冷卻壁熱態(tài)試驗的熱電偶測溫誤差

摘要:在冷卻壁熱態(tài)試驗中,鉆孔對測點(diǎn)溫度場會產(chǎn)生干擾。利用ANSYS軟件,采用數(shù)值模擬的方法研究了鉆孔的深度、鉆孔的直徑冷卻壁壁體導(dǎo)熱系數(shù)以及冷卻壁熱流密度對鉆孔偏差的影響,分析了測量誤差、鉆孔偏差、試驗偏差之間的關(guān)系。研究結(jié)果顯示,由于鉆孔的存在,使得測點(diǎn)溫度高于沒有鉆孔的實(shí)際溫度,且在相同條件下,銅冷卻壁的熱電偶總體誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鑄鐵冷卻壁,提出降低總體誤差的有效方法。
　　冷卻壁是高爐主要的冷卻設(shè)備。在冷卻壁的研究開發(fā)中,熱態(tài)試驗是不可缺少的環(huán)節(jié)。如日本幾代鑄鐵冷卻壁和目前銅冷卻壁的研究開發(fā)都需要經(jīng)過熱態(tài)試驗測試。熱態(tài)試驗測定壁體溫度分布的主要方法就是在冷卻壁冷面鉆不同深度的孔,將熱電偶焊接在孔底。對于熱電偶測溫系統(tǒng)的誤差估計，人們只考慮儀器誤差,忽略了熱電偶鉆孔對溫度測量值的影響。事實(shí)上,由于鉆孔的存在,鉆孔周圍的熱傳播已經(jīng)發(fā)生了變化,出現(xiàn)了測溫偏差。國外針對淬火過程的溫度測定進(jìn)行過類似的研究可,但有關(guān)冷卻壁溫度測定的誤差研究還沒有見到相關(guān)的文獻(xiàn)。另外,熱電偶結(jié)點(diǎn)與孔底是否完全接觸,對于溫度測量的準(zhǔn)確性也至關(guān)重要。因為只有完全接觸,才能降低熱電偶與壁體間的熱阻,提高測量的精度。重點(diǎn)研究鉆孔對測溫偏差的影響。
　　埋銅管鑄銅冷卻璧和合金化管鑄鐵冷卻壁是作者新開發(fā)的兩種冷卻壁。在對它們進(jìn)行熱態(tài)試驗時,采用的測溫工具就是K型熱電偶,該種熱電偶是由鎳鉻和鎳硅2根導(dǎo)線組成,每根導(dǎo)線套上陶瓷管,使彼此絕緣[圖1(a)]。為了測量不同深度的冷卻壁溫度,從壁體冷面垂直鉆孔,然后將熱電偶結(jié)點(diǎn)焊接在孔底。
 
　　為了下面敘述方便,先介紹文中涉及的幾個名詞術(shù)語。如圖1(b)所示,A點(diǎn)為鉆孔底部的圓心，稱沒有鉆孔時A點(diǎn)位置的溫度為無孔溫度;鉆孔后,A點(diǎn)溫度為有孔溫度;將熱電偶結(jié)點(diǎn)焊接在A點(diǎn),這時熱電偶顯示溫度為A點(diǎn)的實(shí)測溫度;有孔溫度與無孔溫度之差稱為鉆孔偏差;有孔溫度與熱電偶實(shí)測溫度之差稱為測量誤差;實(shí)測溫度與無孔溫度之差為試驗偏差。
　　利用兩種冷卻壁熱態(tài)試驗數(shù)據(jù),確定了兩種冷卻壁溫度場數(shù)值模擬邊界條件,采用三維傳熱數(shù)值模擬的方法研究了熱電偶鉆孔的深度、鉆孔的直徑、冷卻壁壁體導(dǎo)熱系數(shù)以及冷卻壁熱流密度等對鉆孔偏差的影響,用傳熱理論公式計算了測量誤差,為冷卻壁熱態(tài)試驗的試驗偏差估計提供了理論依據(jù)。
1數(shù)學(xué)物理模型
11建立有限元模型
　　試驗鑄銅冷卻壁尺寸800mmX130mmX1852mm;冷卻通道為貫通式,沿壁體高度方向(=向)共有4條,在寬度方向(x向)均勻分布;通道中心間距為200mm,通道為扁孔型,孔的規(guī)格450mmX76.5mmX8mm;燕尾槽鑲磚為高鋁磚。鑄鐵冷卻壁尺寸800mmX235mmX1625mm;冷卻水管為圓孔型,水管規(guī)格中0mmx6mm;燕尾槽鑲磚為燒成微孔鋁碳磚;其它與鑄銅冷卻壁相同。根據(jù)冷卻壁的對稱性,，選高度方向(向)半個肋和半塊鑲磚,寬度方向(x向)1/4冷卻壁(即1根通道),厚度方向為實(shí)際尺寸,鉆孔直徑10mm,建立三維有限元計算模型(圖2.3)。利用
　　ANSYS軟件進(jìn)行溫度場計算,模型采用SOLID70單元,鑄銅模型單元24232個,節(jié)點(diǎn)5216個。鑄鐵冷卻壁模型使用單元25084個,節(jié)點(diǎn)5280個
　　當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時,冷卻壁滿足如下傳熱方程:
 
 
 
1.2邊界條件
　　兩種冷卻壁模型的前面(y=0)、后面(y=200mm)、上面(銅:=74mm,鐵:=75mm)、下面(:=0)設(shè)置為對稱絕熱邊界,熱面(x=0)設(shè)置為爐氣對流換熱邊界,冷面(銅x=130mm.,鐵x=235mm)設(shè)置為與周圍環(huán)境的換熱邊界,冷卻通道內(nèi)表面為冷卻水與壁體的換熱邊界，具體換熱系數(shù)見表1。表1的數(shù)據(jù)來自的熱態(tài)試驗結(jié)果。
1.3物性參數(shù)
　　計算中涉及的材料物性參數(shù)見表2。.
 
2結(jié)果分析
2.1鉆孔內(nèi)填料的導(dǎo)熱系數(shù)和壁體導(dǎo)熱系數(shù)對鉆孔偏差的影響
　　冷卻壁熱態(tài)試驗熱電偶鉆孔直徑為10mm,由于孔內(nèi)有熱電偶導(dǎo)線及陶瓷套管,孔的直徑大大減小,但孔內(nèi)仍有空間。所以,將孔的邊界看作自然對流最符合熱態(tài)試驗的實(shí)際情況。下面分3種情況進(jìn)行計算:①孔內(nèi)填滿導(dǎo)熱系數(shù)為17W/(m.K)的材料;②孔內(nèi)填滿導(dǎo)熱系數(shù)為5W/(m.K)的材料;③孔內(nèi)設(shè)置為接近實(shí)際情況的對流換熱邊界。計算模型選圖2和圖3(孔底距熱面5mm),鑄銅模型選表1中爐溫1153℃的邊界條件,鑄鐵模型選爐溫1147℃的邊界條件。
　　計算結(jié)果顯示,因為鉆孔的存在,導(dǎo)致壁體內(nèi)部有孔溫度高于無孔溫度。對于鑄銅冷卻璧,幾種情況下有孔溫度比無孔溫度高2℃左右,說明孔內(nèi)材料導(dǎo)熱系數(shù)的大小對鉆孔偏差的影響很小。而對于鑄鐵冷卻壁,當(dāng)孔內(nèi)填滿導(dǎo)熱系數(shù)為17W/(m.K)的材料時,鉆孔偏差為2.5℃。如果不填材料,鉆孔偏差為15℃.說明,鉆孔內(nèi)填料的導(dǎo)熱系數(shù)對鑄鐵冷卻壁有孔溫度的影響是巨大的,這是因為銅的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鑄鐵的緣故。由此也說明測溫樣品的導(dǎo)熱系數(shù)直接影響鉆孔偏差。
2.2鉆孔深度對鉆孔偏差的影響
　　以爐溫1153℃的鑄銅邊界條件和爐溫1147℃的鑄鐵邊界條件孔內(nèi)為空氣對流換熱邊界條件為例,對鉆孔直徑10mm、深度分別為125.90.45mm的鑄銅冷卻壁和鉆孔深度分別為230、160.80mm的鑄鐵冷卻壁進(jìn)行溫度場計算,得出鉆孔深度對鉆孔偏差的影響(圖5)。
 
　　計算結(jié)果顯示,距熱面越近,即鉆孔深度越大，產(chǎn)生的鉆孔偏差越大。圖5顯示,距熱面都是51mm的鉆孔,鑄鐵冷卻壁的鉆孔偏差是鑄銅冷卻壁的5.6倍。說明鑄鐵冷卻壁鉆孔深度對鉆孔偏差的影響是很大的,對鑄銅冷卻壁影響較小
 
2.3鉆孔直徑對鉆孔偏差的影響
　　圖6顯示,孔的直徑對鉆孔偏差的影響是巨大的。距熱面都是5mm的鉆孔,對于鑄銅冷卻壁,孔徑增加2倍,鉆孔偏差增加了3倍。對于鑄鐵冷卻璧,當(dāng)孔徑從10mm減小到6mm,直徑減少40%時,鉆孔偏差也降低了40%。可見,用熱電偶測量樣品內(nèi)部溫度時,鉆孔的直徑越小越好。
 
2.4冷卻壁熱流密度對鉆孔偏差的影響
　　圖7顯示,當(dāng)鑄銅冷卻壁熱流密度從154kW/m2增加到200kW/m²時,距熱面5mm的鉆孔,鉆孔偏差從2.68℃增加為4.50℃;鑄鐵冷卻壁熱流密度從58kW/m²增加到101kW/m²時,鉆孔偏差從7.4C增加到13.3℃.說明冷卻壁熱流密度每增加10kW/m²,鑄銅鉆孔偏差增加0.39℃,鑄鐵鉆孔偏差增加1.2℃。計算結(jié)果表明,鑄銅冷卻壁熱流密度對鉆孔偏差的影響是鑄鐵冷卻壁的1/3。
 
2.5有孔溫度與實(shí)測溫度的比較
　　在測量冷卻壁內(nèi)部溫度時,將熱電偶焊接在孔底,這時將有熱量沿鎳鉻-鎳硅導(dǎo)線向外界傳遞,因此,有孔溫度將高于熱電偶實(shí)測溫度。利用微元熱平衡法得到熱電偶在孔內(nèi)牢固情況下的測溫誤差表達(dá)式為:
 
　　式中,T´1、T1、T2分別為有孔溫度、實(shí)測溫度和冷卻壁外部介質(zhì)溫度;d、d分別為鉆孔直徑和熱電偶結(jié)點(diǎn)直徑：λ1、λ2分別為壁體導(dǎo)熱系數(shù)和熱電偶導(dǎo)線平均導(dǎo)熱系數(shù);h為熱電偶孔內(nèi)傳熱系數(shù);ƒ為熱電偶導(dǎo)線截面積。
　　熱態(tài)試驗中,用于冷卻壁內(nèi)部溫度測量的熱電偶的偶絲直徑為1mm,對應(yīng)的熱電偶結(jié)點(diǎn)直徑為2.5mm,熱電偶插入孔直徑為10mm,偶絲平均導(dǎo)熱系數(shù)為17.4W/(m.K),壁體導(dǎo)熱系數(shù)、冷卻壁外部介，質(zhì)溫度及孔內(nèi)傳熱系數(shù)見表1。運(yùn)用公式(2)計算得出鑄銅冷卻壁內(nèi)部測溫誤差不超過0.05℃,而鑄鐵冷卻壁內(nèi)部測溫誤差為4~7℃。綜合以上分析得出,在冷卻壁內(nèi)部測溫時,有孔溫度高于無孔溫度,有孔溫度高于熱電偶實(shí)測溫度。由此說明，熱電偶實(shí)測溫度更接近無孔溫度。
3結(jié)論
(1)鑄銅冷卻壁的鉆孔直徑對測量誤差的影響明顯大于其它因素。鑄銅冷卻壁熱態(tài)試驗時,只要將鉆孔直徑控制在10mm以內(nèi)，無須在鉆孔內(nèi)填料,其試驗偏差不會超過4.5℃。
(2)鑄鐵冷卻壁的鉆孔直徑及鉆孔的深度對測量誤差的影響都是巨大的。為了降低鉆孔對測量誤差的影響,鑄鐵冷卻壁熱態(tài)試驗時,應(yīng)盡量減小鉆孔直徑;其次,需要在鉆孔內(nèi)填入導(dǎo)熱系數(shù)較大的不定型材料。當(dāng)鉆孔直徑控制在10mm以內(nèi)、孔內(nèi)無填料、鑄鐵冷卻壁熱流密度為101kW/m2時,鑄鐵冷卻壁試驗偏差不會超過11℃。