高炉炉腹区域铸铜冷却壁数值模拟及热态试验方案研究

摘要

高炉长寿对于钢铁企业高效、可持续发展有着重要意义，而冷却壁的使用寿命是影响高炉寿命的根本因素之一，因此须注重冷却壁的高效长寿研究。
　　实践表明，高炉炉腹区域工况恶劣，是高炉长寿的限制性环节。由于铜冷却壁导热性能好，易形成稳定渣皮，人们对于在高炉炉腹区域采用铜冷却壁已逐渐达成共识。作为一种新型铜冷却壁，埋铜管铸铜冷却壁通过采用合理的铸造工艺，已实现了其本体与铜管之间的冶金结合，彻底消除了气隙层。其冷却性能与轧制铜冷却壁相当，而制造工序更少，能源耗损更小，成本更低，因此具有很强的市场竞争力和很好的发展前景。埋铜管铸铜冷却壁也已成功应用于国内多个大型钢厂高炉炉腹区域。
　　目前对这种冷却壁的研究主要限于壁体直立的常规结构，对炉腹区域壁体倾斜的结构及其优化研究较少。因此，为完善铸铜冷却壁研究、提升冷却壁冷却性能、延长冷却壁乃至高炉寿命，本文对炉腹区域埋铜管铸铜冷却壁进行了结构改进以及数值模拟，并提出了改进型铸铜冷却壁的铸造工艺以及热态试验方案。主要研究内容包括:
　　(1)分析炉腹区域冷却壁水管破损的情况，并对该区域铸铜冷却壁进水管凸台结构进行改进。
　　(2)采用有限元分析技术，通过热-结构耦合方法分析比较改进前后的冷却壁温度场、应力场及热变形情况，以证明进水管凸台结构改进后的铸铜冷却壁具有更好的冷却性能和更低的破损概率。
　　(3)以改进型铸铜冷却壁为计算模型，对影响其温度场和应力场的相关因素以及异常工况进行进一步仿真研究。
　　(4)对炉腹区域改进型铸铜冷却壁的铸造工艺与热态试验方案进行研究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 冷却壁概述

1．2．1 冷却壁功能与分类

1．2．2 铸铜与轧制铜冷却壁比较

1．2．3 冷却壁优化改进

1．3 铸铜冷却壁的国内外研究现状

1．3．1 连铸铜冷却壁

1．3．2 埋monel合金管和埋钢管铸铜冷却壁

1．3．3 埋铜管铸铜冷却壁

1．4 研究内容

第二章 炉腹区域冷却壁破损分析与结构改进

2．1 炉腹区域工况

2．2 冷却壁破损分析

2．2．1 破损情况

2．2．2 破损原因

2．2．3 解决办法

2．3 进水管凸台改进方案

2．4 本章小结

第三章 炉腹区域铸铜冷却壁数值模拟分析

3．1 有限元法在冷却壁中的应用

3．1．1 有限元法在冷却壁温度场中的应用

3．1．2 有限元法在冷却壁应力场中的应用

3．2 计算模型的选取及相关物性参数

3．3 温度场分析比较

3．3．1 假设条件

3．3．2 数学描述

3．3．3 边界条件

3．3．4 温度场分析过程

3．3．5 温度场结果比较

3．4 热应力、热变形分析比较

3．4．1 假设条件

3．4．2 数学描述

3．4．3 边界条件

3．4．4 热应力与热变形分析过程

3．4．5 热应力、热变形结果比较

3．5 本章小结

第四章 改进型铸铜冷却壁影响因素及异常工况分析

4．1 温度场主要影响因素

4．1．1 渣皮厚度

4．1．2 冷却水温

4．1．3 冷却水速

4．1．4 炉温

4．2 热应力、热变形主要影响因素

4．2．1 螺栓预紧力

4．2．2 填料接触压力

4．3 水流通道断水情况分析

4．3．1 一条通道断水

4．3．2 两条通道同时断水

4．4 本章小结

第五章 改进型铸铜冷却壁铸造工艺与热态试验方案

5．1 铸造工艺方案

5．1．1 浇注位置

5．1．2 分型面

5．1．3 工艺参数的确定

5．1．4 浇冒口系统及工装

5．1．5 造型方案

5．1．6 砂型涂料

5．2 热态试验方案

5．2．1 加热炉设计

5．2．2 冷却水循环与监测系统

5．2．3 模拟工况与试验步骤

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文工作总结

6．2 展望后续工作

参考文献

作者在攻读硕士学位期间的主要成果

致谢