埋纯铜管铸铜冷却壁热态试验和热应力热变形研究

介绍了铸铜冷却壁的热态实验结果,采用数值模拟的方法分析了炉温、边缘接触压力对铸铜冷却壁热应力和热变形的影响.热态实验结果表明,铸铜冷却壁的冷却能力与轧制铜冷却壁相当,能够承受180 kW/m~2的热负荷,短时间内能承受250 kW/m~2的热负荷.热应力计算结果表明:铸铜冷却壁在高热负荷下不会产生疲劳裂纹.通过在杭钢2号高炉的工业测试说明铸铜冷却壁有很强的挂渣能力,且渣皮稳定.因此,铸铜冷却壁满足了高炉长寿的要求.由于铸铜冷却壁具有冷却能力大、自由布置冷却通道走向、成本较低等优势,因此有着很好的工业应用前景.     

高炉铜冷却壁水管热应力分析

针对高炉内普遍出现的铜冷却壁水管断裂问题,以热结构耦合分析为手段,研究了铜冷却壁水管所受约束对其热应力分布的影响。通过建立铜冷却壁热应力数学模型,对比分析了铜冷却壁水管受不同约束作用下的热变形行为及热应力变化。计算结果表明,铜冷却壁水管末端为自由或受固定约束时,水管根部相对于其他位置产生较大热应力。但水管末端为自由时,水管根部等效应力仅45 MPa,低于纯铜的屈服强度;水管末端受到固定约束时,水管根部等效应力达到272 MPa,超过纯铜的屈服强度。水管之间应采用柔性连接。水管受到炉壳开孔约束时,其最大等效应力为600 MPa,远超过纯铜材料的屈服强度。铜冷却壁极限工作温度下水管末端产生最大位移,约为1.73 mm,考虑到安装误差等因素的影响,炉壳开孔直径应为120 mm。     

冷却水管表面合金化球墨铸铁冷却壁的热应力和热变形

为了满足高炉长寿的需要,开发了一种具有高冷却性能的铸铁冷却壁. 利用热态实验数据确定了合金化管铸铁冷却壁温度场数值模拟的边界条件,采用ANSYS软件和热-结构耦合的方法分析炉温、渣皮和边缘接触压力对高温状态下铸铁冷却壁热应力及变形的影响,以便采取有效的措施降低铸铁冷却壁热应力,控制其变形. 根据球墨铸铁强度分析理论提出评价长寿铸铁冷却壁冷却能力的新概念--高周热负荷.     

铜冷却壁的有限元分析

对目前3种较为常见的高炉铜冷却壁:轧铜冷却壁、铸铜件内埋铜管冷却壁、铸铜件内埋钢管冷却壁进行三维建模,并利用有限元软件分别对3种铜冷却壁进行了传热分析和热应力分析,通过分析数据表明:从温度场结果来看,轧铜冷却壁的冷却效果最好,埋铜冷却壁冷却效果和轧铜冷却壁接近,埋钢管冷却壁的冷却效果最差。从热应力场的分析结果看,轧铜冷却壁和埋铜冷却壁的性能差别不大,埋钢管冷却壁受到的热应力最小。     

高炉冷却壁温度场分布与热流强度的关系

本文阐述了高炉冷却壁在稳定状态下的温度分布的数值解析方法，分析了热流程度对铜冷却壁和铸铁冷却壁最高温度的影响。比较了铜冷却壁与铸铁冷却壁的优劣。     

变渣皮厚度条件下铜冷却壁应力分布规律及挂渣稳定性

根据热弹性力学理论,建立了渣皮厚度可变的铜冷却壁热-力耦合应力场分布计算模型,从铜冷却壁本体和炉渣-镶砖界面应力分布的角度分析了煤气温度、冷却制度、镶砖材质和炉渣性质等因素对铜冷却壁寿命及挂渣稳定性的影响规律.计算结果表明:煤气温度的升高使铜冷却壁本体应力线性升高,同时挂渣稳定性减弱;铜冷却壁本体应力值及挂渣稳定性均随渣皮厚度增加而呈现先下降后上升的趋势,实际生产中渣皮厚度应维持在30~60 mm之间;冷却水流速的增大会导致铜冷却壁本体应力值小幅上升,但可使挂渣稳定性增强;冷却水温的提升可小幅降低冷却壁本体应力,但会显著降低挂渣稳定性;镶砖热导率的提升和炉渣热膨胀系数的减小均有利于降低铜冷却壁本体应力并增强挂渣稳定性.     

高炉铜冷却壁自保护能力的实现

讨论了实现高炉铜冷却壁冷却系统自保护能力的两个方面:挂渣能力和挂渣环境. 在编制通用三维冷却壁传热计算软件的基础上,通过对实际铜冷却壁进行计算并结合高炉实际操作经验分析得出:铜冷却壁更适合应用在高炉的高热负荷区;铜冷却壁具备很好的挂渣能力,但在高炉生产过程中实现冷却系统的"自保护"能力以达到长寿高效,还必须提供好的挂渣环境. 分析了挂渣环境的诸因素,给出了煤气温度变化时炉墙温度场的变化规律.     

挂渣铸铁冷却壁水管形状优化研究

采用ABAQUS有限元软件,结合热态试验数据计算分析铸铁冷却壁冷却水管形状对冷却壁热表面渣皮厚度的影响.计算结果表明:冷却水管截面面积相同的情况下,当水管的短轴与长轴之比为0.2时,渣皮的厚度增加6.4%.综合考虑传热、冷却水阻力等因素,计算得出:把圆管做成面积相同的长短轴之比为0.45-0.55的椭圆管,不仅对铸铁冷却壁起到最好的保护效果,而且减少了水流量,这对于高炉的节能、降耗、长寿具有指导意义.     

铜钢复合冷却壁热变形分析

提高高炉炉腰及炉身下部冷却壁抗热变形能力是维持高炉长寿的关键.采用热态实验和数值模拟手段研究高炉炉腰及炉身下部区域铜钢复合冷却壁的传热及热变形行为,并与铜冷却壁进行对比分析.铜钢复合冷却壁热面无渣铁壳覆盖,煤气温度1200℃条件下,铜钢复合冷却壁最高温度为180℃,传热性能与铜冷却壁接近.铜钢界面最大等效应力约为114.45MPa,低于铜钢复合板的抗拉强度.铜钢复合冷却壁发生弯曲变形,中心z向位移为0.66 mm,较铜冷却壁低约25.8％;顶底端沿z向位移为0.13mm,较铜冷却壁低约50％;曲率为0.93×10-4 mm-1,较铜冷却壁低约51.81％.铜钢复合冷却壁抗变形能力优于铜冷却壁,可以避免铜冷却壁热变形过大导致的螺栓及冷却水管断裂破损问题.     

淬火介质对高铬铸铁磨球性能的影响

研究了高铬铸铁磨球在不同介质淬火的冷却曲线、温度场、淬火裂纹、断面上硬度分布以及φ６０磨球的跌落冲击试验．结果表明空淬未能淬硬，水淬产生裂纹，油淬对小于φ１００的磨球不产生裂纹．采用有机淬火介质Ａ１得到良好的综合机械性能，无机介质Ｂ１经适当整调也能满足要求。     

不同工况下各种材质高炉冷却壁温度场数值模拟

建立高炉冷却壁稳态传热模型,模拟球墨铸铁、铸钢和铜3种材质的冷却壁在热面镶砖、裸露和挂渣等工况下的温度场分布。结果表明,相同工况条件下,铜冷却壁导热性能优于铸钢冷却壁导热性能,铸钢冷却壁导热性能优于球墨铸铁冷却壁导热性能;铸钢冷却壁热面温度远低于球墨铸铁冷却壁热面温度;渣皮的存在,对冷却壁体起温度降低和保护作用,从而延长冷却器及高炉寿命。     

基于ANSYS“生死单元”技术的铜冷却壁挂渣能力计算模型

根据有限元理论,采用ANSYS“生死单元”技术建立了铜冷却壁挂渣能力计算模型,计算煤气温度、冷却制度、炉渣性质、冷却壁镶砖材质等多种因素对铜冷却壁挂渣能力的影响,得出各因素对铜冷却壁挂渣能力的影响规律。煤气温度的升高将导致铜冷却壁挂渣能力呈指数衰减。冷却制度的改变对铜冷却壁挂渣能力的影响很微弱。炉渣挂渣温度的提升将使冷却壁挂渣能力增强,但渣皮厚度的稳定性较差。随着炉渣导热系数的上升,渣皮厚度均匀增大。镶砖热导率的提升可显著提升燕尾槽位置渣皮厚度。根据计算结果,本文提出了保证铜冷却壁稳定挂渣应遵循的几个原则。     

Experimental study on heat transfer characteristics of blast furnace copper staves

Much attention has been paid to copper staves because they have excellent performance and longevity. The hot test of copper staveswas carried out using all-scale stave experiment system and accordingto the results, the temperature distribution and heat characteristicswere studied. The result shows that copper stave possesses outstanding heat transfer ability, a well-distributed temperature field and low temperature on the hot side. In addition, a model was established to calculate the cooling water channels' inner face temperature. The calculation results indicates that the highest temperature of the inner wall of the channels is 42℃, and at the same time, the cold side of the stave temperature is 42-43℃. That is to say, the temperature in the stave is quite uniform.     

铜对无磁铸铁组织和性能的影响

实验研究了铜对Ｎｉ－Ｍｎ系奥氏体无磁铸铁组织和电磁性能的影响，测定了不同加铜量时铸铁的磁化强度，当Ｎｉ、Ｍｎ量不足时，组织中出现马氏体，磁化强度较高，加入一定量的铜，马氏体消失，磁化强度降低，为用冲天炉生产无磁铸铁大型铸件提供了炉前质量控制的可靠方法。     

低阻硅TSV与铜填充TSV热力学特性对比分析

对低阻硅TSV以及铜填充TSV的热力学性能通过有限元仿真的方法进行对比分析.低阻硅TSV在绝缘层上方以及低阻硅柱上方的铝层区域中凸起最为显著,且高度分别为82 nm和76 nm;铜填充TSV的凸起位置主要集中在通孔中心铜柱的上方,最大值为150 nm.应力方面,低阻硅TSV在绝缘层两侧的应力最大,且最大值为1 005 MPa;铜填充TSV在中心铜柱外侧应力最大,且最大值为1 227 MPa.另外,两种结构TSV的界面应力都在靠近TSV两端时最大.低阻硅TSV界面应力没有超过400 MPa,而铜填充TSV在靠近其两端时界面应力已经超过800 MPa.综上所述,相比于铜填充TSV,低阻硅TSV具有更高的热力学可靠性.