高爐智能開鐵口機器人工作溫度場分析

丁河江， 曹建國,4， 燕 月， 周志鴻， 馬 飛

(1．北京科技大學機械工程學院 北京 100083；2.北京科技大學人工智能研究院 北京 100083；3.北京科技大學高效軋制國家工程研究中心 北京 100083；4.北京科技大學順德研究生院 廣東 佛山 528399；5.北京企星冶金機電有限公司 北京 102401)

2019年我國粗鋼產(chǎn)量為9.95億噸，同比增長7%，總產(chǎn)量占世界粗鋼總產(chǎn)量的53.3%，以絕對優(yōu)勢處于世界第一。我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)在量上發(fā)展的同時，也在不斷提升發(fā)展質(zhì)量。其中對高爐的順行狀態(tài)、安全環(huán)保及人工效率提出了越來越高的要求。目前我國高爐自動化和智能化水平在世界上是較為領先的，高爐其他的操作控制也已大多實現(xiàn)自動化，最后的一環(huán)就是以開鐵口機為中心的爐前設備。開鐵口機未實現(xiàn)自動化、智能化與無人化，仍需要人工現(xiàn)場操作，不可控的故障停機和開口工況的復雜多變是主要原因。這也使得它嚴重影響高爐的順行狀態(tài)，影響高爐的多項經(jīng)濟技術指標。因此智能開鐵口機器人在研發(fā)初期就必須將這些情況都考慮進去，改變現(xiàn)狀，提高設備工作可靠性，避免各種故障停機，或人為干預而造成的自動化終止。

智能開鐵口機器人工作時，鉆頭鉆桿處要承受鐵水的沖刷，會給整機帶來很大的熱量。它的沖擊活塞以約12 m·s-1最高打擊速度做30 Hz高頻的直線往復運動，沖擊活塞沖擊瞬間的加速度約為重力加速度的104倍數(shù)量級[1-4]。高溫與巨大的沖擊載荷使其成為整臺開鐵口機的主要故障源。對設備的智能化及無人化改進并不是產(chǎn)品的簡單升級，需在設計之初就對產(chǎn)品可靠性提出了更高的要求。確保產(chǎn)品不會因為不可預測的故障停機而影響高爐的順行狀態(tài)。為了提高其可靠性，對其內(nèi)部流場及溫度場的深入研究必不可少。

高爐鐵口工況非常復雜，由于高爐及鐵口內(nèi)部高溫高壓封閉的惡劣工況，對其內(nèi)部的直接觀測在目前的科技條件下是非常困難的[5]。由于其對鋼鐵生產(chǎn)的重要性，國內(nèi)外多人對高爐開口的出鐵過程進行了試驗與模擬[5-18]，以了解其內(nèi)部的運行規(guī)律。東北大學馬銘等人于2006年對高爐鐵口孔道侵蝕過程通過試驗方法進行了模擬[2]。芬蘭Abo Akademi大學的Lei SHAO等人在前人基礎上提出了一種高爐內(nèi)鐵口多相流的模擬方法[5，6]。挪威SINTEF Industrial的J E Olsen在挪威研究委員會的資助下對錳鐵電爐開口時的溫度場進行了建模與分析[8]。也有不少研究著重于鐵口和鐵溝處鐵水的流動、溫度與溝壁侵蝕[18]。但過去的研究更多側(cè)重于開口完成后高爐出鐵過程的研究，目前還未見到對高爐與開鐵口機之間熱量交換進行分析的。本文借鑒了他們的一些研究方法，提出通過對開鐵口過程中的溫度場進行單獨的分析，進而對智能開鐵口機器人的工作溫度提出設計依據(jù)。并根據(jù)目前手頭資料，首次提出對開鐵口過程中的溫度場展開深入分析和研究。

1 模型描述

本研究的目的是通過對高爐開口過程中的溫度場進行分析，進一步了解智能開鐵口機器人的工作溫度，為智能開鐵口機器人的設計提供理論依據(jù)。開鐵口過程可用圖1和圖2來描述，開鐵口機提供推進、沖擊和旋轉(zhuǎn)動力，該動力通過鉆桿傳遞到前端的鉆頭處，由鉆頭切削炮泥并最終形成鐵口。開鐵口時，為了排出鉆渣，降低鉆具與開鐵口機溫度，開鐵口機內(nèi)會導入吹掃介質(zhì)，一般為室溫的壓縮空氣或氮氣，通過鉆桿內(nèi)部的孔直接引向鉆頭處。在鉆孔過程中，吹掃介質(zhì)會通過機頭、連接套后引入鐵口與鉆桿間的間隙，并將鉆渣與熱量帶走。

圖1 開鐵口機出鐵工況剖面示意圖

圖2 鐵口處出鐵工況剖面示意圖

但當孔鉆通后，會立即進入出鐵工況，鐵水及鐵渣會通過鉆桿與鐵口間間隙噴出，鉆桿外側(cè)均會被鐵水包圍。正常情況下，智能開鐵口機器人會立即將鉆桿等退出鐵口，迅速退出工作位置，遠離鐵口，避免受到鐵水的作用，溫度升高。但如果此時發(fā)生了卡鉆等情況，智能開鐵口機器人無法及時退出鐵口，返回待機位置，當時間足夠長(1 min以上)，雖然此時內(nèi)部的吹掃介質(zhì)仍會帶走部分鐵水帶來的熱量，同時由于外部空氣對流作用，會帶走部分熱量。但鉆桿在鐵口以外的部分會受鐵水及鐵溝等處的輻射加熱，由于鉆桿一端通過連接套與機頭接觸，鉆桿的熱量會傳入機頭鑿巖機(Hammer)，鑿巖機的溫度會在鉆桿末端溫度與環(huán)境溫度之間達到平衡，整個系統(tǒng)也會達到熱平衡狀態(tài)。此時為整臺設備工作的溫度最高的情況。因此，此工況可為智能開鐵口機器人提供設計依據(jù)。

1.1 假設與模型簡化

實際現(xiàn)場工作條件復雜多變，本文只是對上述最惡劣工況進行了分析模擬。為順利進行下一步的設計與試制工作，對模型進行適當?shù)暮喕＿@些簡化忽略了開口處的部分工況，對結果精確度影響較少，且更加專注于內(nèi)部流動對開鐵口機的熱傳遞。對于開鐵口機的設計指導來說，這些偏安全的簡化是可以接受的。本次研究僅涉及鐵口外部與內(nèi)部局部，爐內(nèi)部分及鉆桿入口以外部分均簡化為過界條件，以減少模型復雜程度。

(1)由于重力的影響，鐵口內(nèi)部的流動沿中心平面左右對稱，并不是軸向?qū)ΨQ的，需建立3D模型。但考慮到重力對鐵水、空氣流動及溫度場影響較小，若忽略重力的影響，鐵口內(nèi)部可認為是沿中心軸對稱的，本模型可簡化為軸對稱的2D模型。

(2)實際的開口過程是時變的，如果開口過程很順利，則開口機溫度還未達到平衡時開口機就可以退出了，且本次分析計算也是行業(yè)內(nèi)第一次對開鐵口機進行分析，本著深入淺出的原則，只對平衡狀態(tài)進行分析。

(3)鉆桿為外徑38 mm，壁厚9 mm的鋼管，其長度為4.5 m，可見其軸向熱阻遠大于徑向，且軸向溫度遠小于徑向，如將軸向熱傳遞忽略，可將鉆桿簡化為內(nèi)部氣體區(qū)域的外壁，不用對鉆桿外壁另行建模，只需利用Fluent現(xiàn)有管壁功能進行計算。

(4)在鐵水流動初期，會有鐵水在溫度降低的情況下凝固為固體，后又被鐵水帶來的熱量融化，且鉆桿會在高溫情況下發(fā)生變形與融化。這些現(xiàn)象都會影響鐵水的熱物性[19]。在鐵水流動過程中，還會夾有鐵渣，其熱物性與鐵水差別很大[20-22]。因此，該模型將涉及多相流與離散相且為非定常流，其運算量遠大于筆者目前所具有的能力。目前筆者只可將其簡化，假設流場與溫度場達到平衡的情況，且僅考慮鐵口開口初期鐵水中鐵渣含量非常少，全部為鐵水的這一惡劣的工況，減少運算負載。

(5)在運算中，鐵水近似為不可壓縮液體，其密度為常數(shù)。因為空氣的溫度變化范圍很大，流速較大，按不可壓縮氣體會帶來較大誤差。本例中近似為理想氣體，其密度隨溫度和壓力變化。

(1)

式中：ρ為密度，p為氣體壓力，R為狀態(tài)常數(shù)，R=8.31 J·mol-1·K-1，T為絕對溫度，Mw為氣體的摩爾質(zhì)量，Mw=28.9647 g·mol-1。

(6)空氣的黏度會隨溫度變化，本文采用Sutherland’s law三因子公式[23，24]計算空氣黏度

(2)

式中：S為Sutherland常數(shù)，S=110.56 K，μ0為參考黏度，對于空氣，μ0=17.9×10-6Pa·s，T0為參考溫度，對于空氣，T0=293.11 K。

1.2 模型的建立

模型采用Ansys2019自帶的Design Modular建立，并采用Fluent Meshing進行網(wǎng)格劃分，其優(yōu)點是可與Fluent無縫對接。所有網(wǎng)格均為矩形網(wǎng)格(Quadrilaterals)，在靠近壁面處進行了3倍的加密(bias=3)。共計75000個單元，80032個節(jié)點，159030個面域(如圖3)。

由于該模型長度為4500 mm，其中鐵口長度3000 mm，鉆桿外露部分長1500 mm, 高度僅為20 mm，故為了完整展示模型，已經(jīng)對X方向做了截斷。

圖3 開鐵口機工作狀況模型

2 解算方法，控制方程

本例采用目前較為成熟常用的有限體積法進行分析，采用軟件為Ansys Fluent19.0， 并采用CFD-Post進行后處理。

2.1 初始數(shù)據(jù)概算

鐵水均預估為湍流，湍流均采用realized K-ε模型。

空氣在入口處溫度較低，黏度也較低，在向出口流動的過程中，溫度會升高，同時黏度也會大幅增加。在流動過程中總的流量Q不變，但由于溫度上升，黏度升高，最后在流動過程中會重新變成層流狀態(tài)。這一現(xiàn)象在別的研究領域較為少見，需要在最后分析結果時特別注意。

2.2 解算初始條件

對初次的分析及現(xiàn)場觀測，我們認為這一分析結果會很大程度地受到空氣入口溫度和流速的影響，為了更好地了解它們之間的關系，我們設計了6種不同工況，其輸入工況參數(shù)如表1所示。

表1 工況表

3 分析結果分析

圖4中頂部虛線為鐵口入口截面溫度曲線，不同工況間非常近似，故只給出一條。實線為不同工況下的出口截面溫度曲線。由圖4可見，鐵水在入口和出口的溫度差很小。在所有分析的工況中，最大的入口與出口溫度差也小于1 K。鐵口內(nèi)部的鉆桿外壁為鐵水，內(nèi)壁為空氣，應可簡化為逆流管式換熱器[25，26]，認為鐵水在流動過程中是恒溫的。

圖4 不同工況下的鐵水出口處溫度曲線

圖5可分為鐵口內(nèi)部(0～3 m處)與鐵口外部(3～4.5 m處)兩部分分別討論。

(1)如前所述，所有工況中，鐵水內(nèi)外壁面的溫度與入口溫度1800 K的最大溫差小于1 K，可近似為恒溫，鉆桿外壁面的溫度與鐵水內(nèi)壁面直接接觸，也可近似為恒溫。圖示溫度為空氣外壁面溫度，即鉆桿的內(nèi)表面的溫度。前文提出的簡化項目雖然簡化了鉆桿壁，但是鉆桿的熱阻在傳熱過程中起到了決定性作用，鉆桿內(nèi)外表面的溫度差還是很好地體現(xiàn)了出來。

(2)由圖5中可見，在氣流幾乎完全受到阻塞的W00工況下，空氣溫度能達到1800 K。其他所有工況下，鉆桿在鐵口內(nèi)的溫度也都達到相變溫度以上，所以鉆桿只能作為易損件一次性使用，無法重復使用。

圖5 不同工況下的空氣外壁面的溫度分布

(3)鐵水的熱量經(jīng)過鉆桿外壁傳遞到空氣中，導致鐵口內(nèi)部空氣的在流動過程中溫度不斷上升。在流速較小的情況下，如工況W00、W01、W11，空氣始終為層流狀態(tài)，換熱系數(shù)較為恒定，可以看到溫度近似指數(shù)上升的規(guī)律。但當流速較大時，如工況W13，W23，空氣入口處為紊流狀態(tài)，溫度升高后黏度會變大，造成空氣從紊流返回層流的情況，換熱系數(shù)降低，使空氣溫度上升的均勢出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折。

鐵口外部部分，特別是空氣入口處，圖6和圖7給出了更詳細的溫度場，結合圖5得出如下結論。

(1)由于外部的輻射作用，外表面溫度要高于內(nèi)表面溫度。鉆桿外部受到的熱量需通過內(nèi)部的空氣帶走。在鉆桿入口處，由于壁面層的作用，入口處傳熱能力較低。且由于與鑿巖機產(chǎn)生的熱量的交互作用，所以，在入口段會有一小段溫度升高的現(xiàn)象。在達到紊流層處逐漸達到平衡。

圖6 不同工況下鐵口外部的溫度場

圖7 不同工況下空氣入口處的溫度場

(2)對比工況W01與W11可知，減少外部的輻射對外面表溫度有非常大的影響?？赏ㄟ^增加隔板，減少鉆桿黑度等措施來降低外部輻射對開口機器人的影響。

(3)對比工況W11、W12與W13可知增加空氣流速可以降低鉆桿表面溫度，是一種最為高效的控溫措施，可與減少外部輻射一起使用，使開口機器人工作在合理的工作溫度，400 K以內(nèi)。

(4)對比工況W13與W23可知，降低入口空氣溫度也可有效地降溫，但這一做法成本很高，實用效果不佳。

4 現(xiàn)場測試結果

由于高爐惡劣的工作工況，對開口機部位的溫度測試是非常困難的，對鐵口內(nèi)部的測試目前還沒有可行的方法。為了驗證分析結果，我們在現(xiàn)場進行了3種不同的方法對開口機空氣入口段局部溫度進行了測試，分別為紅外成像儀、紅外溫槍、熱敏電阻。

最終現(xiàn)場測試結果與仿真分析結果差別在5.5%以內(nèi)，誤差結果在可接受的范圍內(nèi)。

5 結論

本文通過CFD模擬的方法，首次對開口過程中最惡劣的工況進行了分析，為智能開口機的研發(fā)提供了工作溫度范圍的設計依據(jù)。通過分析計算，我們也可以看到雖然開口機是在一個溫度異常高的工作環(huán)境中，直接與鐵水接觸，但其工作溫度是可調(diào)可控的。通過合理的優(yōu)化參數(shù)，可使開口機的工作溫度在合理的范圍內(nèi)，保證智能設備的可靠性。本文主要的總結如下：

(1)通過控制環(huán)境輻射與增大吹掃空氣流速，可將開口機器人工作溫度控制在合理范圍內(nèi)，即400 K以內(nèi)。因此，智能開鐵口機器人雖然與鐵水直接接觸，但是可以工作在合理的溫度范圍內(nèi)，確保智能開鐵口機器人的可靠性、壽命與成本等各項性能參數(shù)。

(2)降低吹掃空氣入口溫度也可進一步降低智能開口機器人工作溫度。

通過本次工作，我們初次對開鐵口機工作的溫度場有了進一步認識，為下一步工作提供了思路和基礎。筆者認為下一步工作可通過如下改進，來開展進一步的深入研究，提高分析的精度。

(1)鐵口內(nèi)部部分規(guī)律較為簡單，特別是鐵水在整個流動過程中溫度變化較小，可在以后的下一步分析時簡化為恒溫模型，可節(jié)省約三分之二的建模量與計算量。

(2)本文中忽略了鉆桿的軸向傳熱，這在吹渣介質(zhì)速度較高時確實影響非常小，但在吹渣介質(zhì)速度低或者沒有時的極限工況下，鉆桿的軸向傳熱會對溫度的分布產(chǎn)生的影響還需要另外分析，建議以后進一步分析時將這一部分模型不做簡化，進一步提高模型的計算精度。結合鐵口內(nèi)部節(jié)省的計算量，可以實現(xiàn)在相同計算量的情況下，大幅增加計算精度。