高炉铜冷却壁的热变形

班宝旺

摘 要：本文采用实验和数值模拟两种方法对高温下的高炉铜冷却壁热变形进行分析和计算。两种方法所得结果相互吻合。结果显示：高温环境下产生的应力不会迅速造成铜冷却壁产生裂缝，铜冷却壁的热变形不但与高炉中的温度有着紧密联系，还与冷却壁的安装方式和具体位置有着非常大的联系。

关键词：有限元；铜冷却壁；热变形

中图分类号： TF573 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）14-183-2

0 引言

很多发达国家针对高炉的铜冷却壁的使用年限进行了大量的研究，最终得出，铜冷却壁在进行生产和制造的过程中不会出现大面积的损坏，而且产生裂缝的情况也非常少。针对中国来说，铜冷却壁还处于初级阶段，但是其也能够提高高炉的使用年限，提高钢铁企业生产和制造的效率和质量，保证生产工作能够顺利进行。下文针对高炉铜冷却壁的热变形进行具体的分析和研究，希望会对我国钢铁企业的发展提供帮助。

1 铜冷却壁的热态实验

1.1 实验冷却壁的结构参数

针对某高炉上的铜冷却壁进行热态实验，铜冷却壁的规格大小为九百零六毫米乘以一百四十五毫米乘以一千九百七十毫米，其中的冷却通道是贯通式的，通道的半径是二十四毫米，在竖直方向上一共有四条冷却通道，在横向的分布非常平均，每个冷却通道之间的距离是二百五十毫米，燕尾槽镶砖是SiC耐火材料。

1.2 实验过程

想要更好的对铜冷却壁的热工性能进行分析，在高炉中的铜冷却壁上选取了十一个点进行了热态实验，在进行实际实验的过程中，保证高炉与正常工作状态下的环境保持高度一致。针对高炉的几个面，我们进行定义一下，首选，铜冷却壁镶砖的面叫做热面，水管一侧的面叫做冷面，其余四个面为顶面、底面、两个侧面。在铜冷却壁的热面和冷面和高炉的内部都进行测温设施的安装，并保证测温装置的质量和数量，进而对铜冷却壁的温度变化进行明显的观察。想要保证铜冷却壁的热变形数据非常准确，在冷面安装了多个应变片，在图1中进行显示，应变片能够对高炉的温度变化进行测定，测量的对象有温度和应变值。

1.3 结果分析

通过热态实验，得到以下结果，在两种约束实验的基础上，铜冷却壁在高炉温度为一千度和一千一百度的时候，都出现了向冷面部位凸起的情况，而且高炉内部的温度越大，凸起的程度就越大。在温度不变的情况下，没有固定销的铜冷却壁中心应变力为最大，其它固定方法的变形量相对较小，所以说，固定销能够有效降低铜冷却壁的热变形量。

2 热态实验炉内铜冷却壁应力应变的数值模拟

2.1 铜冷却壁温度场的数值计算

2.1.1 计算模型的选取

在通常情况下，企业中的高炉都是进行连续生产作业的，并且基本上都是在正常状态下运行的，这个时候的高炉温度是非常稳定的，所以，本篇文章就是针对高炉在稳定工作的状态下进行分析和研究的。将铜冷却壁以竖直方向看做一个轴对称物体，选取其中一半当作传热计算模型，在图2中进行显示。另外，选择的铜冷却壁是没有渣皮的，在高炉温度稳定之后会形成稳态的温度场。

2.1.2 计算温度场的边界条件

根据热态实验，当炉温为1000、冷却水流速为1.5m/s时，测得冷却水进出口温度，热面本体平均温度，热面镶砖平均温度，冷却壁冷面平均温度和环境温度。

2.2 热应变计算结果与实测数据的比较及分析

铜冷却壁承受的全部应力中，温度是不平均的，热应力和不同材料之间产生的热膨胀应力是其中的关键部分，在进行热变形计算的过程中对重力产生的应力进行忽略不计。在对铜冷却壁热应力进行计算的时候，就是使用有限元多物理场耦合功能，就是先将温度荷载进行添加，再按照铜冷却壁在高炉上的安装方法对边界进行合理的约束。

3 高炉内铜冷却壁热变形的计算及结果分析

3.1 边界约束条件

高炉中的铜冷却壁和周边有着一定的距离，在这个间距中是需要进行填料的，填料的主要目的就是降低热应力，所以，其边界约束条件和内部的约束条件是不一致的。因为膨胀间隙能够使铜冷却壁的每个面都能够进行自由的活动，所以，在进行应力计算的时候，应该将顶面、底面以及两个侧面当做自由边界或者具有一定接触压力的边界看待。

3.2 计算结果与分析

把高炉温度为一千度的分布荷载添加到计算模型中，并对约束条件下的应力和应变进行良好的计算。计算的结果表明，在热态的时候，铜冷却壁的热变形和实验过程中的热变形趋势正好相反，具体在图3中显示。

图3中，铜冷却壁的中心已经向热面凸起，并呈现弓形，上下边缘则是向冷面产生变形。没有进行定位的销的铜冷却壁的变形量非常大，有定位销的铜冷却壁变形量很小，但是会增大边缘的变形量。高炉内铜冷却壁的等效应力处理定位销的位置和水平通道与垂直通道过度位置存在应力比较集中的情况以外，铜冷却壁其它位置的应力都非常小，不会造成铜冷却壁出现裂缝或者严重凸起的，这样一来，就会延长铜冷却壁的使用年限，进而促进相关企业的发展和进步，节约生产成本。因为和热面接触镶砖中的应力非常集中，所以，其非常容易出现损坏现象。

4 结语

结合上文所言，高炉铜冷却壁的热变形量不但和其中的温度系数有着非常紧密的联系，还和其安装的方式和位置有关。如果铜冷却壁的边界有着一定的空间的话，冷却壁中的受热集中部位可能会出现变形，如果没有边界空间的话，就有可能会在冷面出现变形。进行处理的常用方法就是定位销位置的改变，这种方法能够降低高炉铜冷却壁的变形程度。

参 考 文 献

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