·396 工程科学学报，第39卷，第3期 的应力值才趋于稳定：而燕尾槽内保留一定厚度镶砖 出，随着镶砖热膨胀系数的增大，冷却壁本体的应力值 时，渣皮厚度达到15mm以上时渣-砖界面应力即趋于 将显著增大，且渣皮厚度越小时，镶砖热膨胀系数的影 稳定.这说明提高镶砖的热导率有利于增强铜冷却壁 响越明显.以渣皮厚度5mm为例，在此工况下，冷却 对渣皮厚度变化的适应性，选用热导率较高的镶砖有 壁表面接近裸露状态，镶砖位置达到很高的温度值. 利于在渣皮厚度频繁波动的炉况下保证挂渣稳定性 在此条件下，镶砖热膨胀系数为2.7×106mK时， 2.4.2镶砖热膨胀性的影响 壁体热面中心点应力值仅为28.27MP:而当镶砖热膨 热膨胀系数是耐火材料的重要指标之一·然而， 胀系数为1.07×10~5m·K时，该点应力值上升至 目前对于铜冷却壁镶砖材质的选择，热膨胀系数并不 111.04MPa:平均镶砖热膨胀系数每增大1×106m· 是考虑因素之一.图10给出了镶砖热膨胀系数变化 K,壁体热应力将上升10.3MPa.显然，如果镶砖热 对铜冷却壁应力值的影响.在铜冷却壁镶砖位置和筋 膨胀系数继续增大，在铜冷却壁表面渣皮脱落时，镶砖 肋位置，由于镶砖或镶渣与铜的热导率的巨大差异，会 膨胀作用对筋肋产生的挤压将使铜冷却壁热面应力值 导致冷却壁热面镶砖（或镶渣）位置温度远高于铜肋 超过其屈服强度（约300MPa),进而对铜冷却壁寿命 位置.因此，镶砖的热膨胀量较大，其变形对冷却壁筋 产生影响.因此，单从降低铜冷却壁热面应力值的角 肋产生的挤压作用将不可忽视.由图10(a)可以看 度出发，铜冷却壁应尽量选择热膨胀系数较低的镶砖 (a) 110 55(b) 镶砖热膨胀系数 50 2.7x106m…K1 100 -4.7×106m…K-1 90 +6.7x106mK-1 8.7×10◆m…KJ 80 3 30- ◆10.7x10-6mK-1 镶砖热膨账系数 25 60 2.7x10hm…K- 0 4.7x10fmK 15 +6.7x10hm-K-l 40 10 8.7x10mK 5 30 ◆10.7x10m·K-1 0 20 0 40 60 -5 0 010203040506070 80 90 渣层厚度/mm 渣层厚度mm 图10镶砖热膨胀系数对冷却壁本体(a)及渣-砖界面(b)应力值的影响 Fig.10 Influence of the thermal expansion coefficient of insert bricks on the stress of the stave body (a)and the slag-brick interface (b) 然而，在渣皮厚度较小时，镶砖热膨胀率的提升反 砖交界面应力均有很大影响.图11(a)显示了不同热 而能降低铜冷却壁炉渣一镶砖交界面处的应力值，这 膨胀系数的炉渣对冷却壁本体的应力的影响，由该图 意味着渣皮与镶砖的结合将更加稳固.如图10(b)所 可知：在渣皮厚度一定时，冷却壁本体热应力随着炉渣 示，无论采用何种热膨胀系数的镶砖，炉渣一镶砖交界 热膨胀系数的增大而显著增大：炉渣热膨胀系数越小， 面处的应力值均随着渣皮厚度的增大呈现先下降、后 冷却壁本体应力越小且其随渣皮厚度变化而产生的波 上升的趋势，即在某一渣皮厚度处出现应力谷值.而 动越小.当炉渣热膨胀系数在2.7×106~4.7×106 镶砖热膨胀系数的影响在于，随着镶砖热膨胀系数的 m·K1时，在渣皮厚度较小时(5~25mm),冷却壁本体 提升，应力谷值所对应的渣皮厚度将趣小.例如，当镶 应力值变化很小，这有利于在渣皮形成初期即对渣皮 砖热导率为2.7×10-6mK时，应力谷值所对应的渣 起到保护作用.而当渣皮热膨胀系数超过4.7×106 皮厚度为55mm;而镶砖热导率为1.07×10-5mK1 m·K时，冷却壁本体应力均随着渣皮厚度的逐渐增 时，应力谷值所对应的渣皮厚度降低至35mm.该图同 大而呈现先降低后升高的趋势，约在渣皮厚度15mm 时反映出，在渣皮厚度低于35mm时，镶砖热膨胀系数 时冷却壁本体应力值最小。而当炉渣热膨胀系数过大 的增大可明显降低炉渣与镶砖交界面处的应力值.然 时，以1.07×105mK为例，在所计算的渣皮厚度范 而，镶砖热膨胀系数增大到一定程度时，壁体应力值随 围内，冷却壁本体应力始终在110MPa以上，最高可达 着渣皮厚度的波动将更加明显，同样不利于渣皮的 240MP以上.这说明炉渣的热膨胀性能对铜冷却壁 稳定 本体的应力值有很大的影响，进而影响铜冷却壁寿命， 2.5炉渣热膨胀系数的影响 炉渣热膨胀系数越小，对提高铜冷却壁寿命越有利 在高炉实际生产过程中，炉渣的热膨胀系数是一 随着渣皮厚度的增大，冷却壁炉渣一镶砖交界面 个关注较少的性能参数.然而，对于挂渣铜冷却壁而 处的应力值均表现出先减小后增大的趋势，渣皮厚度 言，炉渣热膨胀系数对铜冷却壁本体应力及炉渣一镶 约在45m时炉渣一镶砖交界面处应力值最小，如图工程科学学报，第 39 卷，第 3 期 的应力值才趋于稳定; 而燕尾槽内保留一定厚度镶砖 时，渣皮厚度达到15 mm 以上时渣--砖界面应力即趋于 稳定． 这说明提高镶砖的热导率有利于增强铜冷却壁 对渣皮厚度变化的适应性，选用热导率较高的镶砖有 利于在渣皮厚度频繁波动的炉况下保证挂渣稳定性． 2. 4. 2 镶砖热膨胀性的影响 热膨胀系数是耐火材料的重要指标之一． 然而， 目前对于铜冷却壁镶砖材质的选择，热膨胀系数并不 是考虑因素之一． 图 10 给出了镶砖热膨胀系数变化 对铜冷却壁应力值的影响． 在铜冷却壁镶砖位置和筋 肋位置，由于镶砖或镶渣与铜的热导率的巨大差异，会 导致冷却壁热面镶砖( 或镶渣) 位置温度远高于铜肋 位置． 因此，镶砖的热膨胀量较大，其变形对冷却壁筋 肋产生的挤压作用将不可忽视． 由图 10 ( a) 可以看 出，随着镶砖热膨胀系数的增大，冷却壁本体的应力值 将显著增大，且渣皮厚度越小时，镶砖热膨胀系数的影 响越明显． 以渣皮厚度 5 mm 为例，在此工况下，冷却 壁表面接近裸露状态，镶砖位置达到很高的温度值． 在此条件下，镶砖热膨胀系数为 2. 7 × 10 － 6 m·K － 1时， 壁体热面中心点应力值仅为 28. 27 MPa; 而当镶砖热膨 胀系数为 1. 07 × 10 － 5 m·K － 1 时，该点应力值上升至 111. 04 MPa; 平均镶砖热膨胀系数每增大 1 × 10 － 6 m· K － 1，壁体热应力将上升 10. 3 MPa． 显然，如果镶砖热 膨胀系数继续增大，在铜冷却壁表面渣皮脱落时，镶砖 膨胀作用对筋肋产生的挤压将使铜冷却壁热面应力值 超过其屈服强度( 约 300 MPa) ，进而对铜冷却壁寿命 产生影响． 因此，单从降低铜冷却壁热面应力值的角 度出发，铜冷却壁应尽量选择热膨胀系数较低的镶砖． 图 10 镶砖热膨胀系数对冷却壁本体( a) 及渣--砖界面( b) 应力值的影响 Fig． 10 Influence of the thermal expansion coefficient of insert bricks on the stress of the stave body ( a) and the slag--brick interface ( b) 然而，在渣皮厚度较小时，镶砖热膨胀率的提升反 而能降低铜冷却壁炉渣--镶砖交界面处的应力值，这 意味着渣皮与镶砖的结合将更加稳固． 如图 10( b) 所 示，无论采用何种热膨胀系数的镶砖，炉渣--镶砖交界 面处的应力值均随着渣皮厚度的增大呈现先下降、后 上升的趋势，即在某一渣皮厚度处出现应力谷值． 而 镶砖热膨胀系数的影响在于，随着镶砖热膨胀系数的 提升，应力谷值所对应的渣皮厚度将越小． 例如，当镶 砖热导率为2. 7 × 10 － 6 m·K － 1时，应力谷值所对应的渣 皮厚度为 55 mm; 而镶砖热导率为 1. 07 × 10 － 5 m·K － 1 时，应力谷值所对应的渣皮厚度降低至 35 mm． 该图同 时反映出，在渣皮厚度低于 35 mm 时，镶砖热膨胀系数 的增大可明显降低炉渣与镶砖交界面处的应力值． 然 而，镶砖热膨胀系数增大到一定程度时，壁体应力值随 着渣皮厚度的波动将更加明显，同样不利于渣皮的 稳定． 2. 5 炉渣热膨胀系数的影响 在高炉实际生产过程中，炉渣的热膨胀系数是一 个关注较少的性能参数． 然而，对于挂渣铜冷却壁而 言，炉渣热膨胀系数对铜冷却壁本体应力及炉渣--镶 砖交界面应力均有很大影响． 图 11( a) 显示了不同热 膨胀系数的炉渣对冷却壁本体的应力的影响，由该图 可知: 在渣皮厚度一定时，冷却壁本体热应力随着炉渣 热膨胀系数的增大而显著增大; 炉渣热膨胀系数越小， 冷却壁本体应力越小且其随渣皮厚度变化而产生的波 动越小． 当炉渣热膨胀系数在 2. 7 × 10 － 6 ～ 4. 7 × 10 － 6 m·K － 1时，在渣皮厚度较小时( 5 ～ 25 mm) ，冷却壁本体 应力值变化很小，这有利于在渣皮形成初期即对渣皮 起到保护作用． 而当渣皮热膨胀系数超过 4. 7 × 10 － 6 m·K － 1时，冷却壁本体应力均随着渣皮厚度的逐渐增 大而呈现先降低后升高的趋势，约在渣皮厚度 15 mm 时冷却壁本体应力值最小． 而当炉渣热膨胀系数过大 时，以 1. 07 × 10 － 5 m·K － 1为例，在所计算的渣皮厚度范 围内，冷却壁本体应力始终在 110 MPa 以上，最高可达 240 MPa 以上． 这说明炉渣的热膨胀性能对铜冷却壁 本体的应力值有很大的影响，进而影响铜冷却壁寿命， 炉渣热膨胀系数越小，对提高铜冷却壁寿命越有利． 随着渣皮厚度的增大，冷却壁炉渣--镶砖交界面 处的应力值均表现出先减小后增大的趋势，渣皮厚度 约在 45 mm 时炉渣--镶砖交界面处应力值最小，如图 · 693 ·