新型鋼包的溫度場(chǎng)及其影響因素模擬分析

李公法，劉 澤，孔建益，蔣國(guó)璋，常文俊，李 貝，李 輝

(1.武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢，430081；2.湖北新冶鋼有限公司中棒線項(xiàng)目部，湖北 黃石，435001)

新型鋼包的溫度場(chǎng)及其影響因素模擬分析

李公法1，劉 澤1，孔建益1，蔣國(guó)璋1，常文俊1，李 貝1，李 輝2

(1.武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢，430081；2.湖北新冶鋼有限公司中棒線項(xiàng)目部，湖北 黃石，435001)

以具有納米保溫材料內(nèi)襯的新型鋼包為研究對(duì)象，通過(guò)建立三維有限元模型，運(yùn)用ANSYS軟件分析該種新型鋼包與傳統(tǒng)鋼包在烤包和盛鋼兩種工況下的溫度分布，并研究納米絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)新型鋼包溫度場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，在兩種工況下新型鋼包的溫度分布均優(yōu)于傳統(tǒng)鋼包，新型鋼包包殼的最高溫度明顯低于傳統(tǒng)鋼包包殼的最高溫度，新型鋼包的保溫隔熱性能比傳統(tǒng)鋼包更加優(yōu)良；在一定范圍內(nèi)，新型鋼包包殼的溫度隨納米材料導(dǎo)熱系數(shù)的降低而不斷下降，當(dāng)納米材料導(dǎo)熱系數(shù)降低80%時(shí)，新型鋼包包殼的溫度分布更加均勻，包殼的最高溫度降幅最大，新型鋼包的熱量損失更小，其保溫性能得到明顯提升。

鋼包；納米隔熱材料；溫度場(chǎng)；導(dǎo)熱系數(shù)；保溫性能；溫度模擬

在煉鋼過(guò)程中，鋼包具備優(yōu)良的保溫性能對(duì)降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度、降低包殼散熱量、改善鑄坯質(zhì)量、延長(zhǎng)鋼包內(nèi)襯使用壽命、優(yōu)化生產(chǎn)工藝以及降低生產(chǎn)成本具有十分重要的意義。很多研究者對(duì)傳統(tǒng)鋼包的溫度分布進(jìn)行了大量的研究，但仍然存在著鋼包的包殼溫度較高、保溫效果不顯著等問(wèn)題[1-3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)新材料內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的鋼包進(jìn)行研究，也取得了一定的研究成果。Mario[4]對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼包和具有絕熱材料鋼包中鋼液的溫降過(guò)程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)具有絕熱材料鋼包的鋼液溫降速率比標(biāo)準(zhǔn)鋼包低1.9 ℃/min，能節(jié)省10.5%的電能。陳義峰等[5]提出了一種新型的鋼包內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，對(duì)新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的保溫性能進(jìn)行模擬分析得到，新型鋼包外殼表征溫度較傳統(tǒng)鋼包低45 ℃，鋼包內(nèi)鋼水溫降平均速率降低了0.27 ℃/min，新型鋼包的保溫性能較傳統(tǒng)鋼包更佳。劉志遠(yuǎn)等[6]針對(duì)煉鋼生產(chǎn)中鋼水熱量散失程度較大的問(wèn)題，在轉(zhuǎn)爐、鋼包和中間包上采用了新型WDS納米級(jí)微孔隔熱材料，提高了煉鋼設(shè)備的蓄熱能力，在不影響耐火材料使用壽命的情況下，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。上述對(duì)鋼包外殼溫度的控制以及不同內(nèi)襯材料對(duì)鋼包溫度分布影響的研究結(jié)果顯示，鋼包的溫度分布和保溫性能并不十分理想。為此，本文以具有納米保溫材料內(nèi)襯的新型鋼包為研究對(duì)象，通過(guò)建立三維有限元模型，運(yùn)用ANSYS軟件分析該種新型鋼包與傳統(tǒng)鋼包在烤包和盛鋼兩種工況下的溫度分布，并研究納米絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)新型鋼包溫度場(chǎng)的影響，以期為優(yōu)化新型鋼包的內(nèi)村結(jié)構(gòu)、進(jìn)一步提高鋼包的保溫性能提供參考。

1 新型鋼包有限元模型的建立

1.1 新型鋼包的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

新型鋼包的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳統(tǒng)鋼包的內(nèi)村主要分為工作層、永久層和包殼三部分。新型鋼包在傳統(tǒng)鋼包的永久層和包殼之間加入了納米絕熱材料層和保護(hù)層，其中納米絕熱材料層采用的是由氣相氧化硅和硅酸鈣制備而成的納米微孔材料，這種納米材料的絕熱性能是極為優(yōu)良的[7]；保護(hù)層由厚5 mm的鋼板焊接而成，加在永久層和納米絕熱材料層之間，以保護(hù)價(jià)格昂貴的納米絕熱材料層。新型鋼包各內(nèi)襯層所用材料及其在桶身和包底處的厚度如表1所示。

表1 新型鋼包各內(nèi)襯層所用材料及其在桶身和包底處的厚度

Table 1 Material and thickness of each lining layer in barrel body and ladle bottom of the new type ladle

1.2 有限元模型的建立和網(wǎng)格劃分

運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)鋼包進(jìn)行建模，選定建模尺寸(單位:m)，設(shè)定建模比例為1∶1，建立的新型鋼包三維模型如圖2所示。采用自由劃分的方式對(duì)所建模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸設(shè)定為0.1，選用ANSYS中的SOLID70單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到112 683個(gè)網(wǎng)格和23 943個(gè)節(jié)點(diǎn)。新型鋼包的網(wǎng)格圖如圖3所示。

1.3 邊界條件、材料參數(shù)及模擬方法

將烤包工況下鋼包內(nèi)襯工作層的內(nèi)表面溫度設(shè)定為1000 ℃，盛鋼工況下鋼包內(nèi)襯工作層的內(nèi)表面溫度設(shè)定為1600 ℃，環(huán)境溫度設(shè)定為30 ℃。鋼包的綜合對(duì)流換熱系數(shù)為16.234 W/(m2·K)[8-10]。鋼包各內(nèi)襯層材料的物性參數(shù)如表2所示[8]，不同溫度下新型鋼包各內(nèi)襯層材料的導(dǎo)熱率如表3所示。采用穩(wěn)態(tài)分析法[11]模擬鋼包在熱穩(wěn)定狀態(tài)下各內(nèi)襯層的溫度分布。

表2 鋼包各內(nèi)襯層材料的物性參數(shù)

Table 2 Material physical property parameters of each lining layer of ladle

表3 不同溫度下新型鋼包各內(nèi)襯層材料的導(dǎo)熱率(單位：W·(m·K)-1)

Table 3 Thermal conductivity of each lining layer of the new type ladle at different temperatures

2 典型工況下新型鋼包溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬

在相同的模型網(wǎng)格單元類型和邊界條件加載下，在烤包和盛鋼兩種工況下對(duì)新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

2.1 烤包工況下新型鋼包的溫度分布

烤包后新型鋼包整體溫度分布如圖4所示。從圖4中可以看出，新型鋼包整體溫度分布較均勻，其內(nèi)襯溫度由內(nèi)而外依次降低，在耳軸、上下箍板、肋板及包底邊緣處的溫度較低。

Fig.4 Overall temperature distribution of the new type ladle after baking

烤包后新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的工作層、永久層溫度分布分別如圖5、圖6所示。從圖5中可以看出，雖然兩種鋼包工作層的溫度分布情況大致相同，但新型鋼包的工作層表面最低溫度為419 ℃，而傳統(tǒng)鋼包工作層表面最低溫度為391 ℃，表明新型鋼包工作層熱量損失略小于傳統(tǒng)鋼包。從圖6中可以看出，兩種鋼包永久層的溫度分布情況也大致相同，但新型鋼包永久層表面最低溫度為187 ℃，傳統(tǒng)鋼包永久層表面最低溫度為169 ℃，由此表明，新型鋼包的永久層熱損失相對(duì)于傳統(tǒng)鋼包也是較小的。

Fig.5 Temperature distribution in the working layer of the new type and traditional ladles after baking

Fig.6 Temperature distribution in the permanent layer of the new type and traditional ladles after baking

烤包后新型鋼包保護(hù)層和納米絕熱材料層的溫度分布分別如圖7和圖8所示。從圖7中可以看出，新型鋼包保護(hù)層的最高溫度達(dá)到382 ℃，整個(gè)溫度分布仍然處在一個(gè)較高的水平；從圖8中可以看出，新型鋼包納米絕熱材料層的最高溫度為381 ℃，最低溫度只有103 ℃，其內(nèi)外表面的溫差達(dá)278 ℃。由此表明，盡管納米絕熱材料層的厚度只有20 mm，但它的保溫隔熱性能非常優(yōu)良。

Fig.7 Temperature distribution in the protective layer of the new type ladle after baking

Fig.8 Temperature distribution in the thermal insulating nano-material layer of the new type ladle after baking

烤包后新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的包殼溫度分布如圖9所示。從圖9中可以看出，新型鋼包包殼的最高溫度為202 ℃，出現(xiàn)在包殼上沿，其高溫區(qū)域主要集中在包殼上沿、鋼包底半徑位置處、包殼下半部以及包殼中部位置。而傳統(tǒng)鋼包的包殼最高溫度出現(xiàn)在包殼的最上沿，高達(dá)316 ℃。新型鋼包包殼的最高溫度較傳統(tǒng)鋼包下降了114 ℃，并且新型鋼包包殼的大部分區(qū)域溫度也較傳統(tǒng)鋼包低。由此表明，新型鋼包的大量熱量被阻擋在納米絕熱材料層的內(nèi)側(cè)，無(wú)法傳遞到包殼，從而使得鋼包的熱量損失較小，這正是鋼包保溫的關(guān)鍵[12]。

烤包后新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包各內(nèi)襯層的溫度分布如表4所示。由表4可以看出，新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包在工作層和永久層的溫度分布情況相差不大，當(dāng)新型鋼包加入納米絕熱材料層后，包殼的整體溫度大幅下降，其最高和最低溫度均明顯低于傳統(tǒng)鋼包。這是因?yàn)椋滦弯摪拇蟛糠譄崃勘蛔钃踉诩{米絕熱材料層內(nèi)側(cè)，而不會(huì)傳遞到包殼。由此表明，新型鋼包的熱量損失非常小，其納米絕熱材料層具有優(yōu)良的保溫隔熱性能。

2.2 盛鋼工況下新型鋼包的溫度分布

盛鋼工況下新型鋼包整體溫度分布如圖10所示。從圖10中可以看出，在盛鋼工況下新型鋼包的整體溫度分布與烤包工況下類似，其整體溫度分布比較均勻，內(nèi)襯溫度分布也是由內(nèi)而外依次降低，溫度較低的部位仍在鋼包的耳軸、上下箍板、肋板及包底邊緣處。

Fig.10 Overall temperature distribution of the new type ladle during steel holding

盛鋼工況下新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的工作層溫度分布如圖11所示。由圖11可以看出，盛鋼工況下兩種鋼包的工作層溫度分布類似，新型鋼包工作層表面最低溫度為633 ℃，傳統(tǒng)鋼包工作層的最低溫度為623 ℃。由此表明，新型鋼包的工作層熱量損失較傳統(tǒng)鋼包略小。

圖11 盛鋼工況下新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的工作層溫度分布

Fig.11 Temperature distribution in working layer of the new type and traditional ladles during steel holding

盛鋼工況下新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的永久層溫度分布如圖12所示。由圖12可看出，盛鋼工況下兩種鋼包永久層的溫度分布大致相同，但新型鋼包永久層的溫度分布較傳統(tǒng)鋼包更加均勻。

圖12 盛鋼工況下新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的永久層溫度分布

Fig.12 Temperature distribution in the permanent layer of the new type and traditional ladles during steel holding

盛鋼工況下新型鋼包保護(hù)層和納米絕熱材料層的溫度分布分別如圖13和圖14所示。從圖13中可以看出，新型鋼包保護(hù)層的最高溫度達(dá)到543 ℃，溫度分布處在一個(gè)較高的水平。從圖14中可以看出，新型鋼包納米絕熱材料層的最高溫度為542 ℃，最低溫度只有129 ℃，內(nèi)外表面的溫差達(dá)到了275 ℃。由此表明，在盛鋼工況下，納米絕熱材料層也依然能夠?qū)谋Ｗo(hù)層傳遞來(lái)的大量熱量阻擋在其內(nèi)側(cè)，起到了良好的保溫隔熱作用。

Fig.13 Temperature distribution in the protective layer of the new type ladle during steel holding

Fig.14 Temperature distribution in the thermal insulating nano-material layer of the new type ladle during steel holding

盛鋼工況下新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的包殼溫度分布如圖15所示。從圖15中可以看出，新型鋼包包殼的大部分區(qū)域溫度在143～228 ℃范圍內(nèi)，其最高溫度為250 ℃，出現(xiàn)在包殼內(nèi)壁，包殼內(nèi)外表面的溫差為85 ℃。傳統(tǒng)鋼包包殼的最高溫度和最低溫度出現(xiàn)的位置與新型鋼包類似，但包殼的最高溫度高達(dá)359 ℃，包殼內(nèi)外表面溫差為91 ℃。新型鋼包包殼的最高溫度較傳統(tǒng)鋼包降低了109 ℃。由此表明，即使在盛鋼工況下，具有納米絕熱材料內(nèi)襯的新型鋼包的熱量損失較少。

圖15 盛鋼工況下新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的包殼溫度分布

Fig.15 Temperature distribution in the shell of the new type and traditional ladles during steel holding

盛鋼工況下新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包各內(nèi)襯層的溫度分布如表5所示。從表5中可以看出，在盛鋼工況下，兩種鋼包在工作層和永久層的溫度分布情況同樣相差不大。但是對(duì)于加入了納米絕熱材料層的新型鋼包來(lái)說(shuō)，其包殼的整體溫度相對(duì)于傳統(tǒng)鋼包大幅降低，包殼的最高溫度與最低溫度均明顯下降。由此表明，即使是在盛鋼工況下，納米絕熱材料層依然能將大量熱量阻擋在其內(nèi)側(cè)，而不會(huì)傳遞到包殼，從而使鋼包的熱量損失較小。因此，新型鋼包在盛鋼工況下也具有優(yōu)良的保溫隔熱性能。

3 納米材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)新型鋼包溫度場(chǎng)的影響

在納米絕熱材料的物性參數(shù)中，材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響較大[13]。同時(shí)，在鋼包內(nèi)襯結(jié)構(gòu)中，包殼可以作為一個(gè)衡量鋼包整體保溫性能的載體[14]。因而本文主要分析在盛鋼工況下納米絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的變化對(duì)新型鋼包包殼溫度的影響。

降低納米材料導(dǎo)熱系數(shù)后新型鋼包包殼的溫度分布如表6所示。從表6中可以看出，當(dāng)納米材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別降低20%、40%、60%、80%后，包殼的最低溫度較采用原始納米材料時(shí)分別下降1、2、5、10 ℃；包殼的最高溫度較采用原始納米材料時(shí)分別降低了8、20、40、80 ℃，并且包殼外表面大部分區(qū)域所處的溫度都比采用原始納米材料時(shí)包殼的溫度要低。由此表明，在一定范圍內(nèi)，新型鋼包的包殼溫度是隨著納米材料導(dǎo)熱系數(shù)的不斷減小而呈線性降低的。這是因?yàn)?，根?jù)傳熱學(xué)的理論，熱傳導(dǎo)對(duì)于固體材料而言，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)降低，而壁厚未變的情況下，熱阻就會(huì)變大，所以減小納米材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其實(shí)質(zhì)就是增大了納米材料的熱阻，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)納米保溫層的熱量就會(huì)減小，熱損失就小，最終能夠傳遞到包殼的熱量較少，導(dǎo)致包殼的溫度較低。從表6中還可看出，當(dāng)納米材料導(dǎo)熱系數(shù)降低80%時(shí)，新型鋼包包殼的最高溫度降幅最大，包殼外表面大部分區(qū)域的溫度較低且溫差較小。由此表明，當(dāng)納米材料導(dǎo)熱系數(shù)降低80%時(shí)，新型鋼包包殼的溫度分布比較均衡，熱量損失較小，新型鋼包的保溫性能得到了進(jìn)一步提升。

表6 納米材料導(dǎo)熱系數(shù)降低后包殼的溫度分布

Table 6 Temperature distribution in the shell after the decrease of thermal conductivity of nanometer material

4 結(jié)論

(1)加入了納米絕熱材料層的新型鋼包的溫度分布明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋼包。在烤包工況和盛鋼工況下，新型鋼包包殼的最高溫度比傳統(tǒng)鋼包包殼的最高溫度分別降低了114 、109 ℃，新型鋼包的熱量損失明顯減少，保溫隔熱性能比傳統(tǒng)鋼包更加優(yōu)良。

(2) 在一定范圍內(nèi)，新型鋼包包殼的溫度隨納米材料導(dǎo)熱系數(shù)的降低而不斷下降。當(dāng)納米材料導(dǎo)熱系數(shù)降低80%時(shí)，新型鋼包包殼的最高溫度降幅最大，包殼的溫度分布更加均勻，熱量損失更小，新型鋼包的保溫性能得到明顯提升。

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[責(zé)任編輯 張惠芳]

Simulation analysis of temperature field and its influence factors of the new type ladle

LiGongfa1,LiuZe1,KongJianyi1,JiangGuozhang1,ChangWenjun1,LiBei1,LiHui2

(1. College of Machinery and Automation, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China;2.Project Department of Medium Size Steel Bar, Hubei Xinyegang Steel Co., Ltd.， Huangshi 435001, China)

With a new type ladle with heat insulation nano-material lining as the research object, the 3D finite element model was established,and the temperature field of the new type and traditional ladles were analyzed by ANSYS under the working conditions of ladle baking and steel holding. The effect of thermal conductivity of heat insulation nano-material on the temperature field of the new type ladle was investigated. The results show that temperature distribution of the new type ladle is better than that of the traditional ladle under two different working conditions, and the maximum temperature of the new type ladle shell is obviously lower than that of the traditional one, which indicates that the thermal insulation property of the new type ladle is superior to that of the traditional ladle. Within a certain range,the temperature of the new type ladle shell decreases with the decrease of the thermal conductivity of heat insulation nano-material. When the thermal conductivity of heat insulation nano-material is reduced by 80%, temperature distribution of the new type ladle shell becomes more uniform and its maximum temperature shows the largest decline. In addition,the heat loss of the new type ladle is smaller, which means that the thermal insulation property of the new type ladle is significantly improved.

ladle; nano insulation material; temperature field; thermal conductivity; thermal insulation property; temperature simulation

2015-10-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075310,51505346)；湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2010CDA023).

李公法(1979-)，男，武漢科技大學(xué)副教授，博士. E-mail:ligongfa@wust.edu.cn

TF796.2

A

1674-3644(2015)06-0401-07