消失模工藝生產(chǎn)的球墨鑄鐵冷卻壁熱態(tài)分析

消失模工藝生產(chǎn)的球墨鑄鐵冷卻壁熱態(tài)分析

高性能焊接壁的研究和開發(fā)一直是鐵路工人關(guān)注的中心主題。提高球墨鑄鐵冷卻壁的冷卻性能,對(duì)于煉鐵企業(yè)具有很大經(jīng)濟(jì)意義。消失模鑄造是21世紀(jì)鑄造業(yè)的革命性進(jìn)步,被譽(yù)為綠色鑄造,利用消失模工藝生產(chǎn)冷卻壁可以有效提升鑄件質(zhì)量,同時(shí)生產(chǎn)工藝簡單、利于環(huán)保、節(jié)約成本。研究冷卻壁的方法通常有兩種,熱態(tài)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。本文針對(duì)某公司消失模工藝生產(chǎn)的球墨鑄鐵冷卻壁,進(jìn)行1∶1熱態(tài)實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)研究爐氣溫度、冷卻水速等對(duì)冷卻壁溫度分布的影響。同時(shí)建立三維穩(wěn)態(tài)傳熱模型,計(jì)算得到冷卻壁的溫度分布。1磁體摩擦壁的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)1.1冷卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)熱態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M高爐冷卻壁完全裸露在高溫煤氣下的溫度分布情況。冷卻壁采用消失模工藝生產(chǎn)的“四進(jìn)四出”搗料型球墨鑄鐵冷卻壁(QT400-18),冷卻壁尺寸為1680mm×800mm×240mm,具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。確認(rèn)系統(tǒng)各部分狀況良好后,開始點(diǎn)火、升溫,在一定水速條件下(1.2m/s),使?fàn)t溫分別達(dá)到800、900、1000和1100℃,待每一階段冷卻壁的溫度數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,再進(jìn)入下一階段。爐溫穩(wěn)定在1100℃后,調(diào)節(jié)使進(jìn)水流速分別穩(wěn)定在2.0、1.5、1.0和0.5m/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,關(guān)閉油泵、燃油器,降溫,停水。1.2熱態(tài)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析1.2.1爐溫上升的影響冷卻水速為1.2m/s、爐溫在800~1109℃范圍內(nèi),冷卻壁厚度方向上的溫度變化曲線如圖1。可以看出,當(dāng)爐溫從800℃上升到1109℃時(shí),冷卻壁冷面溫度由105℃上升到196℃,冷卻壁熱面溫度由514℃上升到806℃,二者分別上升了91℃和292℃。隨爐溫升高,冷卻壁冷面溫度較緩慢升高,冷卻壁熱面溫度急劇升高,冷熱面溫差逐漸增大,這表明爐溫變化對(duì)冷卻壁熱面溫度分布的影響要大于其對(duì)冷卻壁冷面溫度分布的影響。1.2.2冷卻水速不同的影響圖2為爐溫1109℃、水速在0.5~2.0m/s范圍內(nèi),冷卻壁厚度方向的溫度變化?？梢钥闯?當(dāng)冷卻水速由0.5m/s增大到2.0m/s時(shí),冷卻壁熱面溫度下降25℃,冷面溫度下降12℃。這表明增加冷卻水速可以降低冷卻壁壁體溫度,但效果不明顯。這是因?yàn)樵阼T鐵冷卻壁水管和壁體之間存在一定厚度涂層和氣隙,該涂層和氣隙是冷卻壁傳熱的限制性環(huán)節(jié)。另外冷卻水速增加1倍,壓力損失增加3倍,因此通過提高水速來加強(qiáng)冷卻是不經(jīng)濟(jì)的。1.3冷卻壁壁體與冷卻水的綜合傳熱系數(shù)式中:Q為冷卻水帶走的熱量,W;hw為冷卻壁壁體與冷卻水的綜合換熱系數(shù),W/(m2·℃);A為水管的外表面積,m2;Tb為水管外壁與壁體接觸的平均溫度,℃;Tw為冷卻水的平均溫度,℃。把不同爐溫的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(1)可以得出綜合換熱系數(shù)hw,結(jié)果如表2。結(jié)果表明,冷卻壁壁體與冷卻水的綜合換熱系數(shù)平均為228W/(m2·℃)。日本水島制鐵所實(shí)驗(yàn)表明,普通涂層鑄鐵冷卻壁本體與冷卻水之間的綜合傳熱系數(shù)hw為200~350W/(m2·℃),日本新日鐵開發(fā)第四代冷卻壁計(jì)算所采用的hw為210~240W/(m2·℃),可見,消失模生產(chǎn)的鑄鐵冷卻壁冷卻性能與日本新日鐵第四代冷卻壁相近,可以滿足高爐長壽要求。2由朱爾默鑄造鐵的溫度分布模擬中確定的因素2.1傳熱的充放電溫度及冷卻壁的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立冷卻壁三維穩(wěn)態(tài)傳熱模型,模型簡化如下:(1)取原冷卻壁的1/4為研究對(duì)象;(2)假設(shè)在所有傳熱表面上,傳熱系數(shù)保持不變,同時(shí)假設(shè)環(huán)境溫度、爐氣溫度和冷卻水溫度在各自的作用面上分布均勻,并保持為常數(shù);(3)忽略冷卻壁上與傳熱關(guān)系很小的結(jié)構(gòu),如吊環(huán)及水管在冷卻壁外的延長部分等;(4)冷卻壁側(cè)面和底面視為絕熱情況。鑄鐵冷卻壁的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。鑄鐵冷卻壁物理模型如圖3。2.2界條件根據(jù)文獻(xiàn)及鑄鐵冷卻壁熱態(tài)實(shí)驗(yàn)確定的邊界條件如表3。球墨鑄鐵和搗打料(SiC)的導(dǎo)熱系數(shù)分別為35W/(m·℃)和14W/(m·℃)。2.3模擬結(jié)果與討論2.3.1搗打料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)燕尾槽表面溫度的影響爐溫1100℃時(shí),模擬得到球墨鑄鐵冷卻壁的溫度分布如圖4。從圖4(a)可以看出,由于搗打料的導(dǎo)熱系數(shù)較小,導(dǎo)熱能力差,造成燕尾槽表面的溫度明顯高于冷卻壁鐵筋表面溫度。從圖4(b)可以看出,從冷卻壁壁體熱面到冷面,溫度逐漸降低,冷卻水管冷面附近的溫度最低。2.3.2熱態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比曲線模擬得到球墨鑄鐵冷卻壁沿厚度方向的溫度變化與熱態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比曲線如圖5?？梢钥闯?模擬結(jié)果略高于熱態(tài)實(shí)驗(yàn)值,二者基本吻合,表明數(shù)值模擬方法可以滿足鑄鐵冷卻壁工程研究的要求。3試驗(yàn)結(jié)果分析(1)消失模工藝生產(chǎn)的球墨鑄鐵冷卻壁壁體與冷卻水之間的綜合換熱系數(shù)為228W/(m2·℃),與日本新日鐵第四代冷卻壁相近,可以滿足高爐長壽要求。(2)熱態(tài)實(shí)驗(yàn)表明