h鋼包溫度分析及試驗驗證

作為鋼水的運輸容器和二次冶金的檢測器，鋼包的熱狀態(tài)對鋼水的溫度直接影響。隨著節(jié)能工作的關(guān)注，國內(nèi)外都主張“兵器出網(wǎng)”。請在使用前，將防護材料的表面溫度設(shè)置在約1100下，以減少鋼包對鋼水溫度的影響。預(yù)熱烘烤是決定鋼包熱狀態(tài)的首要條件,國內(nèi)外對鋼包烘烤進行了大量的研究,多集中于烘烤技術(shù)的改進對鋼包烘烤效果的影響。而針對煉鋼連鑄全流程,利用數(shù)值模擬方法定量計算不同烘烤效果下的鋼包熱狀態(tài)及對鋼水溫度的影響,由此實現(xiàn)對鋼包熱行為精確控制的相關(guān)文獻(xiàn)較少。當(dāng)鋼包達(dá)到紅包狀態(tài)后,烘烤溫度基本穩(wěn)定,此時隨著烘烤時間的延長,鋼包熱狀態(tài)仍會發(fā)生很大的變化。以H鋼廠為背景,研究了鋼包預(yù)熱烘烤對鋼包熱狀態(tài)及鋼水溫度的影響。通過對其250t新鋼包的研究,提出了理想的鋼包烘烤時間,得到了不同預(yù)熱時間下的鋼包熱狀態(tài),以及對鋼水溫度的影響,為煉鋼廠鋼包烘烤制度以及出鋼溫度的制定提供了參考。1模擬的anyss1.1鋼包溫度場的邊界和初始條件鋼包在烘烤及周轉(zhuǎn)過程主要涉及3種狀態(tài):空包烘烤、空包冷卻、承載鋼水。每種狀態(tài)下的邊界條件都不一樣,具體分析如下。1[2a]包壁參數(shù)能量平衡方程:Qg=∑qgiFi(1)邊界條件:包內(nèi)壁Qi=Fi{σεiAi1?(1?εi)(1?Ai)[T4g?T4i]+αgi(Tg?Ti)}包內(nèi)壁Qi=Fi{σεiAi1-(1-εi)(1-Ai)[Τg4-Τi4]+αgi(Τg-Τi)}包外壁q=hoi(Toi-Ti)2內(nèi)表面邊界條件不同空冷狀態(tài),鋼包外表面邊界條件與烘烤階段一樣,只是內(nèi)表面的邊界條件不同。qei=σ[T4i?T4e]1?εiFiεi+1Fe(2)qei=σ[Τi4-Τe4]1-εiFiεi+1Fe(2)31鋼包安裝鋼水階段qbisb+qfsw+qf能量平衡方程:CsMs(τ)(dTSdτ)=Csπr20υρs[Tin?Ts(τ)]+qbi(τ)Sb+qwi(τ)Sw(τ)+qf(τ)Sf(3)CsΜs(τ)(dΤSdτ)=Csπr02υρs[Τin-Τs(τ)]+qbi(τ)Sb+qwi(τ)Sw(τ)+qf(τ)Sf(3)邊界條件:包內(nèi)壁Ti=Ts(τ)包外壁q=hoi(Toi-Ti)密度和傳熱系數(shù)MsCsdTs/dτ=qbi(τ)Sb+qwi(τ)Sw(τ)+qf(τ)Sf(4)邊界條件同出鋼階段。以上式中:r為鋼包半徑,m;τ為時間,s;Qi為燃料燃燒供熱量,J/h;Fi為鋼包內(nèi)表面的傳熱面積,m2;σ為輻射常數(shù),5.67×10-8,W/(m2·K);εi為鋼包內(nèi)表面黑度;Ai為鋼包內(nèi)表面吸收率;Tg為燃燒煤氣的溫度,K;Ti為鋼包內(nèi)表面溫度,K;αgi為燃燒的煤氣和鋼包內(nèi)表面之間的對流換熱系數(shù),W/(m2·K);λ為耐材的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);ρ為密度,kg/m3;Cp為定壓比熱容,J/(kg·K);α和α’均為對應(yīng)條件下的對流換熱系數(shù),W/(m2·K);q為熱流密度;W/m2;下標(biāo):i為鋼包內(nèi)表面,g為燃燒的煤氣,b為包壁,d為包底,ib為鋼包壁的內(nèi)壁,ob為鋼包壁的外壁,id為鋼包包底的內(nèi)壁,od為鋼包包底的外壁,e為環(huán)境,sw為室溫,s為鋼水。1.2模擬過程1.2.1模型尺寸、材質(zhì)將250t預(yù)制塊鋼包?；癁楸砻婀饣膱A柱體,根據(jù)鋼包結(jié)構(gòu)的對稱性,取包體的二維剖模型建模,采用PLANE55二維熱實體分析單元,結(jié)合表面效應(yīng)單元SURF151,進行瞬態(tài)有限元分析,整個建模中,永久層和包殼作為連續(xù)整體,工作層分上、下渣線和中間工作層,下渣線還有圍罐磚,模型的具體尺寸及材質(zhì)如圖1。計算時在鋼包內(nèi)部通過熱邊界單元指定烘烤及裝運鋼水時的熱面溫度,通過指定輻射和對流邊界條件計算實際的傳熱效果、各部分尺寸以及鋼包內(nèi)襯各層耐火材料。鋼包的耐火材料中永久層為含70%氧化鋁的高鋁澆鑄料,工作層為含88%氧化鋁和2.0%氧化鎂的剛玉尖晶石預(yù)制塊,絕熱層為氧化鋁和二氧化硅總質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過95%的硬質(zhì)隔熱纖維板,由于包襯溫度變化范圍較大,計算時考慮不同耐材的熱物性參數(shù)隨溫度的變化,耐材的導(dǎo)熱系數(shù)采用熱線法測試獲得,鋼包各層熱物性參數(shù)具體如表1所示。1.2.2單元網(wǎng)格劃分首先建立并選取單元數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)包括單元的種類、幾何常數(shù)、材料及單元形成時所在的坐標(biāo)系統(tǒng),其次設(shè)定網(wǎng)格劃分的參數(shù),最主要的是定義對象邊界單元的大小和數(shù)目,由于鋼包建模時最小尺寸為0.005m,因此選取邊界單元的大小為0.001,最后進行單元網(wǎng)格劃,本文選取自由網(wǎng)格劃分方式。1.2.3鋼包初始熱分析首先要定義分析類型,對于鋼包烘烤過程的模擬主要是運用蓄熱式烘烤的瞬態(tài)熱分析,烘烤火焰的溫度曲線見圖2,由于鋼包初始溫度場是不均勻的且是未知的,因此必須首先作穩(wěn)態(tài)熱分析以確定初始條件。其次獲得瞬態(tài)熱分析的初始條件,然后設(shè)定載荷步選項,即熱效應(yīng)的變化規(guī)律和持續(xù)時間,最后進行求解。1.2.4測試結(jié)果的后處理ANSYS提供2種后處理方式:POST1,可對整個模型的某一載荷步的結(jié)果進行后處理,讀出某一時間點的結(jié)果,對結(jié)果進行矢量圖顯示、打印列表等;POST26,可對模型中特定點在所有載荷步(整個瞬態(tài)過程)的結(jié)果進行后處理,首先定義變量,然后就可繪制這些變量隨時間變化的曲線。1.3試驗結(jié)果和討論考慮到實際問題比較復(fù)雜,在建立有限元數(shù)學(xué)模型前特做如下假設(shè):1)鋼包看作圓筒形,不考慮包體錐度;2)煤氣燃燒溫度分布均勻;3)包壁只考慮徑向熱流,包底只考慮軸向熱流;4)鋼包耐材的參數(shù)只應(yīng)用導(dǎo)熱系數(shù)λ和比熱容c以及密度ρ,其他的傳熱參數(shù)和熱膨脹系數(shù)等忽略不計;5)邊界溫度取表面測定溫度的平均值;6)忽略鋼包內(nèi)部各層耐火材料之間的接觸熱阻;7)忽略渣層的徑向傳熱。2在包體內(nèi)增加以提高鋼水溫降新鋼包投入使用前需要進行長時間的烘烤,烘烤主要有兩方面作用,一方面是為了去除包襯內(nèi)水分,在保證灰縫不變形、不干裂,保持包襯嚴(yán)密性的前提下,逐漸地盡可能完全地去除包體內(nèi)的水分;另一方面是為了加熱包襯,以減少鋼包受鋼時,由于鋼包熱狀態(tài)造成的鋼水溫降。在烘烤條件一定的情況下,烘烤時間的長短將直接影響鋼包熱狀態(tài)進而影響熱循環(huán)中造成的鋼水溫降的大小。本研究以鋼包蓄熱達(dá)到熱飽和后,一個熱循環(huán)周期內(nèi),由于包壁散熱造成的鋼水溫降為基準(zhǔn),針對不同烘烤時間下的鋼包熱狀態(tài)以及相應(yīng)的鋼包熱狀態(tài)造成的鋼水溫降分別進行了模擬計算分析。2.1烘烤前后鋼包的熱飽當(dāng)鋼包烘烤25h時,包壁和包底內(nèi)襯耐火材料的表面溫度均已加熱到1100℃以上,達(dá)到了紅包狀態(tài),此時包壁內(nèi)襯各層溫度趨于平穩(wěn),內(nèi)壁至包殼溫度梯度和烘烤55h的鋼包相比基本重合,說明包壁在烘烤25h后基本達(dá)到熱飽和。但是由圖3可以看出,由于包底耐火材料較厚,包底內(nèi)襯各層升溫趨勢明顯,烘烤25h時內(nèi)壁至包殼的溫度梯度高于烘烤55h的鋼包(見圖4),在烘烤時間達(dá)到55h后,鋼包內(nèi)襯各層溫度均基本趨于平穩(wěn),由此可知鋼包整體達(dá)到熱飽和的烘烤時間為55h。2.2鋼包消溫溫降計算以模擬烘烤后的鋼包狀態(tài)為初始條件,模擬計算了不同的預(yù)熱時間對鋼水溫度的影響,為了簡化計算,將精煉處理和運輸?shù)却龝r間簡化為鋼水鎮(zhèn)靜,鋼包周轉(zhuǎn)過程每個工位的處理時間按照生產(chǎn)時間的平均值計算,出鋼過程7min,鋼包加鋼水靜止時間2h,連鑄過程40min,鑄畢空包冷卻30min,計算結(jié)果如表2(以鋼包蓄熱達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后,一個熱循環(huán)周期內(nèi),由于包壁散熱造成的鋼水溫降為基準(zhǔn))。H鋼廠的實際生產(chǎn)過程中,鋼包烘烤25h左右投入使用,但是此時鋼包并沒有達(dá)到熱飽和,仍然有蓄熱升溫的趨勢。由表2可以看出,鋼包在前9個周期都處于蓄熱狀態(tài),到第10個周期才達(dá)到熱飽和,前3個周期的蓄熱對鋼水過量溫降的影響最明顯,需要補償?shù)臏囟纫草^多,其中第1周期所需的溫度補償高達(dá)10℃,第2周期7℃,第3周期5℃,因此在實際的生產(chǎn)過程中,對新包投入使用的前10個周期都要進行相應(yīng)的溫度補償。由表2可知,鋼包的烘烤時間顯著影響鋼水溫降,鋼包烘烤時間越長,投入使用后鋼水溫降值越小。H鋼廠實際生產(chǎn)中鋼包烘烤約25h投入使用,造成鋼水過量溫降最大高達(dá)10℃,若烘烤55h后投入使用,則造成鋼水的最大溫降不到1℃。所以建議若條件允許,應(yīng)當(dāng)延長鋼包烘烤時間,理想的烘烤時間為55h;若不能達(dá)到該烘烤時間,則轉(zhuǎn)爐出鋼應(yīng)當(dāng)進行相應(yīng)的溫度補償。3鋼包投入使用模擬計算的驗證在實際生產(chǎn)中,鋼水除了受鋼包熱狀態(tài)影響而造成溫降外,還有其它諸多因素的影響,如合金加入、吹氬等。但是由于生產(chǎn)和成本的限制,沒有辦法選擇多個鋼包固定其它因素,只進行同一條件下的重復(fù)試驗驗證補償模型的準(zhǔn)確性。由于鋼水溫度補償模型是由鋼包熱狀態(tài)模擬計算得出的,因此鋼水溫度補償模型準(zhǔn)確性的驗證采用通過鋼包熱狀態(tài)驗證來實現(xiàn)。驗證分2步進行,首先對鋼包投入使用前,鋼包熱狀態(tài)模擬計算的結(jié)果進行驗證;其次對鋼包投入周轉(zhuǎn)10個周期后的熱狀態(tài)模擬計算的結(jié)果,再進行驗證。驗證的思路是通過在鋼包內(nèi)部埋設(shè)熱電偶測試鋼包包襯溫度,用測試的數(shù)據(jù)驗證模擬計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。熱電偶具體的埋設(shè)方法參見文獻(xiàn),具體的埋設(shè)位置見圖5。圖中,1、4、7號熱電偶在絕熱層和包殼之間,2、5、8號熱電偶在永久層和絕熱層之間,3、6、9號熱電偶在工作層和永久層之間;10號在絕熱層和包殼之間,11號在永久層和絕熱層之間,12號在工作層和永久層之間;13～16號熱電偶固定于包襯內(nèi)表面,用于測試烘烤火焰的溫度,其中,13號位于上渣線,14號位于包壁中部,15號位于包底與包壁交界處,16號位于包底中心位置。對鋼包投入使用前的驗證,選取鋼包烘烤25h后中部的3個點:4～6號,這3個點的熱電偶實測結(jié)果對模擬計算結(jié)果進行驗證,具體如圖6?？梢钥闯?模擬結(jié)果與實測結(jié)果基本相符。鋼包投入周轉(zhuǎn)10個周期后,選取埋設(shè)在鋼包內(nèi)部的12個熱電偶的測試結(jié)果對模擬計算結(jié)果進行驗證,實測結(jié)果和計算結(jié)果的最大差值出現(xiàn)在1號熱電偶的位置(上渣線位置的絕熱層和包殼之間),最大差值為6℃,最小差值出現(xiàn)在10號熱電偶的位置(包底的絕熱層和包殼之間),最小差值為2℃?？梢钥闯鲈囼灉y試的結(jié)果和數(shù)值模擬計算的結(jié)果基本一致,從而驗證了鋼包熱狀態(tài)模擬計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,進而也證明了鋼水溫度補償模型的準(zhǔn)確性。4鋼包烘烤時間的影響1)H鋼廠在實際生產(chǎn)中,鋼包烘烤25h左右就投入使用,對鋼水溫度造成很大影響