鐵水從高爐到轉爐或電爐載運過程中的溫降規(guī)律

供稿|覃德波，許亮，李夢飛，張超杰，祖一峰，張立強

內容導讀

本文對某廠鐵水從高爐到轉爐或電爐載運過程中溫降規(guī)律及影響因素進行了研究，通過結合鐵水罐運輸過程傳熱的有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場測溫試驗，得到了鐵水罐從受鐵開始到等待和運輸過程的鐵水溫降規(guī)律，并探索了鐵水罐熱狀態(tài)和鐵水罐內襯侵蝕對鐵水溫降的影響。結果表明，出鐵開始前30 min 內鐵水平均溫度降低較快，30 min 后鐵水溫降速率基本恒定為0.88 °C/min。鐵水罐熱狀態(tài)和鐵水罐內襯侵蝕程度均會影響鐵水溫降，其中鐵水罐熱狀態(tài)的影響較大。

鐵水從高爐煉鐵區(qū)域運輸?shù)睫D爐和電爐煉鋼區(qū)域的主要設備為鐵水罐，隨著“一罐到底”技術的發(fā)展，從高爐出鐵到轉爐兌鐵過程不需要再進行二次折兌，大幅減少了鐵水溫降[1-4]，因此鐵水罐逐步發(fā)展成為“長流程”煉鋼生產鐵鋼界面的惟一運輸裝置[5]。

由于鐵水溫度遠高于環(huán)境溫度，因此鐵水罐運輸過程中難免發(fā)生鐵水溫度的損失，為了控制鐵水罐運輸過程鐵水溫度降低，降低能源消耗，眾多學者對鐵水罐運輸過程的傳熱和鐵水溫降進行了研究[6-9]。如仇灝等[10]采用數(shù)值模擬的方法研究了210 t鐵水包包蓋和鐵水液位對鐵水溫降速率的影響。戴方欽等[11]研究了鐵水包加揭蓋對鐵水溫度的影響。也有學者通過對鐵水罐溫降的研究，建立了鐵水的溫降模型。如李海峰等[12]基于極限學習機建立了溫降預測模型研究鐵水溫降。王君等[13]開發(fā)了鐵水運輸過程溫降模型，分析了鐵水能效利用的影響因素。但目前鐵水罐熱狀態(tài)和鐵水罐內襯侵蝕對鐵水罐運輸過程中鐵水溫度降低的影響研究還鮮有報道，因此本文以某廠100 t 鐵水罐為研究對象，使用有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場測溫試驗相結合的方法，研究了鐵水罐從受鐵到運輸至煉鋼區(qū)域的鐵水溫降規(guī)律，并分析了鐵水罐熱狀態(tài)和鐵水罐內襯侵蝕程度對鐵水溫降的影響，為現(xiàn)場鐵水罐溫降控制提供參考。

100 t 鐵水罐運輸過程溫降數(shù)值模擬

為得到某廠100 t 鐵水罐運輸過程鐵水的溫度降低情況，采用有限元方法對鐵水罐運輸過程的傳熱和鐵水的溫度變化進行了數(shù)值模擬，并結合現(xiàn)場鐵水從高爐到轉爐或電爐載運過程鐵水罐外壁和鐵水的溫度測量試驗驗證，校驗了數(shù)值模擬傳熱參數(shù)，提高模擬結果的準確性。

鐵水溫降數(shù)值模擬

基本假設

為建立鐵水從高爐到轉爐或電爐載運過程中傳熱數(shù)學模型，進行以下基本假設：

(1) 鐵水不與鐵水罐內襯發(fā)生化學反應；

(2) 鐵水溝注入鐵水罐內的鐵水溫度恒定；

(3) 忽略碳化稻殼燃燒發(fā)熱量；

(4) 鐵水罐初始溫度均勻。

控制方程

鐵水罐運輸過程鐵水的熱量依次經過鐵水罐內襯和鐵水罐鋼殼，以及鐵水液面的碳化稻殼層，然后通過對流換熱和輻射換熱的方式傳輸?shù)酵饨绛h(huán)境中。為簡化計算，將鐵水流動對傳熱的影響折算到鐵水導熱系數(shù)中，因此主要控制方程為能量守恒方程式(1)：

式中，ρ為密度，kg/m3；cp為比熱容，J/(kg·°C)；λ為熱導率，W/(m·°C)；T為溫度，°C；t為時間，s；xi為i方向坐標，m。

物性參數(shù)

鐵水和鐵水罐鋼殼的主要物性參數(shù)為密度、焓和導熱系數(shù)，各項物性參數(shù)均隨溫度變化，分別如圖1 和圖2 所示。

鐵水罐內襯耐火材料為Al2O3-SiC-C 系耐火磚，其密度、熱導率和比熱容如表1 所示。

表1 鐵水罐內襯物性參數(shù)[14]

幾何模型與網格劃分

(1)幾何模型

考慮到鐵水罐的幾何軸對稱性，為節(jié)約計算資源和時間，對鐵水罐的1/16 進行幾何建模，包括鐵水罐鋼殼、鐵水罐內襯和鐵水，并進行裝配，如圖3 所示。

(2)網格劃分

使用ANSA 對建立的幾何模型進行面網格劃分，然后使用MeshCAST 進行體網格劃分，單元數(shù)量為118901，最后將劃分網格后的有限元模型導入ProCAST 進行數(shù)值計算，如圖4 所示。

邊界條件與初始條件

(1)邊界條件

鐵水罐外壁傳熱方式為輻射傳熱和對流傳熱，如式(2)所示：

式中，εsm為鐵水罐外表面黑度，取0.85；Tsm為鐵水罐外表面溫度，°C；Te為環(huán)境溫度，°C；heff為鐵水罐外壁換熱系數(shù)，W/(m2·°C)；σ為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·°C4)。

(2)初始條件

鐵水初始溫度為鐵溝出鐵溫度，內襯初始溫度為鐵水罐內襯烘烤溫度，鐵水罐鋼殼初始溫度為

170 °C。

鐵水罐運輸過程測溫試驗

為校驗數(shù)值模擬換熱系數(shù)并對數(shù)值模擬計算結果進行驗證，提高模擬結果的準確性，使用紅外測溫槍對某廠100 t 鐵水罐從高爐出鐵到運輸至煉鋼區(qū)域全過程開展了鐵水罐外壁溫度的跟蹤測溫試驗，測溫點位置如圖5 所示，同時使用熱電偶對鐵水溝溫度和鐵水罐兌鐵前的鐵水溫度進行了測量。

圖6 為鐵水罐外壁特征點溫度隨時間變化的數(shù)值模擬結果與測溫數(shù)據(jù)的對比，發(fā)現(xiàn)鐵水運輸過程中鐵水罐外壁的溫度隨時間升高，并且出鐵結束后鐵水罐外壁的升溫速率基本恒定，為0.188 °C/min。數(shù)值模擬計算得到的鐵水罐外壁特征點溫度與測溫結果較為接近，但存在一定偏差，這是由于鐵水罐內襯物性參數(shù)及界面換熱系數(shù)與實際真實值的偏差所致。圖7 為鐵水罐液面往下300 mm 處鐵水溫度的計算結果和實際測溫結果對比，可以看出鐵水罐液面往下300 mm 處鐵水的溫度隨時間逐步降低，120 min 時該位置的鐵水溫度值比出鐵溫度降低了180 °C，這是由于該處靠近液面，與外部環(huán)境的換熱量較大所致。

鐵水溫降規(guī)律分析

通過鐵水罐運輸過程的傳熱數(shù)值模擬計算，得到鐵水罐從受鐵到運輸至煉鋼區(qū)域的鐵水罐鋼殼、內襯和鐵水的溫度分布及隨時間變化情況。鐵水平均溫度隨時間變化曲線如圖8 所示，可以看出，鐵水平均溫度在出鐵開始前30 min 內降低較快，30 min 后溫度速率基本恒定，可推算得到出鐵結束后鐵水罐鐵水的溫降速率為0.88 °C/min。從出鐵開始到在煉鋼區(qū)域往轉爐兌鐵的時間間隔越長，則鐵水溫降越大，如出鐵溫度為1450 °C，等待和運輸時間為120 min，則鐵水平均溫降為129 °C。

鐵水罐運輸過程鐵水溫度分布如圖9 所示，可以看出，在鐵水罐運輸?shù)牟煌瑫r刻鐵水溫度分布均為心部溫度高，靠外部位溫度低，鐵水液面附近溫度最低，等溫線近似圓形。鐵水罐運輸過程鐵水罐鋼殼、內襯和鐵水溫度分布如圖10 所示，可以看出，鐵水罐鋼殼溫度隨時間變化程度最小，內襯溫度隨時間逐步升高，內襯接近鐵水部位溫度升高較快，由于內襯具有一定的保溫性能，內襯外側溫度升高較慢。

鐵水溫降的影響因素

鐵水罐運輸過程鐵水的溫降主要受等待和運輸時間、鐵水罐熱狀態(tài)、鐵水罐內襯厚度、鐵水液面保溫情況等因素的影響。本文重點對鐵水罐熱狀態(tài)和鐵水罐內襯厚度對鐵水溫降的影響進行分析，采用數(shù)值模擬的方法分別研究了不同鐵水罐預熱溫度和不同鐵水罐內襯侵蝕程度條件下鐵水平均溫度隨時間變化規(guī)律。

鐵水罐預熱溫度對鐵水溫降的影響

為研究鐵水罐受鐵前的熱狀態(tài)對鐵水溫降的影響，分別對采用熱罐和冷罐受鐵的鐵水溫度隨時間變化過程開展了數(shù)值模擬研究，并假設鐵水罐在熱罐和冷罐狀態(tài)下的受鐵前初始溫度分別為700 和200 °C。

不同鐵水罐熱狀態(tài)下的鐵水罐運輸過程鐵水溫度分布隨時間變化情況如圖9 和圖11 所示，可以看出，不同鐵水罐熱狀態(tài)下，鐵水罐運輸過程不同時刻鐵水溫度分布規(guī)律基本一致，均為心部溫度高外部位溫度低，從心部到外部的等溫線近似圓形。熱罐狀態(tài)受鐵時的鐵水溫度整體比冷罐狀態(tài)受鐵的高，并且隨著運輸時間增加，熱罐和冷罐受鐵對鐵水溫度分布的影響程度增大。圖12 為不同鐵水罐熱狀態(tài)下，鐵水罐運輸過程鐵水平均溫度隨時間變化情況，可以看出，鐵水罐熱狀態(tài)對鐵水平均溫度的影響較大，如鐵溝溫度為1450 °C，等待和運輸時間為120 min，則熱罐和冷罐條件下的鐵水平均溫度相差70 °C。

鐵水罐內襯侵蝕程度對鐵水溫降的影響

隨著鐵水罐使用次數(shù)的增加，鐵水罐內襯厚度因鐵水侵蝕而逐步減小，為研究鐵水罐內襯侵蝕程度對鐵水溫降的影響，分別針對鐵水罐內襯侵蝕10%和30%條件下的鐵水溫度隨時間變化過程開展了數(shù)值模擬計算，得到不同鐵水罐侵蝕程度下的鐵水溫降情況。

鐵水罐內襯侵蝕0、10%和30%條件下的鐵水罐運輸過程鐵水溫度隨時間變化情況分別如圖9、圖13 和圖14 所示，可以看出，不同鐵水罐內襯侵蝕程度下，鐵水罐運輸?shù)牟煌瑫r刻鐵水溫度分布規(guī)律基本一致，鐵水罐內襯侵蝕越嚴重，鐵水整體溫度越高。

不同內襯侵蝕程度時鐵水罐運輸過程鐵水平均溫度隨時間變化情況如圖15 所示，可以看出，鐵水罐內襯侵蝕一定程度后，鐵水罐的鐵水溫度比內襯沒有侵蝕的鐵水溫度高，如鐵溝溫度為1450 °C，等待和運輸時間為120 min，鐵水罐內襯侵蝕30%的鐵水平均溫度比內襯無侵蝕的高10 °C。因此可見鐵水罐內襯侵蝕一定厚度后，內襯蓄熱量減少，從而導致鐵水向鐵水罐內襯的傳熱量減小。

結束語

通過鐵水罐運輸過程的傳熱數(shù)值模擬并結合現(xiàn)場測溫試驗的方法，研究了某廠100 t 鐵水罐運輸過程鐵水溫降情況，得到了鐵水罐從高爐受鐵到運輸至轉爐或電爐煉鋼區(qū)域的鐵水罐鋼殼、內襯和鐵水的溫度分布及隨時間變化基本規(guī)律，并探討了鐵水罐預熱溫度和鐵水罐內襯侵蝕程度對鐵水溫降的影響。

(1) 鐵水平均溫度在出鐵開始前30 min 內降低較快，30 min 后鐵水溫降速率基本恒定，為0.88 °C/min。

(2) 鐵水在鐵水罐中的等待和運輸時間越長，鐵水溫降越大，如出鐵溫度為1450 °C，等待和運輸時間為120 min，則鐵水溫降為129 °C。

(3) 鐵水罐熱狀態(tài)對鐵水平均溫度的影響較大，鐵溝溫度為1450 °C，等待和運輸時間為120 min，則700 °C 熱罐的鐵水平均溫度比200 °C 冷罐的高

70 °C。

(4) 鐵水罐內襯侵蝕程度對鐵水溫降有一定影響，鐵溝溫度為1450 °C，等待和運輸時間為120 min，鐵水罐內襯侵蝕30%的鐵水平均溫度比內襯無侵蝕的高10 °C。