[發明專利]一種高爐風口小套梯度涂層設計方法

有效

• 申請號: 202011507933.1
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112597606B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發明（設計）人: 張玉文;李方博;呂金金;陳治宇;章超;魯雄剛
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23
• 代理公司: 上海劍秋知識產權代理有限公司 31382
• 代理人: 應風曄

本發明公開了一種高爐風口小套梯度涂層的設計方法，包括步驟(1)建模；(2)建立計算域；(3)設置材料屬性；(4)設置計算域物理場；(5)網格劃分；(6)對流場與溫度場進行求解；(7)對應力場進行求解；(8)驗證；(9)設計。

技術領域

本發明涉及金屬表面處理，尤其涉及一種基于溫度場和應力場確定高爐風口小套梯度涂層的方法。

背景技術

隨著社會的發展，能源問題逐漸成為了人們的焦點。以高爐煉鐵為代表的煉鐵節能技術便為其中之一。其煉鐵過程中，風口小套是高爐冶煉生產送風所必須的設備，其壽命長短直接影響到高爐能否保持順利運行，獲得高產和降低煉鐵的成本。隨著高爐冶煉強度的不斷提高和噴煤技術的升級，高爐風口小套的工作環境更加惡劣，它處在溫度可達2000℃以上的高爐缸內，承受著高溫區的輻射以及對流的沖擊；在其前端受到約1500℃液態渣鐵和物料的沖蝕；風口內通過900℃～1300℃的熱風和煤粉的沖蝕；燃燒循環區存在著強烈的氧化作用和微量元素的浸潤；此外，風口小套內部冷卻水的溫度很低，而風口小套的外表面承受來自高爐內部的高溫，導致風口小套壁承受著很大的溫度梯度而引起的熱應力，容易導致焊縫脫落。由此可見，提高風口小套的壽命是亟待解決的問題。

在目前生產中，為解決這一問題，主要從三個方面來改進：改善材質、改進高爐風口結構、表面處理。現在廣泛使用的小套材質是紫銅，結構是貫流式，主要為了提高風口小套的換熱能力。表面強化處理技術主要有熱噴涂、多元共滲和堆焊等。近年來提出表面熔覆梯度涂層，以保證界面的結合強度防止涂層剝落并提高表面硬度。小套本體先熔覆合金打底層，然后金屬陶瓷過渡層，最后陶瓷工作層。這樣所制備的涂層有一定的梯度，結合力更好不容易脫落。顯而易見，每層的材料種類繁多，導致工作量及其巨大。因此，本領域的技術人員致力于開發出一種簡化工作量，節約實驗成本的一種方法。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題提供一種簡化工作量，節約實驗成本的基于溫度場和應力場確定高爐風口小套梯度涂層的方法。

為實現上述目的，本發明首先提供了一種驗證高爐風口小套梯度涂層設計有效性的方法，包括步驟：

(1)建模：利用幾何建模工具構建與實際風口小套尺寸相同的幾何模型；

(2)建立計算域：風口小套的本體建立第一計算域；風口小套的內部空腔抽取流體模型建立第二計算域；梯度涂層部分建立第三計算域；

(3)設置材料屬性：設置第一計算域中的風口小套材質為紫銅；設置第二計算域中的流體為冷卻水；根據設計方案對第三計算域中的梯度涂層的材料屬性進行設置；

(4)設置計算域物理場：將第二計算域的流場邊界層設置為風口小套的內壁面；溫度場被設置為包括第三計算域與高爐內部熱傳遞，以及第一計算域與第二計算域的熱傳遞、第一計算域和第三計算域與周圍空氣的熱傳遞和冷卻水的溫度場；應力場包括風口小套的本體和梯度涂層本身與高爐壁面固定和因溫度不同所產生應力場，不同梯度涂層因為材料屬性的不同引起熱膨脹的差異所產生的應力場；

(5)網格劃分：利用有限元分析軟件內置的網格剖分模塊進行網格劃分，確保網格的平滑過渡，且使不同計算域之間節點一致；

(6)對流場與溫度場進行求解：對第二計算域采用k-ω湍流模型，設置進水口的溫度和流量，設置第一計算域和第三計算域的各個壁面的邊界條件，使用穩態求解方式直至收斂；

(7)對應力場進行求解：結合溫度場的求解結果，設置應力場邊界條件，采用穩態求解器直至收斂；

(8)驗證：根據第一計算域和第三計算域的應力計算結果，繪制不同界面的應力分布圖和最大應力周圍分布圖，對梯度涂層的設計有效性進行分析驗證。

進一步地，在步驟(3)中，將第三計算域設為不同稀釋率下的Ni60自溶性合金粉末，從內到外依次銅質量占比為90％、50％、5％。