长寿冷却壁数学模型的研究与新型铜冷却壁的设计

影响冷却壁长寿的因素包括材质，结构参数，承受的最大热负荷，挂渣能力，安装方式,特别是冷却壁蠕变损伤和蠕变变形，直接影响冷却壁的使用寿命。本课题拟采用实验数据与数值模拟相结合的方法建立冷却壁四个数学模型（铸铜材质和铸铁材质），全面分析冷却壁长寿的机理，并利用数学模型设计两种新型铜冷却壁，满足高炉对特型铜冷却壁的需要。①确定冷却壁冷却能力的传热模型；②确定设备安全性和长寿安装方式的冷却壁热应力应变模型；③确定冷却壁长期在高温下工作的蠕变变形模型，计算随时间的累积变形量，研究导致铸铁冷却壁断裂机理，讨论变形对挂渣能力的影响；④建立模拟高炉稳定挂渣和渣皮脱落的数学模型，分析冷却壁在高炉中的运行机理。⑤利用数学模型设计研究两种新型的铜冷却壁，通过模型计算从理论上给出两种冷却壁承受的热负荷及挂渣能力；在高炉上最佳的安装方式；使用10年后最大变形量以及控制冷却壁变形的手段。

影响冷却壁长寿的因素包括材质，结构参数，承受的最大热负荷，挂渣能力，安装方式。特别是长期高温下工作的冷却壁蠕变损伤和蠕变变形，直接影响冷却壁的使用寿命。本课题采用热态实验数据与数值模拟相结合的方法建立了冷却壁四个数学模型（铸铜材质和铸铁材质），全面分析冷却壁长寿的机理，并利用数学模型设计了特殊通道的铁口铜冷却壁，满足了高炉对铁口铜冷却壁的需要。同时，本课题利用多元统计的方法建立了炉温控制数学模型。具体研究成果如下：（1）建立了确定冷却壁冷却能力的传热模型：通过对铸铜、铸铁冷却壁进行热态试验，得出没有挂渣的铸铜和铸铁冷却壁、挂渣的铸铜和铸铁冷却壁所能承受的最大热负荷，计算出不同炉温下炉气与冷却壁的复合换热系数、水管内壁与冷却水的对流换热系数，建立了冷却壁传热数学模型，分析各种影响因素对冷却能力的影响，同时利用实验数据验证了传热模型的正确性。（2）建立了确定设备安全性和长寿安装方式的冷却壁热-力耦合模型：在传热模型的基础上建立了冷却壁热-力耦合模型，分析炉温、冷却壁边缘接触压力及定位销的位置对冷却壁热应力及热变形的影响，提出高炉冷却壁的合理安装方式和预留间隙。（3）对球墨铸铁（铸铁冷却壁材质）进行了高温蠕变拉伸试验，利用实验数据得出球墨铸铁（冷却壁材质）不同温度下的蠕变方程。（4）利用蠕变方程建立了三维铸铜冷却壁和铸铁冷却壁长期在高温下工作的蠕变变形模型，计算分析炉温、水速、边缘接触压力、服役时间对冷却壁蠕变应力和蠕变变形的影响，探究冷却水管长期在高温下工作容易破损的部位及其原因。给出冷却壁使用10年后的最大变形量以及控制冷却壁变形的手段。（5）建立模拟高炉稳定挂渣和渣皮脱落的数学模型：利用热态实验数据验证了挂渣冷却壁传热模型的正确性，模拟了冷却壁稳定挂渣和连续脱落过程。分析炉气温度、水速、冷却水温度、热阻对热面温度和渣皮厚度的影响；讨论了蠕变变形对冷却壁挂渣能力的影响。全面分析冷却壁在高炉中的运行机理。（6）优化设计了具有特殊通道的铁口铸铜冷却壁：利用建立的数学模型分别计算了开炉初期和后期铁口铜冷却壁的温度场、应力场以及蠕变变形量，分析了壁体设计缺陷，给出了最优的管道分布（7）本课题增加了高炉炉温预测模型的研究：建立了16个变量的铁水硅含量主成份预测模型和8个变量的偏最小二乘回归模型。比较得出偏最小二乘模型主成分分析法命中率较高，更为省时、计算简单。