摘 要

冶炼炉冷却设备的冷却性能是影响冶炼炉寿命的重要因素，提高冷却设备的质量和寿命对于延长冶炼炉寿命意义重大。冷却板作为冶炼炉的一种冷却方式，作用重大，起着保护炉衬的作用，能有效地延长冶炼炉的工作能力和使用寿命。而应用传热学原理对冷却板进行结构优化，可以提高冷却板的冷却能力。因此，本课题的研究具有较为重要的理论价值和实际应用价值。

本文根据微晶玻璃制造厂对一定大小冶炼炉的要求，设计了冷却板，然后，利用Pro/E建立冷却板的三维数学模型，通过选取不同冷却板材质，采用有限元软件ANSYS对冶炼炉冷却板方案进行了热态模拟分析，探索了材质、尺寸等若干因素对冷却板冷却性能的影响，并进行了校核分析。最后，针对分析结果对冷却板进行了优化调整及其热态模拟分析，并比较了冷却板为铸铁和铸铜材质时的差异及冷却效果。

模拟结果显示，冷却板原始方案的冷却水管的部分等效应力超过了许用应力，且冷却管的圆角过渡处等效应力较大。其原因是冷却板和冷却管的热膨胀系数不一致，使得冷却管受到挤压产生热应力集中。通过改进设计：适当增大其与冷却板本体之间的间隙，制成椭圆形水管通道。改进方案模拟分析结果表明，其更为合理。相比球墨铸铁材质冷却板而言，铸铜冷却板的导热性能优异，冷却性能远大于球墨铸铁，在高热负荷工作下，水管和冷却板本体的热应力均小于球墨铸铁，不容易产生疲劳裂纹而失效。

关键词：冷却板，ANSYS，热态模拟分析，温度场，应力

Abstract

The cooling performance of the cooling equipment of smelting furnace is an important factor affecting the life of the smelting furnace, and the improvement of the quality and life of the cooling equipment is of great significance to prolong the life of the blast furnace. As a cooling mode of smelting furnace, the cooling plate plays an important role in protecting the lining of the furnace, which can effectively prolong the working capacity and service life of the furnace. Many scholars at home and abroad have carried out a large number of researches on the cooling plate of smelting furnace, and applied the principle of heat transfer to optimize the structure of the cooling plate and improve the cooling capacity of the cooling plate.

In this paper,the cooling plate was first designed according to the requirements of a certain size of smelting furnace of microcrystalline glass factory.Then the three dimensional mathematical model of cooling plate was set up by using Pro/E and the thermal state simulation analysis of cooling plates with different cooling material were also carried out by the use of finite element software ANSYS. The influence of material, size and other factors on the cooling performance of the cooling plate was investigated.Finally，based on results of the above analysis, the optimization of cooling plate adjustment and its thermal state simulation analysis was carried through, and the difference and cooling effect between cast iron and cast copper cooling plate were compared.

The simulation results show that the equivalent stress of the cooling pipe of the original scheme exceeds the allowable stress and the equivalent stress of the circular corner of the cooling tube is greater. According to the analysis, the thermal expansion coefficient of cooling plate and cooling pipe is inconsistent, so that the cooling pipe is extruded to produce thermal stress concentration. Therefore, the improvement suggestion is put forward: the gap between it and the cooling plate body should be increased appropriately to make the ellipsoid pipe channel. The simulation analysis shows that the improved scheme is more reasonable. By the simulation results show that the ductile cast iron and cast copper cooling material by the same improvement after a comparison of the performance of thermal conductivity of cast copper, the cooling performance of the cooling plate than nodular cast iron, work in high heat load, the water pipe and the thermal stress of cooling plate ontology are less than nodular cast iron, by contrast is not easy to produce fatigue crack and failure.

Key words：cooling plate，ANSYS，thermal simulation analysis，temperature field，stress

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 冷却板的国内外研究现状与进展 2

1.2.1 国内冷却板设计 2

1.2.2 国外冷却板设计 3

1.3 ANSYS有限元研究方法概述 3

1.4 本课题的研究目的、意义和主要研究内容 4

第2章 冷却板的设计要求及数值模拟方法 6

2.1 冷却板的设计研究 6

2.1.1 功能要求 6

2.1.2 设计准则和使用工况 6

2.2 数学模型 7

2.2.1 尺寸参数 7

2.2.2 边界条件 7

2.2.3 热应力分析 8

2.3 结构分析有限元模型及建立 9

2.3.1 初始模型 9

2.3.2 材料属性 10

2.3.3 网格划分 11

2.3.4 结果分析 11

2.4 本章小结 12

第3章 冷却板原始方案的热态模拟 13

3.1球墨铸铁冷却板温度场和应力计算过程及结果分析 13

3.1.1加载和约束过程 13

3.1.2 模拟结果及分析 15

3.2铸铜冷却板温度场和应力计算过程及结果分析 18

3.2.1 加载和约束过程 18

3.2.2 模拟结果及分析 20

3.3 本章小结 23

第4章 改进后的冷却板的热态模拟 25

4.1 冷却板的结构改进 25

4.2 改进后的球墨铸铁冷却板模拟结果与分析 26

4.3 改进后的铸铜冷却板模拟结果与分析 29

4.4 冷却板影响因素分析 32

4.4.1 冷却板材质对冷却板冷却性能的影响 32

4.4.2 椭圆度对冷却板冷却性能的影响 33

4.4.3 其他因素对冷却板冷却性能的影响 33

4.5 本章小结 33

第5章 结论 35

参考文献 36

致 谢 37

绪论

1.1 研究背景

微晶玻璃具有优良的综合性能，为晶相和玻璃相的多相复合体，近些年来，成为了炙手可热的新型材料。目前，微晶玻璃在各行各业中得到了广泛地应用，具有广阔的发展前景。这几十年来，国内外都在不断研究它的制备方法和应用技术，微晶玻璃这种新型功能材料得到了飞速发展。在力学领域，优良的力学与热学性能，以及在耐高温度基础上热膨胀系数可以控制，使得其广泛的应用于活塞或者航空航天等结构材料上；在光学领域，由于它的尺寸稳定性好，可以通过高精度加工，广泛地应用于玻璃光纤，遥感，红外仪器上；在电子材料上，因为其热膨胀系数较容易控制，达到其他材料的匹配标准，可以相互配合，制备很多电路板等电子器件，应用于精密电子领域，超声领域^[1]。

目前，熔融法是一种生产制备微晶玻璃的方法，该法得到广泛采用。这是一种将其在高温下保温一段时间熔制，迅速冷却，再将其退火并加入一定的晶核剂进行一定的热处理，使其晶粒细化的一种制备微晶玻璃的方法。这种方法得到的微晶玻璃产品晶粒均匀细小，易于成型加工。其中晶核剂的选择决定了玻璃相和晶相的组成和成分，需要从很多方面综合考虑：（1）在热处理过程中需要具有较低的溶解度特性，在熔融过程中需要具有较高的溶解度特性，抑制其长大过程，使其易于成核，得到均匀细小的晶粒。（2）晶核剂在玻璃中的扩散过程需要容易快速，即扩散活化能低。（3）晶核剂和晶相之间的晶体结构，晶格常数要相似，并且多种晶核剂晶核效果要好于单个晶核剂^[2]。尽管该熔融生产微晶玻璃的手段容易加工成型，优点很多，但是同时也存在很多问题有待于解决。例如晶核剂和热处理工艺难以选取，在生产中也很难达到理想状况，其中最关键的是其熔制温度一般都处于1400～1600℃之间，这样过高的温度容易使能源消耗巨大，经济效益低。

冷却板是冶炼炉的一种冷却方式，其设计质量影响着冶炼炉质量。为了使冶炼炉破损率降低，使冶炼炉生产更加稳定，作业更加效率，冷却设备改进和提高是很有必要的。它作为冶炼炉的关键设备，作用巨大，起着保护炉衬的作用，可以确保冶炼炉的工作效能，延长冶炼炉的使用寿命，保证冶炼炉的稳定工作，缩短工期，减少开支，降低成本，提高效益，尤其对于冶炼炉中较高温度的部位，如炉腹处等地区，如若冷却设备质量低下，强度和硬度低，冷却效果差，使这些区域热应力较大，容易出现裂纹和大量损伤，会对整个生产造成巨大的威胁。作为同样属于冶炼设备的高炉也是如此。例如，20世纪90年代德国克虏伯河西钢铁工厂西法伦休特4号高炉，由于冷却设备的质量不达标准，炉腹炉腰中部严重损坏，该厂为此经济损失惨重。1991年4月25日马钢2500m³高炉炉腹炉身处采用的球墨铸铁冷却壁大量损坏，严重威胁冶炼生产，为了消除这一安全隐患，提高高炉寿命，该厂不得以检修停产，更换损坏的冷却壁^[3]。

由于冷却设备的设计结构，材质，连接方式，制造工艺等各种因素决定了冷却效果的好坏，而冷却效果影响着冶炼炉的寿命，所以冷却板的设计值得相关研究人员去深入研究，设计出稳定优异的冷却板需要进行细致的分析探讨。武钢重工集团有限公司为专业准备高炉冷却设备的专业工厂。四川雅安某微晶玻璃制备公司委托武钢重工研发生产微晶玻璃冶炼炉冷却板。武钢重工与我校进行科研合作进行该项目的工作。本研究根据微晶玻璃厂的冶炼炉要求，以三维建模Pro/E和有限元分析Ansys-workbench软件为基础，设计了冷却板并进行了热态模拟分析及改进设计，以为实际需求提供指导和参考，因而具有重要意义。

1.2 冷却板的国内外研究现状与进展

众所周知，微晶玻璃冶炼炉的作业强度越来越高，而冷却板要能适应炉腹，炉身热应力较大的区域的工作条件，这对于冷却板的设计人员来说是一个较大的挑战。其研究难点在于：微晶玻璃冶炼炉中冷却板的使用材质的选择，以及冷却板结构的优化设计，否则，其导热系数，热强性，热膨胀性和工艺参数很难符合工况，这使得研发出合适且具有优异性能的冷却板成为行业科研的重中之重。正因如此，世界各国都不遗余力地对性能优异稳定的冷却板进行研究开发。

1.2.1 国内冷却板设计

工业冶炼炉作为熔炼设备的一种，往往在制备需要高温熔制的产品时，这样过高的温度会对炉体造成一定的损伤，由此冷却板在工业冶炼炉中起着至关重要的作用，对于防止冶炼炉过热受损，延长冶炼炉的使用寿命，增加企业效益意义重大。20世纪90年代前，我国关于冷却板的制造总是盲目照搬其他国家的冶炼炉及冷却设备的设计，或者凭经验设计，没有制定相关生产标准和规范，没有进行模拟优化分析，导致冶炼炉很容易破损。二十一世纪之初，科学技术发展迅猛，国内已经深刻地认识到冷却板数值模拟分析的研究对冶炼炉长寿起着至关重要的作用，很多科研人员通过分析冷却板的不同结构参数和材质等各种方面对炉内和炉壁温度场分布和热应力的影响，对比分析三维稳态传热条件下不同材质和结构的冷却板的优劣性。

冷却板除了对冶炼炉有很大的作用，在高炉或其他方面也应用广泛。2001年，北京科技大学薛庆国学者建立三维稳态传热模型，分析了高炉的炉墙温度场，提出高炉炉墙温度分布被冷却板的结构参数和材质所影响。2005年，钱中等人深入研究了高炉冷却壁的非稳态状况，详细介绍了铸钢，球墨铸铁，铸铜这三种材质的非稳态传热过程，并对比分析了三种材质的优缺点。2009年，刘增勋等人研究了在不同工作条件下铸铁冷却壁的热负荷情况^[4]，并采取了数值模拟的方法深入探讨了不同工况下铸铁冷却壁的温度和应力分布。2001至2004年期间，武钢课题组工作人员采用多种铸造工艺，多种冷却处理工艺开始着手研究铸铜冷却板，但是由于我国并没有制定实际的铸铜生产标准和规范，所以武钢研究人员根据日，德、英国等国的相关标准，制定出属于武钢的铸铜冷却板标准，并先后在2005年，2009年投入高炉实际生产过程中。

1.2.2 国外冷却板设计

由于冶炼炉的质量决定着冶炼炉的寿命，而冶炼炉的寿命决定着工厂和企业的经济效益，国外比如日本、德国很早就已经开始致力于研究冷却设备的温度分布和材料材质等很多方面影响因素，不断地对其进行调整和优化，提升冶炼炉的使用效能，延长其使用寿命。相对而言，国外对类似的冶炼设备——高炉的冷却设备研究越来越多。上世纪七十年代，德国率先在冶炼高炉上使用铜冷却壁。1979年蒂森钢铁公司于汉堡四号高炉炉身区域安装两块铜冷却壁用以取代同区域球墨铸铁冷却壁，在运行超过九年后，经发现铜冷却壁无明显裂纹，而其冷却能力则远超过球铁材质的冷却壁，球铁冷却壁的损坏较为明显，脱落情况严重，磨损率也远远大于铜冷却壁，经过研究人员测试，高炉冶炼若用铜冷却壁换掉铸铁材质的冷却壁，高炉使用寿命可望达到15年以上。美国、日本等很多欧洲国家纷纷相继开始使用铜冷却壁。在1994年的国际炼铁学术研讨会上，科研人员就指出，本世纪钢企要保证继续其辉煌并屹立不倒，重要的就是要使高炉长寿，起码要超过15年。1997年日本容积达4500m³的川崎千叶6号高炉已经连续作业长达20年，打破了炼铁高炉的长寿纪录，也是世界上产量最高的炼铁炉 ^[5]，这一结果为炼铁高炉的冷却装置带来新的希望。和冷却壁一样，新型铜冷却板现在已经成为世界各国钢铁企业研究重心。目前各企业一般是采用铸造铜冷却板，虽然成本昂贵，但是冷却效果好，易于加工成型，不容易产生应力集中和裂纹，所以目前欧洲各国往往选择铸造铜冷却板，并重点对冷却管进行研究，分析其材质，尺寸以及和冷却板本体结合后的性能。由此，国外许多科研工作者利用Ansys等有限元软件，根据三维稳态传热模型，对冷却板进行温度和应力分布的数值模拟，设计出了最适合的冷却板。

1.3 ANSYS有限元研究方法概述

大家知道，有限元分析的基本原理就是采用数学近似的算法，模拟分析现实存在的几何和载荷工况，采用单元化的思想，通过有限数目之未知量来无限逼近真实系统。依据基本原理确定“平衡”条件，建立所划分节点的求解式，通过组合综合求解，以得出复杂问题的近似解。而在产品设计阶段，通过有限元分析，可对可能出现的问题实施安全评估，并通过优化修订产品的结构尺寸 ^[6]。

ANSYS-workbench是目前流行的通用型的进行有限元分析的商用软件，结合其他的计算机应用软件，可以对许多真实系统进行仿真分析。在冶炼生产中，借助计算机模拟软件，可以更便捷的对温度场和热应力进行模拟分析。通过数值模拟，结合实际生产来对破损或需要改进的地方进行调整，为相关研究人员对冷却板选材和结构优化提供参考^[7]。从经济效益和能适应炉衬的恶劣的工作环境等综合性考虑，冷却设备材料可以为铸钢或铸铁、铸铜。一般而言，铸钢或铸铁冷却效果低于铸铜冷却板，因此更改已是大势所趋。铸铜冷却板导热性能更加稳定优异。各种材质的冷却板已经在很多企业和工厂中得到应用。在国外很早就开始对不同材质的冷却板进行温度分布的数值模拟，设计出了最适合的冷却板。而我国先前由于缺乏科学理论依据，总是直接借鉴国外的冷却板设计或是依赖经验设计，冷却系统难以适应如此高强度的冶炼炉，直至20世纪初，国内学者才纷纷开始通过有限元方法对冷却板进行了研究和分析。钱中、程惠尔通过使用ANSYS WORKBENCH对铸钢冷却板进行热态模拟分析，将模拟结果与理论分析结论进行比较，验证了模拟分析的可靠性，为国内钢铁企业提高经济效益提供了技术支撑。卢献忠、高俊华、陈补高等人使用ANSYS WORKBENCH三维数值模拟软件对类似的冷却设备——铸铜冷却壁也进行了稳态传热分析，将温度场分布和应力分布与技术标准比较，确定其是否满足工况下的正常使用条件，为冷却板应用提供了技术参考。

1.4 本课题的研究目的、意义和主要研究内容

研究目的及意义：冷却板是冶炼炉冷却设备的一种，它的结构设计，工艺参数，材质及连接方式等各种因素决定了冶炼炉质量，而冶炼炉质量决定着冶炼炉寿命。而冶炼炉寿命影响着钢铁企业的经济效益，同时冶炼炉寿命也是当代炼铁技术进步的重要标志和组成部分。为了提高冶炼炉寿命，设计出适合生产需求，具有稳定且优异性能的冷却板已是重中之重。

本课题根据某公司要求改进设计微晶玻璃冶炼炉冷却板，并比较冷却板材质分别为球墨铸铁和铸铜时冷却性能的差异，从而设计出适合生产需求的冷却板，以为微晶冶炼炉节支增效提供重要的技术支撑。因此，本研究具有一定的学术价值和应用价值。

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