鋼包擴(kuò)容的結(jié)構(gòu)模擬與應(yīng)用實(shí)踐中存在的問題探討

徐國(guó)濤 張美杰 吳 杰 孔勇江 秦世民王志強(qiáng) 肖同達(dá) 張洪雷

1）寶鋼股份中央研究院 湖北武漢 430080

2）武漢科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院 湖北武漢 430081

3）武漢有限公司煉鋼廠 湖北武漢 430080

4）武鋼耐火材料有限責(zé)任公司 湖北武漢 430080

鋼包擴(kuò)容的目的就是在冶煉過程增加廢鋼用量代替鐵水以擴(kuò)大鋼產(chǎn)量。鋼包擴(kuò)容多通過鋼包加高、工作襯或永久層減薄完成。國(guó)內(nèi)有將120 t鋼包工作襯厚度由230 mm 減薄為200 mm 進(jìn)行擴(kuò)容的報(bào)道［1］；也有將300 t鋼包永久襯厚度由100 mm減薄為85 mm進(jìn)行擴(kuò)容的報(bào)道［2］。減薄爐襯厚度會(huì)增加散熱。用纖維板或納米保溫板作鋼包保溫層，長(zhǎng)期使用后會(huì)收縮粉化，起不到保溫效果，還使永久層內(nèi)襯出現(xiàn)嚴(yán)重龜裂，降低永久層的安全保障作用［3］。孫曉婷等［4］通過數(shù)值模擬研究過鋼包的傳熱，但未提出材質(zhì)的優(yōu)化對(duì)策；王志強(qiáng)等［5］研究提出，在永久層用鋼包澆注料中加入微孔骨料可以降低熱導(dǎo)率，但沒有在鋼包內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用報(bào)道。鋼包工作層和永久層厚度減薄究竟有什么影響，使用后期鋼殼外表溫度是否會(huì)超過安全限定，這些需要分析和跟蹤調(diào)研。

本工作中，對(duì)武鋼有限公司煉鋼廠四分廠200 t鋼包的擴(kuò)容情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過分析不同減薄方案引起的溫度場(chǎng)變化及殘留爐襯厚度，討論了鋼包擴(kuò)容后的影響，并對(duì)實(shí)際擴(kuò)容后鋼包的運(yùn)行情況進(jìn)行了分析和探討。

1 鋼包的擴(kuò)容方案

鋼包擴(kuò)容的設(shè)計(jì)思路為：鋼殼尺寸不變，包底永久層和工作層厚度不變，避免鋼包擴(kuò)容對(duì)行車吊鉤、鋼包車造成影響；通過鋼包包襯厚度減薄來增加鋼包有效容積，擴(kuò)容改造不能影響生產(chǎn)順行。武鋼有限公司四煉鋼鋼包空包質(zhì)量為95～105 t，包內(nèi)鋼水凈質(zhì)量為205～221 t，總質(zhì)量為300～326 t，小于行車限行的350 t。鋼包擴(kuò)容的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，鋼包內(nèi)渣線最高處可能位于包沿澆注料區(qū)域，滲透燒穿渣線處包壁，過高的裝鋼量會(huì)造成安全隱患。

考慮到精煉時(shí)真空爐和鋼包之間的間隔距離已不允許鋼包加高，唯有從調(diào)整鋼包內(nèi)襯厚度出發(fā)。若調(diào)整鋼包襯底部厚度，一是需要調(diào)整透氣磚、水口座磚和上水口的尺寸，二是由于底部承受鋼水沖擊，減薄后會(huì)造成一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。從安全和高效出發(fā)，選擇鋼包包壁作為調(diào)整對(duì)象進(jìn)行計(jì)算。第一階段永久襯減少30 mm，鋼水裝入量由200 t提高至210 t左右，自由層高度647 mm；第二階段在永久襯減少30 mm的基礎(chǔ)之上，工作襯再次減少30 mm；裝鋼量可由210 t提高至218 t左右。

2 數(shù)值模擬計(jì)算與分析

2．1 物理模型

鋼包內(nèi)襯結(jié)構(gòu)如圖1所示，永久層包壁厚度為120 mm，工作層厚度為200 mm，鋼包盛鋼水澆鑄時(shí)其包壁溫度約為250～320℃，渣線鎂碳磚與包壁預(yù)制磚外有所不同，渣線外壁溫度略高?？紤]到實(shí)際工況中各種參數(shù)以及環(huán)境變化對(duì)鋼包傳熱的影響，且實(shí)際的鋼包模型較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略耳軸、滑板、透氣磚，建立鋼包襯的三維幾何模型。根據(jù)簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖1 擴(kuò)容前鋼包砌筑圖

圖2 鋼包襯網(wǎng)格模型

武鋼有限四煉鋼鋼包側(cè)壁和底部均為多層結(jié)構(gòu)，由不同材質(zhì)和厚度的三層材料組成：工作襯、永久層和鋼殼。渣線鎂碳磚、包壁剛玉質(zhì)預(yù)制塊和永久層低水泥高鋁澆注料的密度、熱導(dǎo)率和彈性模量通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試獲得，測(cè)試溫度從300～1 200℃，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行擬合獲得高溫下的物性參數(shù)；材料的比熱容根據(jù)其化學(xué)礦物組成采用質(zhì)量平均分進(jìn)行計(jì)算獲得；鋼殼的物性參數(shù)取文獻(xiàn)常用值。

2．2 控制方程

在使用過程中，通過鋼包襯的傳熱可看作周期性瞬態(tài)傳熱過程，其傳熱方程為：

式中：c為材料比熱容，J·kg－1·K－1；ρ為材料密度，kg·m－3；τ為時(shí)間，s；k為材料的熱導(dǎo)率，W·m－1·K－1。

2．3 邊界條件與計(jì)算方法

假設(shè)內(nèi)邊界條件為第一類邊界條件，烘烤階段其溫度根據(jù)烘烤曲線確定，接鋼后的溫度等于鋼液溫度，澆注完成后等待接鋼階段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試溫度取常用工況下內(nèi)壁溫度最低值800℃；外邊界條件為第三類邊界條件，鋼包外壁與周圍空氣為自然對(duì)流換熱和輻射換熱。

對(duì)流換熱系數(shù)hair按下式求解：

其中，Nu準(zhǔn)數(shù)由下式求得：

Gr準(zhǔn)數(shù)按下式求解：

式中：Pr準(zhǔn)數(shù)取周圍空氣不同溫度的Pr準(zhǔn)數(shù)值；d為定性尺寸，m；λ為周圍空氣的熱導(dǎo)率，W·m－1·K－1；ν為空氣的運(yùn)動(dòng)學(xué)黏度，m2·s－1；tw為壁面溫度，℃；ta為周圍空氣溫度，假設(shè)為40℃；tm是壁面溫度與環(huán)境溫度的平均值，℃；g是重力加速度，m·s－2；常數(shù)C、n根據(jù)周圍空氣的流態(tài)，取不同的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。

按照灰體表面與空氣的輻射換熱求解輻射換熱量系數(shù)：

式中：ε為表面的黑度，本文取0．85；C0為輻射系數(shù)。

采用商業(yè)軟件ANSYS15．0求解瞬態(tài)傳熱方程（1），鋼包內(nèi)壁溫度變化、外壁的自然對(duì)流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù)均采用個(gè)人編寫UDF導(dǎo)入商業(yè)軟件進(jìn)行求解。求解過程中，監(jiān)視鋼包不同位置溫度的變化和溫度殘差曲線，在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)Δτ內(nèi)，當(dāng)監(jiān)視點(diǎn)的溫度不再發(fā)生變化且溫度殘差小于2×10－8時(shí)認(rèn)為獲得收斂，并記錄最大迭代步數(shù)n。為了降低計(jì)算量并確保計(jì)算精度，?。╪Δτ）的最小值進(jìn)行迭代計(jì)算。

2．4 計(jì)算結(jié)果與分析

在四煉鋼鋼包襯工作層厚度為220 mm，永久層120 mm的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了永久層分別減薄20、30、40 mm三種方案，對(duì)從烘烤到經(jīng)過7次循環(huán)（接鋼、精煉、澆注、空包為一次循環(huán)）過程進(jìn)行傳熱－接鋼耦合模擬計(jì)算，獲得鋼包外壁包壁區(qū)域（以標(biāo)高1 920 mm處為代表，下同）和渣線區(qū)域（以標(biāo)高3 770 mm處為代表，下同）的溫度隨時(shí)間變化的曲線，見圖3?？梢钥闯觯航?jīng)過32 h的烘烤，鋼包外壁溫度尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；經(jīng)過7次循環(huán)后，鋼包外壁溫度基本不變，包襯總體蓄熱基本飽和，鋼包進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱過程。

圖3 從開始烘烤到完成7次循環(huán)過程中，不同方案中鋼包外壁不同區(qū)域的溫度隨時(shí)間變化的曲線

以鋼包進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后的一個(gè)循環(huán)過程為代表分析鋼包襯的溫度變化。從盛接鋼水開始至冷卻結(jié)束，選擇一個(gè)循環(huán)的起點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的溫度分布，以分析服役過程中的溫度變化規(guī)律。開始澆注和冷包結(jié)束時(shí)，不同方案中鋼包襯不同區(qū)域溫度的徑向分布曲線見圖4?？梢钥闯觯弘S永久層厚度的減少，鋼包外壁溫度明顯上升，永久層分別減薄20、30、40 mm時(shí)，包壁區(qū)域外壁最高溫度依次升高到273、283、291℃，渣線區(qū)域外壁溫度依次升高到291、304、319℃，總散熱量增加；循環(huán)過程中，包壁區(qū)域工作層溫度波動(dòng)大，渣線區(qū)域工作層溫度無明顯變化。因此，永久層減薄主要是增加鋼包的散熱損失，對(duì)工作層耐火材料的壽命影響不大。

圖4 開始澆注和冷包結(jié)束時(shí)，不同方案中鋼包襯不同區(qū)域溫度的徑向分布曲線

鋼包襯工作層和永久層同時(shí)減薄30 mm（即工作層厚度為190 mm，永久層厚度為90 mm），7次循環(huán)（接鋼、精煉、澆注、空包為一次循環(huán)）的傳熱模擬計(jì)算結(jié)果與工作層減薄30 mm、永久層減薄30 mm的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。圖5（b）中曲線有波浪線，是由于鋼包服役過程中盛接鋼水、冷卻交替導(dǎo)致的外殼溫度波動(dòng)的正常反映。由圖5可知：經(jīng)過32 h的烘烤，鋼包外壁溫度尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；經(jīng)過3次循環(huán)后，在每一個(gè)循環(huán)過程中，工作層、永久層均可達(dá)到蓄熱飽和，但鋼包外壁溫度仍存在升溫、降溫波動(dòng)。與原始方案相比，永久層減薄30 mm，鋼包外壁溫度上升明顯；而工作層、永久層同時(shí)減薄30 mm，鋼包外壁溫度雖然進(jìn)一步升高，但變化幅度小于永久層減薄30 mm時(shí)，特別是渣線區(qū)域變化幅度更小。

圖5 從開始烘烤到完成7次循環(huán)過程中，不同方案中鋼包外壁不同區(qū)域的溫度隨時(shí)間變化的曲線

開始澆注和冷包結(jié)束時(shí)，不同方案中鋼包襯不同區(qū)域溫度的徑向分布曲線見圖6。從圖6（a）、圖6（b）可知：工作層和永久層同時(shí)減薄時(shí)，在整個(gè)循環(huán)過程中，鋼包外壁最高溫度升高；但包壁區(qū)域工作層－永久層界面溫度降低10℃左右，且從盛鋼到冷卻結(jié)束，該界面溫度變化不大，說明同時(shí)減薄對(duì)包壁區(qū)域工作層溫度影響不大，從而對(duì)包壁區(qū)域工作層耐火材料壽命無顯著影響。由圖6（c）、圖6（d）可知，工作層和永久層同時(shí)減薄時(shí)，渣線區(qū)域工作層－永久層界面溫度變化復(fù)雜：在開始澆注時(shí)，該界面溫度比原始方案的升高37℃；而冷包結(jié)束時(shí)，該界面溫度比原始方案的降低20℃。這說明，工作層、永久層同時(shí)減薄時(shí)，渣線鎂碳磚在盛鋼階段溫度升高，會(huì)加劇渣侵蝕；而在冷包階段，渣線鎂碳磚溫度下降幅度大，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力增大，易剝落，從而導(dǎo)致鎂碳磚壽命降低。

由上述模擬計(jì)算可知，擴(kuò)容的主要問題是：1）單獨(dú)減薄永久層導(dǎo)致外壁溫度升高，散熱量增加；2）單獨(dú)減薄工作層導(dǎo)致工作層溫度升高，渣線鎂碳磚侵蝕加劇，壽命降低。因此，為了兼顧鋼包的散熱損失和工作層使用壽命，可采用包壁區(qū)域的永久層和工作層同時(shí)減薄30 mm的方案擴(kuò)容，且加強(qiáng)渣線鎂碳磚的維護(hù)，以確保工作層包壁和渣線的壽命一致。

3 鋼包擴(kuò)容的實(shí)際效果

根據(jù)上述模擬計(jì)算與分析，2019年開始對(duì)四煉鋼鋼包進(jìn)行擴(kuò)容試驗(yàn)。主要過程為：永久層、包底厚度及有效高度保持不變，壁磚厚度由200 mm減薄到170 mm，渣線鎂碳磚厚度由220 mm減薄到190 mm。由于工作層減薄，大修設(shè)計(jì)壽命降低，小修制度按34次進(jìn)行；68次時(shí)第一次中修，換190 mm渣線磚和包底澆注料；136次時(shí)第二次中修，換150 mm渣線磚。大修不低于170次，更換整體工作襯材料。小修時(shí)，視具體情況采用鋼包修補(bǔ)料和剛玉貼補(bǔ)磚對(duì)鋼包包壁進(jìn)行修補(bǔ)。按此方案的鋼包運(yùn)行181次下線。按31次統(tǒng)計(jì)，鋼水平均裝入量為223 t，正常周轉(zhuǎn)鋼包平均裝入量為203 t。鋼包渣線殘厚90 mm，預(yù)制塊殘厚70 mm，滿足現(xiàn)場(chǎng)材料安全使用要求；底部沖擊板殘厚80 mm，不滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求?？紤]到安全性，只采用永久襯從120 mm減薄到90 mm的方案。永久層減薄后，鋼包的散熱損失增加，對(duì)包壁工作層耐火材料的渣侵蝕影響不大，鋼水裝入量200 t提高至210 t左右。

通過模擬計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)情況相結(jié)合，在2020年后期采用同時(shí)減薄30 mm方案，工作襯由200 mm減薄到170 mm，渣線磚由220 mm減薄到190 mm，局部結(jié)構(gòu)特殊設(shè)計(jì)。經(jīng)過小修、中修可滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，中間出現(xiàn)過多次渣線減薄事故。在后期的改進(jìn)中采用渣線磚維持220 mm不變，永久層減薄30 mm的做法，取得了較好的使用效果。對(duì)鋼包外殼溫度進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)，測(cè)溫位置為南耳軸下部、北耳軸下部?jī)蓚€(gè)部位。由于鋼包渣線上砌有包沿澆注料，一般不會(huì)裝滿鋼水，耳軸部位應(yīng)該是對(duì)應(yīng)渣線鎂碳磚的部位。測(cè)量結(jié)果見表2。渣線外殼溫度多在270～320℃范圍，沒有異常升高，不會(huì)形成安全隱患。

表2 擴(kuò)容鋼包渣線外鋼殼溫度測(cè)量結(jié)果

經(jīng)過探索，在原擴(kuò)容方案永久襯厚度減少30 mm的基礎(chǔ)之上，工作襯包壁預(yù)制磚減少厚度30 mm，渣線鎂碳磚采用小修、中修、及時(shí)維護(hù)以達(dá)到大修周期，鋼包平均裝入鋼水量由200 t提高至218 t；在大廢鋼比的冶煉要求下，鋼包中鋼水裝入量可到達(dá)220 t。整個(gè)過程運(yùn)行穩(wěn)定正常。

4 結(jié)論

（1）永久層減薄的鋼包擴(kuò)容主要增加鋼包的散熱損失，對(duì)包壁工作層耐火材料的溫度和渣侵蝕影響不大。

（2）通過模擬計(jì)算可知，工作層、永久層同時(shí)減薄，包壁區(qū)域工作層溫度變化不大，對(duì)壽命無顯著影響。渣線鎂碳磚在盛鋼階段溫度升高，渣侵蝕加劇；在冷卻階段溫度降低幅度大，溫度梯度變大，在服役過程中有易剝落、壽命降低的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）采用永久襯厚度與工作襯包壁預(yù)制磚厚度各減少30 mm，渣線鎂碳磚采用小修、中修、及時(shí)維護(hù)以達(dá)到大修周期，鋼包擴(kuò)容后平均裝入鋼水量由200 t提高至218 t；在大廢鋼比的冶煉要求下，鋼包中鋼水裝入量可到達(dá)220 t。渣線外殼溫度在270～320℃居多，沒有異常升高，不會(huì)形成安全隱患。鋼包擴(kuò)容達(dá)到了預(yù)期效果。