鋼包鋼水溫降及其影響因素的模擬

杜傳明，戴文斌，于景坤，劉詩(shī)薇

（東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819）

鋼包鋼水溫降及其影響因素的模擬

杜傳明，戴文斌，于景坤，劉詩(shī)薇

（東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819）

通過(guò)有限元方法建立了120 t鋼包的傳熱模型，計(jì)算分析了鋼包在使用過(guò)程中的傳熱行為，研究了鋼包內(nèi)襯及厚度對(duì)鋼水溫降的影響.結(jié)果表明:使用導(dǎo)熱系數(shù)較低的保溫材料，在傳統(tǒng)鋼包內(nèi)襯中添加絕熱層能顯著提高鋼包的保溫效果，減低鋼水溫降速率;改變工作襯厚度對(duì)鋼水溫降速率的影響較小.

鋼包;溫度場(chǎng);鋼水溫降

隨著冶金工業(yè)的快速發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，鋼包的作用日益顯著，并日趨功能化.鋼包內(nèi)的鋼水溫度及其在鋼包內(nèi)溫降不但直接影響冶煉過(guò)程、鋼材質(zhì)量，同時(shí)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益及生產(chǎn)安全也具有重要影響.本研究以某鋼廠120 t鋼包為原型，通過(guò)建立有限元傳熱模型，研究鋼包內(nèi)襯耐火材料的材質(zhì)，厚度等對(duì)鋼水溫降的影響，確定鋼水溫降的主要機(jī)理及影響因素，為進(jìn)一步優(yōu)化鋼包結(jié)構(gòu)提供理論指導(dǎo).

1 傳熱模型

1.1 鋼包結(jié)構(gòu)與尺寸

鋼包盛鋼量為120 t，上部直徑為3 660 mm，下部直徑為3 440 mm，高度為4 110 mm.鋼包襯體由外至內(nèi)依次為鋼殼層、永久層和工作層.鋼包各層厚度如表1所示.其中，永久層采用高鋁質(zhì)澆注料，工作層采用鎂碳磚，鋼包各層材料的物性參數(shù)見(jiàn)表2.

表1 鋼包包底和包壁各層的厚度Table 1 Every layer dimension of ladle bottom and wall mm

表2 鋼包材料的物性參數(shù)Table 2 The physical parameters of lad le materials

1.2 模型建立

根據(jù)鋼包的使用特點(diǎn)，本文按照非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程計(jì)算鋼包襯體和鋼水的溫度場(chǎng)分布及散熱損失.設(shè)包襯達(dá)到熱平衡，忽略其蓄熱，將傳熱模型作如下簡(jiǎn)化:（1）鋼水溫度均勻，不存在熱分層現(xiàn)象;（2）忽略鋼水、渣層內(nèi)部的質(zhì)量傳輸;（3）鋼水和鋼渣以傳導(dǎo)傳熱為主;（4）忽略鋼包耐火材料各層間的接觸熱阻.

根據(jù)鋼包的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以把鋼包簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱體進(jìn)行分析.根據(jù)Fourier熱傳導(dǎo)定律和能量守恒定律建立柱坐標(biāo)系的熱量傳輸方程［5］:

式中:ρ為材料的密度，kg·m－3;c為材料的比熱容，J·kg－·1℃－1;t為溫度，℃;為方位角;為時(shí)間，s;λ 為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m－·1℃－1.

1.3 邊界條件

鋼包內(nèi)壁、渣層與鋼水間的接觸傳熱，按第一類邊界條件（式2）進(jìn)行處理.式中Γ表示鋼包內(nèi)壁;tm為鋼液溫度，℃.

鋼包外壁與周圍空氣之間以對(duì)流和輻射的形式進(jìn)行換熱，按第三類邊界條件（式3）進(jìn)行處理.

式中:tf為環(huán)境溫度，℃;h為綜合換熱系數(shù)，W·m－2·K－1;αc為對(duì)流給熱系數(shù);αr為輻射的等效對(duì)流系數(shù).

式（5）～（7）中:Nu為努塞爾數(shù);λ為周圍空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m－1·K－1;d為鋼包高度，m;Gr為格拉曉夫數(shù);Pr為普朗特?cái)?shù);C、n為常數(shù);ε為黑度系數(shù);T為鋼包外壁溫度，K;Tf為環(huán)境溫度，K;c0為黑體輻射系數(shù)，c0=5.67W·m－2·K－4.取鋼包外壁ε=0.8［3］，計(jì)算得出鋼包外壁的綜合換熱系數(shù)h=25.37W·m－2·K－1.

渣層只考慮輻射傳熱.為了簡(jiǎn)化，將輻射熱損失等效為對(duì)流換熱進(jìn)行計(jì)算.

1.4 初始條件

設(shè)鋼水和鋼渣的初始溫度為1 600℃，周圍空氣溫度為25℃.鋼包中熔池深度為2 600 mm，渣層厚度為100 mm.將以上溫度參數(shù)和邊界條件加載到鋼包上，首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱分析，得出包襯的溫度場(chǎng)，將其作為初始溫度分布加載到模型中，然后再進(jìn)行瞬態(tài)傳熱分析.

2 結(jié)果與討論

根據(jù)對(duì)稱性，選取鋼包模型的1/4作為研究對(duì)象.鋼包靜置15 min后，鋼水和鋼包內(nèi)襯的溫度場(chǎng)如圖1所示.由圖可見(jiàn)，鋼包內(nèi)襯及鋼液溫度由包內(nèi)向外部逐漸降低.由于各層材料的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)不同，導(dǎo)致各層內(nèi)的溫度梯度也不相同.

圖1 鋼水和鋼包襯的溫度場(chǎng)Fig.1 Tem perature field of the molten steel and lad le

本文采用代表值法計(jì)算鋼水溫度，即在熔池內(nèi)選6個(gè)節(jié)點(diǎn)單元，取其在整個(gè)瞬態(tài)過(guò)程中溫降速率的平均值作為鋼水的溫降速率.其中在鋼液上部渣層附近、鋼液中部和包底附近各取2個(gè)點(diǎn).各節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示，可以看出，靠近鋼液中心的節(jié)點(diǎn)（2、4、6）溫降很小，但靠近包襯的節(jié)點(diǎn)（1、3、5）溫降很大.靠近渣層和包底的節(jié)點(diǎn)（1、5）溫降速率最快.這是因?yàn)槌税趥鳠嵬?，還通過(guò)渣層和包底傳熱，散熱量大.15 min后鋼水的平均溫度為1 591℃，溫降速率為0.58℃·min－1.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的鋼水平均溫降速率為0.59℃·min－1，與模型計(jì)算結(jié)果基本一致.

圖3示出了鋼包靜置15 min后，距包底1 300 mm處鋼包內(nèi)襯沿徑向的溫度分布.由圖可見(jiàn)，由于工作層鎂碳磚的導(dǎo)熱系數(shù)較大，且與鋼水接觸，因此其溫度梯度較小，溫度很高;永久層高鋁質(zhì)耐材的導(dǎo)熱系數(shù)最小，熱阻大，通過(guò)永久層溫度下降了約1 000℃;鋼殼導(dǎo)熱系數(shù)很大，溫度變化可忽略不計(jì).從鋼包內(nèi)表面到外表面，由于包襯的隔熱保溫作用，溫度從1 578℃降低至391℃.

圖4為鋼包的熱損失分布.通過(guò)計(jì)算可知，鋼水的總熱流量損失為95.22 kW，其中通過(guò)包壁損失的熱流量有54.77 kW，占總損失的57.52%，通過(guò)渣層輻射傳熱的熱流量占總損失的29.47%.由此可見(jiàn)，鋼包的熱損失主要是通過(guò)鋼包壁的對(duì)流和輻射傳熱.

3 鋼水溫降影響因素分析

3.1 永久層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)鋼水溫降的影響

鋼包永久層的耐火材料對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響很大，氣孔率愈大，則導(dǎo)熱系數(shù)愈小.鋼水的溫降速率隨永久層導(dǎo)熱系數(shù)的變化如圖5所示.由圖可見(jiàn)，隨著永久層導(dǎo)熱系數(shù)的降低，鋼水溫降速率降低，鋼包的保溫性能升高.另外，永久層導(dǎo)熱系數(shù)越低，其對(duì)鋼水溫降速率的影響程度亦越大.若將現(xiàn)有鋼包的導(dǎo)熱系數(shù)降低到0.5 W·m－1·K－1，則鋼水溫降速率可以從 0.58℃·min－1降低到0.33 ℃·min－1.

圖6示出了鋼包內(nèi)襯徑向的溫度分布.由圖可見(jiàn)，隨著永久層導(dǎo)熱系數(shù)的降低，與鋼水接觸的工作層溫度升高，鋼包外表面溫度降低.導(dǎo)熱系數(shù)越小，永久層的溫度梯度越大，溫度急劇下降，隔熱效果越好.鋼包外表面溫度一般在200～400℃，從控制較低表面溫度的角度來(lái)說(shuō)，鋼包永久層導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)小于1.5 W·m－1·K－1這一數(shù)值.當(dāng)k=0.5 W·m－1·K－1時(shí)，鋼包外表面溫度只有222℃，熱量損失明顯減少.

3.2 工作層厚度對(duì)鋼水溫降的影響

由于在使用過(guò)程中鋼包內(nèi)襯將受到鋼液和熔渣的沖刷和侵蝕，工作層的厚度會(huì)隨著鋼包使用次數(shù)的增加而逐漸變薄，這將直接影響鋼包內(nèi)襯的溫度場(chǎng)分布.工作層厚度與鋼水溫降的變化關(guān)系如圖7所示.由圖可見(jiàn)，隨著鋼包工作層的不斷減薄，鋼水溫降速率不斷升高，并且在鋼包使用后期，特別是當(dāng)工作襯厚度減薄至190 mm時(shí)，溫降速率會(huì)明顯升高.當(dāng)工作層減薄至150 mm時(shí)，鋼水溫降的速率達(dá)到了0.64℃·min－1.

工作層厚度變化對(duì)鋼包內(nèi)襯溫度變化的影響如圖8所示.當(dāng)工作層厚度逐漸減薄時(shí)，鋼包壁內(nèi)表面溫度變化不大，但是鋼包外表面溫度會(huì)有所升高.當(dāng)工作層的厚度減少至150 mm時(shí)，鋼包外表面溫度升高了近20℃.可見(jiàn)，工作層的減薄對(duì)包襯的溫度場(chǎng)影響不是十分明顯，這是由鋼包工作襯所使用材質(zhì)的性質(zhì)所決定的.鎂碳磚的導(dǎo)熱系數(shù)比永久層的導(dǎo)熱系數(shù)大幾倍，鋼包內(nèi)襯的導(dǎo)熱熱阻主要集中在永久層上，其溫度梯度很大，而工作層溫度梯度小，厚度變化對(duì)鋼包襯溫度場(chǎng)影響亦較小.

3.3 絕熱層厚度對(duì)鋼水溫降的影響

為了進(jìn)一步增加鋼包的保溫效果，在鋼包外殼和永久層間增設(shè)一層絕熱層，取其導(dǎo)熱系數(shù)k=0.1 W·m－1·K－1，討論其對(duì)鋼水溫降的影響，絕熱層厚度對(duì)鋼水溫降速率的影響如圖9所示.

圖8 鋼包內(nèi)襯徑向的溫度曲線Fig.8 Temperature curves of ladle wallalong radial direction

由圖可見(jiàn)，隨著鋼包絕熱層厚度的增加，鋼水溫降速率顯著降低.當(dāng)絕熱層厚度較大時(shí)，繼續(xù)增加其厚度對(duì)降低鋼水溫降速率效果減弱.若鋼包添加30 mm的絕熱層，鋼水溫降速率將從0.58 ℃·min－1降低到0.25 ℃·min－1，明顯地提高了鋼包的保溫效果.

鋼包絕熱層厚度對(duì)鋼包內(nèi)襯溫度場(chǎng)的影響如圖10所示.由于絕熱層的導(dǎo)熱系數(shù)較低，因此減少了由絕熱層熱面向冷面的傳導(dǎo)熱損失，從而表現(xiàn)為絕熱層熱面溫度較高，冷面溫度較低.隨著絕熱層厚度的增加，鋼包外表面的溫度顯著下降.其中，鋼包加砌10 mm絕熱層時(shí)，鋼包外表面溫度下降至263℃，當(dāng)絕熱層增至30 mm時(shí)，外表面溫度下降至164℃，減少了通過(guò)包壁所產(chǎn)生的傳熱損失.同時(shí)，添加絕熱層還能提高鋼包內(nèi)表面的溫度，絕熱層為10 mm時(shí)，鋼包內(nèi)表面的溫度比無(wú)絕熱層鋼包的溫度高7.5℃，降低了鋼水的溫降速率.由此可見(jiàn)，添加絕熱層能顯著提高鋼包的隔熱保溫效果.

圖10 鋼包內(nèi)襯徑向的溫度曲線Fig.10 Tem perature curves of ladle wallalong radial direction

4 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，120 t鋼包內(nèi)的鋼水溫降速率為0.58℃·min－1，鋼包外表面溫度為391℃，與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)基本一致.鋼包的熱損失主要是通過(guò)包壁的輻射和對(duì)流傳熱.

（2）鋼包永久層的導(dǎo)熱系數(shù)越小，鋼水溫降速率越低，鋼包外表面溫度越低.永久層采用低導(dǎo)熱系數(shù)的輕質(zhì)澆注料，能顯著提高鋼包的保溫效果.

（3）隨著鋼包工作層厚度的減薄，鋼水溫降速率有所升高，鋼包襯體的溫度變化不大.

（4）鋼包殼與永久層間添加絕熱層隔熱效果顯著，不僅可以顯著降低鋼液溫降速率，還可以大幅度降低鋼包外殼溫度，減少通過(guò)包壁和包底的熱損失.

［1］楊治立，朱光俊.210 t鋼包鋼水溫降規(guī)律的數(shù)值模擬［J］.煉鋼，2011，27（2）:61－64.

（Yang Zhi-li，Zhu Guang-jun.Numerical simulation onmolten steel temperature drop of210 t ladle［J］.Steelmaking，2011，27（2）:61 －64.）

［2］黃洪斌，李新健.鋼包溫度場(chǎng)的模擬及節(jié)能計(jì)算［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（1）:28－31.

（Huang Hong-bin，Li Xin-jian.Simulation of temperature field and energy－ saving calculation of ladle［J］.Journal ofWuhan University of Science and Technology，2010，33（1）:28－31.）

［3］楊治立，朱光俊.鋼包穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的有限元模擬［J］.特殊鋼，2007，28（3）:41－43.

（Yang Zhi-li，Zhu Guang-jun.Finite element simulation of stable state temperature field of ladle ［J］.Special Steel，2007，28（3）:41－43.）

［4］李晶，傅杰.60 t鋼包的傳熱分析［J］.特殊鋼，2001，22（4）:16－18.

（Li Jing，F(xiàn)u Jie.An analysis on thermal conducting of a 60 t ladle［J］.Special Steel，2001，22（4）:16 －18.）

［5］ 張先棹.冶金傳輸原理［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1988:198－342.

（Zhang Xian-zhao.Metallurgical transmission principle［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，1988:198 －342.）

［6］劉曉，顧文斌.鋼包的熱分析［J］.寶鋼技術(shù)，1998，5:6－11.

（Liu Xiao，Gu Wen-bin.Thermal analysis of ladle ［J］.Baosteel Technology，1998，5:6 －11.）

［7］孔建益，李楠.有限元法在鋼包溫度場(chǎng)模擬中的應(yīng)用［J］.湖北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，17（2）:6－8.

（Kong Jian-yi，Li Nan，The application of finite element method in simulating temperature field distribution of the ladle［J］.Journal of Hubei Polytechnic University，2002，17（2）:6 －8.）

［8］盛磊，臧勇.結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)對(duì)鋼包溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)影響的仿真研究［J］.重型機(jī)械，2007，2:19－22.

（Sheng Lei，Zang Yong.The influence on temperature and stress of ladle by the structural size and material parameters［J］.Heavy Machinery，2007，2:19 －22.）

［9］ Jiang Guo-zhang.Calculation of temperature distribution for ladle lining ［J］.Refractories Application and News，2004（3）:212－216.

Simulation study on tem perature drop ofmolten steel in ladle and influencing factors

DU Chuan-ming，DAIWen-bin，YU Jing-kun，LIU Shi-wei
（School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

The heat transfer model for 120 t ladle was established by using a finite elementmethod，and the heat transfer behavior of the ladle was investigated according to the analysis results and the influences of the structural dimension and materials for the ladle on the temperature drop of themolten steelwere researched.The research results showed that the heat conservation effect could be increased and the temperature drop of the molten steel could be decreased by using the lining materials with lower thermal conductivity，especially by adding insulating layer in the traditional ladle.Reduction of the working lining dimension had a little effect on the molten steel temperature drop rate.

ladle;temperature field;molten steel temperature drop

TF 769.2

A

1671-6620（2012）03-0160-05

2012-06-05.

杜傳明（1988—），男，東北大學(xué)碩士研究生，E－mail:dcm1988@sina.com;于景坤 （1960—），男，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.