蘇暐光史雨晨宋旭東王文鑫王焦飛白永輝姚 敏于廣鎖

(1.寧夏大學(xué) 省部共建煤炭高效利用與綠色化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏 銀川 750021; 2.寧夏大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,寧夏 銀川 750021; 3.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司,寧夏 銀川 750001;4.華東理工大學(xué) 潔凈煤技術(shù)研究所,上海 200237)

在我國(guó),煤炭在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)依然是最重要的能源資源[1-3]。由華東理工大學(xué)和兗礦集團(tuán)共同開發(fā)的OMB 水煤漿氣化技術(shù)是我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型煤氣化技術(shù)[4],該技術(shù)是世界氣化市場(chǎng)上的領(lǐng)先技術(shù)之一[5]。目前已在國(guó)內(nèi)外建立57 個(gè)項(xiàng)目、158臺(tái)氣化爐,累積總原料處理能力大于20 萬(wàn)t 煤/d,單爐最大規(guī)模4 000 t/d,OMB 氣化爐在大型氣化應(yīng)用中具有極大優(yōu)勢(shì)[6]。耐火襯里是該氣化爐最重要的組成之一,主要起到隔絕高溫、蓄熱、流場(chǎng)約束以及抗熔渣的作用,而且直接影響氣化爐的運(yùn)行周期和穩(wěn)定性[7]。氣化爐內(nèi)高溫環(huán)境[8-9]會(huì)導(dǎo)致耐火襯里產(chǎn)生熱應(yīng)力,從而出現(xiàn)裂紋,爐內(nèi)的渣和強(qiáng)還原性氣氛會(huì)通過(guò)裂紋加速耐火襯里的損壞,影響氣化爐的正常使用[10-11]。氣化爐運(yùn)行時(shí),只能通過(guò)熱電偶檢測(cè)爐內(nèi)壁的溫度,耐火襯里內(nèi)部的溫度分布很難得知,用實(shí)驗(yàn)方法研究熱應(yīng)力更是困難重重。有限元法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬研究。張官正等[12]采用ANSYS 軟件研究了礦熱爐爐襯中的溫度場(chǎng)分布,結(jié)果表明升高爐內(nèi)溫度和增大對(duì)流換熱系數(shù)都會(huì)使?fàn)t壁溫度升高。吳新華等[13]運(yùn)用有限元方法研究了烘烤和盛鋼工況下的鋼包溫度場(chǎng)分布情況,模擬結(jié)果與紅外測(cè)溫法測(cè)得的溫度分布基本一致。李公法等[14]研究了材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)新型鋼包溫度場(chǎng)的影響,結(jié)果表明鋼殼溫度隨導(dǎo)熱系數(shù)減小而降低。

此外,利用有限元法進(jìn)行耐火襯里熱應(yīng)力研究大多應(yīng)用于冶金行業(yè)。張德臣等[15]利用有限元法對(duì)高爐耐火磚的熱應(yīng)力和變形進(jìn)行平面應(yīng)力分析,得到了距熱面1/3 處出現(xiàn)應(yīng)力峰值且熱面磚熱面膨脹較大。郭志強(qiáng)等[16]通過(guò)有限元法計(jì)算了轉(zhuǎn)爐爐殼受到熱載荷時(shí)的熱膨脹應(yīng)力和溫度差應(yīng)力的分布情況,認(rèn)為在總熱應(yīng)力中熱膨脹應(yīng)力所占比例大于溫度差應(yīng)力。LI Gongfa 等[17]運(yùn)用有限元法研究了二維鋼包模型的熱膨脹系數(shù)、彈性模量及其厚度對(duì)鋼包溫度和應(yīng)力場(chǎng)的影響,結(jié)果表明鋼包內(nèi)部等效應(yīng)力隨襯里導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、彈性模量的增大而增大,隨襯里厚度增大而減小。隨后他們[18]研究了含有納米絕熱材料的新型鋼包的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。結(jié)果表明納米絕熱材料的絕熱效果更好,新型鋼包的殼體最大溫度和應(yīng)力均小于傳統(tǒng)鋼包。XUE Wendong 等[19]對(duì)COREX-3000 氣化爐拱頂進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,研究了導(dǎo)熱系數(shù)與熱應(yīng)力之間的關(guān)系。結(jié)果表明,當(dāng)內(nèi)層襯里和外層襯里的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.95 和0.50 W/(m·℃)時(shí),沿徑向方向拱頂應(yīng)力的變化率最小。

周俊虎等[20]利用有限元法計(jì)算分析了鍋爐水冷壁渣層變負(fù)荷引起的熱應(yīng)力,得出外渣層(未熔化)的熱應(yīng)力較內(nèi)部熱應(yīng)力大。陳光等[21]運(yùn)用有限元法建立了噴嘴模型,研究結(jié)果表明隨著燃燒器負(fù)荷增加,耐火磚熱變形增加,外側(cè)空氣流速增加,耐火磚熱變形減緩。林偉寧等[22-24]運(yùn)用有限元法對(duì)氣流床氣化爐水冷壁的熱應(yīng)力進(jìn)行了研究,結(jié)果表明液態(tài)渣層不存在熱應(yīng)力,固態(tài)渣層的熱應(yīng)力隨溫度升高而增大。

綜上所述,目前多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐內(nèi)耐火襯里的溫度場(chǎng)尤其是應(yīng)力場(chǎng)的相關(guān)研究并不多見。當(dāng)氣化爐開車之后,絕大部分時(shí)間氣化爐都是處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),因此研究氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行狀況下耐火襯里的應(yīng)力分布規(guī)律同樣十分重要。筆者針對(duì)OMB 氣化爐的實(shí)際工況,運(yùn)用有限元軟件ANSYS 對(duì)正常穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中的工業(yè)OMB 氣化爐耐火襯里蝕損較快的K 磚部位進(jìn)行分析,通過(guò)改變熱面磚熱端面溫度和熱面磚厚度,得到溫度場(chǎng)、應(yīng)力、應(yīng)變及總變形的分布規(guī)律。

1 結(jié)構(gòu)模型

OMB 氣化爐爐壁主要由耐火襯里和鋼殼組成,耐火襯里由熱面磚、背襯磚、隔熱磚、陶瓷纖維構(gòu)成。由于熱面磚與爐中還原性氣氛、煤渣以及高溫環(huán)境直接接觸,因此蝕損較快,且不同位置的熱面磚蝕損率不同。K 磚是位于筒體最上部位置的熱面磚,具體位置如圖1(a)藍(lán)色橢圓區(qū)域。筒體部位平均蝕損率為0.076 mm/h,其中K 磚部位蝕損最快[10]。因此,選擇K 磚部位的耐火襯里作為研究對(duì)象。

工業(yè)上OMB 氣化爐爐內(nèi)K 磚部位實(shí)物如圖1所示,其中圖1(a)可以看到K 磚端面是向前突出的斜面,圖1(b)為K 磚上方的膨脹縫見藍(lán)色橢圓區(qū)域。

圖1 OMB 氣化爐爐內(nèi)Fig.1 Physical diagram of OMB gasifier

圖2為K 磚部位的結(jié)構(gòu)模型,其中熱面磚(即K磚)厚度230 mm,背襯磚厚度200 mm,隔熱磚厚度105mm,鋼殼厚度86 mm。以爐膛中心為坐標(biāo)原點(diǎn),垂直高度為y軸,耐火襯里側(cè)面下底邊為x軸建立坐標(biāo)系。研究對(duì)象為氣化爐運(yùn)行時(shí)穩(wěn)態(tài)條件下的爐內(nèi)耐火襯里。由于氣化爐爐內(nèi)的實(shí)際工況復(fù)雜,因此在數(shù)值模擬計(jì)算中對(duì)實(shí)際工況條件進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化。耐火磚受熱膨脹會(huì)使預(yù)留的膨脹縫被填充,因此假設(shè)磚與磚之間接觸無(wú)間隙,僅考慮各磚之間的熱傳導(dǎo)。材料物性參數(shù)均為各向同性,耐火襯里的導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)恒定,不隨溫度而變化。忽略重力和爐內(nèi)壓力,僅考慮熱應(yīng)力。

圖2 OMB 氣化爐K 磚部位的結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure model of K-brick in OMB gasifier

2 邊界條件及材料物性參數(shù)

耐火襯里及鋼殼的溫度場(chǎng)可根據(jù)下式無(wú)熱源、穩(wěn)態(tài)條件下熱傳導(dǎo)三維微分方程進(jìn)行計(jì)算:

式中,λ為材料導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);T為溫度,℃;x,y和z為空間坐標(biāo)值,mm。

鋼殼與周圍環(huán)境聯(lián)合傳熱的邊界方程為

式中,hk為對(duì)流-輻射聯(lián)合換熱系數(shù),W/(m2·℃);hc為鋼殼與周圍環(huán)境的自然對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·℃);hr為輻射換熱系數(shù),W/(m2·℃);Tk為鋼殼周圍環(huán)境溫度,℃。

對(duì)于三維應(yīng)力場(chǎng),耐火襯里及鋼殼x,y和z三個(gè)方向都應(yīng)滿足

其中,fx,fy和fz分別為耐火襯里及鋼殼在x,y和z三個(gè)方向的單位體積力。在該模型上施加初始溫度以及約束條件,得到方程的惟一解。

將工業(yè)氣化爐K 磚部位熱電偶測(cè)得的熱面磚端面溫度作為傳熱邊界條件,耐火磚之間的傳熱均視為熱傳導(dǎo)。鋼殼外表面與周圍環(huán)境的傳熱方式主要為自然對(duì)流和輻射的聯(lián)合傳熱,對(duì)流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式[25]計(jì)算為18.38 W/(m2·℃),環(huán)境溫度為20 ℃。采用熱-結(jié)構(gòu)耦合的方法,將溫度計(jì)算結(jié)果作為結(jié)構(gòu)計(jì)算的初始條件。對(duì)模型下底面施加Y軸方向的位移約束,兩側(cè)面施加對(duì)稱約束,鋼殼外表面和熱面磚熱端面均施加x軸方向的位移約束。本研究重點(diǎn)考察了熱面磚熱端面溫度和熱面磚厚度對(duì)耐火襯里及鋼殼溫度分布、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和總變形的影響。

耐火襯里和鋼殼的材料物性參數(shù)見表1,圖3為熱面磚、背襯磚和隔熱磚的彈性模量及泊松比隨溫度升高的變化情況,測(cè)試方法為脈沖激振法。

表1 材料物性參數(shù)Table 1 Physical properties of materials

圖3 熱面磚、背襯磚、隔熱磚的彈性模量和泊松比隨溫度變化曲線Fig.3 Variation of elastil modulus and Poisson’s ratio of hot-face brick,backup brick,heat isolation brick with the increase of temperature

3 結(jié)果與討論

3.1 耐火襯里溫度和應(yīng)力場(chǎng)分析

工業(yè)上,OMB 氣化爐內(nèi)溫度一般為1 250～1 350 ℃[26],而熱面磚溫度較爐膛中心溫度低,K 磚部位熱電偶測(cè)得熱端面平均溫度約為1 300 ℃[27-28],因此熱面磚熱端面溫度設(shè)定為1 300 ℃。以圖2結(jié)構(gòu)模型尺寸為基礎(chǔ),計(jì)算得到耐火襯里和鋼殼的溫度、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變以及總變形分布云圖。熱面磚(K 磚)端面拐角處(距下底面40 mm)到鋼殼表面的水平線為Path1,熱面磚上部拐角處到下底邊垂直距離為Path2,分別從不同角度分析耐火襯里的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變和總變形的變化趨勢(shì)。

圖4為耐火襯里及鋼殼的溫度分布云圖,圖4(a)為整體耐火襯里及鋼殼的溫度分布云圖,可得熱面磚熱端面溫度為1 300 ℃時(shí),計(jì)算得熱面磚與背襯磚之間溫度為1 131.2 ℃,背襯磚與隔熱磚之間溫度為929.7 ℃,隔熱磚與陶瓷纖維之間溫度為441.8 ℃,陶瓷纖維與鋼殼之間溫度為214.2 ℃,鋼殼外表面溫度為206.4 ℃。工業(yè)數(shù)據(jù)測(cè)得K 磚位置處鋼殼外表面溫度為200～230 ℃[29],模擬計(jì)算結(jié)果能夠與工業(yè)數(shù)據(jù)較好吻合。圖4(b)為Path1 的溫度分布線,可清晰看到隔熱磚和陶瓷纖維降溫幅度較大,這是因?yàn)楦魺岽u和陶瓷纖維導(dǎo)熱系數(shù)較低,能夠阻隔大量熱量,可以有效保護(hù)氣化爐殼體不超溫。由于鋼殼的導(dǎo)熱系數(shù)較大,鋼殼整體溫差僅為8 ℃。圖4(c)為Path2 的溫度分布線,可得由點(diǎn)1 到點(diǎn)2 方向溫度逐漸降低,其中熱面磚上部拐角處溫度最高。

圖4 耐火襯里的溫度分布云圖Fig.4 Temperature distribution of refractory lining

圖5為耐火襯里及鋼殼的等效應(yīng)力分布云圖,圖5(a)為整體耐火襯里及鋼殼的等效應(yīng)力分布云圖,可得在K 磚上部拐角處出現(xiàn)應(yīng)力最大值,K 磚上部整體應(yīng)力較大為0.850～9.100 GPa。圖5(b)為Path1 的等效應(yīng)力分布線,可明顯看出熱面磚應(yīng)力>背襯磚應(yīng)力>鋼殼應(yīng)力>隔熱磚應(yīng)力,其中熱面磚、背襯磚、隔熱磚和鋼殼的應(yīng)力分別約為0.850,0.620,0.074,0.410 GPa,陶瓷纖維的應(yīng)力幾乎為0。圖5(c)為Path2 的等效應(yīng)力分布線,可看出由上到下應(yīng)力逐漸由3.400 減小到0.800 GPa。

圖5 耐火襯里的等效應(yīng)力分布云圖Fig.5 Equivalent stress distribution of refractory lining

圖6(a)為整體耐火襯里及鋼殼的等效應(yīng)變分布云圖,應(yīng)變用以描述物體的變形程度。由圖6(a)可知陶瓷纖維處等效應(yīng)變最大約為0.210,熱面磚、背襯磚和隔熱磚的應(yīng)變非常小不到0.009,且熱面磚應(yīng)變>背襯磚應(yīng)變>隔熱磚應(yīng)變>鋼殼應(yīng)變,鋼殼應(yīng)變僅為0.002。圖6(b)為Path1 的等效應(yīng)變分布線,可得陶瓷纖維中間處應(yīng)變最大。圖6(c)為Path2 的等效應(yīng)變分布線,可知熱面磚拐角處應(yīng)變最大,由點(diǎn)1 到點(diǎn)2 方向應(yīng)變從0.031 逐漸減小到0.008。

圖6 耐火襯里的等效應(yīng)變分布云圖Fig.6 Equivalent elastic strain distribution of refractory lining

圖7(a)為整體耐火襯里及鋼殼的總變形分布云圖。工業(yè)上OMB 氣化爐的熱面磚與背襯磚之間一般留有約3 mm 的膨脹縫,背襯磚與隔熱磚之間留有約2 mm 的膨脹縫[30-32]。由圖7(a)可得熱面磚絕對(duì)變形量為1.94 mm < 3.00 mm, 背襯磚總變形量3.75 mm,絕對(duì)變形量3.75 - 1.94 = 1.81 mm <2.00 mm,表明總變形的模擬計(jì)算結(jié)果與工業(yè)氣化爐的數(shù)據(jù)相符。隔熱磚總變形量4.35 mm,絕對(duì)變形量?jī)H為4.35-3.75=0.60 mm,遠(yuǎn)小于熱面磚和背襯磚,鋼殼的絕對(duì)變形量最小只有0.12 mm。圖7(b)為Path1 的總變形分布線,可得最大總變形量位于隔熱磚與陶瓷纖維之間。圖7(c)為Path2 的總變形分布線,可得熱面磚由點(diǎn)1 到點(diǎn)2 總變形量逐漸減小,即熱面磚受熱膨脹后會(huì)向上變形,而且拐角處總變形量最大。在爐內(nèi)高溫環(huán)境中,筒體磚受熱膨脹總體向上變形,變形量不斷累加,最終全部集中在K 磚部位,這與工業(yè)上在K 磚上部留有15 mm 的膨脹縫相一致。

3.2 不同熱端面溫度影響

氣化爐K 磚部位熱端面溫度一般在1 250～1 350 ℃[22],以圖2結(jié)構(gòu)模型尺寸為基礎(chǔ),熱面磚熱端面溫度分別為1 100,1 200,1 300 以及極限1 400 ℃,比較不同熱面磚熱端面溫度對(duì)耐火襯里和鋼殼溫度、應(yīng)力、應(yīng)變及變形量分布的影響。

圖7 耐火襯里的總變形分布云圖Fig.7 Total deformation distribution of refractory lining

不同熱面磚熱端面溫度對(duì)耐火襯里溫度分布的影響如圖8所示。隨著熱端面溫度的升高,耐火襯里及鋼殼整體溫度升高,尤其是熱面磚、背襯磚溫度增加比較明顯。當(dāng)熱端面溫度從1 100 升高到1 400 ℃時(shí),鋼殼外表面溫度從177.2 逐漸增加到220.9 ℃,溫度變化不超過(guò)50 ℃,主要是因?yàn)楦魺岽u和陶瓷纖維能夠阻隔大量熱量,使得氣化爐鋼殼溫度波動(dòng)較小。

圖8 不同熱面磚熱端面溫度下耐火襯里和鋼殼的溫度分布Fig.8 Temperature distribution of refractory lining and steel shell under different end face temperatures of the hot-face brick

圖9為不同熱端面溫度下耐火襯里的等效應(yīng)力分布規(guī)律。等效應(yīng)力在熱面磚熱端面位置出現(xiàn)最大值,即此處最易產(chǎn)生裂紋,如圖10所示。從圖9可以明顯看到距爐膛中心越遠(yuǎn),耐火襯里的等效應(yīng)力呈下降趨勢(shì),而且熱面磚應(yīng)力>背襯磚應(yīng)力>鋼殼應(yīng)力>隔熱磚應(yīng)力,陶瓷纖維應(yīng)力幾乎為0。不同熱端面溫度下耐火襯里應(yīng)力變化規(guī)律基本一致,熱端面溫度越高,耐火襯里及鋼殼整體應(yīng)力越大,尤其是熱面磚應(yīng)力增加最為明顯。當(dāng)熱面磚熱端面溫度從1 100 ℃升高到1 400 ℃時(shí),熱端面應(yīng)力從0.68 升高到1.10 GPa。

圖9 不同熱面磚熱端面溫度下耐火襯里和鋼殼的等效應(yīng)力分布Fig.9 Equivalent stress distribution of refractory lining and steel shell under different end face temperatures of the hot-face brick

圖10 工業(yè)OMB 氣化爐內(nèi)熱面磚(K 磚)端面處的裂紋Fig.10 Crack on the end face of the hot-face brick(K-brick)in the industrial OMB gasifier

圖11為不同熱面磚熱端面溫度下耐火襯里的等效應(yīng)變分布。圖11中尖峰的橫坐標(biāo)位置對(duì)應(yīng)陶瓷纖維,尖峰縱坐標(biāo)表示陶瓷纖維處的等效應(yīng)變,可以看到陶瓷纖維處的等效應(yīng)變迅速變化且數(shù)值最大,而且陶瓷纖維的等效應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耐火磚和鋼殼的等效應(yīng)變。即使熱端面溫度高達(dá)1 400 ℃,熱面磚的最大應(yīng)變也不超過(guò)0.01,而陶瓷纖維的最大應(yīng)變可達(dá)到0.23。由放大圖可知,熱面磚應(yīng)變>背襯磚應(yīng)變>隔熱磚應(yīng)變>鋼殼應(yīng)變。在同一溫度下,熱面磚端面處應(yīng)變最大,隨距爐膛中心距離增加應(yīng)變先迅速減小,然后幾乎保持不變。背襯磚和隔熱磚處的應(yīng)變逐漸減小,鋼殼處應(yīng)變最小。隨著熱端面溫度的升高,耐火襯里及鋼殼的等效應(yīng)變逐漸增加,而且熱面磚和背襯磚應(yīng)變?cè)黾臃雀蟆?/p>

圖11 不同熱面磚熱端面溫度下耐火襯里和鋼殼的等效應(yīng)變分布Fig.11 Equivalent elastic strain distribution of refractory lining and steel shell under different end face temperatures of the hot-face brick

不同熱面磚熱端面溫度下熱面磚、背襯磚和隔熱磚的絕對(duì)變形量如圖12所示。從圖12可以看到熱面磚熱端面溫度從1 400 降低到1 100 ℃時(shí),熱面磚絕對(duì)變形量逐漸從2.12 減小到1.62 mm。熱面磚熱端面溫度越低,背襯磚絕對(duì)變形量越小。熱面磚熱端面溫度從1 400 降低到1 100 ℃,背襯磚絕對(duì)變形量逐漸從1.95 減小到1.56 mm。背襯磚與隔熱磚絕對(duì)變形量的變化趨勢(shì)與熱面磚基本一致,但是隔熱磚的絕對(duì)變形量相對(duì)熱面磚和背襯磚而言非常小,當(dāng)熱面磚熱端面溫度為1 400 ℃時(shí),隔熱磚絕對(duì)變形量最大且為0.13 mm,當(dāng)熱面磚熱端面溫度為1 100 ℃時(shí),隔熱磚絕對(duì)變形量最小僅為0.07 mm。

圖12 不同熱面磚熱端面溫度下熱面磚、背襯磚和隔熱磚的絕對(duì)變形量Fig.12 Absolute deformation of hot-face brick,backup brick and heat isolation brick under different end face temperatures of the hot-face brick

3.3 不同熱面磚厚度影響

為探究不同熱面磚厚度影響,設(shè)置熱面磚熱端面溫度為1 300 ℃,分別計(jì)算不同厚度下耐火襯里及鋼殼的溫度、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和變形量分布規(guī)律。

圖13為熱面磚厚度對(duì)耐火襯里及鋼殼溫度分布的影響。從圖13可以看出,隨著熱面磚厚度的增加,耐火襯里及鋼殼的溫度逐漸降低。相比隔熱磚,熱面磚和背襯磚溫度下降更快。當(dāng)熱面磚厚度從60 增加到230 mm 時(shí),鋼殼外表面溫度從225.9 緩慢降低到206.4 ℃,溫度差別僅為19.5 ℃,表明熱面磚厚度對(duì)鋼殼外表面溫度影響較小。

圖13 不同熱面磚厚度下耐火襯里及鋼殼的溫度分布Fig.13 Temperature distribution of refractory lining and steel shell under different thickness of the hot-face brick

圖14為熱面磚厚度對(duì)耐火襯里及鋼殼等效應(yīng)力分布的影響。由圖14可知熱面磚越厚,耐火襯里及鋼殼等效應(yīng)力越小,該結(jié)果與文獻(xiàn)[17]相一致。熱面磚和背襯磚應(yīng)力隨熱面磚厚度增加迅速減小,而隔熱磚和鋼殼應(yīng)力變化較小。當(dāng)熱面磚厚度大于180 mm 時(shí),熱面磚熱端面處應(yīng)力最大,距爐膛中心越遠(yuǎn),熱面磚應(yīng)力先迅速減小然后基本持平;當(dāng)熱面磚厚度小于180 mm 時(shí),熱面磚熱端面處應(yīng)力較小,距爐膛中心越遠(yuǎn),熱面磚應(yīng)力先迅速增加然后幾乎保持不變。當(dāng)熱面磚厚度為180 mm 時(shí),熱面磚整體應(yīng)力大小適中,而且分布均勻沒(méi)有明顯突變,表明當(dāng)熱面磚厚度為180 mm 時(shí),熱面磚結(jié)構(gòu)最優(yōu),最有利于提高耐火襯里尤其是熱面磚的使用壽命。

圖14 不同熱面磚厚度下耐火襯里及鋼殼的等效應(yīng)力分布Fig.14 Equivalent stress distribution of refractory lining and steel shell under different thickness of the hot-face brick

不同熱面磚厚度下耐火襯里及鋼殼的應(yīng)變分布如圖15所示,圖15表明陶瓷纖維處應(yīng)變最大,熱面磚、背襯磚和隔熱磚應(yīng)變較小不超過(guò)0.009,且鋼殼應(yīng)變最小僅為0.003。由放大圖可看到,隨著熱面磚厚度的增加,耐火襯里的應(yīng)變逐漸減小,尤其是背襯磚區(qū)域應(yīng)變減小趨勢(shì)最快。當(dāng)熱面磚厚度大于180 mm 時(shí),距爐膛中心越遠(yuǎn),熱面磚應(yīng)變先減小后增加,當(dāng)熱面磚厚度小于180 mm 時(shí),距爐膛中心越遠(yuǎn),熱面磚應(yīng)變先迅速增加然后基本保持不變。應(yīng)變結(jié)果與圖14中的應(yīng)力結(jié)果的變化規(guī)律基本一致,進(jìn)一步說(shuō)明熱面磚厚度180 mm 是一個(gè)比較優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸。

圖15 不同熱面磚厚度下耐火襯里及鋼殼的應(yīng)變分布Fig.15 Equivalent elastic strain distribution of refractory lining and steel shell under different thickness of the hot-face brick

圖16為不同熱面磚厚度下熱面磚、背襯磚和隔熱磚的絕對(duì)變形量。從圖16可以看到熱面磚厚度從60 mm 增加到230 mm,熱面磚絕對(duì)變形量逐漸從0.75 mm 增加到1.95 mm。背襯磚絕對(duì)變形量的變化趨勢(shì)與熱面磚正好相反,可以看到熱面磚越厚,背襯磚絕對(duì)變形量越小。熱面磚厚度為60 mm 時(shí),背襯磚絕對(duì)變形量最大且為2.03 mm,熱面磚厚度為230 mm 時(shí),背襯磚絕對(duì)變形量最小僅為1.81 mm。隔熱磚絕對(duì)變形量的變化趨勢(shì)比較復(fù)雜,由于隔熱磚區(qū)域溫度較低,隔熱磚絕對(duì)變形量較小且不超過(guò)1 mm。當(dāng)熱面磚厚度為180 mm 時(shí),隔熱磚絕對(duì)變形量最小僅為0.02 mm,當(dāng)熱面磚厚度為150 mm 時(shí),隔熱磚絕對(duì)變形量最大也只有0.61 mm?？傮w來(lái)說(shuō),隨著熱面磚厚度從60 mm 增加到230 mm,熱面磚絕對(duì)變形量逐漸增大,背襯磚絕對(duì)變形量逐漸減小,且熱面磚變形率大于背襯磚變形率。當(dāng)熱面磚厚度增加,背襯磚絕對(duì)變形量最大,熱面磚絕對(duì)變形量次之,隔熱磚絕對(duì)變形量最小。

圖16 不同熱面磚厚度下熱面磚、背襯磚和隔熱磚的絕對(duì)變形量Fig.16 Absolute deformation of hot-face brick,backup brick and heat isolation brick under different thickness of the hot-face brick

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)熱面磚(K 磚)熱端面溫度為1 300 ℃時(shí),熱面磚與背襯磚之間溫度為1 131.2 ℃,背襯磚與隔熱磚之間溫度為929.7 ℃,隔熱磚與陶瓷纖維之間溫度為441.8 ℃, 陶瓷纖維與鋼殼之間溫度為214.2 ℃,鋼殼外表面溫度為206.4 ℃,模擬計(jì)算結(jié)果能夠與工業(yè)數(shù)據(jù)較好吻合。熱面磚上部拐角處應(yīng)力最大,陶瓷纖維應(yīng)力幾乎為0,熱面磚應(yīng)力>背襯磚應(yīng)力>鋼殼應(yīng)力>隔熱磚應(yīng)力。熱面磚應(yīng)變>背襯磚應(yīng)變>隔熱磚應(yīng)變>鋼殼應(yīng)變。熱面磚和背襯磚的絕對(duì)變形量分別為1.94 和1.81 mm,而隔熱磚的絕對(duì)變形量?jī)H為0.6 mm,遠(yuǎn)小于熱面磚和背襯磚。鋼殼總變形量最小只有0.12 mm。

(2)熱面磚熱端面溫度升高,耐火襯里及鋼殼整體溫度升高,等效應(yīng)力、等效應(yīng)變也都相應(yīng)增大。當(dāng)熱端面溫度從1 100 升高到1 400 ℃時(shí),對(duì)于3 種耐火磚而言,熱面磚的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變和絕對(duì)變形量增幅均最大。在同一溫度下,等效應(yīng)力和等效應(yīng)變?cè)跓崦娲u熱端面位置均出現(xiàn)最大值,即此處最易產(chǎn)生裂紋。

(3)隨著熱面磚厚度的增加,耐火襯里及鋼殼的溫度、等效應(yīng)力和等效應(yīng)變逐漸降低,但是熱面磚絕對(duì)變形量逐漸增大。相比隔熱磚和鋼殼,熱面磚和背襯磚的溫度和應(yīng)力隨熱面磚厚度的增加下降更快。當(dāng)熱面磚厚度為180 mm 時(shí),熱面磚整體應(yīng)力大小適中且分布均勻,而且應(yīng)力結(jié)果與應(yīng)變結(jié)果的變化規(guī)律基本一致,表明熱面磚最優(yōu)的厚度尺寸為180 mm,該結(jié)構(gòu)有利于提高熱面磚的使用壽命。