hot surface centerline AB and cool surface centerline DC for the copper--steel composite stave 分布曲线可知，冷面最高温度达到约 155 ℃，位于顶底 端位置，最低温度约为 88 ℃，位于冷面中心，定位销根 部位置． 由于冷面中心与定位销接触，而其他位置与 填料接触，定位销导热系数高于填料，导致冷面中心温 度最低． 与热面煤气温度 1200 ℃，冷却水速 2. 0 m·s － 1 条件下的铜冷却壁［6］相比，铜钢复合冷却壁热面最高 温度接近铜冷却壁最高温度． 可见，铜钢复合冷却壁 达到铜冷却壁的传热性能． ( 2) 厚度方向温度分布． 图 6 为铜钢复合冷却壁 厚度方向温度及总热流密度分布． 从图中可以看出， 铜钢复合冷却壁厚度方向温度由冷面至热面升高，钢 层内温度低于铜层内温度，由冷面至铜钢界面( 距冷 面距离为20 mm 位置) 温度梯度小，由铜钢界面至热面 ( 铜基体内部) 温度梯度大． 热流密度由冷面至热面增 加，钢层内热流密度远小于热面附近热流密度，说明由 热面传入热量大部分被冷却水带走，传入钢层内热量 少． 可见，冷面钢层在冷却水道较强的冷却作用下，可 以在较低温度下工作，较大热阻钢层对热面铜层传热 性能影响小． 4. 3 铜钢复合冷却壁的热应力 图 7 为铜钢复合冷却壁热面和铜钢界面等效应力 分布． 图中给出热面和铜钢界面沿高度方向中心线上 的等效应力． 从图中可以看出，铜钢复合冷却壁热面 两端等效应力最大，达到 92. 81 MPa，中间等效应力在 某一常数附近波动，波峰为肋与耐火材料接触位置，即 肋角部，波谷为肋中心或耐火材料中心． 铜钢复合冷 却壁顶底端温度高，热膨胀量大，在相同约束下，顶底 端等效应力大于中间． 铜钢复合冷却壁肋角部直接与 热面温度较高耐火材料接触，温度高于肋中心，肋角部 等效应力大于肋中心． 铜钢复合冷却壁热面最大等效 应力小于纯铜材料的屈服强度［14］，在高炉稳定操作条 件下，铜钢复合冷却壁热面铜层处于安全使用范围，不 会发生塑性变形破损． 从铜钢界面等效应力分布可 图 6 铜钢复合冷却壁厚度方向温度及总热流密度分布 Fig． 6 Temperature and total heat flux distribution of the copper-- steel composite stave in the thickness direction 知: 铜钢界面两端等效应力最大，约为 114. 45 MPa; 由 两端至中间逐渐降低，中间等效应力最小，约为 56. 88 MPa． 铜钢界面两端等效应力大主要是其温度高所 致． 铜钢界面最大等效应力小于铜钢复合材料的抗拉 强度［15］，铜钢复合冷却壁工作时不会发生铜钢板分离 问题． 由以上分析可知，铜钢复合冷却壁热面铜层和 铜钢界面最大等效应力处于安全工作范围，不会发生 强度失效破损，铜钢复合冷却壁可以在高炉热负荷较 高区域安全工作． 4. 4 铜钢复合冷却壁的热变形 图 8 为铜钢复合冷却壁热面纵向中心线 AB 上切 应力分布． 从图中可以看出，热面纵向中心线上各点 zx 坐标面切应力介于 － 7. 5 ～ 7. 5 MPa 之间，顶底端位 置切应力为零，肋与耐火材料接触位置切应力交替分 布，由底端至顶端，切应力由零升高至 1. 59 MPa 后降 低至 － 6. 67 MPa，此处为肋与耐火材料接触位置，即肋 角部，至下一个肋角部时，切应力升高至 5. 83 MPa，至 下一个肋角部时，切应力降低至 － 5. 31 MPa，至下一个 肋角部时，切应力又升高至 5. 56 MPa，如此循环，肋角 · 311 ·