变渣皮厚度条件下铜冷却壁应力分布规律及挂渣稳定性

工程科学学报，第39卷，第3期：389-398,2017年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.3:389-398,March 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.011:http://journals.ustb.edu.cn 变渣皮厚度条件下铜冷却壁应力分布规律及挂渣稳 定性 李峰光12四，张建良) 1)湖北汽车工业学院材料科学与工程学院，十堰4420002)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:lemon2006@126.com 摘要根据热弹性力学理论，建立了渣皮厚度可变的铜冷却壁热一力耦合应力场分布计算模型，从铜冷却壁本体和炉渣一 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30-60mm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 关键词冷却壁：挂渣：热一力分析：应力场 分类号T321.4 Stress distribution law and adherent dross stability of the copper cooling stave with variable slag coating thickness LI Feng-guang ZHANG Jian-iang 1)School of Materials Science and Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:lemon2006@126.com ABSTRACT A thermal-mechanical coupling model of a copper cooling stave with variable slag coating was founded based on thermal elastic mechanics,and the influence of the gas temperature,the cooling system,the materials of insert bricks,and the properties of the slag on the stave life and the stability of the adherent dross was analyzed from the view point of the stress distribution of the stave body and the slag-brick interface.The results show that the increase of the gas temperature linearly improves the stress of stave body and reduces the stability of the adherent dross meanwhile.The stress of the stave body and the stability of the adherent dross both de- crease at first and then increase when the slag coating thickness increases,and the slag coating thickness should be controlled between 30 to 60 mm.The increase of water velocity incurs tiny growth of the stress of the stave body,while the stability of the adherent dross is enhanced.The stress of the stave body is weakly reduced with the increase of water temperature,but the stability of the adherent dross decreases heavily meanwhile.The increase of the heat conductivity of insert bricks and the decrease of the heat expansion coeffi- cient of the slag significantly reduce the stress of the stave body and enhance the stability of the adherent dross. KEY WORDS cooling stave:adherent dross:thermal mechanical analysis:stress field 收稿日期：2016-09-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51604103)：湖北省自然科学基金资助项目(2016C293):湖北汽车工业学院博士科研启动基金资助 项目(BK201607)

工程科学学报，第 39 卷，第 3 期: 389--398，2017 年 3 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 3: 389--398，March 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 03． 011; http: / /journals． ustb． edu． cn 变渣皮厚度条件下铜冷却壁应力分布规律及挂渣稳 定性 李峰光1，2) ，张建良2) 1) 湖北汽车工业学院材料科学与工程学院，十堰 442000 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: lemon2006@ 126． com 摘 要 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． 关键词 冷却壁; 挂渣; 热--力分析; 应力场 分类号 TF321. 4 Stress distribution law and adherent dross stability of the copper cooling stave with variable slag coating thickness LI Feng-guang1，2)  ，ZHANG Jian-liang2) 1) School of Materials Science and Engineering，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002，China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: lemon2006@ 126． com ABSTＲACT A thermal-mechanical coupling model of a copper cooling stave with variable slag coating was founded based on thermal elastic mechanics，and the influence of the gas temperature，the cooling system，the materials of insert bricks，and the properties of the slag on the stave life and the stability of the adherent dross was analyzed from the view point of the stress distribution of the stave body and the slag--brick interface． The results show that the increase of the gas temperature linearly improves the stress of stave body and reduces the stability of the adherent dross meanwhile． The stress of the stave body and the stability of the adherent dross both de￾crease at first and then increase when the slag coating thickness increases，and the slag coating thickness should be controlled between 30 to 60 mm． The increase of water velocity incurs tiny growth of the stress of the stave body，while the stability of the adherent dross is enhanced． The stress of the stave body is weakly reduced with the increase of water temperature，but the stability of the adherent dross decreases heavily meanwhile． The increase of the heat conductivity of insert bricks and the decrease of the heat expansion coeffi￾cient of the slag significantly reduce the stress of the stave body and enhance the stability of the adherent dross． KEY WOＲDS cooling stave; adherent dross; thermal mechanical analysis; stress field 收稿日期: 2016--09--25 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51604103) ; 湖北省自然科学基金资助项目( 2016CFB293) ; 湖北汽车工业学院博士科研启动基金资助 项目( BK201607)

·390 工程科学学报，第39卷，第3期 铜冷却壁表面渣皮的存在对有效降低其热面温 法，而采用间接热一耦合分析方法，其基本计算流 度、保护冷却壁有着至关重要的作用.国内外大量的 程为： 高炉操作者和理论研究者均从实际操作或传 (1)采用热单元建立铜冷却壁传热分析模型，给 热学角度出发，对铜冷却壁传热及其热面稳定挂渣进 定热分析参数，施加传热边界条件，进行温度场求解； 行了探讨.然而，渣皮的存在除了影响铜冷却壁本体 (2)将模型中的热单元转换为结构单元，并添加 温度外，亦对铜冷却壁本体及其自身受热膨胀所产生 结构单元属性： 的热应力有较大影响.石琳等人@通过对埋管铸铜 (3)在模型上施加应力边界条件，并将所得到的 冷却壁进行热态试验和数值模拟研究，认为煤气温度 温度场作为温度载荷施加在结构分析模型上，求解应 变化显著影响铜冷却壁本体应力分布.魏渊等人四 力场 提出了一种新型的炉腹铜冷却壁设计方案，该冷却壁 进行铜冷却壁一热力耦合分析时，仍采用作者在 温度场及应力场计算结果表明其结构的优化可明显降 之前的研究工作中所建立的物理模型圆，在温度场和 低壁体内的热变形和热应力.邓凯等人网研究了冷 应力场的计算中，均可根据计算条件的变化采用 却壁水管间距、镶砖厚度、水管直径等相关结构参数对 ANSYS生死单元技术杀死相关单元.分析结果时，采 冷却壁应力场分布的影响，并给出了相应的影响规律 用von mises等效应力表征冷却壁应力分布情况. 然而，上述研究均未涉及铜冷却壁渣皮的存在对壁体 1.2计算模型及边界条件 本身和渣层应力分布的影响.实际上，冷却壁本体及 在进行热分析时，仍采用作者在文献8]中所建 渣层的应力分布，尤其是壁体一渣层交界面处的应力 立的数学模型及边界条件.而进行应力分析时，则根 分布，对冷却壁热面渣皮的稳定性有着决定性的影响. 据弹性力学基本理论建立控制方程，并确定相应的边 因此，本文采用热力耦合分析的方法对挂有炉渣的铜 界条件 冷却壁应力分布进行计算，分析了煤气温度变化、冷却 在热弹性力学中，为求解某受热区域的应力场，需 制度、渣皮厚度、炉渣导热系数、镶砖材质等多种因素 满足平衡方程、几何方程和本构方程等一系列条件，各 对铜冷却壁及渣层应力分布影响，并从应力方面探索 方程描述详见文献山3]. 各因素对铜冷却壁热面渣皮稳定性的影响规律. 由于本文主要研究包含渣皮在内的铜冷却壁传热 1计算模型 体系在煤气温度、渣皮厚度、冷却制度等因素变化条件 下的应力分布情况，不考虑不同冷却壁固定方式等的 1.1热-力耦合分析方法 影响，因此忽略炉壳、填料层及相邻冷却壁对体系应力 本文采用ANSYS软件进行铜冷却壁传热体系的 分布的影响，所采用边界条件如下： 热-力耦合分析.在ANSYS中，热一力耦合分析有直接 (1)冷却壁和渣层底面及侧面为自由边界： 耦合和间接耦合两种类型.直接热一力耦合分析法采 (2)冷却壁及渣层在几何对称面上采用对称边界 用SOLID62、SOLD98等兼具温度场和结构场的耦合 条件： 单元，在所建立的物理模型上同时施加传热边界条件 (3)冷却壁冷面及渣层热面为自由边界： 和应力边界条件，同步进行温度场和应力场的求解 (4)冷却壁及渣层承受温度载荷，其模型内的温 此方法适宜在模型较简单、计算量较小时采用.而本 度分布由热分析求得 文将建立的铜冷却壁热一力耦合分析，由于渣层厚度 1.3物性参数选择 较小但温度、应力梯度很大，对网格精细度有很大要 在冷却壁温度场和应力场的求解中，所涉及的各 求，计算量巨大，因此不宜采用直接热一力耦合分析 材料的弹性力学参数见表14- 表1各材料弹性力学参数 Table 1 Elasticity mechanics parameters of materials 材料 温度/℃ 密度/(kgm3) 弹性模量/GPa 热膨胀系数1(10-6m℃) 泊松比 17 110 17.6 铜 100 8390 108 18.0 0.33 300 95 18.5 渣皮 工况决定 工况决定 工况决定 0.1 镶砖 由镶砖材质决定 由镶砖材质决定 由镶砖材质决定 0.1 其中，渣皮和镶砖的物性参数随高炉治炼条件和 镶砖所选用种类不同而发生变化，均为本文所考虑的

工程科学学报，第 39 卷，第 3 期 铜冷却壁表面渣皮的存在对有效降低其热面温 度、保护冷却壁有着至关重要的作用． 国内外大量的 高炉操作者［1--5］和理论研究者［6--9］均从实际操作或传 热学角度出发，对铜冷却壁传热及其热面稳定挂渣进 行了探讨． 然而，渣皮的存在除了影响铜冷却壁本体 温度外，亦对铜冷却壁本体及其自身受热膨胀所产生 的热应力有较大影响． 石琳等人［10］通过对埋管铸铜 冷却壁进行热态试验和数值模拟研究，认为煤气温度 变化显著影响铜冷却壁本体应力分布． 魏渊等人［11］ 提出了一种新型的炉腹铜冷却壁设计方案，该冷却壁 温度场及应力场计算结果表明其结构的优化可明显降 低壁体内的热变形和热应力． 邓凯等人［12］研究了冷 却壁水管间距、镶砖厚度、水管直径等相关结构参数对 冷却壁应力场分布的影响，并给出了相应的影响规律． 然而，上述研究均未涉及铜冷却壁渣皮的存在对壁体 本身和渣层应力分布的影响． 实际上，冷却壁本体及 渣层的应力分布，尤其是壁体--渣层交界面处的应力 分布，对冷却壁热面渣皮的稳定性有着决定性的影响． 因此，本文采用热力耦合分析的方法对挂有炉渣的铜 冷却壁应力分布进行计算，分析了煤气温度变化、冷却 制度、渣皮厚度、炉渣导热系数、镶砖材质等多种因素 对铜冷却壁及渣层应力分布影响，并从应力方面探索 各因素对铜冷却壁热面渣皮稳定性的影响规律． 1 计算模型 1. 1 热--力耦合分析方法 本文采用 ANSYS 软件进行铜冷却壁传热体系的 热--力耦合分析． 在 ANSYS 中，热--力耦合分析有直接 耦合和间接耦合两种类型． 直接热--力耦合分析法采 用 SOLID62、SOLID98 等兼具温度场和结构场的耦合 单元，在所建立的物理模型上同时施加传热边界条件 和应力边界条件，同步进行温度场和应力场的求解． 此方法适宜在模型较简单、计算量较小时采用． 而本 文将建立的铜冷却壁热--力耦合分析，由于渣层厚度 较小但温度、应力梯度很大，对网格精细度有很大要 求，计算量巨大，因此不宜采用直接热--力耦合分析 法，而 采 用 间 接 热--耦 合 分 析 方 法，其 基 本 计 算 流 程为: ( 1) 采用热单元建立铜冷却壁传热分析模型，给 定热分析参数，施加传热边界条件，进行温度场求解; ( 2) 将模型中的热单元转换为结构单元，并添加 结构单元属性; ( 3) 在模型上施加应力边界条件，并将所得到的 温度场作为温度载荷施加在结构分析模型上，求解应 力场． 进行铜冷却壁--热力耦合分析时，仍采用作者在 之前的研究工作中所建立的物理模型［8］，在温度场和 应力场 的 计 算 中，均 可 根 据 计 算 条 件 的 变 化 采 用 ANSYS 生死单元技术杀死相关单元． 分析结果时，采 用 von mises 等效应力表征冷却壁应力分布情况． 1. 2 计算模型及边界条件 在进行热分析时，仍采用作者在文献［8］中所建 立的数学模型及边界条件． 而进行应力分析时，则根 据弹性力学基本理论建立控制方程，并确定相应的边 界条件． 在热弹性力学中，为求解某受热区域的应力场，需 满足平衡方程、几何方程和本构方程等一系列条件，各 方程描述详见文献［13］． 由于本文主要研究包含渣皮在内的铜冷却壁传热 体系在煤气温度、渣皮厚度、冷却制度等因素变化条件 下的应力分布情况，不考虑不同冷却壁固定方式等的 影响，因此忽略炉壳、填料层及相邻冷却壁对体系应力 分布的影响，所采用边界条件如下: ( 1) 冷却壁和渣层底面及侧面为自由边界; ( 2) 冷却壁及渣层在几何对称面上采用对称边界 条件; ( 3) 冷却壁冷面及渣层热面为自由边界; ( 4) 冷却壁及渣层承受温度载荷，其模型内的温 度分布由热分析求得． 1. 3 物性参数选择 在冷却壁温度场和应力场的求解中，所涉及的各 材料的弹性力学参数见表 1 ［14--15］． 表 1 各材料弹性力学参数 Table 1 Elasticity mechanics parameters of materials 材料 温度/℃ 密度/( kg·m － 3 ) 弹性模量/GPa 热膨胀系数/( 10 － 6 m·℃ － 1 ) 泊松比 17 110 17. 6 铜 100 8390 108 18. 0 0. 33 300 95 18. 5 渣皮 ― 工况决定 工况决定 工况决定 0. 1 镶砖 ― 由镶砖材质决定 由镶砖材质决定 由镶砖材质决定 0. 1 其中，渣皮和镶砖的物性参数随高炉冶炼条件和 镶砖所选用种类不同而发生变化，均为本文所考虑的 · 093 ·

李峰光等：变渣皮厚度条件下铜冷却壁应力分布规律及挂渣稳定性 ·391· 因素，因此这二者的物性参数由实际的计算工况决定. 取5个值进行计算.由于文献89]等相关研究工作 1.4计算工况及条件 已经表明，在常规治炼条件下，铜冷却壁热面渣皮厚度 本文主要考察在不同渣皮厚度条件下煤气温度、 的变化范围约为7~80mm,且这一范围已在承钢高炉 冷却制度等诸多因素发生改变时铜冷却壁本体及渣层 实际生产中得到验证.因此，针对每个因素的每个取 应力分布的变化，因此选取煤气温度、冷却制度（包含 值，将渣皮厚度变化范围适当放宽，均计算渣皮厚度在 冷却水流速和冷却水温度)、镶砖材质（包含镶砖热导 5~85mm变化条件下的应力分布情况.在对某一影响 率和镶砖热膨胀系数)和炉渣性质（炉渣热膨胀系数） 因素进行分析计算时，其他各因素取其特征值.其中， 为变化因素，对于每种变化因素，在其变化范围内等距 各影响因素的取值范围和特征值如表2所示. 表2不同煤气温度计算工况下参数选择 Table 2 Parameters under the different gas temperatures 煤气温度/ 渣皮厚度 冷却水速/ 冷却水温度/ 镶砖热导率/镶砖热膨胀系数/ 炉渣热膨胀系数/ 取值 ℃ mm (ms-1) ℃ (Wm1.℃-1) (10-6m℃-1) (10-6m℃-1) 变化范围 1200~1400 5-85 0.5~2.5 25~45 5~15 2.710.7 2.7.10.7 特征值 1300 2.0 子 10 4.7 4.7 2壁体及渣层应力分布 域，而应力最大值出现在冷却壁侧面边缘的筋肋角部 位置.为准确分析渣皮厚度变化对冷却壁本体应力分 2.1煤气温度的影响 布的影响，提取不同煤气温度、不同渣皮厚度条件下冷 图1显示了不同煤气温度条件下冷却壁应力分布 却壁中部筋肋下沿横向中心位置的应力值进行比较， 情况.由该图可知，在各煤气温度条件下，壁体应力分 在各渣皮厚度条件下该点应力值变化与煤气温度的关 布基本相同，仅在应力数值上有一定区别.应力集中 系如图2(a)所示 位置出现在冷却壁热面镶砖背后正对冷却水通道区 由图2(a)可知，当渣皮厚度不变时，冷却壁本体 应力Pa 应力Pa 0.130x10 .442×10 6×10 0.102×10 0.0 b 应力Pa 应力Pa 应力Pa 0.140×10 0.151×10 0.161×10 0.12x0U 0.180x10 0.188×10 0.330×10 0.488×10 85B 0.361×10 0.533×10 0.646x10 0.705×108 0804x10 0.878×10 0.961×10 0.105×108 0.112×10° 122×10 0.128×10 0.139×10 0.150x109 0.157x10 (c) d (e 图1不同煤气温度条件下壁体应力分布云图.(a)1200℃：(b)1250℃：(c)1300℃：(d)1350℃：（©）1400℃ Fig.1 Stress distribution of the stave body at different gas temperatures:(a)1200℃：(b)1250℃：(c)1300℃：(d)1350℃：(e)1400℃

李峰光等: 变渣皮厚度条件下铜冷却壁应力分布规律及挂渣稳定性 因素，因此这二者的物性参数由实际的计算工况决定． 1. 4 计算工况及条件 本文主要考察在不同渣皮厚度条件下煤气温度、 冷却制度等诸多因素发生改变时铜冷却壁本体及渣层 应力分布的变化，因此选取煤气温度、冷却制度( 包含 冷却水流速和冷却水温度) 、镶砖材质( 包含镶砖热导 率和镶砖热膨胀系数) 和炉渣性质( 炉渣热膨胀系数) 为变化因素，对于每种变化因素，在其变化范围内等距 取 5 个值进行计算． 由于文献［8--9］等相关研究工作 已经表明，在常规冶炼条件下，铜冷却壁热面渣皮厚度 的变化范围约为 7 ～ 80 mm，且这一范围已在承钢高炉 实际生产中得到验证． 因此，针对每个因素的每个取 值，将渣皮厚度变化范围适当放宽，均计算渣皮厚度在 5 ～ 85 mm 变化条件下的应力分布情况． 在对某一影响 因素进行分析计算时，其他各因素取其特征值． 其中， 各影响因素的取值范围和特征值如表 2 所示． 表 2 不同煤气温度计算工况下参数选择 Table 2 Parameters under the different gas temperatures 取值 煤气温度/ ℃ 渣皮厚度/ mm 冷却水速/ ( m·s － 1 ) 冷却水温度/ ℃ 镶砖热导率/ ( W·m － 1·℃ － 1 ) 镶砖热膨胀系数/ ( 10 － 6m·℃ － 1 ) 炉渣热膨胀系数/ ( 10 － 6 m·℃ － 1 ) 变化范围 1200 ～ 1400 5 ～ 85 0. 5 ～ 2. 5 25 ～ 45 5 ～ 15 2. 7 ～ 10. 7 2. 7 ～ 10. 7 特征值 1300 ― 2. 0 35 10 4. 7 4. 7 2 壁体及渣层应力分布 图 1 不同煤气温度条件下壁体应力分布云图． ( a) 1200 ℃ ; ( b) 1250 ℃ ; ( c) 1300 ℃ ; ( d) 1350 ℃ ; ( e) 1400 ℃ Fig． 1 Stress distribution of the stave body at different gas temperatures: ( a) 1200 ℃ ; ( b) 1250 ℃ ; ( c) 1300 ℃ ; ( d) 1350 ℃ ; ( e) 1400 ℃ 2. 1 煤气温度的影响 图 1 显示了不同煤气温度条件下冷却壁应力分布 情况． 由该图可知，在各煤气温度条件下，壁体应力分 布基本相同，仅在应力数值上有一定区别． 应力集中 位置出现在冷却壁热面镶砖背后正对冷却水通道区 域，而应力最大值出现在冷却壁侧面边缘的筋肋角部 位置． 为准确分析渣皮厚度变化对冷却壁本体应力分 布的影响，提取不同煤气温度、不同渣皮厚度条件下冷 却壁中部筋肋下沿横向中心位置的应力值进行比较， 在各渣皮厚度条件下该点应力值变化与煤气温度的关 系如图 2( a) 所示． 由图 2( a) 可知，当渣皮厚度不变时，冷却壁本体 · 193 ·

·392· 工程科学学报，第39卷，第3期 应力值将随煤气温度线性上升，但在不同的渣皮厚度 升.在渣皮厚度较小（小于25mm)时，炉渣-镶砖交界 条件下，上升幅度有所区别.在渣皮厚度大于15mm 面处应力值较大且随煤气温度波动较剧烈.而渣皮厚 时，渣皮厚度越大，壁体应力随煤气温度升高而上升的 度较大时，该界面处的应力值较小且随煤气温度波动 趋势越明显.以渣皮厚度l5mm和85mm两种工况为 较小.这说明渣皮厚度较小时，渣皮对煤气温度波动 例，煤气温度每升高100℃，壁体应力分别上升5.02 的适应能力较弱，渣皮稳定性较差，应尽量维持边缘煤 MPa和9.64MPa.这说明煤气温度的波动易造成冷却 气流温度稳定，否则，煤气温度的波动会导致镶砖与渣 壁本体内应力的波动，而壁体内应力的频繁波动会造 层交界面处的应力值急剧变化，进而引起渣皮脱落 成铜冷却壁本体的疲劳损坏，降低冷却壁使用寿命. 首钢、鞍钢等多家企业的生产实践已经证明，煤气温 图2(b)给出了不同渣皮厚度条件下冷却壁炉渣 度的波动会造成渣皮的频繁脱落，因而在高炉操作 与镶砖交界面处的应力随温度的变化规律.在各渣皮 过程中已加强了对边缘煤气流的合理控制以保证稳 厚度条件下，渣一砖界面的应力值随煤气温度线性上 定挂渣16-刀 a -5 mm ◆-15mm ★25mm 15 120 渣层厚度 m m 55 mm 606 -65mm◆-75mm ★ ★85m 50 渣层厚度 100 0 5 mm -l5mm+25mm35mm 45mm55mm+-65mm◆75mm ★85mm 80- 30 20 1200 1250 1300 1350 1400 1200 12501300 1350 1400 煤气温度℃ 煤气温度℃ 图2煤气温度变化对铜冷却壁本体()及簇砖-炉渣界面(b)应力值的影响 Fig.2 Influence of gas temperature on the stave body (a)and slag-brick interface (b) 2.2渣皮厚度的影响 (应力循环次数为10次)，因此单纯从铜冷却壁本体 图3为不同渣皮厚度条件下（煤气温度固定为 应力角度出发，铜冷却壁渣皮厚度不宜超过60mm. 1300℃，冷却水流速固定为2.0m·s,冷却水温度为 图4(b)显示了铜冷却壁热面渣层厚度变化对镶 35℃)壁体应力分布云图.由该图可知，在不同的渣皮 砖一炉渣交界面处应力的影响，同样，渣一砖界面的应 厚度条件下，冷却壁均向热面凸起，而应力集中位置出 力值随渣皮厚度也表现出先降低后升高的现象.由于 现在冷却壁热面镶砖背后正对冷却水通道区域，在一 炉渣在铜材表面的附着能力很弱，因此铜冷却壁与炉 定的渣皮厚度范围内，随着渣皮厚度的增大，该应力集 渣之间主要依靠燕尾槽内镶嵌的耐火砖或者炉渣进行 中区域面积逐渐增大.筋肋表面的应力值普遍小于镶 结合，则镶砖一渣皮交界面结合能力的强弱决定了铜 砖沟槽位置应力值，但筋肋顶端拐角位置应力值较大， 冷却壁能否稳定挂渣，该交界面处应力值越小，则炉渣 应力最大位置出现在冷却壁侧面边缘的筋肋角部 在铜冷却壁表面附着的稳定性越强，即挂渣越稳定 位置. 由该图可明显看出，无论在何种煤气温度条件下，镶 而由图4(a)可知，在炉渣性质、冷却制度等不变 砖一渣皮交界面处的应力值均在渣皮厚度约45mm时 的条件下，壁体应力值随渣皮厚度增加而呈现先下降 达到最小，即渣皮厚度约45mm时渣皮的稳定性好：在 后上升的趋势.在渣皮厚度0~l5mm范围内，壁体应 力随渣皮厚度增大而减小；当渣皮厚度约为15mm时， 渣皮厚度小于45mm时，随着渣皮厚度的增大，镶砖- 壁体应力值最小：在渣皮厚度15~85mm范围内，壁体 炉渣交界面处应力值迅速减小，即挂渣稳定性增强；当 应力随着渣皮厚度的增大而迅速上升.在所有计算工 渣皮厚度大于45mm时，随着渣皮厚度的增大，该交界 况下，壁体应力值均小于铜冷却壁抗拉强度值，说明铜 面处的应力又逐渐增大，说明渣皮超过一定厚度时，继 冷却壁本体不会由于热应力而产生塑性变形破坏.但 续增大渣皮厚度，挂渣稳定性将减弱.为保证渣一砖界 是，若渣皮厚度频繁变化，将引起壁体内应力值在较大 面应力值较小且应力波动较小，并综合考虑铜冷却壁 范围内频繁波动，造成铜冷却壁疲劳损坏.对于铜冷 本体应力变化情况，渣皮厚度应维持在30~60mm 却壁常用的铜材而言，其疲劳强度约为70~98MP: 之间

工程科学学报，第 39 卷，第 3 期 应力值将随煤气温度线性上升，但在不同的渣皮厚度 条件下，上升幅度有所区别． 在渣皮厚度大于 15 mm 时，渣皮厚度越大，壁体应力随煤气温度升高而上升的 趋势越明显． 以渣皮厚度 15 mm 和 85 mm 两种工况为 例，煤气温度每升高 100 ℃，壁体应力分别上升 5. 02 MPa 和 9. 64 MPa． 这说明煤气温度的波动易造成冷却 壁本体内应力的波动，而壁体内应力的频繁波动会造 成铜冷却壁本体的疲劳损坏，降低冷却壁使用寿命． 图 2( b) 给出了不同渣皮厚度条件下冷却壁炉渣 与镶砖交界面处的应力随温度的变化规律． 在各渣皮 厚度条件下，渣--砖界面的应力值随煤气温度线性上 升． 在渣皮厚度较小( 小于 25 mm) 时，炉渣--镶砖交界 面处应力值较大且随煤气温度波动较剧烈． 而渣皮厚 度较大时，该界面处的应力值较小且随煤气温度波动 较小． 这说明渣皮厚度较小时，渣皮对煤气温度波动 的适应能力较弱，渣皮稳定性较差，应尽量维持边缘煤 气流温度稳定，否则，煤气温度的波动会导致镶砖与渣 层交界面处的应力值急剧变化，进而引起渣皮脱落． 首钢、鞍钢等多家企业的生产实践已经证明，煤气温 度的波动会造成渣皮的频繁脱落，因而在高炉操作 过程中已加强了对边缘煤气流的合理控制以保证稳 定挂渣［16--17］． 图 2 煤气温度变化对铜冷却壁本体( a) 及镶砖--炉渣界面( b) 应力值的影响 Fig． 2 Influence of gas temperature on the stave body ( a) and slag--brick interface ( b) 2. 2 渣皮厚度的影响 图 3 为不同渣皮厚度条件下( 煤气温度固定为 1300 ℃，冷却水流速固定为 2. 0 m·s － 1，冷却水温度为 35 ℃ ) 壁体应力分布云图． 由该图可知，在不同的渣皮 厚度条件下，冷却壁均向热面凸起，而应力集中位置出 现在冷却壁热面镶砖背后正对冷却水通道区域，在一 定的渣皮厚度范围内，随着渣皮厚度的增大，该应力集 中区域面积逐渐增大． 筋肋表面的应力值普遍小于镶 砖沟槽位置应力值，但筋肋顶端拐角位置应力值较大， 应力最大位置出现在冷却壁侧面边缘的筋肋角部 位置． 而由图 4( a) 可知，在炉渣性质、冷却制度等不变 的条件下，壁体应力值随渣皮厚度增加而呈现先下降 后上升的趋势． 在渣皮厚度 0 ～ 15 mm 范围内，壁体应 力随渣皮厚度增大而减小; 当渣皮厚度约为 15 mm 时， 壁体应力值最小; 在渣皮厚度 15 ～ 85 mm 范围内，壁体 应力随着渣皮厚度的增大而迅速上升． 在所有计算工 况下，壁体应力值均小于铜冷却壁抗拉强度值，说明铜 冷却壁本体不会由于热应力而产生塑性变形破坏． 但 是，若渣皮厚度频繁变化，将引起壁体内应力值在较大 范围内频繁波动，造成铜冷却壁疲劳损坏． 对于铜冷 却壁常用的铜材而言，其疲劳强度约为 70 ～ 98 MPa ( 应力循环次数为 108 次) ，因此单纯从铜冷却壁本体 应力角度出发，铜冷却壁渣皮厚度不宜超过 60 mm． 图 4( b) 显示了铜冷却壁热面渣层厚度变化对镶 砖--炉渣交界面处应力的影响，同样，渣--砖界面的应 力值随渣皮厚度也表现出先降低后升高的现象． 由于 炉渣在铜材表面的附着能力很弱，因此铜冷却壁与炉 渣之间主要依靠燕尾槽内镶嵌的耐火砖或者炉渣进行 结合，则镶砖--渣皮交界面结合能力的强弱决定了铜 冷却壁能否稳定挂渣，该交界面处应力值越小，则炉渣 在铜冷却壁表面附着的稳定性越强，即挂渣越稳定． 由该图可明显看出，无论在何种煤气温度条件下，镶 砖--渣皮交界面处的应力值均在渣皮厚度约 45 mm 时 达到最小，即渣皮厚度约 45 mm 时渣皮的稳定性好; 在 渣皮厚度小于 45 mm 时，随着渣皮厚度的增大，镶砖-- 炉渣交界面处应力值迅速减小，即挂渣稳定性增强; 当 渣皮厚度大于 45 mm 时，随着渣皮厚度的增大，该交界 面处的应力又逐渐增大，说明渣皮超过一定厚度时，继 续增大渣皮厚度，挂渣稳定性将减弱． 为保证渣--砖界 面应力值较小且应力波动较小，并综合考虑铜冷却壁 本体应 力 变 化 情 况，渣 皮 厚 度 应 维 持 在 30 ～ 60 mm 之间． · 293 ·

李峰光等：变渣皮厚度条件下铜冷却壁应力分布规律及挂渣稳定性 ·393· 102×10 10 (g) 图3不同渣皮厚度条件下壁体应力分布云图(Pa).(a)5mm:(b)15mm;(c)25mm:(d)35mm:(e)45mm:(f055mm:(g)65mm (h)75mm:(i)85mm Fig.3 Stress distribution of stave body under different slag coating thicknesses (Pa):(a)5 mm:(b)15 mm:(c)25 mm:(d)35 mm:(e)45 mm:(055mm:(g)65mm:(h)75mm;(i)85mm 120a) 煤气温度12009℃ 604h 一煤气温度1200℃ 110 煤气温度1250℃ ·一煤气温度1250℃ 煤气温度1300℃ 煤气温度13509℃ 50 一煤气温度1300℃ 100 一煤气温度1350℃ ◆煤气温度1400℃ 90 +一煤气温度1400℃ 80 0 60 40 0102030405060708090 0 0102030405060708090 渣层厚度mm 渣层厚度/mm 图4不同渣皮厚度条件下壁体()及渣一砖界面(b)应力变化 Fig.4 Stress variation of the stave body (a)and the slag-brick interface (b)under different slag coating thicknesses 以上分析说明冷却壁热面渣皮的厚度对冷却壁本 的影响，由图可知，随着水流速的增大，壁体参考点热 体应力及渣皮稳定性均有较大影响，且在一定渣皮厚 应力值均有微弱的增大趋势，除渣皮厚度5mm工况 度范围内，冷却壁本体应力值较小且挂渣较稳定，而渣 外，应力值增大的幅度均较小.当渣皮厚度为5m 皮过薄或过厚均会造成冷却壁本体应力值上升及渣皮 时，当水速由0.5ms增大至2.5ms时，冷却壁本 稳定性减弱.因此，在实际生产中，不能追求过大的渣 体内的热应力由41.31MPa增加至49.23MPa,增幅为 皮厚度，而应维持渣皮厚度在某一合适的范围内以使 19.2%.而渣皮厚度较大时，水流速的增大对壁体参 壁体应力值较小且稳定挂渣， 考点应力的影响则较小.以渣皮厚度为45mm的一组 2.3冷却制度的影响 计算结果为例，当水速由0.5m·s增大至2.5ms 2.3.1冷却水流速的影响 时，冷却壁本体内的热应力由67.81MPa增加至69.99 图5显示了冷却水流速变化对冷却壁本体应力值 MPa,增幅仅为3.2%.因此，增大水速并不能减小冷

李峰光等: 变渣皮厚度条件下铜冷却壁应力分布规律及挂渣稳定性 图 3 不同渣皮厚度条件下壁体应力分布云图( Pa) . ( a) 5 mm; ( b) 15 mm; ( c) 25 mm; ( d) 35 mm; ( e) 45 mm; ( f) 55 mm; ( g) 65 mm; ( h) 75 mm; ( i) 85 mm Fig． 3 Stress distribution of stave body under different slag coating thicknesses( Pa) : ( a) 5 mm; ( b) 15 mm; ( c) 25 mm; ( d) 35 mm; ( e) 45 mm; ( f) 55 mm; ( g) 65 mm; ( h) 75 mm; ( i) 85 mm 图 4 不同渣皮厚度条件下壁体( a) 及渣--砖界面( b) 应力变化 Fig． 4 Stress variation of the stave body ( a) and the slag--brick interface ( b) under different slag coating thicknesses 以上分析说明冷却壁热面渣皮的厚度对冷却壁本 体应力及渣皮稳定性均有较大影响，且在一定渣皮厚 度范围内，冷却壁本体应力值较小且挂渣较稳定，而渣 皮过薄或过厚均会造成冷却壁本体应力值上升及渣皮 稳定性减弱． 因此，在实际生产中，不能追求过大的渣 皮厚度，而应维持渣皮厚度在某一合适的范围内以使 壁体应力值较小且稳定挂渣． 2. 3 冷却制度的影响 2. 3. 1 冷却水流速的影响 图 5 显示了冷却水流速变化对冷却壁本体应力值 的影响，由图可知，随着水流速的增大，壁体参考点热 应力值均有微弱的增大趋势，除渣皮厚度 5 mm 工况 外，应力值增大的幅度均较小． 当渣皮厚度为 5 mm 时，当水速由 0. 5 m·s － 1增大至 2. 5 m·s － 1时，冷却壁本 体内的热应力由 41. 31 MPa 增加至 49. 23 MPa，增幅为 19. 2% ． 而渣皮厚度较大时，水流速的增大对壁体参 考点应力的影响则较小． 以渣皮厚度为 45 mm 的一组 计算结果为例，当水速由 0. 5 m·s － 1 增大至 2. 5 m·s － 1 时，冷却壁本体内的热应力由 67. 81 MPa 增加至 69. 99 MPa，增幅仅为 3. 2% ． 因此，增大水速并不能减小冷 · 393 ·