埋纯铜管式铸铜冷却壁热态试验研究

埋纯铜管式铸铜冷却壁热态试验研究

1使用芯棒的直接成型铸铜冷却壁在高张力的高压下，使用铜冷却壁是高张力的重要技术措施。铜冷却壁的制造方法可分为钻孔铜冷却壁和冷却通道直接成型的铸铜冷却壁,钻孔铜冷却壁已经在国内外的高炉上得到广泛应用,日本和英国成功开发的使用芯棒的直接成型铸铜冷却壁也在多座高炉上应用。钻孔铜冷却壁冷却性能优良,但其制造成本较高。相比较而言,冷却通道和肋一次成型的铸铜冷却壁不仅能发挥铸造工艺的优势,而且机械加工很少,制造成本大大降低。但是,由于铸铜冷却壁采用铸造方法生产,其预埋水管和本体之间的结合度(即两者之间是否存在气隙层)是其工艺的核心问题,气隙层的有无和大小是衡量其工艺水平的重要指标,也是影响铸铜冷却壁冷却性能的重要因素。我们开发了一种冷却通道和肋直接成型的埋纯铜管式铸铜冷却壁,并于2005年5月在常熟喷嘴厂冷却壁热态试验炉上进行了模拟高炉工况的热态试验,重点考察了预埋水管和本体之间是否存在气隙层。2热态试验与结果分析2.1冷却管网参数设计埋纯铜管式铸铜冷却壁本体浇注料为T1电解铜,埋入冷却壁中的铜管材质为T2铜。材料Cu≥99.7%。其结构参数如下:冷却壁尺寸1852mm×820mm×130mm;冷却通道为贯通式,沿壁体高度方向共有4条,在宽度方向均匀分布,通道中心间距为200mm,通道为扁孔型,孔的规格50mm×76.5mm;水管中心线离冷面距离45mm;镶砖厚40mm,镶砖面积44%。燕尾槽镶砖为工业用黏土耐火浇注料。2.2炉温和水速对冷却壁温度分布的影响由于热态试验炉本身的结构特点导致下部炉温比中部炉温高50～70℃,中部炉温比上部炉温高50～70℃,而上下炉温的平均值接近中部炉温,所以文中提到的炉温没有特别说明是指中部炉温。(1)壁体热面温度分析。当炉温为1153℃、水速为2.07m/s时,本体中部热面平均温度为135℃,上角部热面最高温度为162℃,下角部热面最高温度240℃,这是因为炉温不均匀的缘故。去除炉温不均匀的因素,取两者的平均值得出炉温1153℃下角部热面最高温度为201℃,表明角部是冷却壁的冷却薄弱区。(2)冷面温度分布。本试验在冷却壁的冷面共布置了18个热电偶,当炉温1153℃,水速2.07m/s时,冷面温度分布情况见图1、2。图1显示,在冷却壁高度方向,冷面进水管下端温度最高,而在进水口附近上端温度迅速降为67℃,位于水管之间中部温度基本在50～70℃之间,且分布比较均匀,之后在出水口上端又迅速上升为101℃。冷面上、下端温度偏高是因为角部冷却性能差的缘故,而下端温度高于上端是试验炉炉温不均所致。图2显示,在冷面宽度方向上,冷面温度曲线呈波纹状,很明显在距离冷却壁左端310mm和510mm处,即水管中心线处温度最低,在两水管之间温度最高。从冷面的温度分布来看,冷却壁的通道分布及管径大小可以保证冷却强度,且冷却壁的温度也比较均匀。(3)炉温对壁体温度的影响。图3为流速1.29m/s、炉温分别为1149℃和1270℃下不同深度的温度分布图。图3显示,在冷却壁内部由冷面到热面,温度变化的曲线接近直线,只是在冷却壁肋部近热面(深度为125～130mm),温度梯度较大。随着炉温增加,冷却壁内部整体温度升高,变化趋势一致,但热面增加更多。当炉温增加约120℃时,冷却壁冷面温度增加12℃,本体热面温度增加42℃,平均炉温每增加10℃,壁体热面温度增加1.3℃。而普通涂层铸铁冷却壁炉温每增加10℃,热面最高温度上升9℃。可见,炉温对铸铁冷却壁热面影响更大,这是因为铜的导热性比铸铁大。所以,边缘气流过分发展和边缘管道对铸铁冷却壁寿命的影响是巨大的,但对铜冷却壁寿命的影响相对而言较小。(4)冷却水入口温度对壁体温度分布的影响。图4是冷却水入口温度对冷却壁壁体不同深度温度分布的影响,由图4可以看出,在炉温较接近的条件下,进水温度从50℃降低到26℃时,铜冷却壁热面温度仅降低了15℃。平均入口温度每降低1℃,铜壁热面温度降低0.625℃。德国曾有人把冷却介质从140℃降到40℃,铸铁冷却壁热面温度降低了150℃左右。国内学者把冷却水温度从28.5℃降低到18.5℃,铸铁冷却壁热面温度降低了5℃。可见,入口水温对冷却壁热面温度有直接的影响,但影响程度有限。对于高炉操作来说,最低的水温将会是浪费。入口温度可根据实际情况来定,一般在30～40℃。(5)水速对铸铜冷却壁温度分布的影响。图5显示在炉温约为1150℃情况下,不同水速对壁体温度分布的影响。图5显示,当水速由0.74m/s增加到2.40m/s时,冷面温度降低了18℃,本体热面温度降低了24℃。可见,增大水速可以降低壁体温度,但降低的幅度有限。虽然冷却水水速增大,可适当降低冷却壁的壁体温度,但靠增加水速降低壁体温度是不可取的。因为当水速过大时,会使冷却水的系统阻力成倍增加,如水速从1m/s增加到3m/s,冷却系统阻力损失将会增加8倍,这对冷却系统来说代价太大,况且试验数据说明了冷却壁的冷却能力并不随水速提高而无限制的提高。因此工业应用上,为降低能耗,可适当降低水速,这对铸铜冷却壁的温度分布影响不大。但水速也不宜过小。当水速偏小、热流强度较高时,冷却水与冷却壁的换热时间延长,导致冷却水进出口温差大幅度增加。试验数据显示,当炉温1150℃、流速0.74m/s时,冷却水进出口温差达到了19.6℃。这种情况容易产生不稳定的膜态沸腾现象,膜态沸腾会降低热导率,导致壁体过热。因此,对于铸铜冷却壁,在高热流强度区域建议使用较高水速,以防止在冷却水与冷却管壁之间形成高热阻的气泡层,一般以1.5m/s左右为宜。(6)热冲击试验的结果分析。图6是模拟高炉炉况不稳定和边缘气流发展时冷却壁温度变化情况,从图6可以看到,在30min内当炉温从1013℃上升到1232℃时,铸铜冷却壁本体热面温度上升了50℃,离热面5mm的热电偶(8号热电偶)温度上升了37℃,冷面温度上升了15℃。可见,炉温的剧烈波动,对于铸铜冷却壁壁体来说,热面温度影响最大,壁体内部3号次之,冷面34号波动最小。热冲击试验说明,炉温的剧烈波动势必造成铸铜冷却壁冷热面温差增加,从而导致热应力增加,但这种剧烈波动产生的热应力不足以对铜冷却壁产生破坏作用。因为炉温增加219℃(30min),铜冷却壁的冷热面温差仅增加了35℃(原来冷热面温差78℃,现在113℃),由此产生的热应力波动是很微小的。有关试验数据显示,在25min内炉温从1100℃上升到1280℃,即炉温升高180℃时,球墨铸铁冷却壁冷热面温差增加了100℃(原来温差580℃,现在680℃),铸铁冷却壁冷热面温差变化是铜冷却壁的3倍。可见,当边缘气流发展或炉况不稳定导致冷却壁渣皮脱落后,在相同条件下铸铜冷却壁热面升温速度及幅度都远远小于铸铁冷却壁,这就使得温度相对较低的铸铜冷却壁热面能在短时间内挂渣,形成渣皮保护层。所以,铸铜冷却壁在热负荷容易波动的区域壁体温度波动很小,不会出现破损现象。3冷却壁材质热阻的测定研究资料显示,普通铸管冷却壁的致命缺陷就是本体与冷却水管之间存在气隙热阻,而气隙热阻是导致普通铸管冷却壁(特别是普通铸铁冷却壁)冷却能力低的一个主要原因。埋铜管式铸铜冷却壁的技术关键就是落入铸型中的铜管,既能和浇铸铜很好的结合,又不被高温铜水熔穿。本热态试验用的铸铜冷却壁通过探伤检查,未发现冷却壁本体与管壁之间存在气隙缺陷。以炉温1153℃的情况为例,利用热态试验数据和热阻分析的方法证明铜管表面与壁体基本熔合,不存在气隙层。冷却壁传热稳定时,冷却水和其附近的冷却壁本体之间的传热可近似看作多层圆筒壁一维稳态传热。试验用冷却壁的水管为扁孔型(如图7所示),为方便计算,把其看作圆来近似处理。(1)实测冷却壁本体与冷却水之间总的传热热阻。本试验在设计布置热电偶时,就考虑了冷却壁壁体与冷却水之间热阻的计算问题。热阻计算需要确定冷却水管外壁与冷却壁壁体接触面的平均温度,考虑到水管的安全问题(担心钻孔时钻破水管),将40号、59号热电偶放置在深度45mm、距水管内壁28mm的B处,其目的是估计冷却水管外壁与冷却壁壁体接触面的平均温度。通过对冷却壁传热数值模拟计算得知,A点所在位置温度值可近似看作冷却水管外壁与壁体接触面当量圆周的平均温度值。因此,利用A点温度值,计算得到壁体与冷却水之间的传热热阻R≤2.1582×10-4(m2·℃)/W。(2)理论计算热阻。如图8所示,假设冷却壁本体与水管之间存在气隙层,则该传热过程中存在三个热阻,分别为水管内表面与水的对流换热热阻Ra、水管管壁的导热热阻Rw以及气隙层的热阻Rg,这三个热阻为串联关系,即R=Ra+Rw+Rg。通过计算可得R=3.965×10-4(m2·℃)/W。(3)实测结果和理论计算比较。很明显,理论计算热阻远大于实测数据计算的总热阻。而理论计算中,Ra+Rw=2.195×10-4(m2·℃)/W,与实测结果几乎相同,这表明气隙层热阻Rg几乎可以忽略,或者说不存在气隙层。因此,可以认为冷却壁壁体与冷却水管之间基本熔合。至于Ra与Rw之和大于总热阻R,一方面是因为把冷却壁本体、水管以及冷却水之间的传热模型看作多层圆筒壁一维稳态传热,与实际存在差距;另一方面是因为水管为扁孔型,且与圆孔相差较大,用理论公式计算存在误差。但模型用于作半定量分析是可以的。为了观察埋铜管式铸铜冷却壁壁体与水管的结合情况,我们对试验铸铜冷却壁进行了实体解剖,图9是解剖照片。宏观观察解剖面,看不出埋管的痕迹。取包含水流通道的横截面切片,抛光后在金相显微镜下放大100倍,观察壁体与水管结合处的组织结构,没有发现气隙层。由此说明,上述的热阻分析方法是正确的。正是因为冷却水管与铸铜冷却壁壁体完全熔合,才保证了埋管铸铜冷却壁的冷却能力与钻孔铜冷却