脱硫喷枪热应力行为数值模拟研究

摘要

脱硫喷枪是铁水预处理工艺的关键部件,它是金属枪芯和耐火材料枪衬组成的复合体。作为一种间歇式喷吹工具,喷枪在使用过程中频繁承受热冲击,常常导致耐火材料工作衬热震龟裂和热应力剥落破损,进而发展为烧穿、弯曲和断裂等恶劣的破损形式,严重影响了喷枪的使用寿命,从而使喷枪维护更换频繁,制约了脱硫生产效率的进一步发挥。
　　 本文结合脱硫喷枪在喷吹脱硫过程中的实际情况,实测了不同温度下喷枪浇注料的热物性参数,运用有限元模拟分析技术,建立了喷枪典型单元(含锚固件)的精细分析模型,利用ANSYS软件计算了脱硫喷枪在实际使用中的温度场和热应力场,探讨了相关因素对喷枪热应力分布的影响规律,提出了以低热应力为特征的新型喷枪结构,并在现场实际应用。
　　 结果表明,脱硫喷枪使用过程中温度变化较大,枪衬耐火材料大部分时间承受的热应力为张应力;随着喷枪使用次数的增加,喷枪外层耐火材料热应力不断升高;金属枪芯与耐火材料结合界面上热应力分布非常不均匀,截面上正对加强管部位的热应力较大,可能会导致此处耐火材料的纵裂纹破损。
　　 喷枪耐火材料热物理性能对喷枪热应力影响较大,在模拟条件下,材料弹性模量越小、导热系数越大、热膨胀系数越小,越有利于喷枪整体热应力的改善;在枪芯与浇注料之间设置缓冲间隙可以有效减小喷枪的整体热应力,计算条件下,最佳间隙厚度为0.2mm;喷枪结构形式对脱硫喷枪热应力有较大影响,设计的两种新型结构均能大幅度降低枪衬浇注料的最大热应力。按照上述相关因素对喷枪热应力的影响规律,完成了喷枪浇注料的改进和新型脱硫喷枪的制备,并在某炼钢厂进行了工业性试验,取得了延长喷枪使用寿命122％的优良效果。