CN112597606B - 一种高炉风口小套梯度涂层设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高炉风口小套梯度涂层的设计方法，包括步骤(1)建模；(2)建立计算域；(3)设置材料属性；(4)设置计算域物理场；(5)网格划分；(6)对流场与温度场进行求解；(7)对应力场进行求解；(8)验证；(9)设计。

Description

一种高炉风口小套梯度涂层设计方法
技术领域
本发明涉及金属表面处理，尤其涉及一种基于温度场和应力场确定高炉风口小套梯度涂层的方法。
背景技术
随着社会的发展，能源问题逐渐成为了人们的焦点。以高炉炼铁为代表的炼铁节能技术便为其中之一。其炼铁过程中，风口小套是高炉冶炼生产送风所必须的设备，其寿命长短直接影响到高炉能否保持顺利运行，获得高产和降低炼铁的成本。随着高炉冶炼强度的不断提高和喷煤技术的升级，高炉风口小套的工作环境更加恶劣，它处在温度可达2000℃以上的高炉缸内，承受着高温区的辐射以及对流的冲击；在其前端受到约1500℃液态渣铁和物料的冲蚀；风口内通过900℃～1300℃的热风和煤粉的冲蚀；燃烧循环区存在着强烈的氧化作用和微量元素的浸润；此外，风口小套内部冷却水的温度很低，而风口小套的外表面承受来自高炉内部的高温，导致风口小套壁承受着很大的温度梯度而引起的热应力，容易导致焊缝脱落。由此可见，提高风口小套的寿命是亟待解决的问题。
在目前生产中，为解决这一问题，主要从三个方面来改进：改善材质、改进高炉风口结构、表面处理。现在广泛使用的小套材质是紫铜，结构是贯流式，主要为了提高风口小套的换热能力。表面强化处理技术主要有热喷涂、多元共渗和堆焊等。近年来提出表面熔覆梯度涂层，以保证界面的结合强度防止涂层剥落并提高表面硬度。小套本体先熔覆合金打底层，然后金属陶瓷过渡层，最后陶瓷工作层。这样所制备的涂层有一定的梯度，结合力更好不容易脱落。显而易见，每层的材料种类繁多，导致工作量及其巨大。因此，本领域的技术人员致力于开发出一种简化工作量，节约实验成本的一种方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题提供一种简化工作量，节约实验成本的基于温度场和应力场确定高炉风口小套梯度涂层的方法。
为实现上述目的，本发明首先提供了一种验证高炉风口小套梯度涂层设计有效性的方法，包括步骤：
(1)建模：利用几何建模工具构建与实际风口小套尺寸相同的几何模型；
(2)建立计算域：风口小套的本体建立第一计算域；风口小套的内部空腔抽取流体模型建立第二计算域；梯度涂层部分建立第三计算域；
(3)设置材料属性：设置第一计算域中的风口小套材质为紫铜；设置第二计算域中的流体为冷却水；根据设计方案对第三计算域中的梯度涂层的材料属性进行设置；
(4)设置计算域物理场：将第二计算域的流场边界层设置为风口小套的内壁面；温度场被设置为包括第三计算域与高炉内部热传递，以及第一计算域与第二计算域的热传递、第一计算域和第三计算域与周围空气的热传递和冷却水的温度场；应力场包括风口小套的本体和梯度涂层本身与高炉壁面固定和因温度不同所产生应力场，不同梯度涂层因为材料属性的不同引起热膨胀的差异所产生的应力场；
(5)网格划分：利用有限元分析软件内置的网格剖分模块进行网格划分，确保网格的平滑过渡，且使不同计算域之间节点一致；
(6)对流场与温度场进行求解：对第二计算域采用k-ω湍流模型，设置进水口的温度和流量，设置第一计算域和第三计算域的各个壁面的边界条件，使用稳态求解方式直至收敛；
(7)对应力场进行求解：结合温度场的求解结果，设置应力场边界条件，采用稳态求解器直至收敛；
(8)验证：根据第一计算域和第三计算域的应力计算结果，绘制不同界面的应力分布图和最大应力周围分布图，对梯度涂层的设计有效性进行分析验证。
进一步地，在步骤(3)中，将第三计算域设为不同稀释率下的Ni60自溶性合金粉末，从内到外依次铜质量占比为90％、50％、5％。
进一步地，步骤(3)中，第二计算域为从冷却水入口到出口贯流式螺旋通道。
进一步地，步骤(5)中，网格划分形式为自由四面体网格。
本发明在第二方面提供了一种高炉风口小套梯度涂层的设计方法，包括步骤：
(1)建模：利用几何建模工具构建与实际风口小套尺寸相同的几何模型；
(2)建立计算域：风口小套的本体建立第一计算域；风口小套的内部空腔抽取流体模型建立第二计算域；梯度涂层部分建立第三计算域；
(3)设置材料属性：设置第一计算域中的风口小套材质为紫铜；设置第二计算域中的流体为冷却水；根据设计方案对第三计算域中的梯度涂层的材料属性进行设置；
(4)设置计算域物理场：将第二计算域的流场边界层设置为风口小套的内壁面；温度场被设置为包括第三计算域与高炉内部热传递，以及第一计算域与第二计算域的热传递、第一计算域和第三计算域与周围空气的热传递和冷却水的温度场；应力场包括风口小套的本体和梯度涂层本身与高炉壁面固定和因温度不同所产生应力场，不同梯度涂层因为材料属性的不同引起热膨胀的差异所产生的应力场；
(5)网格划分：利用有限元分析软件内置的网格剖分模块进行网格划分，确保网格的平滑过渡，且使不同计算域之间节点一致；
(6)对流场与温度场进行求解：对第二计算域采用k-ω湍流模型，设置进水口的温度和流量，设置第一计算域和第三计算域的各个壁面的边界条件，使用稳态求解方式直至收敛；
(7)对应力场进行求解：结合温度场的求解结果，设置应力场边界条件，采用稳态求解器直至收敛；
(8)验证：根据第一计算域和第三计算域的应力计算结果，绘制不同界面的应力分布图和最大应力周围分布图，对梯度涂层的设计有效性进行分析验证；
(9)设计：通过对梯度涂层设计不同材料性质和每层不同的厚度，重复步骤(3)-(8)验证其有效性，从而得到所需的梯度涂层的设计方案。
进一步地，在步骤(3)中，将第三计算域设为不同稀释率下的Ni60自溶性合金粉末，从内到外依次铜质量占比为90％、50％、5％。
进一步地，步骤(3)中，第二计算域为从冷却水入口到出口贯流式螺旋通道。
进一步地，步骤(5)中，网格划分形式为自由四面体网格。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例中的有限元分析流程图。；
图2是本发明的一个较佳实施例中的流程图；
图3是本发明的一个较佳实施例中的风口小套实际几何模型图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
本发明采用的技术方案是：
一)构建与实际贯流式风口小套尺寸相同的计算模型、内部冷却水模型以及表面梯度涂层模型；
二)以贯流式风口小套尺寸相同的计算模型、内部冷却水模型以及表面梯度涂层模型分别对应建立计算域1、计算域2以及计算域3；
三)设置计算域1、计算域2及计算域3中的风口小套和梯度涂层的材质及流体域；
四)设置流场的区域(采用k-ω湍流模型)及其边界层和边界条件、温度场的区域及边界条件和应力场的区域及其边界条件；
五)使用有限元分析软件的网格剖分分别对各个计算域进行网格划分；
六)通过设置在实际情况下的流场和温度场边界条件，模拟不同材料的梯度涂层，得到计算域1、计算域2及计算域3的流场、温度场及应力场分布结果；
七)根据步骤六)中得到的计算域1、计算域2和计算域3的流场、温度场及应力场分布结果，可以判断出应力是否超过材料的本身的许用强度；通过分析不同材料性质和每层不同的厚度来得到一个合理的梯度涂层。
参考图1及图2，本发明所述的一种基于温度场和应力场确定高炉风口小套合理梯度涂层的方法包括以下步骤：
(1)根据风口小套图纸，利用几何建模工具构建与实际风口小套尺寸相同的几何模型，其中，图3为风口小套几何模型；
(2)由图1所示计算流程，开始建立计算域：风口小套本体以建立计算域1；内部空腔抽取流体模型以建立计算域2；涂层部分建立计算域3；
(3)材料属性定义：1)固体域材料属性：计算域1中的风口本体材质为紫铜金属材料；计算域3中根据自己所制材料设置不同的材料属性，此处设为不同稀释率下的Ni60自溶性合金粉末(从内到外依次铜占比为90％、50％、5％)；2)流体域材料属性：计算域2为内部冷却水，从入口到出口的一种贯流式螺旋通道；
(4)计算域物理场设置：1)流场是风口小套内部的水冷的流动区域，仅有计算域2，设置流场边界层为风口小套的内壁面；2)温度场包括计算域3与高炉内部热传递，以及计算域1与计算域2的热传递、计算域1、3与周围空气的热传递和冷却水的温度场；3)应力场包括风口小套本体和涂层本身与高炉壁面固定和因温度不同所产生应力场，不同梯度涂层因为材料属性的不同引起热膨胀的差异所产生的应力场；
(5)利用有限元分析软件内置的网格剖分模块进行网格划分，确保网格的平滑过渡；不同计算域之间节点一致；流体区域划分较细的边界层网格，网格划分形式为自由四面体网格；
(6)计算域2采用k-ω湍流模型，设置进水口的温度和流量，固体计算域各个壁面的边界条件，按照图2流场与温度场求解流程，使用稳态求解方式直至收敛；
(7)结合步骤(6)的温度场结果，设置应力场边界条件，采用稳态求解器直至收敛。
(8)根据计算域1和计算域3的应力计算结果，绘制不同界面的应力分布图和最大应力周围分布图，分析结果是否可行，然后回到步骤(3)通过改变不同梯度涂层的材料属性和厚度继续分析应力结果，找出合适的梯度涂层材料。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高炉风口小套梯度涂层的设计方法，其特征在于，包括步骤：
(1)建模：利用几何建模工具构建与实际风口小套尺寸相同的几何模型；
(2)建立计算域：所述风口小套的本体建立第一计算域；所述风口小套的内部空腔抽取流体模型建立第二计算域；梯度涂层部分建立第三计算域；
(3)设置材料属性：设置所述第一计算域中的风口小套材质为紫铜；设置所述第二计算域中的流体为冷却水；根据设计方案对所述第三计算域中的所述梯度涂层的材料属性进行设置；
(4)设置计算域物理场：将所述第二计算域的流场边界层设置为所述的风口小套的内壁面；温度场被设置为包括所述第三计算域与高炉内部热传递，以及所述第一计算域与所述第二计算域的热传递、所述第一计算域和第三计算域与周围空气的热传递和所述冷却水的温度场；应力场包括所述风口小套的本体和所述梯度涂层本身与高炉壁面固定和因温度不同所产生应力场，不同梯度涂层因为材料属性的不同引起热膨胀的差异所产生的应力场；
(5)网格划分：利用有限元分析软件内置的网格剖分模块进行网格划分，确保网格的平滑过渡，且使不同计算域之间节点一致；
(6)对流场与温度场进行求解：对所述第二计算域采用k-ω湍流模型，设置进水口的温度和流量，设置所述第一计算域和第三计算域的各个壁面的边界条件，使用稳态求解方式直至收敛；
(7)对应力场进行求解：结合温度场的求解结果，设置应力场边界条件，采用稳态求解器直至收敛；
(8)验证：根据所述第一计算域和所述第三计算域的应力计算结果，绘制不同界面的应力分布图和最大应力周围分布图，对所述的梯度涂层的设计有效性进行分析验证；
(9)设计：通过对所述的梯度涂层设计不同材料性质和每层不同的厚度，重复步骤(3)-(8)验证其有效性，从而得到所需的所述梯度涂层的设计方案；
其中，在步骤(3)中，将所述第三计算域设为不同稀释率下的Ni60自溶性合金粉末，从内到外依次铜质量占比为90％、50％、5％。
2.如权利要求1所述的高炉风口小套梯度涂层设计方法，其中，所述步骤(3)中，所述第二计算域为从冷却水入口到出口贯流式螺旋通道。
3.如权利要求2所述的高炉风口小套梯度涂层设计方法，其中，步骤(5)中，网格划分形式为自由四面体网格。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101736109A (zh) * 2009-12-31 2010-06-16 江苏省沙钢钢铁研究院有限公司 测量高炉风口小套和中套变形角度的装置及方法
CN105950809A (zh) * 2016-06-23 2016-09-21 北京科技大学 一种用于高炉冷却器热态试验的冷却水循环系统
CN110628976A (zh) * 2019-10-18 2019-12-31 西安鑫精合智能制造有限公司 一种防护涂层、高炉风口小套及防护涂层的喷涂方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110263467A (zh) * 2019-06-26 2019-09-20 东北电力大学 一种基于场协同原理的四角切圆锅炉数值分析方法
CN111261232B (zh) * 2020-01-14 2023-02-07 西安热工研究院有限公司 反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法
CN112069667B (zh) * 2020-08-25 2023-10-03 一汽解放青岛汽车有限公司 一种中冷器流热固耦合数值仿真方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101736109A (zh) * 2009-12-31 2010-06-16 江苏省沙钢钢铁研究院有限公司 测量高炉风口小套和中套变形角度的装置及方法
CN105950809A (zh) * 2016-06-23 2016-09-21 北京科技大学 一种用于高炉冷却器热态试验的冷却水循环系统
CN110628976A (zh) * 2019-10-18 2019-12-31 西安鑫精合智能制造有限公司 一种防护涂层、高炉风口小套及防护涂层的喷涂方法

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