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煤气高温中消磁不锈钢管自身寿命的预测

来源:本站 阅读量:8045 更新日期:2018-09-14 12:03:58

其工作性能的好坏直接影响自身寿命的长短。当炉喉消磁不锈钢管损坏严重时,水冷炉喉消磁不锈钢管作为高炉重要的冷却设备。导致高炉被迫休风和更换消磁不锈钢管,影响高炉正常运行。炉喉正常工作时的温度为400~500℃,由于边缘煤气流的过分发展,形成边缘“管道”使炉顶温度异常升高,炉喉承受较大的高温热冲击。炉喉消磁不锈钢管的损坏主要由于常年受到炉料的碰撞磨损和煤气流的冲刷,以及高温环境下的热应力冲击,导致消磁不锈钢管变形、开裂等,甚至出现漏水现象,干扰高炉布料过程中炉料的落点,同时增加了燃料消耗,对高炉的正常生产影响较大。常规炉喉消磁不锈钢管为无水冷式,常出现下部上翘、中部变形,其寿命较短,不能满足高炉长寿的要求;传统消磁不锈钢管是铸造空腔水冷式,由于铸造工艺限制使其易漏水,并且耗水量较大,冷却效果不佳;内铸消磁不锈钢管管式水冷炉喉消磁不锈钢管用水量减少,水速提升,冷却效果增强,从而可增加消磁不锈钢管寿命。很多研究者已经对高炉冷却壁进行了细致的模拟计算和试验分析。由于内铸消磁不锈钢管管水冷炉喉消磁不锈钢管与冷却壁相似,建立了三维水冷炉喉消磁不锈钢管模型的数值模拟,计算其温度场分布和应力趋势,以期对实际应用起指导作用。1物理模型模型由消磁不锈钢管主、内置水管和耐火填充材料3部分组成,背部有2个凸台水管和4个凸台定位销,如图1所示,图中所示纵向边线、纵向中线以及热面棱角线将在后面分析中用到参考一些研究者对于铸消磁不锈钢管冷却壁的研究数据]

数学模型为便于建模求解,进行如下假设:1)忽略炉喉的弯曲度,采用直角坐标系建模;2)忽略冷却水管与消磁不锈钢管主体间及耐火材料与消磁不锈钢管间的接触热阻;消磁不锈钢管热面炉气温度分布均匀。

2.1传热数学模型在高炉正常运行时,由于炉气与消磁不锈钢管热面、大气与消磁不锈钢管冷面热传递方式有对流换热、辐射换热和导热,故考虑综合换热系数,冷却水与水管间进行强制对流换热,耐火材料和水管都与消磁不锈钢管主体间以导热方式完成热交换。设tf1、tw1、tf2、tw2、tf3、tw3分别代表热面煤气温度、热面壁体温度、冷面空气温度、冷面壁体温度、水管冷却水温度和与冷却水接触的壁体温度,℃;h1、h2分别为热面综合换热系数和冷面自然对流换热系数,W/m2?℃)h3为冷却水与水管间的对流换热系数,W/m2?℃)λ1、λ2为消磁不锈钢管及冷却水管的导热系数,W/m?℃)可建立如下数学模型。三维传热微分方程:

2.2热应力数学模型热应力模型以热弹性理论为基础,稳态分析计算,忽略消磁不锈钢管自身重力,模型如下。3模拟计算及结果分析冷却水温度20℃,其对流换热系数为4300W/m2?K)冷面空气温度20℃,其综合换热系数10W/m2?K)对不同煤气温度下消磁不锈钢管温度场分布进行计算,煤气温度分别取为500、700、900、1100℃,其综合换热系数为230W/m2?K)计算消磁不锈钢管热应力是计算温度场的基础上,以相应煤气温度下的温度场分布结果作为载荷,消磁不锈钢管背部的定位销全方向固定约束,并在左右两侧施加10MPa的表面压力,视为消磁不锈钢管间填料的强度。500、700、900、1100℃下,炉喉消磁不锈钢管温度场最高温度分布在热面棱角中心,分别达到385、545、711和884℃,而最低温度分布在水管入口附近,分别为24、26、28、30℃。随着煤气温度的升高,消磁不锈钢管整体温度逐渐升高,热面温度的上升幅度较大,温度梯度较高。图2为煤气温度在500、700、900和1100℃下炉喉消磁不锈钢管热面纵向中线和边线的温度分布。随着煤气温度的上升,炉喉消磁不锈钢管都在热面棱角中心处达到最高温度值,分析认为是热面棱角中心处,由于消磁不锈钢管壁面形状的变化导致煤气流的波动,加重煤气流对消磁不锈钢管棱角附近的冲刷;同时冷却水管的布局位置对于消磁不锈钢管中心的冷却相对较弱,并且内部低导热系数的耐材对棱角中心处的热量传递起到一定阻碍作用,导致热面最高温度位于棱角中心。热面纵向边线上,随着距离底面高度的增加,温度逐渐升高,棱角处达到最大,分别为287、403、524、648℃,然后迅速下降。随着煤气温度的升高,消磁不锈钢管整体温度都有明显增加,尤其在热面最为突出;冷却水管附近的温度场变化幅度较小。由于炉喉工作温度在500℃左右,以煤气温度500℃时的分析为主。图3是煤气温度为500℃时计算得到热面纵向中线及边线的温度分布,从热面底部至消磁不锈钢管上沿,温度先升高,达棱角中心处达到最大值,然后逐渐下降。对比发现,消磁不锈钢管底部中心处的温度比边线处的要低,而其余部分则高,分析认为是由于冷却水管水平段对消磁不锈钢管下部中心处的冷却效果较强,使消磁不锈钢管下部中心处比边沿的温度低;消磁不锈钢管上部的纵向段水管对热面边沿起到较好的冷却效果,而中心处相对冷却较弱,导致中线上的温度高于边线的温度。建议水管间距采取合理的分布,从而达到最佳的冷却效果。不同煤气温度下消磁不锈钢管热面、水管和耐材的最高温度和最大热应力如图4所示,随着煤气温度从500℃升高至1100℃,水管最高温度从126℃升至248℃,耐材的最高温度从295℃升至648℃,水管温度升高的幅度较热面和耐材的都要小,说明煤气温度的变化对热面影响最大,热面区域温度梯度大,应力容易集中,易发生变形破损。煤气从500℃升高至1100℃,水管最大应力从309MPa升至693MPa,耐材由于材料的性质,最大应力较小,51MPa到115MPa之间,而消磁不锈钢管最大应力从1092MPa升至2169MPa,位于消磁不锈钢管本体与冷却水管接触处,消磁不锈钢管容易变形、开裂损坏,严重时甚至发生水管漏水,说明煤气温度的异常升高对消磁不锈钢管的损坏程度较为严重。

冷面定位销区域由于约束影响应力较大,冷面其余部分应力较小。图5为煤气温度500和1100℃下消磁不锈钢管热面纵向中线和纵向边线的等效应力,图中横坐标为纵向中线或纵向边线上的点距底面的距离。从图中可见,纵向中线的应力比纵向边线的应力大,中线在距底面较近处应力较小;500mm左右的高度中线上的应力达到最大,煤气温度为500和1000℃条件下分别为154和404MPa,而相应位置边线处应力较低,分别为45和127MPa,分析认为是由于500mm处消磁不锈钢管热面中心区域温度较高所致。底面水管水平段的冷却使热面下部温度相差不大,使底部两者应力都较小;垂直段水管对边线冷却效果较好,对中心位置冷却相对较弱,随着纵向高度增加,中心温度急剧增高,产生较大的温度梯度,煤气温度为1100℃时距底面高度500mm附近中心位置温度比边线位置温度高近300℃,纵向中线在距底面高度500mm处的应力达到峰值,而消磁不锈钢管热面边线处受到水管冷却,温度相对较低,应力减小。煤气温度从500℃升高至1100℃,热面热应力上升约250MPa,消磁不锈钢管最大应力也增加近2倍。当热应力的大小超过消磁不锈钢管所能承受的强度,消磁不锈钢管开裂破损,甚至发生水管漏水,严重影响高炉的顺行和安全,因此需要通过布料上部调节等手段控制边缘煤气流适度发展,防止形成边缘“管道”。

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