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行業(yè)動(dòng)態(tài)

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析

發(fā)布時(shí)間:2021-09-23 09:27:04 人氣:

  多功能鐵水包技術(shù)是指近些年在高爐-轉爐區段使用的一種新型鐵水運輸模式,即“一包到底”(也稱(chēng)為“一罐到底”)技術(shù)。多功能鐵水包與傳統運輸模式最大的不同之處在于,從高爐出鐵到轉爐兌鐵全程的運輸、預處理等操作都在是在一個(gè)鐵水包中進(jìn)行,實(shí)現了鐵水的承接、運輸、存貯、預處理以及兌鐵等多項功能[1]。而在現有的鐵水運輸過(guò)程中,鐵水全程存在相對較大的溫降,導致鐵水在脫硫處理或轉爐冶煉時(shí)溫度偏低。溫度過(guò)低不僅對運輸使用的鐵水包易造成結殼結瘤,使得鐵水包周轉率和壽命降低,還會(huì )造成鋼鐵料消耗高、波動(dòng)大及鋼水質(zhì)量無(wú)法保障等后果[2]。高爐-轉爐區段鐵水的溫度一直是普遍關(guān)注的焦點(diǎn),盡管近年來(lái)鐵水溫降有所減少,但如何提高鐵水運輸過(guò)程中的保溫效果、進(jìn)一步減少溫降仍然是熱點(diǎn)問(wèn)題。

  近些年來(lái),相關(guān)學(xué)者曾對高爐-轉爐區段鐵水溫降研究進(jìn)行了大量工作[3-6],但多是針對傳統運輸模式中的魚(yú)雷罐的保溫及溫降研究。對于新型多功能鐵水包運行過(guò)程的鐵水溫降問(wèn)題,相繼有項寶勝[7]、韓偉剛[8]等對現場(chǎng)加蓋改造及保溫效果進(jìn)行測溫試驗;劉成[9]利用Ansys 有限元分析法,對鐵水包空包、重包加蓋的情況進(jìn)行了數值模擬,得出保溫蓋對空包熱狀態(tài)的改變和減少鐵水溫降值的相關(guān)結論。

  相比于鋼水溫降分析[10]、溫度補償模型[11]和鋼包熱狀態(tài)分級[12]等已有研究成果,鐵水及鐵水包的數值模擬研究有價(jià)值結論較少,對于加蓋保溫效果的合理時(shí)間段、最佳保溫效果部位及鐵水減少溫降等仍缺乏更準確的研究。

  本文以某廠(chǎng)230 t 多功能鐵水包為研究對象,構建求解模型并利用fluent 有限體積法進(jìn)行運輸過(guò)程的傳熱計算。分別分析了保溫蓋對多功能鐵水空包返回5 h 過(guò)程中以及重包運輸1 h 過(guò)程的溫降規律影響,將加蓋前后鐵水包包殼溫度場(chǎng)的變化進(jìn)行對比討論,并進(jìn)行了現場(chǎng)實(shí)測驗證。對多功能鐵水包加蓋設備的保溫效果進(jìn)行量化,為減少鐵水溫降、進(jìn)一步完善“一包到底”模式提供參考和理論支持。

  1 鐵水包的模型處理

  1. 1 鐵水包結構分析

  多功能鐵水包兩側分別有一個(gè)耳軸,用于鐵水包的吊運。規格為230 t的鐵水包高度約為6.2 m,包底呈近似的橢圓形寬度約為3.9 m,部分鐵水包下方設有一個(gè)專(zhuān)供鐵水包機車(chē)牽引的牽引架。鐵水包包壁一般是由工作層、永久層、保溫層和包殼組成,而包底一般沒(méi)有保溫層,其他層在包壁和包底上的砌筑厚度各不一樣。

  根據查閱材料手冊[13],鐵水包各層耐火材料種類(lèi)及厚度見(jiàn)表1,圖1 是以某廠(chǎng)230 t 鐵水包為對象所建立的三維鐵水包模型示意圖。該廠(chǎng)鐵包運輸方式為起重機+過(guò)跨車(chē),模型中省略了機車(chē)牽引架,以及左右兩側的耳軸。

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖1)


  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖2)


  1. 2 鐵水包熱損分析

  鐵水從高爐出鐵后,經(jīng)歷出鐵、運輸、扒渣、脫硫處理、轉爐兌鐵以及過(guò)程中可能的等待時(shí)間,鐵水在各個(gè)環(huán)節都有不同程度的溫降。本次試驗不考慮人為操作等影響所導致的鐵水溫降,僅對鐵水在運輸或等待過(guò)程中的溫降進(jìn)行計算分析。

  在這種情況下,鐵水熱量損失主要包括3 個(gè)方面:(1)鐵水與鐵水包耐火材料之間的對流換熱,導致耐材及包殼溫度的升高,即材料蓄熱造成的熱損;(2)鐵水包包殼以輻射換熱和對流換熱的方式對外界進(jìn)行散熱;(3)若無(wú)包蓋,則有渣層與包內壁對外進(jìn)行散熱,若有包蓋則為渣層與內壁對包蓋進(jìn)行輻射換熱和對流換熱。

  1. 3 鐵水包熱物性參數

  根據查閱手冊鐵水包各部分耐材不同溫度點(diǎn)的導熱系數,分別繪制導熱系數與溫度、比熱容與溫度的曲線(xiàn),得到各部分導熱系數、比熱容與溫度的對應關(guān)系,見(jiàn)表2。由于隨溫度變化的物性參數與溫度均為線(xiàn)性關(guān)系,在進(jìn)行數值模擬過(guò)程中這部分物性參數設置選擇為逐段線(xiàn)性(piecewise-linear),即分別選取6個(gè)溫度點(diǎn)所對應的熱物性參數輸入。

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖3)


  2 計算模型及加載初始條件

  2. 1 鐵水包有限元模型

  根據某廠(chǎng)提供230 t 鐵水包數據,以及建模假設的簡(jiǎn)化處理。忽略耳軸、牽引架等額外部件,由于鐵水包基本呈軸對稱(chēng),同時(shí)為減少計算量,取鐵水包二維軸對稱(chēng)模型為研究對象,二維幾何模型如圖1 所示,使用ANSYS ICEM 建立230 t 二維鐵水包模型,劃分網(wǎng)格并選擇fluent 求解器導出。進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析,各工況鐵水包模型如圖2 所示。模型包體由外到里依次是:包殼、永久層、工作層,圖2 中(a)、(c)鐵水包內下層為鐵水、上層為空氣,圖2 中(a)、(b)最頂層為保溫蓋,其厚度為320 mm,材質(zhì)內層為納米材料外層為鋼板。為盡可能貼近實(shí)際情況,模型包蓋與包體之間留有120 mm空隙。

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖4)


  圖3 所示為所劃分的結構化網(wǎng)格包底細節及相關(guān)尺寸,由于尺寸比例原因,已將中間部分截去省略,其中加蓋鐵水包二維模型包含了23 680 個(gè)網(wǎng)格單元和22 176 個(gè)節點(diǎn)數,表3 為模型網(wǎng)格單元的部分重要質(zhì)量參數比例,基本滿(mǎn)足計算所需精度。其他工況的鐵水包模型是在加蓋模型基礎上修改或刪除多余單元,其余部分節點(diǎn)數不變,同樣滿(mǎn)足本次計算要求[14]。

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖5)


  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖6)


  多功能鐵水包為不完全規則容器,在進(jìn)行傳熱計算模擬前,將對傳熱計算影響較小的單元做簡(jiǎn)化處理,并為了簡(jiǎn)化數學(xué)模型作出如下假設條件:

  (1)不考慮耳軸、牽引架等部分,并將鐵包包口簡(jiǎn)化處理成在同一水平面高度。

  (2)由于鐵水表面基本無(wú)流動(dòng),且由于表面渣層和覆蓋保溫劑的作用,將鐵水表面視為壁面,鐵水表面無(wú)流動(dòng)。

  (3)忽略各層耐火材料之間的接觸熱阻及外表面熱阻。

  (4)鐵水包耐材的參數只考慮導熱系數λ 和比熱容c 及密度ρ,忽略熱膨脹系數和其他導熱參數對鐵水包的影響。

  (5)不考慮實(shí)際環(huán)境天氣的變化,假設鐵水包始終處于300 K的自然環(huán)境中。

  2. 2 模擬試驗內容及步驟

  模擬試驗的內容主要包括3 個(gè)方面:鐵水包加蓋前后的空包熱狀態(tài)模擬研究;保溫蓋對重包運輸鐵水溫降影響研究;保溫蓋的綜合保溫效果分析。根據試驗內容計劃本次試驗模擬的主要步驟如下:

  (1)先對鐵水包空包進(jìn)行5 h(空包平均周轉時(shí)間)自然冷卻模擬,再向鐵水包內加載1 783 K的鐵水模擬1 h(重包平均運行時(shí)間),這樣反復3 次模擬鐵水包3 次運行周期,使得整個(gè)鐵水包包體各個(gè)部分的溫度達到周轉過(guò)程中的實(shí)際溫度。

  (2)在反復模擬3 次后,在空包中倒入1 783 K的鐵水,并選取鐵水中部的一點(diǎn)進(jìn)行溫度監控,模擬得出1 h 內鐵水溫降速率和溫降曲線(xiàn)。

  (3)然后對加蓋鐵水包重復第一、二步驟,模擬得出加蓋鐵水包的鐵水溫降速率和溫降曲線(xiàn)。

  (4)比較保溫蓋在空包運行過(guò)程中對包體溫降的改善,以及鐵水包包體溫度的改善對下次周轉鐵水溫降的影響。

  2. 3 主要邊界條件設置

  因為假設條件(5)中認定鐵水包始終處在300 K的恒溫環(huán)境中,而在工程計算中,壁溫tw 恒定時(shí)大空間對流換熱采用試驗關(guān)聯(lián)式[15]見(jiàn)式(1)。

  平板對流換熱中格拉曉夫數計算公式見(jiàn)式(2):

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖7)


  式中:Nu 為努塞爾總準數;下角標“m”表示選取邊界層平均溫度為定性溫度,Gr 為格拉曉夫數;β 為體積膨脹系數;L 為定形尺寸;Δt 為壁面溫度與流體的平均溫度差;v 為流體的運動(dòng)黏度;C、n 為試驗常數;Pr 為普朗物常數。

  根據查表以及經(jīng)驗公式計算[16]得到鐵水包包殼外表面、包蓋以及包底與環(huán)境的對流換熱系數,發(fā)射率等其他傳熱參數根據經(jīng)驗以及查閱相關(guān)材料文獻進(jìn)行設定。求解器選擇的是二維單精度求解器,即可滿(mǎn)足計算要求。迭代運算時(shí)間步長(cháng)(TimeStep Size)設置為1 s,每步長(cháng)計算次數(Max Iterations/Time Step)為20次。

  在加蓋模擬階段,因為考慮鐵水包內氣體受熱膨脹且密度減小,包蓋與鐵水包之間縫隙的邊界條件設置為壓力出口(pressure outlet),根據第二條假設條件,在重包傳熱計算時(shí)鐵水表面邊界條件設置為壁面傳熱(wall)。在不加蓋模擬階段,鐵水包包口處邊界條件設置為壓力出口。

  2. 4 控制方程

  由于本次數值計算中流體流動(dòng)較為緩慢,同時(shí)鐵水為不可壓縮流體,所以fluent 計算中選擇適用于低速、不可壓縮流體的基于壓力求解器(Pressure-Based)。Fluent 軟件中流體運動(dòng)及換熱的控制方程主要有以下3個(gè):

  連續方程:

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖8)


  式中:ρ 為流體密度,ui 為流體速度沿i 方向的分量;xi 為微元體沿i 方向的邊長(cháng);t 為時(shí)間。連續方程又稱(chēng)質(zhì)量守恒方程。

  動(dòng)量守恒方程:

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖9)


  式中:p 為靜壓力;τij 為應力矢量;gi 為i 方向的重力分量;Fi 為由于阻力和能源而引起的其他能源項;ui 為流體速度沿j 方向的分量;xj 為應力沿j方向的距離。

  能量守恒方程:

  式中:h 為熵;k 為分子傳導率;kt 為由于湍流傳遞而引起的傳導率;Sh 為定義的體積源;T 為溫度。

  3 試驗結果分析及驗證

  在所有模擬試驗中,檢測點(diǎn)位置始終保持不變,無(wú)論加蓋與否,均選擇3 個(gè)溫度檢測點(diǎn)B、C、D,如圖4 所示。鐵水包內襯上部溫度檢測點(diǎn)選在B點(diǎn)位置,內襯中、下部溫度監測點(diǎn)分別在點(diǎn)C、點(diǎn)D處。在模擬重包鐵水溫降規律時(shí),無(wú)論加蓋與否,鐵水溫度檢測點(diǎn)均選擇在A(yíng)點(diǎn)處。

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖10)


  4 模型驗證及空包加蓋效果分析

  在完成初步模擬計算后,為了驗證模型建立的準確性以及假設條件與實(shí)際工況的符合程度,本文對某廠(chǎng)230 t 鐵水包(36 號)進(jìn)行多點(diǎn)跟蹤測溫,調研測溫數據包括鐵水包無(wú)蓋空包內襯中部溫降和鐵水包加蓋空包內襯中部溫降。

  圖5 和圖6 所示分別為鐵水包空包加蓋前后內壁中部溫降曲線(xiàn),同時(shí)將該廠(chǎng)調研測溫數據點(diǎn)擬合成溫降曲線(xiàn),并與模擬結果比較,發(fā)現模擬溫降趨勢與實(shí)際測溫情況最大誤差值為36 K,相對誤差值小于5%,驗證了無(wú)蓋模型的準確性。從模擬結果可以看出,在不加蓋情況下鐵水包初始溫降速率相對較大,在經(jīng)過(guò)幾小時(shí)自然冷卻后,溫降趨于平緩。整體變化趨勢與實(shí)際溫降趨勢相近,表明假設條件不影響模擬計算,與實(shí)際工況符合程度較高。

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖11)


  根據鐵水包加蓋前后5 h 內的包壁溫降速率對比圖,如圖7 所示,再次證明了保溫蓋在轉爐兌完鐵的一段時(shí)間內,加蓋鐵水包包壁溫降速率相對更低,該段時(shí)間內保溫效果更為明顯。在空包加蓋超過(guò)3 h 后,加蓋前后鐵水包內壁中部溫降速率基本相同,空包加蓋的保溫效果不再明顯。

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖12)


  將加蓋前后5 h 末內壁上、中、下各點(diǎn)溫度值列出,見(jiàn)表4,并計算各部加蓋前后溫差值??梢园l(fā)現,靠近包沿處的內壁上部在不加蓋情況下溫度最低為655 K、熱量損失最多,加蓋前后溫差為194 K,靠近包底的內壁下部溫度值在加蓋前后溫差為54 K。由此可見(jiàn),在空包運行過(guò)程中添加保溫蓋,對鐵水包各部位都有一定程度的保溫效果,且靠近鐵水包包沿處的保溫效果最佳。

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖13)


  4. 1 重包加蓋結果與分析

  在鐵水包反復模擬3 個(gè)運行周期之后,鐵水包各部分溫度基本達到實(shí)際運行周轉時(shí)的溫度,再繼續模擬計算該鐵水包下一周期中的傳熱過(guò)程,并對鐵水中部一點(diǎn)(圖4 中點(diǎn)A)選取為溫度監測點(diǎn),溫度變化曲線(xiàn)如圖8和圖9所示。

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖14)


  未加蓋情況下,鐵水1 h 內溫度由1 783 K降至1 737 K;加蓋情況下,鐵水1 h 內溫度由1 783 K降至1 750 K。重包加蓋結果表明:鐵水包增設保溫蓋后,鐵水60 min 溫降由46 變?yōu)?3 K,減小鐵水溫降13 K。由于在鐵水運輸過(guò)程中,鐵水物理熱損失主要分為3 個(gè)部分:50%鐵水表面散熱;30%鐵水包蓄熱;20%外殼散熱[2]。重包過(guò)程中加蓋極大的減少了鐵水表面對外的輻射和對流換熱量,保溫蓋效果體現在鐵水溫降上大小為13 K/h。

  根據加蓋前后鐵水1 h 內的溫降速率對比如圖10 所示,剛接鐵水時(shí)加蓋與不加蓋情況下鐵水初始溫降速率相差較大,最主要的原因是無(wú)蓋鐵水包溫度較低、接鐵后第一時(shí)間的蓄熱量較大,導致初始溫降速率偏大。同時(shí)說(shuō)明了保溫蓋不僅在重包運行階段的重要性,在空包返回過(guò)程中保溫蓋在一定時(shí)間內同樣具有較好的保溫的效果,確保下一周期的鐵水運輸過(guò)程中鐵水包具有更高的溫度。

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖15)


  4. 2 保溫效果綜合分析

  根據5 h 鐵水包空包運行溫降曲線(xiàn)可以直觀(guān)地發(fā)現,加蓋前后5 h 末的鐵水包溫度實(shí)際相差不大僅為100 K左右,根據加蓋前后鐵水包壁中部溫度差繪出保溫蓋效果圖如圖11所示。

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖16)


  從保溫效果圖(圖11)可以看出,在空包運行的3 h 之內,加蓋前后包壁中部即監測點(diǎn)B位置的溫差最高可達150 K。在相同空包時(shí)間內,鐵水包耐材溫降的減小,使得后續裝載鐵水過(guò)程中,因包襯蓄熱而從鐵水傳遞至包襯的熱量減小,因而鐵水溫降減小??瞻\行時(shí)間達到3 h,能使保溫蓋發(fā)揮最好的保溫效果。

  針對加蓋前后包壁上下部溫度進(jìn)行對比,對比如圖12 所示。圖12 為不加蓋和加蓋情況下,鐵水包空包返回接鐵口的5 h 末包壁上下部溫度圖。如表4 中所示,在鐵包返回接鐵口的5 h 運輸時(shí)間末,未加蓋鐵包上下部溫差205 K,加蓋鐵包上下部溫差為65 K,減小鐵包上下部溫差140 K。由鐵包耐材壽命研究的相關(guān)文獻[17]指出,熱應力是耐材損壞的重要因素之一,而產(chǎn)生熱應力的主要原因就是溫度梯度。鐵水包不同部位耐材的溫差較大,產(chǎn)生熱應力會(huì )損害包襯耐材,且低溫部分在接鐵時(shí)由于與鐵水溫差大爐襯易被鐵水侵蝕。保溫蓋則極大地提高了鐵包上部溫度194 K,同時(shí)減小鐵包上下部?jì)纫r溫差140 K,有效減小了因熱應力所導致的包襯耐火材料損傷。延長(cháng)鐵包耐材使用壽命,對減少修包頻率、提高包齡有著(zhù)重要作用。

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖17)


  4. 3 實(shí)測驗證

  為了對模擬結果進(jìn)行驗證,選定某廠(chǎng)230 (t 36號)鐵水包進(jìn)行滿(mǎn)包鐵水溫度測定。制定了簡(jiǎn)要的測溫方案:滿(mǎn)包測定間隔時(shí)間為20 min,總時(shí)長(cháng)為2 h;空包測定間隔時(shí)間為20 min,總時(shí)長(cháng)為5 h。測溫內容主要包括:(1)空包不加蓋狀態(tài)下包襯溫度;(2)空包加蓋狀態(tài)下包襯溫度;(3)滿(mǎn)包不加蓋狀態(tài)下鐵水溫度;(4)滿(mǎn)包加蓋狀態(tài)下鐵水溫度。測溫內容中(1)、(2)空包部分已經(jīng)在圖5 和圖6中與模擬結果共同繪出,以進(jìn)行比較。圖13 所示為測溫內容第(3)、(4)部分內容鐵水測溫。由于出鐵過(guò)程溫度無(wú)法精確控制,以及加蓋設備等操作影響,導致實(shí)測起始點(diǎn)溫度并不完全相同,但在誤差可接受范圍內可以進(jìn)行驗證。

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖18)


  保溫效果驗證結果見(jiàn)表5。由表5 中可以看出,模擬結果與實(shí)際驗證情況存在一定誤差。分析原因主要是由于模擬與實(shí)測鐵水起始溫度不同,模擬過(guò)程鐵水溫度比實(shí)際略高、溫降速率更大,所以保溫效果更為明顯。但相對誤差值在允許范圍之內,驗證了整個(gè)試驗的準確性。

  

多功能鐵水包加蓋保溫效果分析(圖19)


  5 結論

  (1)通過(guò)對某廠(chǎng)多功能鐵水包進(jìn)行實(shí)際測溫,并與模擬計算結果進(jìn)行比較,計算結果與實(shí)測數據相對誤差值小于5%,驗證本次數值模擬假設條件的可行性及模型的準確性。

  (2)鐵水包在空包運行階段加蓋,能有效提高下次接鐵時(shí)的鐵包整體溫度。鐵包加蓋后上、中、下部溫度分別提高194、126、54 K,有效改善空包熱狀態(tài),減少下次承接鐵水時(shí)鐵包的耐材蓄熱量。

  (3)鐵水包在空包運行階段加蓋,能有效降低鐵水包包襯上下部溫差140 K,減小鐵水包包襯由于溫度梯度所產(chǎn)生的熱應力,從而降低熱應力所導致的耐材損耗,有效保護鐵水包耐火材料、降低修包頻率。

  (4)根據鐵水包空包加蓋前后,包壁中部B 點(diǎn)溫差ΔTB 隨時(shí)間變化規律可知:ΔTB 隨時(shí)間變化呈現先增大后減小的趨勢,且在空包3 h 時(shí)達到最大值ΔTB max=150 K 。即空包加蓋運行3 h 左右,包蓋保溫效果得到最大化,空包運輸時(shí)間應盡可能控制3 h以?xún)茸顬楹侠怼?/p>

  (5)空包在返回過(guò)程中增設保溫蓋,能有效提高接鐵時(shí)的鐵包溫度,減少耐材蓄熱;且同時(shí)在重包運行過(guò)程中加蓋,每小時(shí)能減少鐵水溫降約13 K,全程加蓋保溫效果顯著(zhù)。


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