基于Fluent的托圈及聯(lián)接裝置溫度場(chǎng)研究

楊 權(quán),何 康

宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，宿州,234000

轉(zhuǎn)爐托圈是煉鋼設(shè)備的重要組成部分，承受著爐體和鋼液的全部重量以及鋼水的高溫載荷。通過(guò)模擬托圈循環(huán)水的流固耦合界面，可準(zhǔn)確反映托圈及聯(lián)接裝置的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力，并有效降低熱應(yīng)力，減小托圈的變形甚至裂紋，延長(zhǎng)托圈壽命。通入冷卻水的轉(zhuǎn)爐托圈溫度場(chǎng)是典型的熱-流-固三場(chǎng)耦合，借助Fluent流固耦合計(jì)算功能可解決托圈三場(chǎng)耦合分析的難題。

很多學(xué)者通過(guò)有限元分析軟件對(duì)耦合傳熱問(wèn)題進(jìn)行了仿真。陳紅巖等人通過(guò)建立活塞組-缸套-冷卻水-機(jī)體的整機(jī)耦合傳熱系統(tǒng)模型，選用穩(wěn)態(tài)傳熱方式，提取耦合系統(tǒng)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布結(jié)果[1-2]。吳永海等使用CFD方法，采用APDL和Fortran語(yǔ)言編程材料性能與溫度的關(guān)系計(jì)算了身管系統(tǒng)的瞬態(tài)溫度場(chǎng)[3]。駱清國(guó)采用Workbench軟件對(duì)由缸蓋、缸蓋內(nèi)冷卻水道和排氣導(dǎo)管組成的局部系統(tǒng)進(jìn)行了耦合傳熱分析，模擬了額定工況下氣缸蓋的溫度場(chǎng)[4]。李磊等采用Fluent軟件,在穩(wěn)態(tài)傳熱情況下對(duì)離心式壓氣機(jī)進(jìn)行了熱-流-固耦合分析[5]。

解決托圈-流體耦合傳熱問(wèn)題的數(shù)值解法是整場(chǎng)離散和整場(chǎng)求解[6-7]，它將不同區(qū)域中的熱傳遞組合成一個(gè)整體進(jìn)行對(duì)流換熱的求解，采用Fluent提供的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法對(duì)流固耦合界面處的流動(dòng)邊界層和傳熱邊界層進(jìn)行處理。托圈溫度分析需要有熱載荷和熱邊界約束做支撐，溫度測(cè)試是模擬托圈循環(huán)水溫度場(chǎng)首要前提。

1 紅外測(cè)試托圈的溫度

紅外測(cè)溫是一種基于熱輻射原理，測(cè)溫時(shí)元件不需與被測(cè)介質(zhì)接觸的非接觸式測(cè)溫方法[8]。紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成[9]。

本文采用紅外測(cè)溫儀的型號(hào)為RAYRPM20L3U，測(cè)溫范圍為-20～700℃。根據(jù)紅外測(cè)溫儀的原理，于轉(zhuǎn)爐托圈的傾動(dòng)過(guò)程，測(cè)試出托圈和爐體的溫度測(cè)溫點(diǎn)附近的溫度。

數(shù)據(jù)處理得到下蓋板和外腹板的溫度分布情況，托圈下蓋板最高溫度為79.6 ℃左右，最低溫度為44.2 ℃左右，靠近耳軸塊的外腹板區(qū)域溫度在43 ℃浮動(dòng)。在測(cè)試托圈溫度分布時(shí)，為提供托圈的加載條件，對(duì)爐體的一些部位也進(jìn)行了測(cè)試。爐體底面溫度在238 ℃浮動(dòng)。

進(jìn)行溫度測(cè)試為托圈流固耦合分析提供熱載荷和比較，建立轉(zhuǎn)爐托圈整體合理的流固耦合模型對(duì)托圈進(jìn)行流固耦合分析，仿真其溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布至關(guān)重要。

2 托圈內(nèi)部流體分析

2.1 托圈的流體及有限元模型

托圈循環(huán)水經(jīng)長(zhǎng)耳軸一端進(jìn)入，穿過(guò)封閉箱型內(nèi)的筋板，從短耳軸端流出。根據(jù)鋼廠托圈結(jié)構(gòu)，給出托圈水流分布模型，如圖1。整個(gè)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)有9根通徑為50 mm的管道通往系統(tǒng)不同的部位，其中4根管子通往托圈，3根管子通往爐帽，2根管子通往爐體，托圈的流量為總流量的4/9，爐帽占總流量的3/9，爐體占2/9。系統(tǒng)進(jìn)水總流量為276 m3/h，托圈的流量為123 m3/h。

圖1 托圈水循環(huán)示意圖

將建好的模型導(dǎo)入Fluent中，在Fluent中建立有限元模型，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2。模型劃分后共有337 791個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 040 400個(gè)單元，其中水體單元468 831個(gè)，托圈占43.4%，爐體占6.7%，其他為聯(lián)接裝置，并定義材料屬性。

圖2 托圈及聯(lián)接裝置網(wǎng)格劃分

采用流體和固體直接耦合進(jìn)行傳熱計(jì)算，可以獲得較為精確的溫度場(chǎng)。Fluent軟件求解流固耦合傳熱問(wèn)題時(shí)，要將流固交界面設(shè)置為interface。傳熱過(guò)程中爐體與聯(lián)接裝置、聯(lián)接裝置與托圈在熱傳遞的過(guò)程中需要設(shè)定接觸換熱系數(shù)[10]，取接觸換熱系數(shù)為2 500 W/(m2·K)。

2.2 轉(zhuǎn)爐托圈系統(tǒng)熱分析的CAE模型及邊界條件

在實(shí)際工作環(huán)境中，爐體、托圈、聯(lián)接裝置及水體與外界的熱交換行為極其復(fù)雜。由于整個(gè)系統(tǒng)中各零件材料屬性、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射位置與溫差各不相同，導(dǎo)致了各零件的邊界條件也不相同。托圈的溫度邊界條件加載可以用對(duì)流換熱系數(shù)代替。如表1所示。

表1 托圈各部位加載溫度及對(duì)流系數(shù)

在托圈溫度場(chǎng)模擬時(shí)，流場(chǎng)邊界條件如表2。

表2 托圈循環(huán)水邊界條件

3 托圈及聯(lián)接裝置溫度場(chǎng)分析結(jié)果

Fluent后處理軟件Tecplot展現(xiàn)出溫度的單位是K，因此要轉(zhuǎn)化為℃。根據(jù)轉(zhuǎn)爐托圈實(shí)際溫度分布和加載的溫度載荷分析可知，其整體溫度呈現(xiàn)對(duì)稱分布，最高溫度為317 ℃，最低為27 ℃，如圖3。爐體通過(guò)輻射作用把溫度輻射到托圈的內(nèi)腹板、上蓋板和下蓋板，再配合流體散熱、空氣對(duì)流換熱和材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)，把溫度傳遞到托圈的各部位，托圈最高溫度為127 ℃，位于內(nèi)腹板處。最低溫度為27 ℃，上、下蓋板溫度分布為67～77℃(圖4)，從圖5x-z截面和圖6托圈內(nèi)部鋼管溫度分布可以看出溫度是從內(nèi)向外逐漸過(guò)渡。

圖3 托圈及聯(lián)接裝置整體溫度分布(K)

圖4 托圈溫度分布(K)

圖5 托圈x-z截面溫度 (K)

圖6 托圈內(nèi)部鋼管溫度分布 (K)

爐體、水平聯(lián)接裝置(止動(dòng)滑塊)和豎直聯(lián)接裝置(三點(diǎn)球鉸裝置)在結(jié)構(gòu)上對(duì)稱，溫度分布符合對(duì)稱分布。爐殼溫度場(chǎng)基本對(duì)稱，在豎直方向上呈現(xiàn)層狀分布，最高溫度處于爐身與托圈相對(duì)處約為317 ℃，低于材料16 MnR的蠕變溫度400 ℃。三點(diǎn)球鉸在豎直方向連接著爐殼與托圈，在溫度方面起著傳導(dǎo)的作用，溫度分布為87～157 ℃。止動(dòng)滑塊在水平方向連接著爐殼與托圈，溫度分布為87～267 ℃，如圖7-9。

圖7 三點(diǎn)球鉸溫度分布(K)

圖8 球鉸溫度分布 (K)

圖9 爐體及止動(dòng)滑塊溫度分布(K)

提取流體的溫度分布，如圖10，讀出入口處溫度為26 ℃，出口處溫度為42 ℃，實(shí)際入口溫度為25 ℃，出口溫度為41 ℃。計(jì)算入口溫度比實(shí)際溫度高了1 ℃，出口溫度高了1 ℃，入口誤差為4%，出口誤差為2.4%。

提取托圈內(nèi)水體流速，如圖11，流體最大速度為2.2 m/s，出現(xiàn)在兩端耳軸塊的分管處，管道分支地方，直徑突然減小，截面積減小，造成分管處速度增加。圖11也顯示了游動(dòng)端耳軸塊的速度分布，4個(gè)管道的速度都很大，速度方向朝外，而且基本上呈對(duì)稱分布，這與管道實(shí)際速度分布相同。入口處速度為0.7 m/s，與實(shí)際基本相符。

圖10 托圈水體溫度分布 (K)

圖11 托圈水體流速分布(m/s)

4 結(jié) 論

本文以流固耦合為基礎(chǔ)，利用Fluent軟件模擬了托圈、冷卻水及聯(lián)結(jié)裝置的溫度場(chǎng)。通過(guò)軟件數(shù)值仿真計(jì)算可得到以下結(jié)論：

(1)將數(shù)值仿真溫度與紅外測(cè)溫儀測(cè)量溫度進(jìn)行比較，溫度誤差小于5%，可知仿真溫度與測(cè)量溫度基本吻合，證明了仿真方法的正確性。托圈內(nèi)部水循環(huán)入口溫度為26 ℃，出口溫度為42 ℃，實(shí)現(xiàn)了水冷效果。

(2)轉(zhuǎn)爐托圈及聯(lián)接裝置的溫度場(chǎng)成對(duì)稱分布，爐殼溫度場(chǎng)在豎直方向上分層，最高溫度為317 ℃，低于材料的蠕變溫度(400 ℃)，同時(shí)得到了水平聯(lián)接裝置和豎直聯(lián)接裝置的溫度場(chǎng)分布。