一种高炉风口小套梯度涂层设计方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种高炉风口小套梯度涂层设计方法
本专利技术涉及金属表面处理，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术的一个较佳实施例中的有限元分析流程图。；图2是本专利技术的一个较佳实施例中的流程图；图3是本专利技术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专利技术的多个优选实施例，使其
技术实现思路
更加清楚和便于理解。本专利技术可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本专利技术的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。本专利技术采用的技术方案是：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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种验证高炉风口小套梯度涂层设计有效性的方法，其特征在于，包括步骤：/n(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；/n(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；/n(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；/n(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；/n(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；/n(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；/n(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；/n(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。/n...

【技术特征摘要】
1.一种验证高炉风口小套梯度涂层设计有效性的方法，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。


2.如权利要求1所述的验证高炉风口小套梯度涂层设计有效性的方法，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％。


3.如权利要求2所述的验证高炉风口小套梯度涂层设计有效性的方法，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。


4.如权利要求3所述的验证高炉风口小套梯度涂层设计有效性的方法，其中，步骤(5)中，网格划分形式为自由四面体网格。


5.一种高炉风口小套梯度涂层的设计方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉文，李方博，吕金金，陈治宇，章超，鲁雄刚，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31