基于SolidworkSimulation鉛錠水冷脫模熱力學(xué)分析

林 森

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

目前國(guó)內(nèi)澆鑄鉛錠的冷卻方式普遍為風(fēng)冷，通過(guò)空氣的強(qiáng)制對(duì)流實(shí)現(xiàn)液態(tài)鉛錠的凝固冷卻。鉛錠熱交換產(chǎn)生的熱流量會(huì)彌散分布在鑄錠線周?chē)目諝庵行纬筛邷刈鳂I(yè)區(qū)，容易造成職業(yè)危害，同時(shí)，風(fēng)冷脫模后的鉛錠塊仍具有較高的溫度，需要再次冷卻后才能進(jìn)行后續(xù)的打捆噴碼作業(yè)。因此國(guó)內(nèi)已有少部分冶煉廠開(kāi)始采用封閉水冷的方式，改善作業(yè)環(huán)境的同時(shí)也能有效的降低鉛錠脫模的溫度。本文基于solidworks的simulation插件通過(guò)對(duì)鉛錠模型的熱力仿真模擬，分析水冷環(huán)境對(duì)鉛錠脫模溫度的影響，旨在對(duì)今后的鉛錠水冷鑄錠線設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 鉛錠水冷條件

澆鑄后的鉛錠依次通過(guò)自然冷卻和滴水冷卻兩個(gè)冷卻階段，冷卻總時(shí)長(zhǎng)440s，其中水冷時(shí)長(zhǎng)340s。鉛錠的澆鑄溫度約420℃，鉛錠的尺寸～650×120×85mm（以上條件參考國(guó)內(nèi)某冶煉廠實(shí)際工況取值）。

2 傳熱分析

2.1 自然冷卻階段

剛澆鑄的鉛錠表面仍處于液相狀態(tài)，直接水冷會(huì)發(fā)生“放炮”現(xiàn)象，嚴(yán)重危害人身健康，因此需要等待其表面凝固才能水冷，故該階段可認(rèn)為水冷的前置階段。從傳熱形式來(lái)看，該階段的熱交換主要包括：①錠模和液態(tài)鉛錠之間的導(dǎo)熱；②空氣與鉛錠表面之間的自然對(duì)流換；③鉛錠的熱輻射。本文基于SolidWorks進(jìn)行熱力仿真，需要輸入的特征參數(shù)計(jì)算如下。

表1 傳熱特征參數(shù)

將上述各式計(jì)算所得的特征值作為邊界條件輸入SolidWorks的simulation插件，以所得的仿真結(jié)果作為水冷分析的初始條件。

2.2 滴水冷卻階段

該階段采用多孔滴水的方式，使水冷區(qū)域能均勻覆蓋整個(gè)鉛錠表面，已知滴孔直徑約10mm，單孔流量約6l/min，滴孔距鉛錠表面約100mm（參考現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)）。根據(jù)《傳熱學(xué)》理論可將該水冷換熱近似簡(jiǎn)化為射流沖擊模型，需要輸入的特征參數(shù)計(jì)算見(jiàn)下表2。

表2 多孔滴水方式下傳熱形式及參數(shù)

該階段換熱主要以射流沖擊傳熱為主，同時(shí)還需考慮鉛錠與錠模之間的導(dǎo)熱。將上述各式計(jì)算所得的平均對(duì)流換熱系數(shù)作為條件輸入simulation插件，仿真計(jì)算熱力結(jié)果。

2.3 風(fēng)冷階段

為了橫向?qū)Ρ人溷U錠的冷卻效果，需要同樣對(duì)風(fēng)冷進(jìn)行熱力分析。風(fēng)冷采用軸流風(fēng)機(jī)吹風(fēng)冷卻，按照《傳熱學(xué)》理論可近似簡(jiǎn)化為空氣外掠平板傳熱模型，需要輸入的特征參數(shù)計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 使用軸流風(fēng)機(jī)吹風(fēng)冷卻特征參數(shù)及關(guān)聯(lián)式

3 仿真結(jié)果

輸入特征值及邊界條件后，利用simulation插件進(jìn)行鉛錠冷卻過(guò)程的熱力仿真，結(jié)果如下圖所示。

圖1 應(yīng)用simulation插件進(jìn)行鉛錠冷卻過(guò)程的熱力圖

從矢量圖中可明顯看出在相同的冷卻時(shí)間內(nèi)，水冷的效果要優(yōu)于風(fēng)冷。

為了能夠更準(zhǔn)確的反應(yīng)這一溫度差異，本文在鉛錠表面中心位置處選取一直徑為80mm的探測(cè)范圍，如上圖（d）所示，通過(guò)比對(duì)該區(qū)域的溫降變化進(jìn)一步分析不同冷卻方式的差異，比對(duì)結(jié)果如下所示。

從圖（a）分析，風(fēng)冷340s后，鉛錠表面探測(cè)區(qū)域內(nèi)的溫度在130℃～139℃范圍內(nèi)，該溫度高于鉛錠打包和噴碼的溫度要求（＜100℃），還需繼續(xù)冷卻才能進(jìn)行后續(xù)作業(yè)；而相同時(shí)間下，水冷后鉛錠表面探測(cè)區(qū)域的溫度在73℃～80℃范圍內(nèi)，可以直接進(jìn)行后續(xù)處理作業(yè)。

從圖（b）分析，水冷340s和水冷420s后，鉛錠表面探測(cè)區(qū)域內(nèi)的溫度范圍差異較小，表明此時(shí)繼續(xù)水冷的冷卻效果較弱，不建議再延長(zhǎng)冷卻時(shí)間。

圖2 鉛錠表面探測(cè)區(qū)域內(nèi)的溫度范圍圖

4 結(jié)論

（1）文章提出一種基于SolidWorks仿真插件模擬鉛錠水冷過(guò)程的計(jì)算方法。

（2）通過(guò)建模分析，驗(yàn)證了鉛錠水冷脫模的可行性與可靠性，并為鉛錠水冷鑄錠線的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。