刘奇等：铜钢复合冷却壁热变形分析 ·109* 壁本体纯铜材质热膨胀系数大，抗热变形能力差.通 能：以20g钢板作为冷面被覆层（也称钢层)，在冷面 常情况下，铜冷却壁前的耐火炉衬经1~2年操作后即 钢层增加Q235材质网格状加强筋，提高壁体的抗热 消失殆尽，之后主要依靠热面黏附稳定的低热阻渣铁 变形能力：以Q235无缝钢管为进出水管，进出水管与 壳工作.实际上，炉腰及炉身下部区域热负荷及温度 冷面被覆层之间为焊接结合，低碳钢良好的焊接性 波动剧烈，铜冷却壁热面黏附的渣铁壳极不稳定，容易 能可以提高进出水管与壁体的结合强度，即使发生 发生脱落.当热面渣铁壳脱落时，本体热面与冷面温 断裂，修复难度小.但有关高炉高温煤气冲刷作用下 差增加，热变形程度增大，冷面螺栓承受的约束作用增 热面无渣皮覆盖铜钢复合冷却壁的热变形行为研究 强，容易造成螺栓发生热应力破损.冷面螺栓破损后， 报道较少，仅限于热面挂渣条件，且计算结果缺乏实 本体热变形量进一步增大，本体将仅由中心定位销及 验验证a 上下8根进出水管支撑，这无疑增加了进出水管及定 本文通过建立铜钢复合冷却壁温度及热应力分布 位销的约束作用，增大进出水管及定位销的热应力集 数学模型，研究铜钢复合冷却壁热面无渣皮覆盖，煤气 中程度，而进出水管与本体为焊接结合，焊缝位置强度 温度为1200℃，稳态条件下，铜钢复合冷却壁的传热 低，在较大热应力作用下容易发生开裂，出现断裂漏水 及热变形行为，并与相同条件下铜冷却壁的热变形行 问题.若要修复高炉上铜冷却壁破损的进出水管，需 为进行对比分析.以热态实验条件下铜钢复合冷却壁 将待修复位置所在区域预热至500℃以上，通过惰性 冷面热应变测量值验证数学模型的准确性 气体保护焊接技术进行修复，这在高炉现场条件是无 1 法实现的.另一方面，铜冷却壁热面渣铁壳脱落和黏 铜钢复合冷却壁物理模型 附的反复变化过程中，即使铜冷却壁本体热应力低于 铜钢复合冷却壁物理模型见图1().铜钢复合 纯铜材质的抗拉强度，也会发生热应力反复变化所致 冷却壁物理模型包括铜钢复合冷却壁、填料、炉壳等， 的疲劳破损⑨ 整体尺寸为1420mm×788mm×380mm.铜钢复合冷 铜冷却壁本体热变形量过大，将造成冷面螺栓及 却壁如图1(b)所示，厚度为80mm,其中热面铜层厚 进出水管断裂等一系列破损问题.由此可见，在保证 度为60mm,冷面钢层厚度为20mm,铜层与钢层之间 铜冷却壁良好传热性能的基础上，减少铜冷却壁热变 的结合强度在175℃时达到304MPa,超过相同条件下 形程度，增大冷面螺栓及进出水管与本体的强度，是提 纯铜的抗拉强度：冷面钢层增加网格状加强筋如图1 高高炉炉腰及炉身下部区域冷却壁寿命的关键.铜钢 （c)所示，由厚度为40mm的Q235碳钢板组成，整体 复合冷却壁作为新型冷却设备，以T2纯铜板为热面传 厚度为270mm,网格内为填料：热面铜层开设燕尾槽， 热层（也称铜层），确保铜钢复合冷却壁良好的传热性 燕尾槽上宽为60mm,下宽为66mm,槽深为30mm,如 出水管c ←加强筋 炉壳 填料 耐火 填料和 材料 定位销 加强筋 木休 进水管( c ) 乙20 燕尾洪 ←钢层 80 mm d (e) ) 图1铜钢复合冷却壁物理模型.(a)物理模型：(b)铜钢复合冷却壁：()填料及加强筋：(d)燕尾槽及肋：（©）微元体的应力状态：(0冷却 水道截面 Fig.1 Physical model of the copper-steel composite stave:(a)physical model:(b)copper-steel composite stave:(c)packing layer and rein- forced rib:(d)dovetail groove and rib:(e)stress state of an element:(f)cooling channel cross-section刘 奇等: 铜钢复合冷却壁热变形分析 壁本体纯铜材质热膨胀系数大，抗热变形能力差． 通 常情况下，铜冷却壁前的耐火炉衬经 1 ～ 2 年操作后即 消失殆尽，之后主要依靠热面黏附稳定的低热阻渣铁 壳工作． 实际上，炉腰及炉身下部区域热负荷及温度 波动剧烈，铜冷却壁热面黏附的渣铁壳极不稳定，容易 发生脱落． 当热面渣铁壳脱落时，本体热面与冷面温 差增加，热变形程度增大，冷面螺栓承受的约束作用增 强，容易造成螺栓发生热应力破损． 冷面螺栓破损后， 本体热变形量进一步增大，本体将仅由中心定位销及 上下 8 根进出水管支撑，这无疑增加了进出水管及定 位销的约束作用，增大进出水管及定位销的热应力集 中程度，而进出水管与本体为焊接结合，焊缝位置强度 低，在较大热应力作用下容易发生开裂，出现断裂漏水 问题． 若要修复高炉上铜冷却壁破损的进出水管，需 将待修复位置所在区域预热至 500 ℃ 以上，通过惰性 气体保护焊接技术进行修复，这在高炉现场条件是无 法实现的． 另一方面，铜冷却壁热面渣铁壳脱落和黏 附的反复变化过程中，即使铜冷却壁本体热应力低于 纯铜材质的抗拉强度，也会发生热应力反复变化所致 的疲劳破损［9］． 图 1 铜钢复合冷却壁物理模型． ( a) 物理模型; ( b) 铜钢复合冷却壁; ( c) 填料及加强筋; ( d) 燕尾槽及肋; ( e) 微元体的应力状态; ( f) 冷却 水道截面 Fig． 1 Physical model of the copper--steel composite stave: ( a) physical model; ( b) copper--steel composite stave; ( c) packing layer and rein￾forced rib; ( d) dovetail groove and rib; ( e) stress state of an element; ( f) cooling channel cross-section 铜冷却壁本体热变形量过大，将造成冷面螺栓及 进出水管断裂等一系列破损问题． 由此可见，在保证 铜冷却壁良好传热性能的基础上，减少铜冷却壁热变 形程度，增大冷面螺栓及进出水管与本体的强度，是提 高高炉炉腰及炉身下部区域冷却壁寿命的关键． 铜钢 复合冷却壁作为新型冷却设备，以 T2 纯铜板为热面传 热层( 也称铜层) ，确保铜钢复合冷却壁良好的传热性 能; 以 20 g 钢板作为冷面被覆层( 也称钢层) ，在冷面 钢层增加 Q235 材质网格状加强筋，提高壁体的抗热 变形能力; 以 Q235 无缝钢管为进出水管，进出水管与 冷面被覆层之间为焊接结合，低碳钢良好的焊接性 能可以提高进出水管与壁体的结合强度，即使发生 断裂，修复难度小． 但有关高炉高温煤气冲刷作用下 热面无渣皮覆盖铜钢复合冷却壁的热变形行为研究 报道较少，仅限于热面挂渣条件，且计算结果缺乏实 验验证［10］． 本文通过建立铜钢复合冷却壁温度及热应力分布 数学模型，研究铜钢复合冷却壁热面无渣皮覆盖，煤气 温度为 1200 ℃，稳态条件下，铜钢复合冷却壁的传热 及热变形行为，并与相同条件下铜冷却壁的热变形行 为进行对比分析． 以热态实验条件下铜钢复合冷却壁 冷面热应变测量值验证数学模型的准确性． 1 铜钢复合冷却壁物理模型 铜钢复合冷却壁物理模型见图 1( a) ． 铜钢复合 冷却壁物理模型包括铜钢复合冷却壁、填料、炉壳等， 整体尺寸为 1420 mm × 788 mm × 380 mm． 铜钢复合冷 却壁如图 1( b) 所示，厚度为 80 mm，其中热面铜层厚 度为 60 mm，冷面钢层厚度为 20 mm，铜层与钢层之间 的结合强度在 175 ℃时达到 304 MPa，超过相同条件下 纯铜的抗拉强度; 冷面钢层增加网格状加强筋如图 1 ( c) 所示，由厚度为 40 mm 的 Q235 碳钢板组成，整体 厚度为 270 mm，网格内为填料; 热面铜层开设燕尾槽， 燕尾槽上宽为 60 mm，下宽为 66 mm，槽深为 30 mm，如 · 901 ·