摘要：根据合金化管铸铁冷却壁热态试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，利用ANSYS软件、采用热一结构耦合的方法计算了高温状态下合金化管铸铁冷却壁内钢质冷却水管的变形，分析了气隙层和水管热变形对合金化管铸铁冷却壁寿命的影响，得出保证合金化管铸铁冷却壁长寿的最佳气隙层厚度和相应的最佳使用热负荷。

关键词：合金化管铸铁冷却壁；气隙层；热变形

随着高炉技术的进步，炉体热负荷不断增大，现有的普通铸铁冷却壁已难以完全满足现代高炉的需要。虽然铜冷却壁冷却性能优良，但价格昂贵。为了提高铸铁冷却壁的冷却性能，满足高炉长寿的需求，作者与世林冶金设备有限公司共同开发了一种高性能的冷却水管表面合金化球墨铸铁冷却壁，简称合金化管铸铁冷却壁。为了测定合金化管铸铁冷却壁的实际冷却性能，作者在常熟喷嘴厂专用的高炉冷却壁热态实验炉上进行了1：1热态试验，结果表明，合金化管铸铁冷却壁裸露状态下能承受的最大热负荷为95 kW／m²，高于普通涂层铸铁冷却壁的最大热负荷55 kW／m²。

      铸铁冷却壁内部的钢质水管被铸铁壁体所包围，水管并不是直接结合在铸铁壁体上，所以壁体与水管之间存在气隙层。研究资料显示，气隙层热阻是决定铸铁冷却壁冷却能力的主要因素，是冷却壁冷却能力的限制性环节。作者通过计算得出合金化管气隙热阻占总热阻的35％，而普通涂层铸铁冷却壁气隙热阻占总热阻的87％；相同条件下合金化管铸铁冷却壁的热阻是普通涂层铸铁冷却壁热阻的六分之一。为了验证和比较合金化管铸铁冷却壁和普通涂层铸铁冷却壁的气隙层厚度，沿冷却水管的轴向对两种铸铁冷却壁进行解剖，结果发现，合金化管铸铁冷却壁管壁与壁体之间没有明显的气隙层，但两者也没有熔合，说明管壁与壁体之间有微小的气隙，在显微镜下测定出气隙层厚度为0～0．05mm；而涂层铸铁冷却壁解剖图可以看到明显的气隙层，气隙层厚为0．1～0．3mm。可见，合金化冷却水管处理新工艺(合金化工艺)减小了冷却水管与冷却壁本体之间的气隙，降低了冷却水与冷却壁体之间的热阻，提高了铸铁冷却壁的冷却能力，这正是合金化管铸铁冷却壁冷却能力超过普通涂层铸铁冷却壁的原因。

       对于铸铁冷却壁壁体与水管之间气隙层的研究认为，如果壁体与水管间隙太小，虽然冷却壁冷却能力增强了，但高温下铸铁冷却壁壁体内部的水管由于热变形会被挤压拉断，降低了冷却壁的使用寿命；如果间隙太大，由于热阻增加，会大幅度地降低冷却壁的冷却能力，从而也降低了铸铁冷却壁的使用寿命。本文通过数值模拟的方法研究了合金化管铸铁冷却壁冷却水管不被挤压拉断的最佳气隙层厚度以及最佳的使用热负荷。

1      合金化管铸铁冷却壁温度场数值模拟

       冷却壁温度场的分析是冷却壁水管热变形分析的重要前提条件，因此先计算冷却壁的温度分布。

1．1  三维传热数学模型

      高炉冷却壁和炉衬的传热可视为导热问题来处理，稳态条件下，三维导热微分方程为：

   式中，λ(T)为与温度有关的导热系数；i=1，2，3，表示三维，即x，y，z轴。

1．2温度场的计算模型

    冷却壁尺寸1 625 mm×800 mm×235 mm，冷却通道共4条，在宽度方向均匀分布，通道中心间距为200 mm，冷却水管规格Ø70 mm×6 mm，水管中心线离冷面距离80 mm，燕尾槽镶砖为烧成微孔铝碳砖，镶砖厚度75 mm，镶砖面积50％。根据冷却壁的对称性，截取冷却壁1／8作为计算模型，如图1所示。

1．3热边界条件及物性参数

    利用合金化管铸铁冷却壁热态试验数据确定的参数列于表1。本文合金化管铸铁冷却壁壁体与冷却水的综合传热系数K是根据水管外壁与冷却壁壁体接触面热电偶测量值、冷却水带走的热量及冷却水的平均温度得出的。

1．4温度场计算结果

    对有限元模型进行网格划分，温度场模型使用单元32 258个，节点6131个。将几种材料作为连续体考虑，设置热边界条件，通过计算得出的炉温1103℃下冷却壁温度场的结果与实测数据吻合。

2  冷却水管的热变形数值模拟

2．1  三维热变形数学模型

    冷却壁在高炉中的热变形包括弹性变形和塑性变形。在进行热应力分析时，不考虑变形对温度场的影响，同时，忽略了由重力及其它机械载荷引起的应力。根据热弹塑性理论，有如下增量应力应变关系式。

式中，[D]为弹性刚度矩阵；d(σ)为全应力增量；d{ε)_e为弹性应变增量；d{e)_T为温度应变增量；έ_p为等效塑性应变；{α}为热膨胀系数矩阵；T、T₀为

瞬时温度和初始温度；[D]_ep为弹塑性刚度矩阵；σ(-)为等效应力；H是新的屈服应力对等效塑性应变总量的依赖关系。

2．2热变形的计算模型

    热变形的计算模型与温度场计算模型相同，如图1所示。需要强调：模型中壁体通道与水管外壁之间没有间隙，也没有相互粘连。变形前，壁体通道与水管外壁都是直径为70 mm的圆柱面。

2．3力学边界条件

    为了分析冷却水管和壁体通道的最大变形量，假设壁体通道的热变形不受水管的限制，水管的热变形也不受壁体的限制，即单独计算自由约束下冷却水管在温度场作用下产生的热变形及不包括冷却水管的整个壁体热变形。所以，本文采用的力学边界条件如下：计算模型的底面施加固定约束，对称面设置为对称边界，壁体热面、冷面以及壁体通道内侧为自由边界。冷却水管的内侧和外侧是自由边界。

2．4热变形计算结果分析

    首先将炉温1103℃(热负荷95 kw／m²)的冷却壁壁体及冷却水管的温度场计算结果作为温度载荷施加在热变形的计算模型上，然后设置力学边界条件。计算结果显示：冷却壁壁体和冷却水管因温度差的作用都会向热面变形，壁体通道和水管外壁由原来的圆形(直径70 mm)基本变成椭圆形，椭圆形的长轴在x方向，短轴在z方向。图2为炉温1103℃下水管外壁与壁体通道变形的计算结果，从图2的计算结果可以看出，在变形互不影响的前提下，壁体向热面的变形量大于水管的变形。

    为了更加清楚的分析冷却水管和壁体通道的变形情况，将几种情形绘制成放大的简易图(图3)。

    图3(a)就是图2的简易放大图。图3(a)显示，当壁体通道与水管之间没有间隙、壁体与水管彼此没有约束的条件下，壁体通道向热面(x正向)的最大变形量为2．75 mm，水管外壁向热面(x正向)的最大变形量为1．43 mm。由于壁体变形量大于水管，导致变形的壁体通道长轴大于变形水管外壁的长轴，壁体通道的长轴由原来的70 mm变为70．13mm，水管外壁长轴由原来的70 mm变为70．1 mm；壁体通道短轴小于水管外壁的短轴，即壁体通道短轴由原来的70 mm变为69．769 mm；水管外壁短轴由原来的70 mm变为69．883 mm。所以，在壁体通道与水管完全接触的高温情况下，水管短轴方向必定受到壁体的严重挤压。要使水管外壁不受壁体挤压，水管外壁与壁体通道间的最佳气隙厚度应该为0．056 mm。

    图3(b)显示，如果水管外壁与壁体之间有一定的间隙，但间隙小于0．056 mm时，在热负荷95kW／m²(即炉温1100℃)下工作的合金化管铸铁冷却壁会出现水管短轴方向被挤压的现象，只是挤压的程度与图3(a)的情形相比有所缓解。   

    图3(c)显示，如果水管外壁与壁体通道间隙大于0．056 mm，虽然水管不会被挤压，但由于靠近热面处的水管与壁体间隙增大，铸铁冷却壁的冷却能力减弱，导致热面快速破损。

    对合金化管铸铁冷却壁解剖知道，水管与壁体的平均间隙为0～0．05 mm。通过以上计算分析得出，将合金化管铸铁冷却壁用于热流密度大于95kW／m²的区域(即炉温1 100℃)，会出现冷却水管被挤压的现象。如果将合金化管铸铁冷却壁用于热流密度低于75 kW／m²的区域，计算得出水管与壁体通道的最佳间隙为0．03 mm，这样就不会出现水管被挤压的现象，保证了冷却壁的冷却能力和使用寿命。

3    结论

    (1)减小铸铁冷却壁壁体与冷却水管间的气隙层厚度是提高铸铁冷却壁冷却能力的主要途径，。但并不是间隙越小越好。若间隙太小，水管受到壁体的挤压，缩短了铸铁冷却壁的使用寿命；若间隙太大，铸铁冷却壁的冷却能力降低，热面温度升高，同样会缩短铸铁冷却壁的寿命。保持恰当的间隙厚度，对延长铸铁冷却壁的寿命至关重要。

    (2)铸铁冷却壁的最佳间隙与冷却壁的热负荷有关。对于合金化管铸铁冷却壁，当热负荷为95kW／m²时，最佳间隙为0．056 mm。当热负荷为75kW／m²时，最佳间隙为0．03 mm。实际测定的合金化管铸铁冷却壁壁体与水管的间隙为0～0．05mm，说明合金化管铸铁冷却壁适合在低于95kW／m²的热负荷下工作。

    (3)为了避免水管被挤压，可采用2种措施：减小冷却壁的使用热负荷；采用在冷却壁中部增加定位销的方法减小壁体热变形。壁体热变形幅度大于水管热变形幅度是导致冷却水管被挤压的主要原因。

                                (1．内蒙古科技大学理学院    2．北京科技大学冶金学院)