in the furnace has great inllunce on the contact shoe，SO it'S SeriOUS to keep normal state． Keywords submerged·arc furnace，contact shoo，the surface stress 前言銅瓦是礦熱爐(鐵合金爐、電石爐、黃磷爐等) 短網(wǎng)的終端部分，其作用不僅向電極傳遞電流，而且還用于夾緊電極；在使用自焙電極操作時(shí)，銅瓦還用于調(diào)節(jié)燒結(jié)區(qū)的高度；為限制熱量向電極把持器上部擴(kuò)散，銅瓦也起著冷卻器的作用。因此，設(shè)計(jì)長(zhǎng)壽銅瓦對(duì)提高礦熱爐的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有很重要的意義。本文借助有限元法，運(yùn)用有限元軟件，建立了銅瓦模型，分析了影響銅瓦壽命的幾個(gè)因素，包括銅瓦的材料、冷卻水的溫度和速度以及礦熱爐內(nèi)煙氣溫度。 1 銅瓦的傳熱數(shù)學(xué)模型 1．1 物理模型圖l是銅瓦的示意圖。該銅瓦由吊耳和銅瓦本體兩部分組成。在銅瓦本體內(nèi)設(shè)有一“U”型水冷通道。該銅瓦適用于1．25 MVA以上、電極直徑為中1 200 inln的礦熱爐，銅瓦的圓心角度為450。 1．2穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算 1．2．1 傳熱方程銅瓦的傳熱可視為導(dǎo)熱問(wèn)題來(lái)處理，在穩(wěn)態(tài)工作條件下，其導(dǎo)熱方程為作者簡(jiǎn)介陳倩女，1984年5月出生。四川大學(xué)化工學(xué)院有色金屬冶金專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生。收稿日期2008．05．28 萬(wàn)方數(shù)據(jù)第3期陳倩等影響礦熱爐銅瓦壽命的工藝條件分析與研究·3s- VOLUMES TYPENUM ^NSYS JUN 262008 14：19：46 Z X，人Y 圈l計(jì)算模型示意圖 Fig．1 Model of calculation —生【入(T)—生】=0 (1) a戈f d算i 式中，入(r)是溫度r(℃)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，形·m一· K一1；i=1，2，3表示三維。 1．2．2假設(shè)條件 (1)假定計(jì)算模型處于某一特定溫度煙氣中，銅瓦的高度僅l m左右，即可假定煙氣溫度不隨銅瓦高度而變化。 (2)水溫不高時(shí)，不考慮冷卻水管與銅瓦本體之間可能存在的氣隙熱阻。 (3)在整個(gè)熱傳遞過(guò)程中，冷卻水管內(nèi)冷卻水溫度取進(jìn)口水溫和出口水溫的平均值。 1．2．3 邊界條件求解溫度場(chǎng)時(shí)的邊界條件： (1)銅瓦本體與高溫?zé)煔�。�?qiáng)制對(duì)流和輻射傳熱并存，其綜合傳熱系數(shù)為h，，W·nq≈·K一，文中h一值的選取參考文獻(xiàn)【2】。 (2)冷卻水與冷卻水通道之間。對(duì)流換熱，其綜合傳熱系數(shù)為h：，W·m‘2·K～。當(dāng)水既不結(jié)垢也不腐蝕時(shí)，h：的計(jì)算參考文獻(xiàn)【3，4】。 1．3 熱應(yīng)力計(jì)算 1．3．1 熱應(yīng)力方程物體溫度變化時(shí)，由于受其它物體或由于物體內(nèi)部各部分之間的相互約束而產(chǎn)生的應(yīng)力為熱應(yīng)力。引起熱應(yīng)力的根本原因是溫度變化。當(dāng)物體受外力及溫度作用時(shí)，物體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)就要發(fā)生位移和相應(yīng)的應(yīng)變。由于對(duì)銅瓦進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算是靜態(tài)的，所以可以不考慮銅瓦自身質(zhì)量的影響。同時(shí)，也不考慮高溫?zé)煔鈱?duì)其壓力。根據(jù)熱彈性理論，有如下應(yīng)力協(xié)調(diào)方程15 J： V2¨七詈一aE(南V2丁+南 a2 71 ·了j) (2) V2¨百1可a20=一aE(七V2r+南。等) (3) V2仉+÷罟一qEc七V2r+南．‘i0百27TJJ- (【44)J V2％+÷番蔫舞㈣ V2％+擊器 V2％+擊羆 aE 1+p aE 1+肛 a2 T aySz a2 r aza茁 (6) (7) 式中，0=以+乃+以為體積力；E為彈性模量 (Pa)；肛為泊松比；0【為線膨脹系數(shù)，l／oC；crf、O'y、O'L 與茗、Y、：軸相平行的應(yīng)力，Pa；％、％、％為剪應(yīng)力，Pa。 1．3．2 熱應(yīng)力求解的邊界條件運(yùn)用有限元數(shù)值模擬求解銅瓦應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，不考慮各個(gè)方向的外力作用。運(yùn)用ANSYS進(jìn)行熱應(yīng)力耦合場(chǎng)分析時(shí)，采用間接法求解，即先求解溫度場(chǎng)，后將所得熱分析結(jié)果作為載荷加載求解熱應(yīng)力。求解過(guò)程中求解器、收斂誤差、迭代誤差等參數(shù)，采用系統(tǒng)默認(rèn)或者自動(dòng)選擇即可。求解時(shí)： (1)不考慮爐內(nèi)煙氣對(duì)瓦體的壓力，不考慮銅瓦自身的重力。 (2)模型緊貼電極的面在法向方向上位移為0。 (3)模型的載荷為溫度載荷，即將溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果加載到模型。 1．4計(jì)算參數(shù)本文所采用的一些主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1、2。表1 求解應(yīng)力場(chǎng)所用的材料參數(shù) Tab．1 Parameters for calcu|ating thermal stress 萬(wàn)方數(shù)據(jù)鐵合金2009年裹2 求解溫度場(chǎng)所用材料參數(shù) Tab．2 Parameters for calculating temperature 2 計(jì)算結(jié)果及結(jié)果分析 2．1 銅瓦材質(zhì)的影響我國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始使用銅瓦至今，制作銅瓦的材料主要有表3所列幾種。從表3可以看出，使用無(wú)氧銅制作的銅瓦表面溫度最低，應(yīng)力也較�。患冦~他制作的銅瓦表面最大應(yīng)力最小，表面溫度也較低；黃銅和青銅制作的銅瓦表面溫度較高，應(yīng)力也較大。這是因?yàn)辄S銅和青銅中含有其他金屬 (Zn、Cr、Mn等)，這些金屬的存在提高了合金的強(qiáng)度，改善了合金的鑄造性能，但同時(shí)也降低了其熱導(dǎo)率，在相同條件下，傳熱情況不如他和無(wú)氧銅，而使用無(wú)氧銅的成本較高，因此，在工程應(yīng)用當(dāng)中越來(lái)越表3 不同材料的銅瓦表面最高溫度和最大應(yīng)力 Tab．3 The maximum temperature and stress of contact shoe of diffierent material 多的使用12來(lái)制作銅瓦。 2．2冷卻水的影響冷卻系統(tǒng)的質(zhì)量好壞主要跟冷卻器的結(jié)構(gòu)和冷卻水有關(guān)。本文所設(shè)計(jì)的銅瓦內(nèi)部設(shè)有一“u”型冷卻通道，當(dāng)冷卻水質(zhì)量得到保證，即使用清潔循環(huán)軟水，避免水垢的生成，選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s水溫度和水速對(duì)維護(hù)銅瓦的壽命具有重要的意義。 2．2．1 冷卻水溫度的影響當(dāng)瓦厚80 mm，瓦長(zhǎng)950 mm，冷卻水通道直徑咖34 mm，冷卻水速1．5 m／s時(shí)，U型通道內(nèi)所通冷卻水溫度與銅瓦表面最高溫度和最大應(yīng)力的關(guān)系如圖2所示。從圖中可以看出，冷卻水溫度對(duì)銅瓦的溫度和應(yīng)力影響不大，當(dāng)水溫在20一40℃，銅瓦的表面最大應(yīng)力都在銅的抗拉強(qiáng)度16】(crb=200—400 MPa) 范圍內(nèi)。鼉 !|薹嚼冷卻水溫度t／(m／s) 一溫度一應(yīng)力圖2 冷卻水溫度對(duì)銅瓦溫度和應(yīng)力的影響 Fig．2 The influence of temperature of cooling water on temperature and stress of contact shoe 2．2．2 冷卻水速的影響當(dāng)瓦厚80 mm，瓦長(zhǎng)950咖，冷卻水通道直徑巾34 mm，冷卻水溫度30℃時(shí)，冷卻水流速與銅瓦表面最高溫度和最大應(yīng)力的關(guān)系如圖3所示。隨著冷卻水流速的增加，銅瓦溫度大幅降低，但應(yīng)力值逐漸增大。這是因?yàn)樵黾永鋮s水速相當(dāng)于增大冷卻水量，冷卻水帶走的熱量增多。同時(shí)，當(dāng)冷卻水速度提高1倍時(shí)，冷卻水的阻損增加3倍"】，相應(yīng)地要提高冷卻水的供水壓力，一般每獲得1 m／s的水流速度，大約需要98 kPa水壓⋯。因此，在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中流體在管道中的經(jīng)濟(jì)流速為2．0 m／s以下，故不應(yīng)設(shè)計(jì)采取大于 2．5 m／s的速度19】。 2．3煙氣溫度的影響礦熱爐內(nèi)煙氣溫度在l 000℃左右，煙氣溫度對(duì)銅瓦溫度和應(yīng)力的影響如圖4所示。隨著煙氣溫萬(wàn)方數(shù)據(jù)第3期陳倩等影響礦熱爐銅瓦壽命的工藝條件分析與研究·37· 冷卻水流速v／(rn／s) 一溫度+應(yīng)力芒黿奠嚼圖3 冷卻水速度對(duì)銅瓦溫度和應(yīng)力的影響 Fig．3 The influence of speed of cooling water on temperature and stres$of contact shoe 度的升高，銅瓦表面最高溫度和最大應(yīng)力都大幅增加。當(dāng)爐內(nèi)煙氣溫度從800℃變?yōu)? 100℃時(shí)，銅瓦表面最高溫度升高180 oC，銅瓦表面最大應(yīng)力值增大約160 MPa。原因是煙氣溫度越高，煙氣換熱系數(shù)就越大，使得煙氣與銅瓦的綜合傳熱系數(shù)增大，導(dǎo)致煙氣對(duì)銅瓦的傳熱量增加。因此，應(yīng)當(dāng)從冶煉工藝操作上保持正常爐況，減少刺火的發(fā)生。煙氣溫度∥℃ 一溫度+應(yīng)力圖4 煙氣溫度對(duì)銅瓦溫度和應(yīng)力的影響 Fig．4 The influence of temperature of gas 01'1 temperature and Btn瑚of contact shoe 3 結(jié)語(yǔ) 3．1 銅瓦材質(zhì)對(duì)銅瓦的壽命有很大影響，由于純銅，I'2的導(dǎo)熱性比青銅和黃銅好，價(jià)格也比無(wú)氧銅便宜，所以提倡使用，I’2制造銅瓦。 3．2 冷卻水溫變化對(duì)銅瓦的溫度和應(yīng)力影響不大；冷卻水速對(duì)銅瓦的溫度和應(yīng)力有很明顯的影響，盡管水速越大銅瓦表面溫度越低，但同時(shí)銅瓦表面應(yīng)力也迅速增大，因此應(yīng)該控制冷卻水速在2．5 m／ s以下。 3．3 銅瓦表面最高溫度和最大應(yīng)力隨礦熱爐內(nèi)煙氣溫度增大而增大，保持正常的爐況對(duì)延長(zhǎng)銅瓦壽命具有重要意義。參考文獻(xiàn)【1】袁熙志，陳倩．結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)礦熱爐銅瓦的傳熱影響【J】．鐵合金，2008(1)：34—36 【2】付曉燕．礦熱爐電極把持器的設(shè)計(jì)與研究【D】：【學(xué)位論文】．成都：四川大學(xué)，2007 【3】程素森．高爐冷卻壁的傳熱學(xué)分析【J】．鋼鐵，1999，34 (15)：11—13 【4】Susen Cheng，Qinggno Xue，Weigno Yang，et a1．Designing for Long Campaign Life Blast Furnace(1)一The Mathematical Model of Temperature Field for Blast Furnace Lining and Cooling Apparatus and New Concept of Long Campaignship Blast Furnace Cooler Design．Journal of University of Science and Technology Beijing[J】，1999，6：178— 182 【5】吳俐俊．冷卻水管管形變化下的高爐冷卻壁傳熱分析【J】．鋼鐵，2005，40(5)：15—18 [6】張建國(guó)．工程材料與成形工藝【M】．北京：科學(xué)出版杜， 2004：96 【7】程素森．高爐銅冷卻壁傳熱分析．鋼鐵，2001。36(2)： 8一ll 【8】張典波．從傳熱分析看高爐冷卻制度的確立．寶鋼技術(shù)，1991(3)：44—46 【9】金寶昌．對(duì)高爐冷卻壁設(shè)計(jì)參數(shù)的探討．煉鐵，1997， 16(2)：15—19
