高爐用銅-鋼復合冷卻壁傳熱及力學性能分析

劉 奇，程樹森，牛建平，劉東東(.北京科技大學 冶金與生態工程學院，北京 00083； .河北省萬全縣豐華有色金屬加工廠，河北 張家口 07650)

高爐用銅-鋼復合冷卻壁傳熱及力學性能分析

劉 奇1，程樹森1，牛建平2，劉東東2
(1.北京科技大學 冶金與生態工程學院，北京 100083； 2.河北省萬全縣豐華有色金屬加工廠，河北 張家口 076250)

采用熱力耦合方法研究了銅層厚度和冷卻水道間距對銅-鋼復合冷卻壁溫度及應力分布的影響.以1∶1比例銅-鋼復合冷卻壁進行了熱態試驗，測試了銅-鋼復合冷卻壁溫度分布，計算了熱態試驗條件下銅-鋼復合冷卻壁的溫度分布，計算結果與試驗結果基本吻合.計算結果顯示，銅-鋼復合冷卻壁銅層厚度增加，壁體最高溫度和最大等效應力減少，銅層厚度上限值為70 mm；冷卻水道間距減少可以降低壁體最高溫度和最大等效應力，當冷卻水道間距小于220 mm時，減少冷卻水道間距對降低壁體最高溫度和最大等效應力作用較小.銅層厚度為60 mm，冷卻水道間距為220 mm的銅-鋼復合冷卻壁在高爐熱負荷較高區域工作不易發生塑性變形損壞.

銅-鋼復合冷卻壁；溫度場；熱力耦合分析；高爐

高爐冷卻壁長壽技術一直是國內外冶金界關心的問題.延長高爐冷卻壁壽命可以為企業帶來良好的經濟效益.高爐冷卻壁材質已由球墨鑄鐵、鑄鋼發展到純銅.球墨鑄鐵冷卻壁由于耐高溫性能較差，在渣皮脫落和黏附的反復循環下，因熱應力超過材料的抗拉強度而發生損壞[1].鑄鋼冷卻壁強度高，但由于水管與母材之間存在碳的濃度差，容易發生水管滲碳脆裂漏水[2,3]，決定了其低的使用壽命.銅冷卻壁因導熱性能，抗熱流沖擊性能優良等特點，目前被廣泛應用于國內外大部分高爐熱負荷較高區域[4].但銅冷卻壁在使用過程中容易出現塑性變形，水管斷裂漏水等問題，需停爐大修，嚴重降低高爐生產率[5].針對上述問題，萬全豐華有色金屬加工廠開發設計了銅-鋼復合冷卻壁，銅-鋼復合冷卻壁既有銅良好的導熱性能，又具備鑄鋼的強度和不易變形的特點.

銅-鋼復合冷卻壁主要替代銅冷卻壁安裝于高爐熱負荷較高區域.萬全豐華有色金屬加工廠為宣鋼設計的銅-鋼復合冷卻壁已在宣鋼1號高爐運行2年多，未發生變形和損壞，使用效果良好.國內學者主要采用數值模擬方法研究銅-鋼復合冷卻壁的溫度及應力分布，但計算結果缺乏試驗驗證，且僅限于熱面掛渣工況，對于渣皮脫落條件下銅-鋼復合冷卻壁溫度及應力分布研究較少[6].

本文研究了渣皮脫落條件下銅-鋼復合冷卻壁溫度及應力分布，并以1∶1比例銅-鋼復合冷卻壁進行了熱態試驗.應用銅-鋼復合冷卻壁溫度及應力數學模型分析了銅層厚度、冷卻水道間距對銅-鋼復合冷卻壁溫度及應力分布的影響.

1 銅-鋼復合冷卻壁

銅-鋼復合冷卻壁以T 2銅作為熱面傳熱層(也稱為銅層)，20 g鋼為冷面被覆層(也稱為鋼層)，采用特殊焊接技術達到高強度無氣隙結合.銅-鋼復合冷卻壁銅鋼界面形貌如圖1所示.銅鋼界面呈波紋狀，無氣隙存在，數值計算中認為銅層與鋼層之間無氣隙熱阻.

圖1 銅-鋼復合冷卻壁銅鋼界面形貌Fig.1 Interface morphology of the copper-steel composite stave

圖2為銅-鋼復合冷卻壁物理模型.物理模型尺寸為1 420 mm×1 014 mm×230 mm，爐殼厚度為30 mm，爐殼與壁體之間的填充料厚度為80 mm，銅-鋼復合冷卻壁厚度為120 mm.銅-鋼復合冷卻壁銅層厚度為60 mm，鋼層厚度為20 mm.銅-鋼復合冷卻壁銅層保留銅冷卻壁的燕尾槽結構，燕尾槽內嵌入耐火材料，燕尾槽深度為30 mm，上寬為60 mm，下寬為66 mm；肋高度為30 mm，肋上寬為60 mm，下寬為54 mm，肋熱面面積占熱面總面積的比例為48%.冷卻水道截面由直徑為80 mm的半圓與80 mm×5 mm的矩形構成，冷卻水道當量直徑為65 mm.銅-鋼復合冷卻壁劃分網格個數為123780個.

圖2 銅-鋼復合冷卻壁物理模型Fig.2 Physical model of the copper-steel composite stave1—銅-鋼復合冷卻壁；2—鑲磚；3—填充料；4—爐殼；5—出水管；6—進水管

2 銅-鋼復合冷卻壁溫度及應力分布數學模型

2.1 溫度分布數學模型

銅-鋼復合冷卻壁內部傳熱為無內熱源的三維穩態導熱，控制方程為

(1)

式中:λ(t)為導熱系數，W/(m· ℃)；t為溫度， ℃.

高爐內，銅-鋼復合冷卻壁熱面與高溫煤氣的綜合換熱系數為232 W/(m2· ℃)[7]，煤氣溫度為 1 200 ℃；冷卻水速為2.0 m/s，冷卻水與管道內壁的對流換熱系數為 7 418.6 W/(m2· ℃)，冷卻水平均溫度為40 ℃；爐殼與周圍環境之間的綜合換熱系數αa由經驗公式(2)計算，

αa=9.3+0.058ta

(2)

設爐殼溫度ta為40 ℃，計算得到綜合換熱系數為11.62 W/(m2· ℃)；銅-鋼復合冷卻壁頂底面與側面為絕熱邊界條件.

2.2 熱應力分布數學模型

銅-鋼復合冷卻壁熱應力分布數學模型中忽略材料自身重力.控制方程如式(3)～(5)所示，

幾何方程：

(3)

平衡微分方程：

(4)

本構方程：

(5)

結構邊界條件為銅-鋼復合冷卻壁頂底面和側面受到 10 MPa 的壓力，冷面四個螺栓頂面沿冷卻壁高度(x向)和寬度方向(y向)位移為零，沿厚度方向(z向)位移與爐殼位移相等，其他邊界為自由.

2.3 物性參數

銅-鋼復合冷卻壁溫度及應力分布計算涉及材料的物性參數如表1和表2所示.

表1 材料的導熱系數Table 1 Thermal conductivity of the materials

續表1

表2 材料力學性能參數Table 2 Mechanical properties of the materials

3 銅-鋼復合冷卻壁熱態試驗

銅-鋼復合冷卻壁熱態試驗系統，如圖3所示，由熱態試驗爐、銅-鋼復合冷卻壁、溫度及冷卻水速檢測設備等構成.以1∶1比例銅-鋼復合冷卻壁吊裝于熱態試驗爐爐頂，爐內裝入焦炭，焦炭燃燒產生高溫煤氣，垂直沖擊銅-鋼復合冷卻壁熱面，提供熱源；水箱內冷卻水由水泵送入冷卻水道，與管壁對流換熱后排回水箱.冷卻壁進水管上安裝渦街流量計，檢測冷卻水流量.進出水管上安裝冷卻水測溫電偶，檢測冷卻壁進出水溫度，檢測結果直接輸入PC中記錄保存.銅-鋼復合冷卻壁內不同深度插入鎳鉻-鎳硅熱電偶檢測其溫度，爐內均勻布置三支鉑銠鉑熱電偶，檢測爐溫.

圖4為不同爐溫下銅-鋼復合冷卻壁熱面溫度測量值與計算值對比曲線.從圖4可以看出，銅-鋼復合冷卻壁1號和2號電偶位置溫度隨著爐溫升高而升高；1號和2號電偶位置溫度測量值與計算值相差僅1～2 ℃；數值計算結果與熱態試驗檢測結果基本吻合.應用此數學模型可以準確計算高爐內銅-鋼復合冷卻壁熱面裸露條件下的溫度以及應力分布.

圖3 銅-鋼復合冷卻壁熱態試驗系統圖Fig.3 Experimental system of the thermal test of copper-steel composite stave1—熱態試驗爐；2—銅-鋼復合冷卻壁；3—水箱；4—數據采集系統；5—風機；6—煙道；7—水溫計；8—流量計；9—閥門；10—水泵；11—熱電偶

圖4 不同爐溫下銅-鋼復合冷卻壁熱面溫度測量值與計算值對比曲線Fig.4 Measured and calculated hot face temperatures of the copper-steel composite stave at different temperatures

4 結果與討論

4.1 銅層厚度對銅-鋼復合冷卻壁溫度和應力分布影響

為了研究銅層厚度對銅-鋼復合冷卻壁溫度以及應力分布影響，計算了銅-鋼復合冷卻壁銅層厚度分別為50、60、70、80和90 mm時，銅-鋼復合冷卻壁溫度和應力分布.圖5為銅-鋼復合冷卻壁銅層厚度對壁體(不包括鑲磚)最高溫度和最大等效應力的影響.從圖5可以看出，銅層厚度增加，壁體最高溫度和最大等效應力降低，當銅層厚度由50 mm增加到90 mm時，壁體最高溫度由282 ℃降低到205 ℃.對比銅層厚度為50 mm和70 mm兩種情況可知，壁體最高溫度相差約67 ℃；對比銅層厚度為70 mm和90 mm可知，壁體最高溫度相差僅10 ℃.可見，銅層厚度大于70 mm 時，壁體最高溫度和最大等效應力變化不大，增加銅層厚度降低銅-鋼復合冷卻壁最高溫度和最大應力的作用較小，繼續增加銅層厚度將會增大冷卻壁制造成本.圖5中壁體最大等效應力分布曲線顯示，當銅層厚度為70 mm時，壁體最大等效應力為272.1 MPa，低于相應溫度下銅鋼復合材料的抗拉強度275 MPa[8].可見，當銅層厚度為70 mm時，銅-鋼復合冷卻壁壁體最高溫度以及最大等效應力滿足銅-鋼復合冷卻壁強度設計要求，銅-鋼復合冷卻壁銅層厚度上限值應為70 mm.

圖5 銅層厚度對壁體最高溫度和最大等效應力的影響Fig.5 Effect of the copper layer thickness on the maximum temperature and thermal stress of the hot face

圖6為銅層厚度對銅-鋼復合冷卻壁銅鋼界面最高溫度和最大等效應力的影響.從圖6可知，銅層厚度由50 mm增加到90 mm時，銅-鋼復合冷卻壁銅鋼界面最高溫度由266 ℃降低到164 ℃，銅鋼界面最大等效應力由268.8 MPa降低到144.9 MPa.當銅層厚度為50 mm時，銅鋼界面最大等效應力接近銅鋼復合材料的抗拉強度；當銅層厚度為60 mm時，銅鋼界面最大等效應力為240 MPa，低于銅鋼復合材料的抗拉強度，但高于純銅材料200 MPa的屈服強度[9]，銅層容易發生塑性變形；當銅層厚度大于70 mm時，銅鋼界面最大等效應力為175 MPa，低于純銅材料的屈服強度，不易發生塑性變形.銅層厚度增加到70 mm時，銅鋼界面最高溫度和最大等效應力滿足冷卻壁安全工作要求.

圖6 銅層厚度對銅-鋼復合冷卻壁銅鋼界面最高溫度和最大等效應力的影響Fig.6 Effect of the copper layer thickness on the maximum temperature and thermal stress of the copper/steel welded interface

4.2 冷卻水道間距對銅-鋼復合冷卻壁溫度和應力分布影響

計算時，設定銅-鋼復合冷卻壁銅層厚度為60 mm，冷卻水道間距分別為200、220、240和260 mm，研究冷卻水道間距對壁體最高溫度和最大等效應力的影響.圖7為冷卻水道間距對壁體最高溫度和最大等效應力的影響.從圖7可以看出，當冷卻水道間距由260 mm減少到200 mm時，壁體最高溫度由241 ℃降低到221 ℃，壁體最大等效應力由527.1 MPa降低到326.1 MPa.當冷卻水道間距由260 mm降低到240 mm時，壁體最大等效應力由527.1 MPa降低到358.7 MPa，降低約168.4 MPa；當冷卻水道間距由240 mm降低到200 mm 時，壁體最大等效應力由358.7 MPa降低到326.1 MPa，降低約32.6 MPa.可見，當冷卻水道間距小于240 mm時，減少冷卻水道間距對銅-鋼復合冷卻壁最大等效應力降低幅度較少，當冷卻水道間距降低到220 mm時，壁體最高溫度為224 ℃，低于純銅材料的極限工作溫度230 ℃[10]，當冷卻水道間距降低到200 mm，壁體最大等效應力低于銅鋼復合材料的屈服強度，不易發生塑性變形損壞.

圖7 冷卻水道間距對壁體最高溫度和最大等效應力的影響Fig.7 Effect of the cooling channel spacing on the maximum temperature and thermal stress of the hot face

圖8為冷卻水道間距對銅-鋼復合冷卻壁銅鋼界面最高溫度和最大等效應力的影響.當冷卻水道間距由260 mm降低到200 mm時，銅鋼界面最高溫度由218 ℃減少到197 ℃，銅鋼界面最大等效應力由244.1 MPa降低到177.4 MPa.當冷卻水道間距低于240 mm時，銅鋼界面最大等效應力小于200.5 MPa，接近純銅材料的屈服強度200 MPa.對比冷卻水道間距為240 mm和220 mm結果可知，銅鋼界面最大等效應力相差約19 MPa；對比冷卻水道間距為220 mm和200 mm結果可知，銅鋼界面最大等效應力相差約4 MPa.冷卻水道間距為200 mm和220 mm的壁體應力分布滿足強度設計要求.而冷卻水道間距為200 mm時，銅-鋼復合冷卻壁寬度較小，冷卻水道加工困難.綜合考慮，冷卻水道間距為220 mm的銅-鋼復合冷卻壁結構傳熱性能和力學性能較佳.

圖8 冷卻水道間距對銅-鋼復合冷卻壁銅鋼界面最高溫度和最大等效應力的影響Fig.8 Effect of the cooling channel spacing on the maximum temperature and thermal stress of the copper/steel welded interface

5 結 論

(1)以1:1比例銅-鋼復合冷卻壁進行了熱態試驗，試驗結果與計算結果符合甚好，驗證了數學模型的準確性，可以應用此數學模型模擬高爐內銅-鋼復合冷卻壁的溫度以及應力分布；

(2)銅-鋼復合冷卻壁銅層厚度增加可以降低壁體最高溫度和最大等效應力，當銅層厚度增加到70 mm時，繼續增大銅層厚度對降低壁體最高溫度和最大等效應力效果較差，因此，銅-鋼復合冷卻壁銅層厚度上限值為70 mm；

(3)銅-鋼復合冷卻壁冷卻水道間距減少可以降低壁體最高溫度和最大等效應力，但與增加銅層厚度相比，降低幅度較小.冷卻水道間距降低到220 mm時，銅-鋼復合冷卻壁壁體最高溫度和最大等效應力滿足高爐熱負荷較高區域冷卻壁使用要求.

[1] 梁利生，魏 國，鄭海燕，等. 寶鋼3號高爐冷卻壁破損分析及處理[J]. 東北大學學報(自然科學版)，2010， 31(10)：1441.

(Liang Lisheng，Wei Guo，Zheng Haiyan，etal. Analysis of breakage and restoration measures for cooling stave in Baosteel no.3 BF[J]. Journal of Northeastern University:Natural Science, 2010，31(10): 1441.)

[2] 余志彥，張國營. 鑄鋼冷卻壁破損原因探討[J]. 中國冶金，2006，16(7)：45.

(Yu Zhiyan，Zhang Guoying. Damage causation analysis of cast steel cooling stave[J]. China Metallurgy， 2006，16(7):45.)

[3] Wu Lijun，Xu Xun，Zhou Weiguo，etal. Heat transfer analysis of blast furnace stave[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2008，11-12(51): 2824.

[4] 劉菁. 高爐銅冷卻壁的應用及探討[J]. 鋼鐵研究學報，2001，3：52.

(Liu Qing. Application and approach of copper stave to bf[J]. Research on Iron &Steel, 2001, 3: 52.)

[5] 石琳，程素森，張利君.高爐銅冷卻壁的熱變形[J]. 中國有色金屬學報，2005，15(12)：2040.

(Shi Lin，Cheng Susen， Zhang Lijun. Thermal distortion of blast furnace copper staves[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2005，15(12):2040.)

[6] 劉增勛，陳曉明，閆麗峰，等. 銅-鋼復合冷卻壁熱力耦合分析[J]. 鋼鐵釩鈦，2009，30(3)：70.

(Liu Zengxun，Chen Xiaoming，Yan Lifeng，etal. Thermal-mechanical coupled analysis for copper-steel cooling stave[J]. Iron Steel Vanadium Titanium，2009，30(3)：70.)

[7] Xie Ningqiang，Cheng Shusen. Analysis of effect of gas temperature on cooling stave of blast furnace[J]. Journal of Iron and Steel Research，2010，17(1): 01.

[8] 吳桐. 高爐銅冷卻壁掛渣厚度的影響因素分析[D]. 北京，北京科技大學：2013.

(Wu Tong. Influencing factor analysis on forming accretion of bf copper stave[D]. Beijing，University of Science and Technology Beijing:2013.)

[9] 石琳，程素森，阮新偉，等. 高爐鑄銅冷卻壁的熱性能分析[J]. 鋼鐵，2006，41(6)：13.

(Shi Lin，Cheng Susen，Ruan Xinwei，etal. Analysis of thermal performance of blast furnace cast copper staves[J]. Iron and Steel，2006，41(6):13.)

[10] 楊天鈞，程素森，吳啟常. 高爐銅冷卻壁的研制[J] . 煉鐵，2000，19( 5)：19.

(Yang Tianjun，Cheng Susen，Wu Qichang. Development of copper cooling stave for blast furnace[J]. Iron Making，2000，19(5):19.)

Analysisofheattransferandmechanicalbehaviorsofcopper-steelcompositestaveinblastfurnace

Liu Qi1, Cheng Shusen1, Niu Jianping2, Liu Dongdong2

(1. Metallurgy and Ecology Engineering School, University of Science and Technology of Beijing, Beijing 100083, China;2. Hebei Wanquan Fenghua Nonferrous Manufactory, Zhangjiakou 076250, China.)

Effects of copper layer thickness and cooling channel spacing on temperature and thermal stress of copper-steel composite stave were investigated by thermal mechanical coupled analysis. The thermal test of 1∶1 copper-steel composite stave was carried out, temperature distribution of copper-steel composite stave was examined and calculated. The calculated results were well agree with the measured data. The results indicated that the maximum temperature and the thermal stress of the stave decreased with the copper layer thickness increased, the upper limit of copper layer thickness is 70 mm; The maximum temperature and the thermal stress of the stave decreased with the cooling channel spacing. When the cooling channel spacing is less than 220 mm, the maximum temperature and the thermal stress of the stave are close to constant. It is not liable to produce plastic distortion in the higher heat flux region of blast furnace when the copper-steel composite stave with a copper layer thickness of 60 mm and a cooling channel spacing of 220 mm is used.

copper-steel composite stave; temperature distribution; thermal mechanical coupled analysis; blast furnace

2013年全國博士生學術論壇(冶金學科)征文

2013-10-20.

國家自然科學基金資助項目(61271303).

劉奇(1987—)，男，北京科技大學博士研究生；E-mail: liuqi8710@126.com.

TF 572

A

1671-6620(2014)04-0247-05