連鑄中間包熱損失影響因素的數(shù)值分析

杜亞偉 杜海明 杜玉蘭 單 強(qiáng) 蘇 彬

(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

連鑄中間包熱損失影響因素的數(shù)值分析

杜亞偉 杜海明 杜玉蘭 單 強(qiáng) 蘇 彬

(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

為掌握典型工況條件對連鑄過程中中間包熱損失的影響程度，基于大型數(shù)模分析軟件ANSYS 熱分析模塊，對普碳低合金鋼種連鑄中間包熱損失影響因素進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明：1)當(dāng)鋼水較大面積暴露在環(huán)境中時(shí)，環(huán)境溫度的變化將顯著影響中間包鋼水溫度的變化；2)實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量減少中間包操作孔敞開的時(shí)間；3)中間包保溫層采用新型隔熱保溫材料將大幅改善其保溫效果；4)覆蓋劑的合理選用及正確使用有助于降低上鋼溫度。

連鑄中間包 熱損失 數(shù)值模擬

AbstractIn order to grasp the influence of the typical operating conditions on the heat loss in the continuous casting tundish，the numerical analysis on the influence factors of the heat loss in the tundish in continuous casting for the carbon-steel and low alloy steel，based on the thermal analysis module of the software ANSYS，had been carried out. The results showed that，1)The steel temperature could be affected significantly when the molten steel ws exposed to the environment in large area；2)In practice，the opening time of the operation hole on the tundish should be minimized；3) The heat preservation effect in the tundish wounld be improved，if the new heat insulation materials were applied to the insulation on the tundish；4)Reasonable selection and proper use of the covering agent could help reduce the end point temperature of the LF refining.

KEYWORDScontinuous casting tundish heatloss numerical simulation

0 前言

溫度是整個(gè)煉鋼生產(chǎn)的生命線，中間包鋼水溫度作為連鑄流程乃至整個(gè)煉鋼流程溫度控制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其溫度高低、波動(dòng)直接或間接影響鋼材質(zhì)量和產(chǎn)量。

對中間包溫度的研究，20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)雖相繼開發(fā)并應(yīng)用了各種中間包測溫技術(shù)和設(shè)備，如寶鋼等企業(yè)利用連續(xù)測溫裝置對中間包進(jìn)行了熱測試[1]。并且以往對中間包熱狀態(tài)的研究多將其作為鋼包熱循環(huán)過程的一個(gè)組成部分，對影響中間包溫度變化規(guī)律的影響因素研究并不多見。因此，要了解中間包溫度的變化規(guī)律和穩(wěn)定控制中間包溫度，必須對影響中間包溫度的因素進(jìn)行分析和研究，才能更好的實(shí)現(xiàn)中間包的溫控。

以某鋼廠3#鑄機(jī)的中間包澆鑄過程為例，擬采用大型商用有限元分析軟件ANSYS11.0建立中間包的相關(guān)熱損失數(shù)學(xué)模型，著重就中間包所處的環(huán)境溫度變化、中間包操作孔封閉與否、中間包保溫層厚度及材質(zhì)改變等幾種工況條件進(jìn)行相關(guān)數(shù)值分析，以期找到影響中間包溫度變化的規(guī)律。同時(shí)，就中間包澆注過程的溫降規(guī)律進(jìn)行模擬分析，為中間包內(nèi)鋼液溫降控制提供理論依據(jù)，從而指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

1 中間包溫度模型的建立

以某鋼廠3#鑄機(jī)用中間包(正常工作噸位～53 t，液面高度～1 200 mm)為研究對象，以普碳低合金鋼為例，建立中間包溫度模型進(jìn)行數(shù)值模擬。中間包結(jié)構(gòu)尺寸及各部分耐材尺寸和相應(yīng)的物性參數(shù)分別見表1、表2、表3[2]和表4[3]。

表1 中間包包體外形尺寸 / m

表2 中間包包底及側(cè)壁各層厚度 / m

表3 中間包各組成部分的熱物性參數(shù)

表4 中間包包蓋尺寸及熱物性參數(shù)

注：1. 包蓋各操作孔總面積約占包蓋平面面積的30%～40%； 2. 鋼殼厚度約8 mm，鋼纖維澆注料厚度約200 mm。

1.1 ANSYS模擬過程簡述

ANSYS求解模型分3個(gè)步驟[4]：前處理、求解、后處理。中間包ANSYS數(shù)值模擬的具體程序?yàn)椋骸斑M(jìn)入前處理器”→“定義單元類型及材料熱物性參數(shù)”→“建立中間包實(shí)體模型”→“網(wǎng)格劃分”→“定義表面效應(yīng)單元及空間節(jié)點(diǎn)”→“進(jìn)入求解器”→“施加穩(wěn)態(tài)邊界條件”→“進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解”→“刪除穩(wěn)態(tài)邊界條件，將穩(wěn)態(tài)結(jié)果作為瞬態(tài)分析初始條件并重新施加邊界條件”→“進(jìn)行瞬態(tài)求解”→“進(jìn)入后處理器”→“繪制溫度分布圖、時(shí)間-溫度曲線圖，輸出結(jié)果”→“結(jié)果保存”。

1.2 中間包實(shí)體模型的建立

在ANSYS前處理模塊中對中間包建立實(shí)體模型。利用查閱的相關(guān)物性參數(shù)在ANSYS前處理中分別定義單元類型(SOLID70、SURF152)、材料密度、熱導(dǎo)率、比熱容、輻射率。建立1/4中間包有蓋有覆蓋劑的實(shí)體模型。建立好中間包物理模型后對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加邊界條件并求解。

這里需要說明的是，網(wǎng)格劃分主要分為映射網(wǎng)格劃分(mapped)和自由網(wǎng)格劃分(free)，事實(shí)上，完全靠軟件的自由網(wǎng)格劃分可能容易產(chǎn)生尖銳或邊長比很大的不良單元，但經(jīng)過控制的自由網(wǎng)格劃分的精度與映射網(wǎng)格劃分差別不大[5]。采用自由網(wǎng)格劃分所產(chǎn)生的三角形單元或四面體單元將使自由度大大增加，從而造成運(yùn)算量的增加，隨著機(jī)器配置的逐漸增強(qiáng)，運(yùn)算量大的問題已經(jīng)得到很好的解決，由于中間包各面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故本文采用自由網(wǎng)格劃分方法與映射劃分相結(jié)合的方法，因覆蓋劑層比較薄，所以覆蓋劑的網(wǎng)格劃分尺寸較小，為0.05 m，而其他位置網(wǎng)格尺寸分別為0.1 m和0.5 m，劃分網(wǎng)格后有蓋有覆蓋劑中間包如圖1、圖2所示。

圖1 有蓋有覆蓋劑1/4中間包網(wǎng)格劃分圖2 包蓋4操作孔封閉1/4中間包網(wǎng)格劃分

在上述1/4中間包有限元模型基礎(chǔ)上對模型施加初始條件及邊界條件：1)進(jìn)入Aux12，求解出中間包內(nèi)輻射矩陣；2)再進(jìn)入前處理器，選擇單元MATRIX50(超單元)，并設(shè)置單元KeyOption為熱輻射分析；3)讀入輻射矩陣，刪除生成輻射矩陣的SHELL57單元；4)先定義分析類型為穩(wěn)態(tài)分析；5)定義中間包內(nèi)表面初始溫度，外表面溫度；6)進(jìn)行求解；7)設(shè)置分析類型為瞬態(tài)分析；8)刪除穩(wěn)態(tài)時(shí)施加的邊界條件；9)定義中間包外表面、內(nèi)壁及覆蓋劑上表面對流換熱系數(shù)；10)定義外界空氣溫度，覆蓋劑上表面空氣溫度；11)定義鋼水初始溫度；12)設(shè)置輸出控制為全部結(jié)果；13)定義求解傳熱時(shí)間；14)定義時(shí)間步長；15)求解。

2 影響中間包溫度變化的因素分析

前面簡述了利用有限元分析軟件對中間包溫度模型的建模過程，本部分將在模擬的基礎(chǔ)上求解中間包溫度模型，并較為系統(tǒng)的分析影響中間包鋼水溫度的各影響因素。

2.1 冬夏季不同環(huán)境溫度對中間包鋼水溫度的影響

中間包有蓋有覆蓋劑，分操作孔封閉與不封閉兩種模擬條件，模擬不同環(huán)境溫度對中間包鋼水溫度變化的影響程度，中間包鋼水的“溫度-時(shí)間”曲線圖分別如圖3、圖4所示。環(huán)境溫度取值：冬季設(shè)定為0 ℃，夏季設(shè)定為40 ℃。

圖3 環(huán)境溫度對鋼水溫度的影響(不封閉)圖4 環(huán)境溫度對鋼水溫度的影響(封閉)

1)不封閉情況：從圖3可以看出，30 min內(nèi)中間包鋼水溫度在外界環(huán)境不同時(shí)存在一定的差異。其他條件相同時(shí)，30 min內(nèi)，外界環(huán)境為0 ℃時(shí)要比外界環(huán)境為40 ℃時(shí)多下降3 ℃左右。從這種情況分析，外界環(huán)境溫度是影響中間包溫度穩(wěn)定的一個(gè)相對因素。

2)封閉情況：從圖4可以看出，30 min內(nèi)，外界環(huán)境溫度從0 ℃升高到40 ℃，中間包內(nèi)鋼水溫度的相對變化已經(jīng)很小，相差僅0.5 ℃左右。

上述兩種情況的分析顯示，當(dāng)鋼水較大面積暴露在環(huán)境中時(shí)，外界環(huán)境溫度的變化將顯著影響中間包鋼水溫度的變化。

2.2 包蓋各操作孔封閉與否對中間包鋼水溫度的影響

為掌握包蓋各操作孔封閉與不封閉情況下，對中間包鋼水溫度的影響程度，重點(diǎn)模擬了中間包有蓋有覆蓋劑，相同環(huán)境溫度(夏季為40 ℃)、相同保溫層厚度(5 mm)及相同邊界與初始條件下中間包鋼水溫度隨時(shí)間的變化，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出：1)各操作孔封閉情況中間包鋼水溫降要小于操作孔敞開情況的溫降；2)30 min內(nèi)“封閉情況”要比“敞開情況”少下降3.6 ℃，“敞開情況”對中間包溫度的影響超過了“0 ℃外界環(huán)境溫度對中間包溫降”的影響程度。

由此可見，中間包操作孔封閉與否對中間包保溫有重要的影響，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量減少中間包操作孔敞開的時(shí)間。

圖5 操作孔封閉與否對鋼水溫度的影響

2.3 不同保溫層厚度對中間包鋼水溫度的影響

中間包包壁分為4層，從外到內(nèi)分別為鋼殼、保溫層、永久層和工作層。因中間包工作條件的需要，工作層和永久層的厚度幾乎不變，而鋼殼對中間包的保溫作用又沒有太大影響。所以，要有效提高中間包的保溫性能，只能通過改變中間包保溫層的厚度來實(shí)現(xiàn)。該部分通過討論“不同保溫層厚度”對中間包鋼液溫降的影響。

模擬計(jì)算條件為：中間包有蓋有覆蓋劑，包蓋各操作孔封閉情況下，相同環(huán)境溫度(夏季為40 ℃)、不同保溫層厚度(0.005 m、0.010 m、0.015 m、0.020 m(設(shè)計(jì)厚度)、0.030 m、0.035 m、0.040 m和0.050 m)及相同邊界與初始條件下建立中間包30 min鋼水溫度隨時(shí)間變化的溫度模型，如圖6所示；相應(yīng)取30 min時(shí)0.70 m處中間包寬面?zhèn)缺诒貙又胁?8種不同厚度方案)的“溫度-厚度”曲線，如圖7所示。

圖6 保溫層厚度對鋼水溫度的影響圖7 保溫層8種厚度方案溫度分布圖

由圖6、圖7可以看出：

1)鋼水溫度在保溫層厚度處于15 mm和20 mm時(shí)出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折；保溫層厚度提高到20 mm后，鋼水“溫度-時(shí)間”曲線明顯趨緩并有所提高，30 min后鋼水溫度也相應(yīng)提高了3 ℃左右。

2)保溫層8種厚度溫度分布圖同樣表明，在保溫層厚度提高到20 mm后，保溫層中部溫度明顯下降約20 ℃，這足以使中間包包體鋼殼溫度下降20 ℃以上。之后提高保溫層厚度的4種方案，溫度降低程度較小，則說明繼續(xù)提高保溫層厚度意義并不大。

由此可見，適當(dāng)增加保溫層厚度對中間包的保溫效果有一定的影響。而當(dāng)保溫層厚度增加到40 mm時(shí)與20 mm溫度變化基本相同?？芍m然增加中間包保溫層厚度可減少中間包向包外的散熱量，但其厚度增加到一定程度后繼續(xù)增加保溫層厚度對中間包保溫效果影響己經(jīng)不大。

3)如果中間包保溫層在其材質(zhì)不變的條件下，將保溫層實(shí)際投用厚度(目前實(shí)際投用厚度為～15 mm)保證在20 mm的設(shè)計(jì)厚度(永久層澆注料壓實(shí)后的實(shí)際厚度)以上，中間包保溫效果較好。

4)如果改變保溫層使用材質(zhì)，如采用“新型納米硅反射材料”，其理化指標(biāo)見表5。該種材料每張厚度為10 mm，與石棉氈一樣，砌包結(jié)束后的實(shí)際厚度<10 mm。

模擬結(jié)果顯示，其10 mm～15 mm使用厚度的保溫效果就能滿足相當(dāng)于石棉氈20 mm以上使用厚度的保溫效果(如圖8所示)。

表5 新型納米材料隔熱板主要理化指標(biāo)

2.4 中間包覆蓋劑(材質(zhì)與厚度)輻射及對流熱損失

某鋼廠3#鑄機(jī)要求中間包覆蓋劑厚度≤100 mm，但實(shí)際所用的材質(zhì)均為廢舊的保護(hù)渣或認(rèn)為不太好用的保護(hù)渣材料，并未采用雙層覆蓋劑方式：下層為堿性覆蓋劑熔融結(jié)構(gòu)，主要吸附夾雜用；上層為保溫隔熱層(為避免中間包包蓋另加隔熱層)；但實(shí)際覆蓋厚度無定值，多為20 mm左右。

因此，以下就連澆爐次渣面溫度1 000 ℃(現(xiàn)用中間包覆蓋劑條件下)和渣面溫度為800 ℃(假設(shè)的采用雙層覆蓋劑后的渣面溫度)兩種情況下，對渣面熱損失做計(jì)算對比分析。

2.4.1 熱損失計(jì)算

中間包渣面熱量損失包括“輻射熱損失”和“對流熱損失”(這里假定為自然對流)，其中，包內(nèi)氣氛溫度按tf=600 ℃設(shè)定，中間包渣面長度L=7.607 m，寬度W=1.183 m，黑度按ε= 0.6設(shè)定?？筛鶕?jù)式(1)、式(2)進(jìn)行計(jì)算。

q1=εCb((T/100)4-((tf+273)/100)4)·S

(1)

式中:q1——輻射熱，W；

ε——覆蓋劑表層黑度，這里取0.6；

Cb——黑體輻射系數(shù)，5.67，W·(m2·K4)-1；

T——覆蓋劑表層溫度(這里分別取1 000 ℃和800 ℃，即1 273 K和1 073 K，這兩個(gè)溫度取值即為式(2)中的tw的開氏溫度)，K；

tf——中間包包內(nèi)氣氛溫度，℃。這里按600 ℃設(shè)定；

S——中間包渣面面積(由S=L×W計(jì)算確定)，m2。

q2= h(tw-tf)

(2)

式中:q2——對流熱，W；

h——覆蓋劑表層對包內(nèi)氣氛的對流換熱系數(shù)，W·(m2·K)-1；

tw——覆蓋劑表層溫度，℃。這里分別取1 000 ℃和800 ℃；

tf——如式(1)中的說明。

其中，式(2)中關(guān)于h的計(jì)算則分別依據(jù)式(3)、式(4)、式(5)進(jìn)行確定：

h=Nu·λ/l

(3)

式中:h——如式(2)中的說明；

Nu——努謝爾特準(zhǔn)數(shù)，由式(4)計(jì)算確定；

λ——由定性溫度tm=(tw+tf)/2確定后查得的空氣的熱導(dǎo)率，W·(m·K)-1；

l——定型尺寸，m，由l = (L + W)/2計(jì)算確定。

Nu = C(Gr·Pr)n

(4)

式中:Nu——如式(3)中的說明；

Gr——格拉曉夫準(zhǔn)數(shù)，由式(5)計(jì)算確定；Pr——普朗特準(zhǔn)數(shù)，由定性溫度tm= (tw+ tf) /2確定后查得；

系數(shù)C、指數(shù)n——常數(shù)，由式(5)計(jì)算結(jié)果并參考表6確定。

表6 典型表面形狀實(shí)驗(yàn)室確定的常數(shù)C和n的取值表

Gr=βgl3Δt/ν2

(5)

式中:Gr——如式(4)中的說明；

β——格拉曉夫準(zhǔn)數(shù)Gr中的體積膨脹系數(shù)，由β=1/(tm+273)計(jì)算確定；

g——重力加速度，這里取9.81m·s2；

l——如式(3)中的說明；

Δt——tw-tf的差值，℃；

ν——由定性溫度tm=(tw+tf)/2確定后查得的空氣的運(yùn)動(dòng)粘度，m2·s-1。

結(jié)合式(1) ～式(5)可分別計(jì)算渣面溫度T為1 000+273=1 273 K、800+273=1 073 K時(shí)中間包鋼水渣面熱量損失變化情況，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 中間包不同渣面溫度條件下熱損失計(jì)算結(jié)果

由表7數(shù)據(jù)可知，中間包渣面溫度800 ℃條件下總的熱損失約為渣面溫度1 000 ℃條件下的63%。

2.4.2 對鋼水溫度的影響

液態(tài)鋼水1 500 ℃的熱容按0.879 kJ·(kg·℃)-1計(jì)，中間包容量按5.3×104kg計(jì)。

根據(jù)上述計(jì)算可知，35 min內(nèi)，上述兩種情況下?lián)p失的熱量分別為：1.51×106kJ、5.52×105kJ。那么，在包蓋各操作孔不完全隔熱封閉的情況下，約有30%～40%(前已述及包蓋各操作孔總面積約占包蓋平面面積的30%～40%)的渣層表面暴露于環(huán)境，這里取值30%。則在35 min內(nèi)，依據(jù)公式(6)渣面散失的熱量可使中間包鋼水溫度下降值分別為：8.5 ℃和3.1 ℃。

Q=cmΔt

(6)

式中:Q——熱量，kJ；

c——鋼水的比熱容，kJ·(kg·℃)-1；

m——鋼水質(zhì)量，kg；

Δt——溫差，℃。

以此推算，如果使用雙層覆蓋劑可使盛鋼量160 t的鋼包出站溫度下降3 ℃～5 ℃。這一點(diǎn)進(jìn)一步說明了澆注過程中對中間包操作孔采取隔熱封閉的必要性。

綜上所述，渣面溫度僅降低200 ℃(從1 000 ℃降至800 ℃)的條件下對鋼水出站的溫度就有3 ℃～5 ℃的影響?？上攵?，單就覆蓋劑而言，如果采用雙層覆蓋劑，則通過渣面造成的熱損失將大為降低。

2.5 包蓋加保溫層對中間包鋼水溫度的影響說明

現(xiàn)場砌包實(shí)際表明，中間包包蓋加保溫層(位置在鋼殼內(nèi)側(cè)與鋼纖維澆注料之間)容易造成鋼纖維澆注料塌料事故，所以，這里不再進(jìn)行包蓋加保溫層的熱模擬研究。

3 中間包溫降規(guī)律的數(shù)值分析

澆注過程中，普碳低合金鋼種在鋼水澆注溫度1 570 ℃、澆注周期按35 min計(jì)、中間包加蓋且有覆蓋劑等正常澆注條件的基礎(chǔ)上，計(jì)算了連澆3個(gè)包次的澆注過程中間包鋼水溫度變化規(guī)律，如圖9所示。

圖9 中間包鋼水溫降規(guī)律

計(jì)算所得中間包鋼液溫度變化規(guī)律與寶鋼實(shí)測中間包溫度變化規(guī)律相一致[6]。從圖9可以看出：

1)中間包內(nèi)鋼液溫度變化很大，尤其是第1包次的澆注。第1包次鋼包開始澆注時(shí)包襯溫度較低，且在此期間內(nèi)鋼液表面無任何覆蓋劑，鋼液自由表面直接向中間包空腔及環(huán)境輻射傳熱。

2)隨包襯蓄熱量不斷增加及隨后覆蓋劑等的加入很快達(dá)到熱平衡，中間包內(nèi)鋼液溫度逐漸上升，由圖示曲線走勢可知，鋼液量澆注約1/2時(shí)達(dá)到最高。

3)在澆注中鋼包內(nèi)鋼液的溫度逐漸降低，中間包內(nèi)鋼液溫度也緩慢下降，但遠(yuǎn)小于鋼液溫度上升時(shí)的速度。

4)更換鋼包時(shí)由于無新鋼液注入，包內(nèi)鋼液面迅速下降，這時(shí)鋼液溫度下降速度明顯加快。當(dāng)新的鋼包開澆后，鋼液迅速注入中間包，中間包內(nèi)鋼液面很快恢復(fù)到正常澆注水平，由于新注入的鋼液溫度很高，中間包內(nèi)鋼液溫度隨鋼液的注入而迅速上升且很快達(dá)到最大值，隨后緩慢下降，直到這一包次鋼液澆注結(jié)束，進(jìn)入下一個(gè)包次循環(huán)。

5 結(jié)論

1)僅當(dāng)鋼水較大面積暴露在環(huán)境中時(shí)，外界環(huán)境溫度的變化才顯著影響中間包鋼水溫度的變化。

2)可比條件下，澆注過程中間包操作孔“敞開”情況下對其鋼水溫度的影響超過了冬季相對較低的外界環(huán)境溫度對中間包鋼水溫降的影響程度。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量減少中間包操作孔敞開的時(shí)間。

3)適當(dāng)增加保溫層厚度對中間包的保溫效果有一定的影響。保溫層采用新型隔熱保溫材料將大幅改善中間包的保溫效果。

4)覆蓋劑的合理選用及正確使用有助于降低上鋼溫度，并改善中間包的過程溫降條件。

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NUMERICALANALYSISONTHEINFLUENCEFACTORSOFTHEHEATLOSSINTHECONTINUOUSCASTINGTUNDISH

Du Yawei Du Haiming Du Yulan Shan Qiang Su Bin

(Anyang Iron and Steel Group Co., Ltd)

2017—4—10

聯(lián)系人：杜亞偉，工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心長材產(chǎn)品研究室；