影响矿热炉铜瓦寿命的工艺条件分析与研究

文章来源：仿古金属瓦dongshen6.com官网 (2014-4-11) Hits：1871

in the furnace has great inllunce on the contact shoe，SO it'S SeriOUS to keep normal state． Keywords submerged·arc furnace，contact shoo，the surface stress 前言铜瓦是矿热炉(铁合金炉、电石炉、黄磷炉等) 短网的终端部分，其作用不仅向电极传递电流，而且还用于夹紧电极；在使用自焙电极操作时，铜瓦还用于调节烧结区的高度；为限制热量向电极把持器上部扩散，铜瓦也起着冷却器的作用。因此，设计长寿铜瓦对提高矿热炉的技术经济指标有很重要的意义。本文借助有限元法，运用有限元软件，建立了铜瓦模型，分析了影响铜瓦寿命的几个因素，包括铜瓦的材料、冷却水的温度和速度以及矿热炉内烟气温度。 1 铜瓦的传热数学模型 1．1 物理模型图l是铜瓦的示意图。该铜瓦由吊耳和铜瓦本体两部分组成。在铜瓦本体内设有一“U”型水冷通道。该铜瓦适用于1．25 MVA以上、电极直径为中1 200 inln的矿热炉，铜瓦的圆心角度为450。 1．2稳态温度场的计算 1．2．1 传热方程铜瓦的传热可视为导热问题来处理，在稳态工作条件下，其导热方程为作者简介陈倩女，1984年5月出生。四川大学化工学院有色金属冶金专业在读硕士研究生。收稿日期2008．05．28 万方数据第3期陈倩等影响矿热炉铜瓦寿命的工艺条件分析与研究·3s- VOLUMES TYPENUM ^NSYS JUN 262008 14：19：46 Z X，人Y 圈l计算模型示意图 Fig．1 Model of calculation —生【入(T)—生】=0 (1) a戈f d算i 式中，入(r)是温度r(℃)时的导热系数，形·m一· K一1；i=1，2，3表示三维。 1．2．2假设条件 (1)假定计算模型处于某一特定温度烟气中，铜瓦的高度仅l m左右，即可假定烟气温度不随铜瓦高度而变化。 (2)水温不高时，不考虑冷却水管与铜瓦本体之间可能存在的气隙热阻。 (3)在整个热传递过程中，冷却水管内冷却水温度取进口水温和出口水温的平均值。 1．2．3 边界条件求解温度场时的边界条件： (1)铜瓦本体与高温烟气。强制对流和辐射传热并存，其综合传热系数为h，，W·nq≈·K一，文中h一值的选取参考文献【2】。 (2)冷却水与冷却水通道之间。对流换热，其综合传热系数为h：，W·m‘2·K～。当水既不结垢也不腐蚀时，h：的计算参考文献【3，4】。 1．3 热应力计算 1．3．1 热应力方程物体温度变化时，由于受其它物体或由于物体内部各部分之间的相互约束而产生的应力为热应力。引起热应力的根本原因是温度变化。当物体受外力及温度作用时，物体内质点就要发生位移和相应的应变。由于对铜瓦进行热应力计算是静态的，所以可以不考虑铜瓦自身质量的影响。同时，也不考虑高温烟气对其压力。根据热弹性理论，有如下应力协调方程15 J： V2¨七詈一aE(南V2丁+南 a2 71 ·了j) (2) V2¨百1可a20=一aE(七V2r+南。等) (3) V2仉+÷罟一qEc七V2r+南．‘i0百27TJJ- (【44)J V2％+÷番蔫舞㈣ V2％+击器 V2％+击罴 aE 1+p aE 1+肛 a2 T aySz a2 r aza茁 (6) (7) 式中，0=以+乃+以为体积力；E为弹性模量 (Pa)；肛为泊松比；0【为线膨胀系数，l／oC；crf、O'y、O'L 与茗、Y、：轴相平行的应力，Pa；％、％、％为剪应力，Pa。 1．3．2 热应力求解的边界条件运用有限元数值模拟求解铜瓦应力场时，不考虑各个方向的外力作用。运用ANSYS进行热应力耦合场分析时，采用间接法求解，即先求解温度场，后将所得热分析结果作为载荷加载求解热应力。求解过程中求解器、收敛误差、迭代误差等参数，采用系统默认或者自动选择即可。求解时： (1)不考虑炉内烟气对瓦体的压力，不考虑铜瓦自身的重力。 (2)模型紧贴电极的面在法向方向上位移为0。 (3)模型的载荷为温度载荷，即将温度场计算结果加载到模型。 1．4计算参数本文所采用的一些主要计算参数见表1、2。表1 求解应力场所用的材料参数 Tab．1 Parameters for calcu|ating thermal stress 万方数据铁合金2009年裹2 求解温度场所用材料参数 Tab．2 Parameters for calculating temperature 2 计算结果及结果分析 2．1 铜瓦材质的影响我国从20世纪60年代开始使用铜瓦至今，制作铜瓦的材料主要有表3所列几种。从表3可以看出，使用无氧铜制作的铜瓦表面温度最低，应力也较小；纯铜他制作的铜瓦表面最大应力最小，表面温度也较低；黄铜和青铜制作的铜瓦表面温度较高，应力也较大。这是因为黄铜和青铜中含有其他金属 (Zn、Cr、Mn等)，这些金属的存在提高了合金的强度，改善了合金的铸造性能，但同时也降低了其热导率，在相同条件下，传热情况不如他和无氧铜，而使用无氧铜的成本较高，因此，在工程应用当中越来越表3 不同材料的铜瓦表面最高温度和最大应力 Tab．3 The maximum temperature and stress of contact shoe of diffierent material 多的使用12来制作铜瓦。 2．2冷却水的影响冷却系统的质量好坏主要跟冷却器的结构和冷却水有关。本文所设计的铜瓦内部设有一“u”型冷却通道，当冷却水质量得到保证，即使用清洁循环软水，避免水垢的生成，选择适当的冷却水温度和水速对维护铜瓦的寿命具有重要的意义。 2．2．1 冷却水温度的影响当瓦厚80 mm，瓦长950 mm，冷却水通道直径咖34 mm，冷却水速1．5 m／s时，U型通道内所通冷却水温度与铜瓦表面最高温度和最大应力的关系如图2所示。从图中可以看出，冷却水温度对铜瓦的温度和应力影响不大，当水温在20一40℃，铜瓦的表面最大应力都在铜的抗拉强度16】(crb=200—400 MPa) 范围内。鼍 !|薹嚼冷却水温度t／(m／s) 一温度一应力图2 冷却水温度对铜瓦温度和应力的影响 Fig．2 The influence of temperature of cooling water on temperature and stress of contact shoe 2．2．2 冷却水速的影响当瓦厚80 mm，瓦长950咖，冷却水通道直径巾34 mm，冷却水温度30℃时，冷却水流速与铜瓦表面最高温度和最大应力的关系如图3所示。随着冷却水流速的增加，铜瓦温度大幅降低，但应力值逐渐增大。这是因为增加冷却水速相当于增大冷却水量，冷却水带走的热量增多。同时，当冷却水速度提高1倍时，冷却水的阻损增加3倍"】，相应地要提高冷却水的供水压力，一般每获得1 m／s的水流速度，大约需要98 kPa水压⋯。因此，在实际生产当中流体在管道中的经济流速为2．0 m／s以下，故不应设计采取大于 2．5 m／s的速度19】。 2．3烟气温度的影响矿热炉内烟气温度在l 000℃左右，烟气温度对铜瓦温度和应力的影响如图4所示。随着烟气温万方数据第3期陈倩等影响矿热炉铜瓦寿命的工艺条件分析与研究·37· 冷却水流速v／(rn／s) 一温度+应力芒鼋奠嚼图3 冷却水速度对铜瓦温度和应力的影响 Fig．3 The influence of speed of cooling water on temperature and stres$of contact shoe 度的升高，铜瓦表面最高温度和最大应力都大幅增加。当炉内烟气温度从800℃变为1 100℃时，铜瓦表面最高温度升高180 oC，铜瓦表面最大应力值增大约160 MPa。原因是烟气温度越高，烟气换热系数就越大，使得烟气与铜瓦的综合传热系数增大，导致烟气对铜瓦的传热量增加。因此，应当从冶炼工艺操作上保持正常炉况，减少刺火的发生。烟气温度∥℃ 一温度+应力图4 烟气温度对铜瓦温度和应力的影响 Fig．4 The influence of temperature of gas 01'1 temperature and Btn瑚of contact shoe 3 结语 3．1 铜瓦材质对铜瓦的寿命有很大影响，由于纯铜，I'2的导热性比青铜和黄铜好，价格也比无氧铜便宜，所以提倡使用，I’2制造铜瓦。 3．2 冷却水温变化对铜瓦的温度和应力影响不大；冷却水速对铜瓦的温度和应力有很明显的影响，尽管水速越大铜瓦表面温度越低，但同时铜瓦表面应力也迅速增大，因此应该控制冷却水速在2．5 m／ s以下。 3．3 铜瓦表面最高温度和最大应力随矿热炉内烟气温度增大而增大，保持正常的炉况对延长铜瓦寿命具有重要意义。参考文献【1】袁熙志，陈倩．结构参数对矿热炉铜瓦的传热影响【J】．铁合金，2008(1)：34—36 【2】付晓燕．矿热炉电极把持器的设计与研究【D】：【学位论文】．成都：四川大学，2007 【3】程素森．高炉冷却壁的传热学分析【J】．钢铁，1999，34 (15)：11—13 【4】Susen Cheng，Qinggno Xue，Weigno Yang，et a1．Designing for Long Campaign Life Blast Furnace(1)一The Mathematical Model of Temperature Field for Blast Furnace Lining and Cooling Apparatus and New Concept of Long Campaignship Blast Furnace Cooler Design．Journal of University of Science and Technology Beijing[J】，1999，6：178— 182 【5】吴俐俊．冷却水管管形变化下的高炉冷却壁传热分析【J】．钢铁，2005，40(5)：15—18 [6】张建国．工程材料与成形工艺【M】．北京：科学出版杜， 2004：96 【7】程素森．高炉铜冷却壁传热分析．钢铁，2001。36(2)： 8一ll 【8】张典波．从传热分析看高炉冷却制度的确立．宝钢技术，1991(3)：44—46 【9】金宝昌．对高炉冷却壁设计参数的探讨．炼铁，1997， 16(2)：15—19

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