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关于高炉热风阀阀板的长寿研究

1 概述

热风调节阀是高炉生产中必不可少的设备,阀板是热风阀的主体构件,它承受着高达1000~1350℃的高温,必须在冷却条件下才能正常工作。

在热风阀使用过程中,常因阀板外水环出现裂纹使整个设备无法正常工作[1],所以提高阀板的使用寿命是延长热风阀整体寿命的关键。由于流体和固体材料的热物理参数随温度变化的非线性、阀板几何形状的复杂性、阀板复合换热的多样性以及载荷工况多变性,给热风阀阀板的热分析和热强度分析带来很大的困难。国内对热风阀阀板的热分析和热强度分析仅限于简单的手算和凭经验估算,严重制约了热风阀产品质量的提高和设备使用寿命的延长。有限元分析是处理复杂非线性问题行之有效的方法之一,本文采用大型有限元软件包ANSYS对国内某钢厂的热风阀阀板温度场和热应力场进行了数值模拟,为阀板长寿提供有益的参考。

2 有限元模型的建立和边界条件的确定

2.1 有限元模型的建立

(1)阀板几何模型的建立

几何模型以国内某钢铁公司现有的1.8m热风阀为原型。为了控制计算规模和提高计算速度,对其作了必要的简化处理,假定阀板中水道分布是均匀的,内水圈螺旋水道做同心圆处理,忽略进水管、出水管周围的微小筋板结构。简化模型如图1所示。


图1 几何模型

1—内水环;2—钢质骨架;3—耐火水泥衬;4—外水环

(2)有限元模型的建立

简化的几何模型具有轴对称特征,同时阀板两面的载荷也具有近似对称性,所以设置单元的选项为轴对称。选用热分析单元PLANE55划分耐火材料衬和阀板钢质内外水圈。考虑到风道、滑道的热辐射作用,采用带有孤立节点N1、N2、N3的表面单元确定辐射情况。模型采用的耐火材料辐射率为0.95,钢材的辐射率为0.8,Stefen-Boltzmann常数为5.67×10-8W/(m2·K4)。所建有限元模型见图2。


图2 有限元模型

1—水道表面;2—内水环钢材热表面(耐火水泥冷表面);

3—耐火水泥热表面;4—外水环热表面

(3)材料热物理参数

钢材及耐火材料的热物理参数,如比热容、导热系数等是温度的非线性函数,本文热物理参数选自参考文献。

2.2 边界条件的确定

根据实际工况,把有限元分析分为开启、关闭两种情况。为了真实描述实际情况,采用瞬态分析法,时间采用国内某钢厂实际热风阀开闭时间,开启为45min,关闭为90min。

阀板工况包含开启和关闭两钟状态,两种状态的热对流和热辐射的边界条件讨论如下。

2.2.1 关闭状态下热边界条件的确定

(1)热辐射边界条件的确定

阀板关闭状态下,耐火水泥表面与风道主要以辐射形式进行热交换,横向风道的表面温度取关闭状态下的平均温度,为1150℃(国内某钢铁公司现场实际数据),并将该温度加在孤立节点N1、N2上。此时外水环和阀体滑道的温度比较低,接近水温,节点N3的温度为30℃。

(2)热风对流换热边界条件的确定

阀板关闭状态下,热风与耐火水泥热表面以自然对流方式进行换热,自然对流换热系数很小(同辐射相比),可忽略。外水环热表面同阀体型腔的换热属于有限空间的自然对流换热,换热系数可忽略。

(3)水道表面的对流换热

内外水环水道表面的换热属矩形流道的受迫紊流水强制换热,首先依据公式1计算出流道的定型尺寸。

式中 de———当量直径,m;
 f———流道断面面积,m2
  U———流体湿润的流道周边,m。

依据迪图斯—贝尔特公式2计算出内外水圈的努塞尔数:


式中 Nuf———水的努塞尔数;
 Ref———水的雷诺数;
Prf———水的普朗特数。

依据公式3计算出强制对流换热系数:


式中 α———对流换热系数,W/(m2·℃);
λ———水导热系数,W/(m·℃);
 d———特征尺寸,m。

流体通道呈螺旋型,流体将在流场中形成二次环流,对α加入管道弯曲的修正系数见公式4。

式中 R———螺旋管的曲率半径,m;
  εR———管道弯曲影响的修正系数。

2.2.2 开启状态下热边界条件的确定

(1)热辐射边界条件的确定

阀板开启状态下,阀板提升至阀体的型腔内,耐火水泥表面与阀体型腔主要以辐射形式进行热交换,阀板正对面的阀体型腔钢板的温度接近水温,取温度值为30℃,加在孤立节点N1、N2上。阀板外水环热表面单元受到风道壁面的热辐射作用,可近似看成小物体大空间换热,把风道壁面温度1150℃加在孤立节点N3上。

(2)对流换热

热风与阀板耐火水泥表面的换热为有限空间的自然对流换热,换热系数可忽略,水道的强制对流换热依据公式1~4计算。

阀板开启状态下,阀板外水圈下表面被热风扫掠,属于热空气强制对流换热,依据外掠平板紊流平均换热准则关联式5可近似计算出其努塞尔数。


式中 Nuf———热风的努塞尔数;
 Ref———热风的雷诺数;
 Prf———热风的普朗特数。

依据公式3计算出热风的强制对流换热系数,加在带有孤立节点N3的表面单元上。

3 热应力场有限元模型的确定

热应力场的有限元模型建立在温度场模型的基础上,所用模型同温度场模型一致,首先进入结构分析程序,加入热膨胀系数、弹性模量、泊松比等材料参数,然后加入特定时间点的阀板温度场作为温度载荷,进行热应力的准静态分析。

4 计算结果和讨论

4.1 温度场结果

特征点位置如图2所示。对结果处理后得到特征点温度随时间变化的曲线见图3~4。


图3 耐火水泥热表面的温度与时间关系

图4 钢材温度与时间关系

由图3可知,在开闭的一个周期内,耐火水泥热表面的温度变化达到了970℃,耐火材料蚀损的原因是由于表面温度的急剧变化。

由图4可知,钢制骨架的温度和外水环热表面的温度远高于阀板内水环表面的温度,8100s(或16200s)时,外水环外表面的温度达到最高,此时外水环外表面的热应力最大。

4.2 热应力结果

将8100s时的阀板温度场作为温度载荷进行热应力的准静态分析。整个阀板的钢材热应力
云图见图5。

图5 阀板热应力云图

外水环所受的热应力最大,外水环受热风扫掠和受风道辐射的外表面边缘部分应力幅值最大为115MPa,此应力值小于材料的屈服极限,说明裂纹是由热疲劳引起的。现场应用表明,边缘部分使用一段时间后出现裂纹,说明实际模拟与现有的失效形式和失效区域相吻合,间接地验证了模拟的合理性。

为了防止出现热疲劳,可采取以下措施:

(1)降低阀板外水环的温度载荷,在开启时,通过变频技术增加水速,增强水的强制换热能力;
(2)增加阀板的行程,使外水环表面受热风扫掠和受风道表面热辐射强度降低;
(3)采用高强度耐热合金钢,提高材料的热强度极限;
(4)防止外水环的刚度突变,采取外水环的等壁厚设计,减小热变形,抑制热应力;
(5)增加外水环的防护层,在外层粘贴耐火材料,以降低钢材部分的温度载荷;
(6)为了防止热疲劳,应有足够的过渡圆角,提高材料表面的光洁度,如采用喷丸处理等;
(7)在满足水压的前提下,减小外水环的壁厚和热阻,以便快速带走钢材中的热量,来降低温度载荷。

5 结论

(1)根据实际设备和实际工况,考虑材料参数随温度变化的非线性和热辐射传热的非线性,进行了热风阀阀板的瞬态温度场和准静态热应力场的模拟。整套模拟思路和模拟方法对热风阀的热分析和热强度研究具有借鉴作用。
(2)实际模拟与现有的失效形式和失效区域相吻合,说明了模拟的有效性。
(3)根据模拟和生产实际,提出了延长热风阀寿命的措施。

参考文献

1 宋明,赵丽.长寿命热风阀.2001中国钢铁年会论文集
2 任泽霈,梅飞鸣.传热学.北京:中国建筑工业出版社,1993
3 陈家祥.连续铸钢手册.北京:冶金工业出版社,1990
4 钱滨江.简明传热手册.北京:高等教育出版社,1983