铜冶炼炉溜槽上方钢梁温度分布研究

●姜清悦

(武警学院研究生队，河北廊坊 065000)

(本栏责任编辑、校对 李 蕾)

0 引言

火法炼铜是当今生产铜的主要方法，其生产工艺过程一般为:铜矿→冰铜→粗铜→纯铜［1］。这些工序是在不同的冶炼炉中进行，冶炼出的中间产品是通过溜槽向下一级冶炼炉输送。冰铜在溜槽输送中处于熔融状态，温度维持在其熔点附近可达2 000 K。国产溜槽一般是敞开式，高温冰铜可对溜槽上方的钢梁产生强烈的热辐射，从而导致梁温度升高，产生温度应力，而梁在作用效应增大的同时抗力变小，可能发生破坏，引发严重损失。因此研究铜冶炼炉溜槽上方钢梁的温度分布，进而对钢梁进行可靠性评估，对保证冶炼厂房的安全意义重大。

1 钢梁温度数值计算模型

在实际冶铜生产过程中冰铜为间断输出，即在一个周期内排放冰铜30 min，间断30 min，如此循环往复，一次连续生产可达300 d。在排放冰铜的30 min内，钢梁会持续接收冰铜的辐射热量而温度不断上升，在间断的30 min内，钢梁会由于向外界散发热量而温度下降。一般输送冰铜的溜槽宽度为0．6 m，长度为6～12 m。冰铜的熔点为1 280℃，在计算过程中取其在溜槽中的初始温度为Tf=1 300℃(考虑可能过热)，并保持温度不变。

溜槽与梁相对位置如图1所示，W表示溜槽宽度(m);L表示溜槽长度(m);bf表示梁翼缘宽度(m);Lc表示梁的总长度(m);ybj表示y方向溜槽边缘到梁边缘距离(m)。

接受溜槽热辐射作用时，将梁简化为矩形截面结构。把冰铜表面双向划分成矩形单元作为辐射面(取△x=0．1 m，△y=0．3 m)，把梁沿轴向每0．1 m划分为一个单元。梁下表面及两个侧表面接受辐射，梁下表面与溜槽表面两者互相平行，两侧面与之垂直。建立如图2、3所示坐标系［2］，时间间隔取△t=60 s，依据传热学原理，辐射面对梁下表面在△t内的辐射传热量为:

式中，Lg表示梁的截面高度(m);0．8 为钢材黑度［3］;ε1为冰铜黑度，取0．75;x1、y1和z分别为x、y及垂直方向上辐射单元中心到梁面辐射接收点之间的距离(m);mj为梁下表面到溜槽上表面的距离(m)。

图1 钢梁与溜槽位置关系示意图

图2 溜槽上表面与梁下表面热辐射示意图

同理可得溜槽上表面对梁一个侧面的换热量q2(如图3所示)为:

图3 溜槽上表面与梁侧面热辐射示意图

式中，d为钢梁翼缘厚度(m)。

梁外露面积为(3×bf+2×Lg)×0．1，根据辐射定律［3］，梁在接受溜槽表面辐射热量的同时向外辐射热量:

式中，Ts为钢梁温度(℃)。通常梁表面与空气对流换热量对钢梁温度影响很小，因此忽略对流换热量的影响。根据能量守恒定律，在△t内梁温度变化增量为:

式中，ρs为钢材密度，取7 850 kg·m-3;F为单元长度钢梁的横截面积(m2);cs为钢材比热(J·kg-1·℃-1)，按下式计算［4］:

式中，T0为初始温度，取30℃。

以上推导中没有考虑热量在梁轴向的传导。设梁第i个单元的温度为Ts(i，t)，考虑热量在梁轴向的传导后，在时刻t+△t时的温度为:

式中，λs为钢材导热系数，取 45 W·m-1·K-1。［5］梁段端部近似按绝热考虑。

2 钢梁温度数值计算及影响因素分析

按上述模型编程计算可得随时间和梁单元位置变化的梁温度分布。

2．1 钢梁温度的周期变化

由于梁的各个单元位置不同，其温度不同。计算出钢梁最高温度与最高平均温度随时间变化情况如图4所示。计算结果表明在加热初期，钢梁的平均温度和最高温度不断上升，经历10个升温-降温周期后，钢梁的最高温度稳定在220℃左右，不再上升。在同一时刻(取80 min)时钢梁温度沿梁长度方向的分布如图5所示，位于溜槽正上方的梁截面温度最高，其余截面的温度沿梁的两侧依次降低。

图4 梁最高温度及平均温度变化曲线

图5 沿梁长度方向钢梁的温度分布曲线

2．2 钢梁温度影响因素分析

钢梁温度与梁的截面尺寸和形状、梁计算截面位置和形状、溜槽与梁相对位置等众多因素有关。由于表征各个因素的参数均在一定范围内变化，首先选定某一参数作为变量，令其余参数取其基本值，计算钢梁温度分布。令各参数基本值为:L=12 m;W=0．6 m;mj=3 m;d=0．025 m;bf=0．5 m;Lc=8 m;ybj=5 m;fb=0．02 m;Lg=0．8 m;Tf=1 300 ℃。

钢梁最高温度及平均温度随钢梁与溜槽距离变化趋势如图6所示(梁长度取6 m)，可见，梁与溜槽距离越远，梁最高温度与平均温度越低，达到最高温度的时间越长。钢梁最高温度及平均温度随梁长度变化趋势如图7所示，可见，梁长度大小不影响梁最高温度，梁长度越大平均温度越低。钢梁最高温度及平均温度随翼缘宽度变化趋势如图8所示，可见，梁温度随梁翼缘宽度增大而增大，但变化幅度不大。钢梁最高温度及平均温度随梁截面高度变化趋势如图9所示，可见，梁最高温度及平均温度均随梁截面高度增大而降低。

图6 钢梁与溜槽距离对应梁温度曲线

图7 钢梁长度对应梁温度曲线

图8 翼缘宽度对应梁温度曲线

图9 梁高度对应梁温度曲线

3 结论

本文通过传热学原理建立铜冶炼炉溜槽上方钢梁的温度计算模型，编程分析计算钢梁在冰铜热作用下的温度分布，结果表明:(1)在加热初期，钢梁的平均温度和最高温度不断上升，经历10个升温-降温周期后，钢梁的最高温度稳定在220℃左右，不再上升。(2)钢梁温度与梁的截面尺寸和形状、梁计算截面位置、溜槽与梁相对位置等众多因素有关:梁与溜槽距离越远，梁截面高度越大，翼缘宽度越小，最高温度与平均温度越低;梁长度大小不影响梁最高温度，但梁长度越大平均温度越低。

需要强调的是，虽然梁的最高温升并不是很高，钢梁的材料强度降低不大，但是如果钢梁周围受到其他构件的较强约束，将会产生较大的温度应力，可能对钢梁产生破坏。这一问题应该引起结构工程师的足够重视。

［1］许并社，李明照．铜冶炼工艺［M］．北京：化学工业出版社，2007：9-11．

［2］刘红雅．有色金属企业钢结构厂房在炉料热作用下钢构件温度分布研究［D］．廊坊：武警学院，2005．

［3］杨世铭，陶文铨．传热学［M］．北京：高等教育出版社，1998：211．

［4］《有色冶金炉设计手册》编委会．有色冶金炉设计手册［M］．北京：冶金工业出版社，2004：5．

［5］CECS 200：2006，建筑钢结构防火技术规范［S］．