鋼包加蓋過程仿真及其保溫性能研究

蔣波，尹平，劉慶運(yùn)

(1.費(fèi)斯托（中國）有限公司上海201206;2.馬鋼股份特鋼公司;3安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽馬鞍山，243000)

鋼包加蓋過程仿真及其保溫性能研究

蔣波1，尹平2，劉慶運(yùn)3

(1.費(fèi)斯托（中國）有限公司上海201206;2.馬鋼股份特鋼公司;3安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽馬鞍山，243000)

基于ADAMS建立了鋼包加蓋的模型，對鋼包取蓋過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證插齒式揭蓋機(jī)構(gòu)的可行性，并根據(jù)仿真結(jié)果對其結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)改進(jìn)。利用有限元法建立了鋼包的熱力學(xué)模型，分析了鋼包穩(wěn)態(tài)溫度場的分布，并將穩(wěn)態(tài)溫度場作為初始條件加載到模型中進(jìn)行鋼包加蓋的瞬態(tài)熱分析，獲得了鋼包的溫度變化曲線。仿真結(jié)果表明鋼包加蓋后可以使鋼包節(jié)能約115伊105kJ，可見對鋼包蓄熱能力影響顯著。

鋼包加蓋;虛擬樣機(jī);有限元分析;溫度場;仿真

1 引言

隨著煉鋼技術(shù)的發(fā)展，鋼水溫度控制越來越重要。鋼包作為煉鋼與連鑄工序之間的主要銜接設(shè)備，其保溫性能直接影響出鋼溫度和澆鑄溫度。針對煉鋼生產(chǎn)過程鋼水溫度波動(dòng)較大，一般采取強(qiáng)化鋼包烘烤、提高鋼包熱周轉(zhuǎn)、優(yōu)化包襯結(jié)構(gòu)、鋼水運(yùn)轉(zhuǎn)過程加保溫劑和澆注過程鋼包加蓋等手段來減少鋼水溫降[1]。通過在鋼包上加蓋，鋼包在同轉(zhuǎn)使用過程中對于鋼包的散熱起到了很好的保護(hù)作用，輻射熱損失可顯著減少[2]，也使鋼包的熱狀態(tài)更加趨于穩(wěn)定，為準(zhǔn)確控制鋼包溫度和溫降創(chuàng)造了條件。由于鋼包加蓋節(jié)能效果顯著，已成為鋼企進(jìn)行節(jié)能降耗的一個(gè)重要手段。

現(xiàn)有鋼包加蓋操作必須借助行車輔助完成，使得此項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際操作中受到極大限制，無法做到在整個(gè)循環(huán)過程中都使鋼包蓋蓋在鋼包上。據(jù)文獻(xiàn)[3~5]所述，國內(nèi)部分科研單位聯(lián)合鋼鐵企業(yè)進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)、轉(zhuǎn)化創(chuàng)新，研究開發(fā)出符合我國鋼企實(shí)情的鋼包全程加蓋工藝技術(shù)和設(shè)備，并獲得了良好的生產(chǎn)實(shí)踐效果。

隨著計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)（CAE）越來越廣泛的使用，工程設(shè)計(jì)也更加多元化，為降低成本和提高研發(fā)周期，虛擬樣機(jī)技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用已日趨成為主流，本文著重介紹利用虛擬樣機(jī)仿真軟件對鋼包加蓋過程進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，從理論角度分析驗(yàn)證鋼包揭蓋機(jī)構(gòu)的可行性以及鋼包加蓋后整體溫度場的變化情況。

2 鋼包加蓋模型

2.1 鋼包參數(shù)

鋼包一般主要由金屬外殼和耐火材料兩部分組成，外殼呈桶狀外形，內(nèi)側(cè)砌筑耐火材料；耐火材料分為三層，分別為安全層、中間工作層和上下渣線層。本論文的鋼包參數(shù)來自于梅鋼150 t型鋼包，其結(jié)構(gòu)尺寸及其特性參數(shù)：鋼包深度4.375 m，內(nèi)徑4.510 m，按實(shí)際盛鋼量折算，鋼包有效容積為35.7 m3，側(cè)壁耐火材料厚度為320 mm，底部耐火材料厚度為450 mm。

鋼包三維模型由Inventor完成，通過兩軟件的數(shù)據(jù)交換接口，將模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行仿真，模型如圖1所示?？紤]到Inventor與ADAMS兩軟件的兼容性問題，在模型導(dǎo)入后進(jìn)行后處理階段須注意檢查模型是否開啟了重力場，由于包蓋的重量對揭取蓋運(yùn)動(dòng)過程中的碰撞有較大影響，不同重量的包蓋產(chǎn)生的慣性與沖量影響到軟件對碰撞力的計(jì)算判定。

圖1 鋼包及包蓋整體模型

由于鋼包揭蓋機(jī)構(gòu)的具體參數(shù)為項(xiàng)目研究的保密內(nèi)容并同時(shí)申請了相關(guān)專利，在此不便對插齒揭蓋機(jī)構(gòu)的具體參數(shù)進(jìn)行闡述，本文僅基于虛擬樣機(jī)分析軟件對鋼包加揭蓋運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真，論證該仿真手段的有效性，為日后進(jìn)一步改善研究提供參考借鑒。

2.2 揭蓋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

根據(jù)鋼包實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，在轉(zhuǎn)爐出鋼前，帶蓋的鋼包通過鋼包車向出鋼位移動(dòng)，經(jīng)過插齒式加揭蓋機(jī)構(gòu)時(shí)將鋼包蓋揭起；等轉(zhuǎn)爐出鋼完成后，受鋼的鋼包從加揭蓋機(jī)構(gòu)下通過時(shí)，包蓋被自動(dòng)加在鋼包上，然后運(yùn)輸?shù)絃F精煉爐，整個(gè)過程順利而流暢，無需人工進(jìn)行干預(yù)。

仿真過程涉及自動(dòng)揭蓋和返回加蓋兩個(gè)流程，對模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)加載，驅(qū)動(dòng)函數(shù)選用Step函數(shù)進(jìn)行定義。由于鋼包在運(yùn)行過程中，包蓋與揭蓋插齒機(jī)構(gòu)會發(fā)生碰撞，必須對其接觸力模型進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)置。ADAMS/View中有兩種接觸力的計(jì)算方法：一種基于恢復(fù)的接觸，根據(jù)損失系數(shù)和補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算接觸力，損失系數(shù)限于單向約束并控制接觸時(shí)的能量耗散，補(bǔ)償系數(shù)決定兩個(gè)構(gòu)件在接觸時(shí)的能量損失；另一種是基于沖擊函數(shù)的接觸，根據(jù)ADAMS函數(shù)庫中的Impact函數(shù)計(jì)算接觸力，其由兩個(gè)部分組成，一個(gè)是由于兩構(gòu)件相互切入而產(chǎn)生的彈性力，另一個(gè)是由相對速度產(chǎn)生的阻尼力。

定義鋼包與包蓋之間的接觸力為contact_1，包蓋與揭蓋機(jī)構(gòu)的接觸力為contact_2，考慮到鋼包運(yùn)動(dòng)時(shí)包蓋與插齒和包體均發(fā)生接觸，碰撞的剛性較強(qiáng)，因此本模型選用Impact函數(shù)作為鋼包各部件間的接觸力計(jì)算準(zhǔn)則，選用WISTIFF積分器作為系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真算法，因?yàn)轭A(yù)測動(dòng)態(tài)很強(qiáng)的情況時(shí)，選用WISTIFF積分器預(yù)測值更精確[6]。

進(jìn)行20 s仿真后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行插齒式揭蓋機(jī)構(gòu)無法使鋼包蓋完整取下，第15 s時(shí)的姿態(tài)如圖2所示。鋼包運(yùn)行過程中，鋼包與包蓋接觸力contact_1始終振蕩變化，揭蓋機(jī)構(gòu)與包蓋的接觸力contact_2幾乎為0，實(shí)際仿真動(dòng)畫也顯示在15 s后包蓋并未越過插齒式揭蓋機(jī)構(gòu)的齒尖，并最終沿齒面錐度方向滑下，揭蓋失敗，說明此結(jié)構(gòu)不能滿足鋼包自動(dòng)加揭蓋的運(yùn)動(dòng)學(xué)過程。

圖2 改進(jìn)前鋼包加揭蓋過程仿真

基于上述分析，對插齒式揭蓋機(jī)構(gòu)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，將插齒的錐度減小，提高鋼包的運(yùn)行速度，并修改插齒臺階過渡處為圓角，減輕包蓋在運(yùn)動(dòng)過程中的振蕩。將改進(jìn)后的模型重新輸入到ADAMS中，仿真時(shí)間設(shè)置為40s，為真實(shí)逼近鋼包蓋分離機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，將仿真步數(shù)設(shè)置為2000steps。檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃笾匦逻M(jìn)行仿真，如圖3所示，包蓋在離開鋼包的一瞬間，即包蓋越過插齒式揭蓋機(jī)構(gòu)齒尖的瞬時(shí)，接觸力contact_1與contact_2均發(fā)生劇烈突變，之后contact_1變?yōu)?，contact_2呈現(xiàn)周期性振蕩變化，說明此時(shí)包蓋已與鋼包分離，包蓋懸掛在揭蓋機(jī)構(gòu)的插齒上并由于慣性作用產(chǎn)生振蕩。鋼包受鋼完成后返回加蓋，30 s時(shí)鋼包耳軸首先插入包蓋的掛鉤，在掛鉤帶動(dòng)下包蓋越過插齒式揭蓋機(jī)構(gòu)的齒尖并與其逐漸分離，contact_2變?yōu)?，包蓋從插齒上滑下并蓋在鋼包上，完成整個(gè)自動(dòng)加揭蓋過程。

綜上所述，經(jīng)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)完全滿足鋼包自動(dòng)加揭蓋的工藝要求，仿真結(jié)果為試驗(yàn)樣機(jī)的試制提供了理論依據(jù)。

圖3 改進(jìn)后鋼包加揭蓋過程仿真

3 鋼包加蓋前后溫度場對比分析

為檢驗(yàn)鋼包加蓋對蓄熱能力的影響，利用有限元分析軟件對鋼包溫度場進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析。由于鋼包結(jié)構(gòu)和所受的載荷均為軸對稱，為減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算量提高計(jì)算效率，將模型中與熱力學(xué)分析不相干的特征略去，選取模型的1/4作為有限元分析對象。鋼包外殼為普通碳鋼，其導(dǎo)熱率為45W/(m.K)左右；內(nèi)襯材料中，工作層內(nèi)襯為含80%氧化鋁的高鋁磚，永久層內(nèi)襯為含60%氧化鋁的高鋁磚，密度取為2840 kg/m3，上下渣線采用的是鎂碳磚，密度為2890 kg/m3；模型計(jì)算中的各材料物性參數(shù)如下表1，表2所示[8]。各材料的熱力學(xué)特性隨著溫度變化呈現(xiàn)非線性，本文溫度場仿真考慮此因素，從而大大提高了仿真計(jì)算精度。

表1 不同溫度下的材料導(dǎo)熱系數(shù)W/(m.K)

表2 不同溫度下的材料比熱容J/(kg.K)

為了精確地得到鋼包的溫度場分布，首先對鋼包狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)模擬，并將計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)溫度場作為初始條件施加在加蓋工況中，再進(jìn)行瞬態(tài)熱力學(xué)分析以驗(yàn)證鋼包加蓋對鋼水保溫及散熱能力的影響。

3.1 鋼包熱邊界條件

鋼包在注入鋼水后，工作層內(nèi)壁與鋼水直接相接觸，因此可以視工作層內(nèi)壁溫度為鋼水溫度；鋼包外殼處在空氣中，外殼與空氣存在熱交換，熱交換存在兩種形式：一種為包殼與空氣的自然對流換熱，另一種為包殼與外界環(huán)境的輻射換[9]。由于輻射換熱為高度非線性計(jì)算，需要耗費(fèi)大量計(jì)算時(shí)間，因此將其等效轉(zhuǎn)化為對流換熱[10]；

式中，Num——努謝爾特?cái)?shù)；λm——空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m.益)；h—鋼包高度，m。

包殼與周圍環(huán)境的輻射換熱轉(zhuǎn)化為對流換熱時(shí)的等價(jià)對流換熱系數(shù)可用下式表示[10]：

式中，hr—等價(jià)對流換熱系數(shù)，W/(m益)；B—Boltzmann常數(shù)，即鋼包表面的黑度系數(shù)；ε—黑體輻射系數(shù)，取為0.8；ta—包殼溫度，益；ts—環(huán)境溫度，益。

3.2 鋼包穩(wěn)態(tài)熱分析

為了分析鋼包在各工況下的溫度場和應(yīng)力場分布，作了如下假設(shè)：(1)鋼包包壁的傾斜度很小，模型近似為圓柱體；(2)鋼包簡化為由多層不同材料組成，包壁內(nèi)襯耐火材料與包底相同；(3)鋼水為穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體，內(nèi)部加載時(shí)考慮為恒定溫度場[11]；施加鋼水溫度載荷1650益，鋼包外殼存在空氣自然對流，環(huán)境溫度為30益，自然對流系數(shù)為12.5 W/(m2益)，穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 鋼包穩(wěn)態(tài)溫度場分布

由圖4可以看出，鋼包溫度場分布均勻，溫度梯度沿厚度方向遞減，由于包底耐材較厚，包底溫度最低，約為264益左右。在有蓋情況下，包蓋耐材部分還要承受承受鋼水帶來的對流換熱，因此包蓋表面的溫度分布相對包壁和包底均較高，溫度最高點(diǎn)集中在包蓋與鋼包接觸處，達(dá)到1724.5益左右。

3.3 鋼包瞬態(tài)熱分析

瞬態(tài)分析設(shè)置多個(gè)子載荷步，采用自動(dòng)時(shí)間步長功能。求解完畢后，溫度云圖和熱流密度向量圖詳細(xì)顯示了計(jì)算結(jié)果。

為了驗(yàn)證鋼包加蓋對鋼包蓄能能力的影響，在溫度場的計(jì)算過程中考慮兩種工況：一是鋼包未加蓋情況，即鋼水在鋼包中的邊界條件為鋼包壁和包底同時(shí)發(fā)生自然對流和輻射熱交換；二是鋼包加蓋完成后，鋼水與空氣隔離，包內(nèi)空氣幾乎不流動(dòng)，因此取消鋼包的自然對流熱交換形式，鋼包通過輻射形式向外進(jìn)行熱交換。

有蓋情況下，鋼包整體通過與空氣進(jìn)行輻射熱交換散發(fā)熱量，應(yīng)用簡單對流邊界條件，設(shè)置仿真時(shí)間為0.5 h，初始時(shí)間步為10 s，運(yùn)行仿真，鋼包整體溫度場分布如圖5(a)，選取鋼包內(nèi)壁面作為分析對象，生成鋼水溫度變化曲線圖5(b)所示。由圖可以看出，經(jīng)過半小時(shí)的散熱，鋼包中溫度最高點(diǎn)在鋼包底部為1609益左右，而鋼水溫度由1650益下降到1566.5益，溫降損失約為84益左右。

圖5 (a)有蓋時(shí)鋼包溫度場分布

圖5 (b)有蓋時(shí)壁面溫度變化曲線

包蓋取去工況下，鋼包中鋼水暴露于空氣中，主要散熱形式有鋼水的輻射散熱和鋼包外壁的自然對流。分別添加邊界條件，根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算取鋼包中的對流換熱系數(shù)和環(huán)境溫度分別為50 W/(m2·益)和1600益，外壁自然對流換熱系數(shù)和環(huán)境溫度分別為25 W/(m2·益)和50益，對其進(jìn)行0.5 h的仿真模擬，得出鋼包溫度場分布如圖6(a)所示，溫度變化曲線如圖6(b)所示。由圖可看出，在無包蓋工況下0.5 h內(nèi)鋼包內(nèi)溫度降低為1491益，溫度損失為150益左右，可見無包蓋情況下鋼包內(nèi)熱量損失明顯。

圖6 (a)無蓋時(shí)鋼包溫度場分布

圖6 (b)無蓋時(shí)鋼包溫度場分布

由上述分析可知，鋼包在有蓋工況下，鋼水的溫降梯度由150益降為84益，可見鋼包全程加蓋技術(shù)將顯著降低鋼包內(nèi)的熱量損失。鋼包容量為250 t，鋼鐵比熱容為0.46伊103kJ/(kg·益)，則可計(jì)算得鋼包加蓋后能量損失減少115伊105kJ，若按鋼包運(yùn)行一周期為半小時(shí)算，則一個(gè)周期內(nèi)鋼包加蓋后的節(jié)能能力折合標(biāo)準(zhǔn)煤392 kg。

4 結(jié)論

虛擬樣機(jī)技術(shù)作為驗(yàn)證機(jī)械設(shè)計(jì)可行性的有效手段，已越來越被業(yè)內(nèi)所認(rèn)可。鋼包加揭蓋機(jī)構(gòu)在國內(nèi)各大鋼廠的普遍應(yīng)用，已經(jīng)充分證明鋼包加蓋技術(shù)是一項(xiàng)節(jié)能、降耗的新技術(shù)，虛擬樣機(jī)仿真手段為該項(xiàng)技術(shù)的研究設(shè)計(jì)縮短了研發(fā)周期，節(jié)約成本，并且通過后期試制1:20的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了經(jīng)虛擬樣機(jī)仿真后的插齒式加揭蓋機(jī)構(gòu)是可行和有效的。

[1]張威，劉曉峰，朱光俊，楊治立.煉鋼廠鋼水溫降研究現(xiàn)狀[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005(4)：34-36.

[2]王英哲，馮志太，李開強(qiáng)，江志庚.連鑄鋼包全過程加蓋保溫試驗(yàn)[J].煉鋼，1994(2)：11-15.

[3]李擁軍，郝江敏等.加蓋工藝在刑鋼80t鋼包上的應(yīng)用[J].河北冶金，2011(2)：46~48.

[4]袁方明，杜洋，牛博.高溫熔體容器全程自動(dòng)加蓋裝置[P].中國專利：ZL200720000491.5,2008-06-25.

[5]劉曉峰.鋼包全程加蓋設(shè)備與工藝研究現(xiàn)狀[J].四川冶金，2011，33（3）：19~22.

[6]赫雄.ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真算法及參數(shù)設(shè)置分析[J].傳動(dòng)技術(shù)，2005，19(3)：27~30.

[7]黃奧等.300t精煉鋼包溫度場和應(yīng)力場的有限元分析[J].耐火材料，2009，43（4）：270~273.

[8]錢之榮，范廣舉.耐火材料實(shí)用手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

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

[10]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)（第三版）.北京：高等教育出版社，1985

[11]盧翔字，楊吉春，王宏明，等.鋼包熱行為數(shù)學(xué)模型研究[J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，19(2)：124~127.

Emulation and Heat-insulating Performance Study of Lad le Covering Process

JIANG Bo1,YIN Ping2,LIU Qingyun3
（1.Festo China Co.,Ltd.,Shanghai 201206;2.Special Steel Co.of Masteel; 3.School of Mechanical Engineering of Anhui University of Technology,Maanshan,Anhui 243000,China）

A model for ladle covering was established based on ADAMS,to dynamically emulate ladle covering process,validate the feasibility of gear-shaping cover remover and re原design the structure of the remover according to the results of the emulation.A thermal mod原el for ladle was set up using finite element method,the distribution of stable temperature field of ladle was analyzed and the stable temperature field was also loaded into the model as initial conditions to perform transient thermal analysis,obtaining temperature time history. Emulation results showed that covered ladle could save energy by about 115伊105kJ,indicating significant effect on heat preservation of ladle.

ladle covering;virtual prototype;finite element analysis;temperature field; emulation

TP311.5

B

1006-6764（2014）04-0061-05

2014-01-15

蔣波（1986-），男，碩士研究生，現(xiàn)研究方向：氣動(dòng)技術(shù)，冶金機(jī)械設(shè)計(jì)。