高炉冷却壁盲孔法残余应力检测研究试验

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高炉冷却壁位于炉壳及炉衬之间,其功能是保护炉壳免受高温的侵蚀,是维护高炉炼铁正常生产不可缺少的冷却装置。高炉冷却壁有两种制造工艺:轧制和铸造,轧制冷却壁主要用于铜冷却壁上,其中大部分冷却壁都由铸铁和铸钢工艺生产。在铸造过程中,由于凝固相变差异、内外冷却收缩不均匀等原因产生残余应力。受残余应力的影响,冷却壁在使用过程中会发生变形与开裂现象,导致冷却壁损坏失效,不仅影响高炉长寿,还威胁到高炉安装和生产。因此需要进行消除应力处理,一般减少应力的方法有:对铸件进行消除应力退火,或自然时效,或在安装冷却壁时采取4个螺栓固定使其受力均匀减少应力集中。

在进行消除应力处理后,对其进行残余应力检测,采用盲孔法测残余应力,验证这3种消除应力方法的效果,为生产制造安装类似的高炉冷却壁提供了实践经验。

残余应力检测试件选取

1.取浇筑成型且处于高炉生产热强度较高的2块高炉冷却壁(第4、5段冷却壁各1块),未经任何处理时进行第一次测试。

2.第1次测试完成后,把原试件2块冷却壁进行退火热处理,处理后进行第二次测试,以便比较试件在消除应力退火处理前后的残余应力变化。

3.第4段冷却壁安装完毕后,进行第三次残余应力检测,以便判定装配过程及方法对残余应力的影响。

4.取经自然时效处理的冷却壁1块(该铸造冷却壁已放置1年以上)进行第四次残余应力检测,与第4段热处理前的冷却壁比较。

5.选取制造冷却壁的球墨铸铁加工成标准试样,进行释放系数及弹性模量的测定。

残余应力检测方案

按照要求选定好测点,使用残余应力检测仪测出应变值,计算出残余应力。此次试验采用JHMK残余应力检测系统,由JHYC静态应变仪和JHZK残余应力精密钻孔装置组合而成。仪器精度高,测量结果准确。

1.第4段冷却壁测点布置。考虑冷却壁的使用条件以及位置对称关系,在冷却壁表面选择17个测点进行残余应力检测,其中编号1-7为退火消除应力前测点,编号8-14为退火消除应力后测点,编号15-17为安装完毕后测定。

2.第5段冷却壁测点布置。与第4段冷却壁一样,在冷却壁表面选择12个测点进行残余应力检测,其中编号1-6为退火消除应力前测点,编号7-12为退火消除应力后测点。

3.自然时效冷却壁测点布置。考虑高炉冷却壁的使用条件以及位置对称关系,在冷却壁表面选取8个测点进行表面残余应力测试,编号1-8为自然时效处理后测点。

结论

1.在消除应力退火处理下,冷却壁的表面残余应力大大下降,下降幅度大约为50%-70%。因此,去应力退火可有效地降低冷却壁变形和开裂的风险。

2.冷却壁安装完毕后,检查冷却壁热面(靠近炉内面)表面残余应力有下降的趋势,其原因是由于安装过程中产生的弯曲压应力抵消了部分残余拉应力。安装时要确保螺栓预紧力均匀,避免施焊导致应力增大。冷却壁正面(安装水管面)由于安装时产生的弯曲拉应力使得残余拉应力略有增大的趋势,但增幅不大,不会造成影响。

3.对经自然时效处理的冷却壁进行残余应力检测,通过与第5段冷却壁退火前应力水平比较,应力水平下降50%-70%左右。下降幅度接近消除应力退火热处理方法,可以达到相同的效果。所以可采用热时效来消除高炉的残余应力。