鐵水從高爐煉鐵區(qū)域運(yùn)輸?shù)睫D(zhuǎn)爐和電爐煉鋼區(qū)域的主要設(shè)備為鐵水罐，隨著“一罐到底”技術(shù)的發(fā)展，從高爐出鐵到轉(zhuǎn)爐兌鐵過程不需要再進(jìn)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(zhǎng)流程”煉鋼生產(chǎn)鐵鋼界面的惟一運(yùn)輸裝置[5]。

由于鐵水溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，因此鐵水罐運(yùn)輸過程中難免發(fā)生鐵水溫度的損失，為了控制鐵水罐運(yùn)輸過程鐵水溫度降低，降低能源消耗，眾多學(xué)者對(duì)鐵水罐運(yùn)輸過程的傳熱和鐵水溫降進(jìn)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(duì)鐵水溫降速率的影響。戴方欽等[11]研究了鐵水包加揭蓋對(duì)鐵水溫度的影響。也有學(xué)者通過對(duì)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(xué)習(xí)機(jī)建立了溫降預(yù)測(cè)模型研究鐵水溫降。王君等[13]開發(fā)了鐵水運(yùn)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(nèi)襯侵蝕對(duì)鐵水罐運(yùn)輸過程中鐵水溫度降低的影響研究還鮮有報(bào)道，因此本文以某廠100 t鐵水罐為研究對(duì)象，使用有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了鐵水罐從受鐵到運(yùn)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(nèi)襯侵蝕程度對(duì)鐵水溫降的影響，為現(xiàn)場(chǎng)鐵水罐溫降控制提供參考。

1.   100 t鐵水罐運(yùn)輸過程溫降數(shù)值模擬

為得到某廠100 t鐵水罐運(yùn)輸過程鐵水的溫度降低情況，采用有限元方法對(duì)鐵水罐運(yùn)輸過程的傳熱和鐵水的溫度變化進(jìn)行了數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鐵水從高爐到轉(zhuǎn)爐或電爐載運(yùn)過程鐵水罐外壁和鐵水的溫度測(cè)量試驗(yàn)驗(yàn)證，校驗(yàn)了數(shù)值模擬傳熱參數(shù)，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.1   鐵水溫降數(shù)值模擬

1.1.1   基本假設(shè)

為建立鐵水從高爐到轉(zhuǎn)爐或電爐載運(yùn)過程中傳熱數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行以下基本假設(shè)：

(1) 鐵水不與鐵水罐內(nèi)襯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

(2) 鐵水溝注入鐵水罐內(nèi)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。

1.1.2   控制方程

鐵水罐運(yùn)輸過程鐵水的熱量依次經(jīng)過鐵水罐內(nèi)襯和鐵水罐鋼殼，以及鐵水液面的碳化稻殼層，然后通過對(duì)流換熱和輻射換熱的方式傳輸?shù)酵饨绛h(huán)境中。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將鐵水流動(dòng)對(duì)傳熱的影響折算到鐵水導(dǎo)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(dǎo)率，W/（m·°C）；T為溫度，°C；t為時(shí)間，s；xi為i方向坐標(biāo)，m。

1.1.3   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(dǎo)熱系數(shù)，各項(xiàng)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(nèi)襯耐火材料為Al2O3?SiC?C系耐火磚，其密度、熱導(dǎo)率和比熱容如表1所示。

1.1.4   幾何模型與網(wǎng)格劃分

（1）幾何模型

考慮到鐵水罐的幾何軸對(duì)稱性，為節(jié)約計(jì)算資源和時(shí)間，對(duì)鐵水罐的1/16進(jìn)行幾何建模，包括鐵水罐鋼殼、鐵水罐內(nèi)襯和鐵水，并進(jìn)行裝配，如圖3所示。

（2）網(wǎng)格劃分

使用ANSA對(duì)建立的幾何模型進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，然后使用MeshCAST進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，單元數(shù)量為118901，最后將劃分網(wǎng)格后的有限元模型導(dǎo)入ProCAST進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，如圖4所示。

1.1.5   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(duì)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)，5.67×10−8 W/（m2·°C4）。

（2）初始條件

鐵水初始溫度為鐵溝出鐵溫度，內(nèi)襯初始溫度為鐵水罐內(nèi)襯烘烤溫度，鐵水罐鋼殼初始溫度為170 °C。

1.2   鐵水罐運(yùn)輸過程測(cè)溫試驗(yàn)

為校驗(yàn)數(shù)值模擬換熱系數(shù)并對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用紅外測(cè)溫槍對(duì)某廠100 t鐵水罐從高爐出鐵到運(yùn)輸至煉鋼區(qū)域全過程開展了鐵水罐外壁溫度的跟蹤測(cè)溫試驗(yàn)，測(cè)溫點(diǎn)位置如圖5所示，同時(shí)使用熱電偶對(duì)鐵水溝溫度和鐵水罐兌鐵前的鐵水溫度進(jìn)行了測(cè)量。

圖6為鐵水罐外壁特征點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的數(shù)值模擬結(jié)果與測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)鐵水運(yùn)輸過程中鐵水罐外壁的溫度隨時(shí)間升高，并且出鐵結(jié)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(jì)算得到的鐵水罐外壁特征點(diǎn)溫度與測(cè)溫結(jié)果較為接近，但存在一定偏差，這是由于鐵水罐內(nèi)襯物性參數(shù)及界面換熱系數(shù)與實(shí)際真實(shí)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(jì)算結(jié)果和實(shí)際測(cè)溫結(jié)果對(duì)比，可以看出鐵水罐液面往下300 mm處鐵水的溫度隨時(shí)間逐步降低，120 min時(shí)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。

2.   鐵水溫降規(guī)律分析

通過鐵水罐運(yùn)輸過程的傳熱數(shù)值模擬計(jì)算，得到鐵水罐從受鐵到運(yùn)輸至煉鋼區(qū)域的鐵水罐鋼殼、內(nèi)襯和鐵水的溫度分布及隨時(shí)間變化情況。鐵水平均溫度隨時(shí)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(nèi)降低較快，30 min后溫度速率基本恒定，可推算得到出鐵結(jié)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(zhuǎn)爐兌鐵的時(shí)間間隔越長(zhǎng)，則鐵水溫降越大，如出鐵溫度為1450 °C，等待和運(yùn)輸時(shí)間為120 min，則鐵水平均溫降為129 °C。

鐵水罐運(yùn)輸過程鐵水溫度分布如圖9所示，可以看出，在鐵水罐運(yùn)輸?shù)牟煌瑫r(shí)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(yùn)輸過程鐵水罐鋼殼、內(nèi)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(shí)間變化程度最小，內(nèi)襯溫度隨時(shí)間逐步升高，內(nèi)襯接近鐵水部位溫度升高較快，由于內(nèi)襯具有一定的保溫性能，內(nèi)襯外側(cè)溫度升高較慢。

3.   鐵水溫降的影響因素

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

3.1   鐵水罐預(yù)熱溫度對(duì)鐵水溫降的影響

為研究鐵水罐受鐵前的熱狀態(tài)對(duì)鐵水溫降的影響，分別對(duì)采用熱罐和冷罐受鐵的鐵水溫度隨時(shí)間變化過程開展了數(shù)值模擬研究，并假設(shè)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(yùn)輸過程鐵水溫度分布隨時(shí)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(yùn)輸過程不同時(shí)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(shí)的鐵水溫度整體比冷罐狀態(tài)受鐵的高，并且隨著運(yùn)輸時(shí)間增加，熱罐和冷罐受鐵對(duì)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(yùn)輸過程鐵水平均溫度隨時(shí)間變化情況，可以看出，鐵水罐熱狀態(tài)對(duì)鐵水平均溫度的影響較大，如鐵溝溫度為1450 °C，等待和運(yùn)輸時(shí)間為120 min，則熱罐和冷罐條件下的鐵水平均溫度相差70 °C。

3.2   鐵水罐內(nèi)襯侵蝕程度對(duì)鐵水溫降的影響

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

鐵水罐內(nèi)襯侵蝕0、10%和30%條件下的鐵水罐運(yùn)輸過程鐵水溫度隨時(shí)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(nèi)襯侵蝕程度下，鐵水罐運(yùn)輸?shù)牟煌瑫r(shí)刻鐵水溫度分布規(guī)律基本一致，鐵水罐內(nèi)襯侵蝕越嚴(yán)重，鐵水整體溫度越高。

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

4.   結(jié)束語

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

(1) 鐵水平均溫度在出鐵開始前30 min內(nèi)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(yùn)輸時(shí)間越長(zhǎng)，鐵水溫降越大，如出鐵溫度為1450 °C，等待和運(yùn)輸時(shí)間為120 min，則鐵水溫降為129 °C。

(3) 鐵水罐熱狀態(tài)對(duì)鐵水平均溫度的影響較大，鐵溝溫度為1450 °C，等待和運(yùn)輸時(shí)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(nèi)襯侵蝕程度對(duì)鐵水溫降有一定影響，鐵溝溫度為1450 °C，等待和運(yùn)輸時(shí)間為120 min，鐵水罐內(nèi)襯侵蝕30%的鐵水平均溫度比內(nèi)襯無侵蝕的高10 °C。

文章來源——金屬世界