消失模工艺生产的球墨铸铁冷却壁热态分析

消失模工艺生产的球墨铸铁冷却壁热态分析

高性能焊接壁的研究和开发一直是铁路工人关注的中心主题。提高球墨铸铁冷却壁的冷却性能,对于炼铁企业具有很大经济意义。消失模铸造是21世纪铸造业的革命性进步,被誉为绿色铸造,利用消失模工艺生产冷却壁可以有效提升铸件质量,同时生产工艺简单、利于环保、节约成本。研究冷却壁的方法通常有两种,热态实验和数值模拟。本文针对某公司消失模工艺生产的球墨铸铁冷却壁,进行1∶1热态实验,重点研究炉气温度、冷却水速等对冷却壁温度分布的影响。同时建立三维稳态传热模型,计算得到冷却壁的温度分布。1磁体摩擦壁的热态实验1.1冷却壁结构参数热态实验模拟高炉冷却壁完全裸露在高温煤气下的温度分布情况。冷却壁采用消失模工艺生产的“四进四出”捣料型球墨铸铁冷却壁(QT400-18),冷却壁尺寸为1680mm×800mm×240mm,具体结构参数见表1。确认系统各部分状况良好后,开始点火、升温,在一定水速条件下(1.2m/s),使炉温分别达到800、900、1000和1100℃,待每一阶段冷却壁的温度数据稳定后,再进入下一阶段。炉温稳定在1100℃后,调节使进水流速分别稳定在2.0、1.5、1.0和0.5m/s。实验结束后,关闭油泵、燃油器,降温,停水。1.2热态实验的结果分析1.2.1炉温上升的影响冷却水速为1.2m/s、炉温在800~1109℃范围内,冷却壁厚度方向上的温度变化曲线如图1。可以看出,当炉温从800℃上升到1109℃时,冷却壁冷面温度由105℃上升到196℃,冷却壁热面温度由514℃上升到806℃,二者分别上升了91℃和292℃。随炉温升高,冷却壁冷面温度较缓慢升高,冷却壁热面温度急剧升高,冷热面温差逐渐增大,这表明炉温变化对冷却壁热面温度分布的影响要大于其对冷却壁冷面温度分布的影响。1.2.2冷却水速不同的影响图2为炉温1109℃、水速在0.5~2.0m/s范围内,冷却壁厚度方向的温度变化。可以看出,当冷却水速由0.5m/s增大到2.0m/s时,冷却壁热面温度下降25℃,冷面温度下降12℃。这表明增加冷却水速可以降低冷却壁壁体温度,但效果不明显。这是因为在铸铁冷却壁水管和壁体之间存在一定厚度涂层和气隙,该涂层和气隙是冷却壁传热的限制性环节。另外冷却水速增加1倍,压力损失增加3倍,因此通过提高水速来加强冷却是不经济的。1.3冷却壁壁体与冷却水的综合传热系数式中:Q为冷却水带走的热量,W;hw为冷却壁壁体与冷却水的综合换热系数,W/(m2·℃);A为水管的外表面积,m2;Tb为水管外壁与壁体接触的平均温度,℃;Tw为冷却水的平均温度,℃。把不同炉温的热态实验数据代入式(1)可以得出综合换热系数hw,结果如表2。结果表明,冷却壁壁体与冷却水的综合换热系数平均为228W/(m2·℃)。日本水岛制铁所实验表明,普通涂层铸铁冷却壁本体与冷却水之间的综合传热系数hw为200~350W/(m2·℃),日本新日铁开发第四代冷却壁计算所采用的hw为210~240W/(m2·℃),可见,消失模生产的铸铁冷却壁冷却性能与日本新日铁第四代冷却壁相近,可以满足高炉长寿要求。2由朱尔默铸造铁的温度分布模拟中确定的因素2.1传热的充放电温度及冷却壁的结构参数建立冷却壁三维稳态传热模型,模型简化如下:(1)取原冷却壁的1/4为研究对象;(2)假设在所有传热表面上,传热系数保持不变,同时假设环境温度、炉气温度和冷却水温度在各自的作用面上分布均匀,并保持为常数;(3)忽略冷却壁上与传热关系很小的结构,如吊环及水管在冷却壁外的延长部分等;(4)冷却壁侧面和底面视为绝热情况。铸铁冷却壁的结构参数见表1。铸铁冷却壁物理模型如图3。2.2界条件根据文献及铸铁冷却壁热态实验确定的边界条件如表3。球墨铸铁和捣打料(SiC)的导热系数分别为35W/(m·℃)和14W/(m·℃)。2.3模拟结果与讨论2.3.1捣打料导热系数对燕尾槽表面温度的影响炉温1100℃时,模拟得到球墨铸铁冷却壁的温度分布如图4。从图4(a)可以看出,由于捣打料的导热系数较小,导热能力差,造成燕尾槽表面的温度明显高于冷却壁铁筋表面温度。从图4(b)可以看出,从冷却壁壁体热面到冷面,温度逐渐降低,冷却水管冷面附近的温度最低。2.3.2热态实验结果的对比曲线模拟得到球墨铸铁冷却壁沿厚度方向的温度变化与热态实验结果的对比曲线如图5。可以看出,模拟结果略高于热态实验值,二者基本吻合,表明数值模拟方法可以满足铸铁冷却壁工程研究的要求。3试验结果分析(1)消失模工艺生产的球墨铸铁冷却壁壁体与冷却水之间的综合换热系数为228W/(m2·℃),与日本新日铁第四代冷却壁相近,可以满足高炉长寿要求。(2)热态实验表明