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多功能鐵水包加蓋保溫效果分析

發表時間:2019-09-04【

多(duo)(duo)功(gong)能(neng)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包(bao)(bao)技(ji)(ji)術(shu)是(shi)指近些年在(zai)高爐(lu)(lu)(lu)(lu)-轉爐(lu)(lu)(lu)(lu)區段使用的(de)(de)一(yi)(yi)種新(xin)型鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)運(yun)(yun)輸模(mo)式(shi),即“一(yi)(yi)包(bao)(bao)到底”(也(ye)稱(cheng)為“一(yi)(yi)罐到底”)技(ji)(ji)術(shu)。多(duo)(duo)功(gong)能(neng)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包(bao)(bao)與傳統(tong)運(yun)(yun)輸模(mo)式(shi)最(zui)大(da)的(de)(de)不(bu)同之處(chu)在(zai)于(yu),從高爐(lu)(lu)(lu)(lu)出(chu)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)到轉爐(lu)(lu)(lu)(lu)兌(dui)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)全程(cheng)的(de)(de)運(yun)(yun)輸、預處(chu)理等(deng)操作(zuo)都在(zai)是(shi)在(zai)一(yi)(yi)個鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包(bao)(bao)中進(jin)行,實現了鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)承接、運(yun)(yun)輸、存(cun)貯、預處(chu)理以(yi)及兌(dui)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)等(deng)多(duo)(duo)項(xiang)功(gong)能(neng)[1]。而在(zai)現有的(de)(de)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)運(yun)(yun)輸過程(cheng)中,鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)全程(cheng)存(cun)在(zai)相對(dui)較大(da)的(de)(de)溫(wen)(wen)降(jiang),導(dao)致鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)在(zai)脫硫處(chu)理或轉爐(lu)(lu)(lu)(lu)冶煉時溫(wen)(wen)度(du)偏低(di)。溫(wen)(wen)度(du)過低(di)不(bu)僅對(dui)運(yun)(yun)輸使用的(de)(de)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包(bao)(bao)易造(zao)成結殼結瘤(liu),使得(de)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包(bao)(bao)周轉率(lv)和壽命降(jiang)低(di),還會造(zao)成鋼鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)料消耗高、波動大(da)及鋼水(shui)(shui)(shui)質(zhi)量無法保障(zhang)等(deng)后果[2]。高爐(lu)(lu)(lu)(lu)-轉爐(lu)(lu)(lu)(lu)區段鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)一(yi)(yi)直是(shi)普遍關注(zhu)的(de)(de)焦點(dian),盡管(guan)近年來鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)溫(wen)(wen)降(jiang)有所減(jian)少,但如何提高鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)運(yun)(yun)輸過程(cheng)中的(de)(de)保溫(wen)(wen)效果、進(jin)一(yi)(yi)步減(jian)少溫(wen)(wen)降(jiang)仍然(ran)是(shi)熱點(dian)問題。

近些年來,相(xiang)(xiang)(xiang)關學者曾對(dui)(dui)高爐(lu)-轉爐(lu)區段(duan)鐵(tie)水溫(wen)(wen)(wen)降研究(jiu)進(jin)行(xing)了大量工作[3-6],但多是(shi)針對(dui)(dui)傳統運輸模(mo)式中(zhong)的魚雷罐的保(bao)(bao)溫(wen)(wen)(wen)及(ji)溫(wen)(wen)(wen)降研究(jiu)。對(dui)(dui)于(yu)新型(xing)多功能鐵(tie)水包(bao)運行(xing)過程的鐵(tie)水溫(wen)(wen)(wen)降問(wen)題(ti),相(xiang)(xiang)(xiang)繼(ji)有項寶(bao)勝[7]、韓偉剛[8]等(deng)對(dui)(dui)現(xian)場(chang)加蓋改造及(ji)保(bao)(bao)溫(wen)(wen)(wen)效果進(jin)行(xing)測溫(wen)(wen)(wen)試驗;劉(liu)成[9]利用(yong)Ansys 有限元分析法,對(dui)(dui)鐵(tie)水包(bao)空包(bao)、重(zhong)包(bao)加蓋的情況進(jin)行(xing)了數值模(mo)擬,得出(chu)保(bao)(bao)溫(wen)(wen)(wen)蓋對(dui)(dui)空包(bao)熱狀態的改變和減少鐵(tie)水溫(wen)(wen)(wen)降值的相(xiang)(xiang)(xiang)關結論。

相比于(yu)鋼(gang)水(shui)(shui)溫(wen)(wen)降分析(xi)[10]、溫(wen)(wen)度(du)補償模型[11]和鋼(gang)包熱狀態分級[12]等(deng)已(yi)有研究成果(guo),鐵(tie)水(shui)(shui)及鐵(tie)水(shui)(shui)包的數(shu)值模擬研究有價值結論較少(shao),對于(yu)加蓋保(bao)溫(wen)(wen)效果(guo)的合(he)理時間(jian)段、最(zui)佳(jia)保(bao)溫(wen)(wen)效果(guo)部位(wei)及鐵(tie)水(shui)(shui)減少(shao)溫(wen)(wen)降等(deng)仍(reng)缺乏更準(zhun)確(que)的研究。

本文(wen)以某(mou)廠230 t 多功能鐵(tie)水(shui)包為研究(jiu)對象,構建求(qiu)解(jie)模型并利用(yong)fluent 有限體(ti)積法進(jin)行(xing)運(yun)輸過程(cheng)的(de)(de)傳熱計算。分(fen)別分(fen)析了保(bao)溫蓋(gai)對多功能鐵(tie)水(shui)空包返(fan)回5 h 過程(cheng)中(zhong)以及重包運(yun)輸1 h 過程(cheng)的(de)(de)溫降(jiang)規律影響,將加蓋(gai)前后鐵(tie)水(shui)包包殼溫度(du)場的(de)(de)變化進(jin)行(xing)對比討論,并進(jin)行(xing)了現場實測驗證。對多功能鐵(tie)水(shui)包加蓋(gai)設備的(de)(de)保(bao)溫效果(guo)進(jin)行(xing)量(liang)化,為減(jian)少鐵(tie)水(shui)溫降(jiang)、進(jin)一步完善“一包到(dao)底(di)”模式提(ti)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(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)(bao)(bao)兩側(ce)分(fen)別(bie)有一個耳軸,用于(yu)鐵(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)(bao)(bao)的吊運。規格(ge)為230 t的鐵(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)(bao)(bao)高度(du)約為6.2 m,包(bao)(bao)(bao)(bao)底呈近似的橢圓形寬度(du)約為3.9 m,部分(fen)鐵(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)(bao)(bao)下方設有一個專供鐵(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)(bao)(bao)機車牽(qian)引(yin)的牽(qian)引(yin)架。鐵(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)(bao)(bao)包(bao)(bao)(bao)(bao)壁一般(ban)是由工作層(ceng)、永久層(ceng)、保溫層(ceng)和(he)包(bao)(bao)(bao)(bao)殼組成,而包(bao)(bao)(bao)(bao)底一般(ban)沒有保溫層(ceng),其他層(ceng)在包(bao)(bao)(bao)(bao)壁和(he)包(bao)(bao)(bao)(bao)底上(shang)的砌筑厚(hou)度(du)各不(bu)一樣(yang)。

根據查閱材料(liao)手冊[13],鐵水包(bao)各層耐火材料(liao)種類及厚度見表1,圖(tu)1 是以(yi)某(mou)廠230 t 鐵水包(bao)為(wei)對象所(suo)建立的(de)三維鐵水包(bao)模型示(shi)意圖(tu)。該廠鐵包(bao)運輸方式(shi)為(wei)起重(zhong)機+過跨車,模型中(zhong)省略了(le)機車牽引架,以(yi)及左右兩側的(de)耳(er)軸。

1. 2 鐵水包(bao)熱損分析(xi)

鐵(tie)(tie)水從高爐出(chu)(chu)鐵(tie)(tie)后,經歷出(chu)(chu)鐵(tie)(tie)、運輸(shu)、扒(ba)渣、脫硫處理、轉爐兌鐵(tie)(tie)以及過程(cheng)(cheng)中可能的(de)等待(dai)時(shi)間,鐵(tie)(tie)水在各個環節都(dou)有不(bu)同(tong)程(cheng)(cheng)度的(de)溫降(jiang)。本次試驗不(bu)考(kao)慮(lv)人為操(cao)作等影響所導致的(de)鐵(tie)(tie)水溫降(jiang),僅對鐵(tie)(tie)水在運輸(shu)或等待(dai)過程(cheng)(cheng)中的(de)溫降(jiang)進行計算(suan)分析。

在這(zhe)種情況下,鐵(tie)水(shui)(shui)熱(re)量損失(shi)主要(yao)包(bao)(bao)(bao)(bao)括3 個方面:(1)鐵(tie)水(shui)(shui)與鐵(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)(bao)(bao)耐火材(cai)料之間的(de)對(dui)流(liu)換熱(re),導(dao)致耐材(cai)及包(bao)(bao)(bao)(bao)殼溫度的(de)升高,即材(cai)料蓄熱(re)造成的(de)熱(re)損;(2)鐵(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)(bao)(bao)包(bao)(bao)(bao)(bao)殼以(yi)輻射換熱(re)和對(dui)流(liu)換熱(re)的(de)方式(shi)對(dui)外界進行散熱(re);(3)若無包(bao)(bao)(bao)(bao)蓋,則有渣層(ceng)與包(bao)(bao)(bao)(bao)內壁對(dui)外進行散熱(re),若有包(bao)(bao)(bao)(bao)蓋則為渣層(ceng)與內壁對(dui)包(bao)(bao)(bao)(bao)蓋進行輻射換熱(re)和對(dui)流(liu)換熱(re)。

1. 3 鐵水包熱(re)物性參數(shu)

根據查閱(yue)手冊鐵水包各部(bu)(bu)分(fen)(fen)耐(nai)材不同溫度(du)(du)點(dian)的(de)導(dao)熱(re)(re)系(xi)(xi)(xi)數,分(fen)(fen)別(bie)(bie)繪制(zhi)導(dao)熱(re)(re)系(xi)(xi)(xi)數與溫度(du)(du)、比(bi)熱(re)(re)容與溫度(du)(du)的(de)曲線,得(de)到各部(bu)(bu)分(fen)(fen)導(dao)熱(re)(re)系(xi)(xi)(xi)數、比(bi)熱(re)(re)容與溫度(du)(du)的(de)對(dui)應關系(xi)(xi)(xi),見(jian)表2。由于隨溫度(du)(du)變化的(de)物性(xing)參(can)(can)數與溫度(du)(du)均為線性(xing)關系(xi)(xi)(xi),在進行數值(zhi)模擬過程中這部(bu)(bu)分(fen)(fen)物性(xing)參(can)(can)數設(she)置選擇為逐(zhu)段線性(xing)(piecewise-linear),即分(fen)(fen)別(bie)(bie)選取6個溫度(du)(du)點(dian)所對(dui)應的(de)熱(re)(re)物性(xing)參(can)(can)數輸入。

2 計算模型及加載初始條件

2. 1 鐵水包有(you)限元模型

根據某廠提供230 t 鐵水(shui)(shui)(shui)包(bao)(bao)數據,以及建(jian)(jian)模(mo)假設(she)的簡(jian)化處(chu)理。忽略耳軸(zhou)、牽引(yin)架等(deng)額外(wai)(wai)(wai)部件,由(you)于鐵水(shui)(shui)(shui)包(bao)(bao)基本(ben)呈(cheng)軸(zhou)對(dui)稱(cheng),同時(shi)為(wei)減(jian)少(shao)計(ji)算(suan)量(liang),取鐵水(shui)(shui)(shui)包(bao)(bao)二(er)維(wei)軸(zhou)對(dui)稱(cheng)模(mo)型為(wei)研(yan)究(jiu)對(dui)象,二(er)維(wei)幾何(he)模(mo)型如圖1 所示,使用ANSYS ICEM 建(jian)(jian)立(li)230 t 二(er)維(wei)鐵水(shui)(shui)(shui)包(bao)(bao)模(mo)型,劃分(fen)網格(ge)并選擇fluent 求解器導出(chu)。進行瞬態溫(wen)(wen)度場分(fen)析,各(ge)工況鐵水(shui)(shui)(shui)包(bao)(bao)模(mo)型如圖2 所示。模(mo)型包(bao)(bao)體(ti)(ti)由(you)外(wai)(wai)(wai)到里依次是(shi):包(bao)(bao)殼、永久(jiu)層(ceng)、工作層(ceng),圖2 中(a)、(c)鐵水(shui)(shui)(shui)包(bao)(bao)內下(xia)層(ceng)為(wei)鐵水(shui)(shui)(shui)、上(shang)層(ceng)為(wei)空氣,圖2 中(a)、(b)最頂層(ceng)為(wei)保溫(wen)(wen)蓋(gai),其厚度為(wei)320 mm,材(cai)質內層(ceng)為(wei)納(na)米(mi)材(cai)料外(wai)(wai)(wai)層(ceng)為(wei)鋼板。為(wei)盡可能(neng)貼近(jin)實(shi)際情況,模(mo)型包(bao)(bao)蓋(gai)與包(bao)(bao)體(ti)(ti)之間留有120 mm空隙。

圖(tu)3 所示為所劃分的(de)結(jie)構化網格包(bao)(bao)底細節及相關尺(chi)寸,由于尺(chi)寸比(bi)例(li)原因(yin),已將(jiang)中間部(bu)分截去省(sheng)略,其中加(jia)蓋(gai)鐵水(shui)包(bao)(bao)二維模(mo)型(xing)(xing)包(bao)(bao)含了(le)23 680 個(ge)網格單(dan)元和22 176 個(ge)節點數(shu),表3 為模(mo)型(xing)(xing)網格單(dan)元的(de)部(bu)分重要(yao)質量參(can)數(shu)比(bi)例(li),基本滿(man)足計算(suan)所需(xu)精度。其他(ta)工(gong)況的(de)鐵水(shui)包(bao)(bao)模(mo)型(xing)(xing)是在加(jia)蓋(gai)模(mo)型(xing)(xing)基礎(chu)上修改或刪(shan)除多余(yu)單(dan)元,其余(yu)部(bu)分節點數(shu)不變,同(tong)樣(yang)滿(man)足本次計算(suan)要(yao)求[14]。

多功能鐵水包為(wei)不(bu)完(wan)全(quan)規則容器,在(zai)進行傳(chuan)熱(re)計算模擬前(qian),將對(dui)傳(chuan)熱(re)計算影響較小的單元做簡(jian)化處理(li),并為(wei)了簡(jian)化數(shu)學模型作出如下假設條件:

(1)不考(kao)慮(lv)耳軸、牽引架等部分,并將(jiang)鐵包包口簡(jian)化處理(li)成在同一水平面高度。

(2)由于鐵水表面(mian)基本無(wu)流動(dong),且由于表面(mian)渣層和覆(fu)蓋保(bao)溫劑(ji)的作用,將鐵水表面(mian)視為壁(bi)面(mian),鐵水表面(mian)無(wu)流動(dong)。

(3)忽略(lve)各層(ceng)耐火材料之間(jian)的接觸熱阻及外(wai)表(biao)面熱阻。

(4)鐵水包耐材(cai)的(de)參數(shu)只考(kao)慮(lv)導熱(re)系數(shu)λ 和(he)比(bi)熱(re)容c 及密(mi)度ρ,忽略熱(re)膨脹系數(shu)和(he)其(qi)他(ta)導熱(re)參數(shu)對鐵水包的(de)影響。

(5)不(bu)考慮實際環(huan)境天氣的(de)變化(hua),假設鐵水(shui)包始終處于300 K的(de)自(zi)然環(huan)境中。

2. 2 模擬試驗內容及步驟

模擬(ni)試驗(yan)(yan)的內容(rong)主(zhu)要包括(kuo)3 個(ge)方面(mian):鐵水包加蓋前后的空包熱(re)狀(zhuang)態(tai)模擬(ni)研究(jiu);保溫(wen)蓋對重包運輸鐵水溫(wen)降影響研究(jiu);保溫(wen)蓋的綜合保溫(wen)效果分析。根據(ju)試驗(yan)(yan)內容(rong)計劃本次試驗(yan)(yan)模擬(ni)的主(zhu)要步(bu)驟(zou)如下:

(1)先對鐵(tie)水(shui)包空(kong)包進(jin)行5 h(空(kong)包平均周轉時間)自然(ran)冷(leng)卻模擬(ni),再向鐵(tie)水(shui)包內加載1 783 K的(de)鐵(tie)水(shui)模擬(ni)1 h(重包平均運行時間),這樣(yang)反復3 次模擬(ni)鐵(tie)水(shui)包3 次運行周期,使得整個鐵(tie)水(shui)包包體各個部分的(de)溫度(du)達到(dao)周轉過程中(zhong)的(de)實際(ji)溫度(du)。

(2)在(zai)反復(fu)模擬(ni)3 次后,在(zai)空(kong)包中倒(dao)入1 783 K的(de)鐵水,并選取鐵水中部的(de)一點進(jin)行溫度監控,模擬(ni)得出1 h 內鐵水溫降速(su)率(lv)和(he)溫降曲線。

(3)然后對加(jia)蓋鐵水(shui)(shui)包(bao)重復第一、二(er)步(bu)驟,模擬得出(chu)加(jia)蓋鐵水(shui)(shui)包(bao)的鐵水(shui)(shui)溫降速率(lv)和溫降曲線。

(4)比(bi)較保溫(wen)蓋在空包(bao)運(yun)行(xing)過程中對包(bao)體(ti)溫(wen)降的(de)改(gai)善,以及鐵(tie)水包(bao)包(bao)體(ti)溫(wen)度的(de)改(gai)善對下次(ci)周轉鐵(tie)水溫(wen)降的(de)影響(xiang)。

2. 3 主要(yao)邊(bian)界(jie)條件(jian)設置

因為假設條件(5)中(zhong)認定鐵(tie)水包(bao)始終(zhong)處在300 K的(de)恒(heng)溫(wen)環境中(zhong),而在工程計(ji)算(suan)中(zhong),壁(bi)溫(wen)tw 恒(heng)定時大(da)空間(jian)對流換熱采(cai)用試驗關聯式[15]見(jian)式(1)。

平板對流(liu)換熱(re)中格(ge)拉曉(xiao)夫數(shu)計(ji)算公式見式(2):

式(shi)中:Nu 為(wei)努塞爾總準數;下角標“m”表示選取(qu)邊(bian)界層平(ping)均溫(wen)度為(wei)定性溫(wen)度,Gr 為(wei)格拉曉夫數;β 為(wei)體積膨脹(zhang)系(xi)數;L 為(wei)定形尺寸;Δt 為(wei)壁面(mian)溫(wen)度與(yu)流體的(de)平(ping)均溫(wen)度差;v 為(wei)流體的(de)運動黏度;C、n 為(wei)試驗(yan)常數;Pr 為(wei)普(pu)朗物常數。

根(gen)據查(cha)表(biao)以及(ji)經驗公式計算[16]得到鐵水包(bao)(bao)包(bao)(bao)殼外(wai)表(biao)面、包(bao)(bao)蓋以及(ji)包(bao)(bao)底與(yu)環境的對流換熱系數(shu)(shu),發(fa)射(she)率等其他傳(chuan)熱參數(shu)(shu)根(gen)據經驗以及(ji)查(cha)閱相關材(cai)料文(wen)獻進行設定。求(qiu)解(jie)器(qi)(qi)選擇的是二維單精度求(qiu)解(jie)器(qi)(qi),即可滿足計算要求(qiu)。迭代運算時(shi)間步長(chang)(TimeStep Size)設置為(wei)1 s,每步長(chang)計算次(ci)數(shu)(shu)(Max Iterations/Time Step)為(wei)20次(ci)。

在(zai)加蓋(gai)模擬(ni)階段,因為考慮鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包內(nei)氣體受(shou)熱(re)(re)膨脹且密度減(jian)小,包蓋(gai)與鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包之(zhi)間縫隙的邊(bian)界條件設(she)置為壓(ya)力(li)出口(kou)(pressure outlet),根(gen)據第二條假設(she)條件,在(zai)重包傳熱(re)(re)計算時鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)表面(mian)邊(bian)界條件設(she)置為壁(bi)面(mian)傳熱(re)(re)(wall)。在(zai)不(bu)加蓋(gai)模擬(ni)階段,鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包包口(kou)處邊(bian)界條件設(she)置為壓(ya)力(li)出口(kou)。

2. 4 控制方程

由于(yu)本次(ci)數值計算(suan)中流(liu)體流(liu)動(dong)較為緩慢,同時鐵水為不可壓縮流(liu)體,所以fluent 計算(suan)中選擇適(shi)用于(yu)低速、不可壓縮流(liu)體的基于(yu)壓力求(qiu)解器(Pressure-Based)。Fluent 軟件(jian)中流(liu)體運動(dong)及換熱的控制方程主要(yao)有以下3個(ge):

連續方程:

式中:ρ 為(wei)(wei)流(liu)體密度(du),ui 為(wei)(wei)流(liu)體速度(du)沿(yan)i 方(fang)向的分量(liang);xi 為(wei)(wei)微元體沿(yan)i 方(fang)向的邊長;t 為(wei)(wei)時間。連續方(fang)程(cheng)又稱質量(liang)守恒方(fang)程(cheng)。

動量守(shou)恒方程:

式(shi)中:p 為(wei)(wei)靜壓力(li)(li);τij 為(wei)(wei)應力(li)(li)矢(shi)量(liang);gi 為(wei)(wei)i 方向的重力(li)(li)分(fen)量(liang);Fi 為(wei)(wei)由(you)于(yu)阻力(li)(li)和能源而(er)引(yin)起的其他(ta)能源項(xiang);ui 為(wei)(wei)流體速度沿j 方向的分(fen)量(liang);xj 為(wei)(wei)應力(li)(li)沿j方向的距離。

能量守恒方程:

式中(zhong):h 為(wei)熵;k 為(wei)分子傳(chuan)導率;kt 為(wei)由于湍流傳(chuan)遞而(er)引(yin)起的傳(chuan)導率;Sh 為(wei)定(ding)義的體積源;T 為(wei)溫度。

3 試驗結果分析及驗證

在所有(you)模擬(ni)試(shi)驗中(zhong),檢(jian)測(ce)(ce)(ce)點(dian)位置始終保(bao)持不(bu)變(bian),無(wu)論(lun)加蓋與否(fou),均選(xuan)(xuan)(xuan)擇3 個(ge)溫度(du)(du)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)點(dian)B、C、D,如圖(tu)4 所示。鐵(tie)(tie)水(shui)包內襯上部溫度(du)(du)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)點(dian)選(xuan)(xuan)(xuan)在B點(dian)位置,內襯中(zhong)、下部溫度(du)(du)監測(ce)(ce)(ce)點(dian)分(fen)別在點(dian)C、點(dian)D處(chu)。在模擬(ni)重(zhong)包鐵(tie)(tie)水(shui)溫降規律時,無(wu)論(lun)加蓋與否(fou),鐵(tie)(tie)水(shui)溫度(du)(du)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)點(dian)均選(xuan)(xuan)(xuan)擇在A點(dian)處(chu)。

4 模型驗證及空包加蓋效果分析

在(zai)完成初步模擬計算后,為了驗證模型(xing)建立的準確性以及假設(she)條件與實(shi)際工況的符(fu)合程度(du),本文對(dui)某廠230 t 鐵(tie)水包(bao)(bao)(36 號)進行多點跟蹤測溫(wen)(wen),調研測溫(wen)(wen)數(shu)據包(bao)(bao)括鐵(tie)水包(bao)(bao)無蓋空包(bao)(bao)內襯(chen)中部(bu)溫(wen)(wen)降(jiang)和鐵(tie)水包(bao)(bao)加蓋空包(bao)(bao)內襯(chen)中部(bu)溫(wen)(wen)降(jiang)。

圖(tu)5 和圖(tu)6 所(suo)示(shi)分(fen)別(bie)為鐵水包(bao)空包(bao)加蓋前后內壁中部溫(wen)(wen)降曲線,同時(shi)將(jiang)該廠調研測溫(wen)(wen)數據(ju)點擬(ni)合成(cheng)溫(wen)(wen)降曲線,并與模(mo)擬(ni)結果(guo)(guo)比較,發現模(mo)擬(ni)溫(wen)(wen)降趨勢與實(shi)際測溫(wen)(wen)情況最大誤差值為36 K,相對誤差值小(xiao)于(yu)5%,驗(yan)證了無蓋模(mo)型的準確性。從模(mo)擬(ni)結果(guo)(guo)可以看出,在(zai)不加蓋情況下鐵水包(bao)初始溫(wen)(wen)降速率相對較大,在(zai)經過幾小(xiao)時(shi)自(zi)然冷(leng)卻后,溫(wen)(wen)降趨于(yu)平緩(huan)。整體(ti)變化趨勢與實(shi)際溫(wen)(wen)降趨勢相近(jin),表(biao)明假設條件不影響模(mo)擬(ni)計算,與實(shi)際工況符合程度較高(gao)。

根(gen)據鐵水包加蓋(gai)(gai)前后(hou)5 h 內的(de)(de)包壁(bi)溫(wen)(wen)降速(su)率(lv)對比圖,如圖7 所(suo)示,再次證明了保(bao)溫(wen)(wen)蓋(gai)(gai)在轉爐兌完鐵的(de)(de)一段(duan)時間內,加蓋(gai)(gai)鐵水包包壁(bi)溫(wen)(wen)降速(su)率(lv)相對更(geng)低(di),該段(duan)時間內保(bao)溫(wen)(wen)效果(guo)(guo)更(geng)為(wei)明顯。在空(kong)(kong)包加蓋(gai)(gai)超過3 h 后(hou),加蓋(gai)(gai)前后(hou)鐵水包內壁(bi)中(zhong)部(bu)溫(wen)(wen)降速(su)率(lv)基本(ben)相同,空(kong)(kong)包加蓋(gai)(gai)的(de)(de)保(bao)溫(wen)(wen)效果(guo)(guo)不再明顯。

將加(jia)(jia)(jia)蓋前后5 h 末內(nei)壁上、中(zhong)、下各點溫(wen)(wen)(wen)度值(zhi)列出,見表4,并計算各部(bu)加(jia)(jia)(jia)蓋前后溫(wen)(wen)(wen)差(cha)(cha)值(zhi)。可以發現,靠近包(bao)(bao)沿(yan)處的(de)內(nei)壁上部(bu)在不加(jia)(jia)(jia)蓋情況下溫(wen)(wen)(wen)度最(zui)低(di)為655 K、熱量(liang)損失(shi)最(zui)多,加(jia)(jia)(jia)蓋前后溫(wen)(wen)(wen)差(cha)(cha)為194 K,靠近包(bao)(bao)底的(de)內(nei)壁下部(bu)溫(wen)(wen)(wen)度值(zhi)在加(jia)(jia)(jia)蓋前后溫(wen)(wen)(wen)差(cha)(cha)為54 K。由此可見,在空包(bao)(bao)運行過程中(zhong)添加(jia)(jia)(jia)保(bao)溫(wen)(wen)(wen)蓋,對鐵水(shui)包(bao)(bao)各部(bu)位都有一定程度的(de)保(bao)溫(wen)(wen)(wen)效果(guo)(guo),且靠近鐵水(shui)包(bao)(bao)包(bao)(bao)沿(yan)處的(de)保(bao)溫(wen)(wen)(wen)效果(guo)(guo)最(zui)佳。

4. 1 重(zhong)包加(jia)蓋結果(guo)與分(fen)析(xi)

在鐵(tie)水包(bao)反復(fu)模(mo)擬3 個運(yun)行周(zhou)期(qi)之后,鐵(tie)水包(bao)各(ge)部(bu)分溫(wen)度(du)基本(ben)達到實際運(yun)行周(zhou)轉時(shi)的(de)溫(wen)度(du),再繼(ji)續模(mo)擬計算該鐵(tie)水包(bao)下一周(zhou)期(qi)中的(de)傳(chuan)熱(re)過程,并對鐵(tie)水中部(bu)一點(圖(tu)4 中點A)選取為溫(wen)度(du)監(jian)測點,溫(wen)度(du)變化曲線如圖(tu)8和圖(tu)9所示(shi)。

未加(jia)蓋(gai)(gai)(gai)情況下,鐵(tie)水1 h 內溫(wen)(wen)度由1 783 K降(jiang)至1 737 K;加(jia)蓋(gai)(gai)(gai)情況下,鐵(tie)水1 h 內溫(wen)(wen)度由1 783 K降(jiang)至1 750 K。重包(bao)加(jia)蓋(gai)(gai)(gai)結果表(biao)明:鐵(tie)水包(bao)增設(she)保溫(wen)(wen)蓋(gai)(gai)(gai)后(hou),鐵(tie)水60 min 溫(wen)(wen)降(jiang)由46 變為(wei)33 K,減(jian)小鐵(tie)水溫(wen)(wen)降(jiang)13 K。由于(yu)在(zai)(zai)鐵(tie)水運輸過(guo)程中(zhong),鐵(tie)水物理熱損失主要(yao)分為(wei)3 個(ge)部分:50%鐵(tie)水表(biao)面(mian)散(san)熱;30%鐵(tie)水包(bao)蓄熱;20%外殼散(san)熱[2]。重包(bao)過(guo)程中(zhong)加(jia)蓋(gai)(gai)(gai)極(ji)大的減(jian)少了鐵(tie)水表(biao)面(mian)對外的輻(fu)射和對流換熱量,保溫(wen)(wen)蓋(gai)(gai)(gai)效果體現在(zai)(zai)鐵(tie)水溫(wen)(wen)降(jiang)上大小為(wei)13 K/h。

根據(ju)加蓋(gai)前后(hou)(hou)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)1 h 內的(de)溫(wen)(wen)降(jiang)速率對比如圖10 所示,剛(gang)接鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)時(shi)(shi)加蓋(gai)與(yu)不(bu)加蓋(gai)情況下(xia)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)初始(shi)溫(wen)(wen)降(jiang)速率相差較(jiao)大,最主要的(de)原因是無蓋(gai)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)溫(wen)(wen)度較(jiao)低、接鐵(tie)(tie)(tie)后(hou)(hou)第(di)一(yi)時(shi)(shi)間(jian)的(de)蓄熱量(liang)較(jiao)大,導(dao)致初始(shi)溫(wen)(wen)降(jiang)速率偏大。同(tong)時(shi)(shi)說明了保(bao)溫(wen)(wen)蓋(gai)不(bu)僅在重(zhong)包(bao)運(yun)行階段的(de)重(zhong)要性,在空包(bao)返回(hui)過程中保(bao)溫(wen)(wen)蓋(gai)在一(yi)定時(shi)(shi)間(jian)內同(tong)樣(yang)具有(you)較(jiao)好的(de)保(bao)溫(wen)(wen)的(de)效果,確(que)保(bao)下(xia)一(yi)周期的(de)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)運(yun)輸過程中鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)具有(you)更高的(de)溫(wen)(wen)度。

4. 2 保溫效果綜合分(fen)析

根(gen)據5 h 鐵水包(bao)空包(bao)運行溫降曲線可以直觀地(di)發現,加(jia)蓋(gai)前(qian)后(hou)5 h 末的鐵水包(bao)溫度(du)實際(ji)相差(cha)不大僅為100 K左右,根(gen)據加(jia)蓋(gai)前(qian)后(hou)鐵水包(bao)壁中部溫度(du)差(cha)繪出(chu)保(bao)溫蓋(gai)效果圖(tu)如圖(tu)11所示。

從(cong)保溫(wen)效果(guo)圖(圖11)可以看出,在空(kong)包(bao)(bao)運行的(de)3 h 之內,加蓋(gai)前后(hou)包(bao)(bao)壁中部即監測點B位置的(de)溫(wen)差最(zui)高可達(da)150 K。在相同(tong)空(kong)包(bao)(bao)時間內,鐵水(shui)包(bao)(bao)耐材溫(wen)降(jiang)的(de)減(jian)小(xiao),使得后(hou)續裝(zhuang)載(zai)鐵水(shui)過程中,因包(bao)(bao)襯蓄熱而(er)從(cong)鐵水(shui)傳遞至包(bao)(bao)襯的(de)熱量減(jian)小(xiao),因而(er)鐵水(shui)溫(wen)降(jiang)減(jian)小(xiao)。空(kong)包(bao)(bao)運行時間達(da)到3 h,能使保溫(wen)蓋(gai)發揮最(zui)好的(de)保溫(wen)效果(guo)。

針(zhen)對加(jia)蓋(gai)(gai)前(qian)后包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)壁(bi)上(shang)(shang)下(xia)(xia)部(bu)(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)進行對比(bi),對比(bi)如(ru)圖12 所示(shi)。圖12 為(wei)(wei)不加(jia)蓋(gai)(gai)和加(jia)蓋(gai)(gai)情況(kuang)下(xia)(xia),鐵(tie)(tie)(tie)(tie)水包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)空包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)返回接鐵(tie)(tie)(tie)(tie)口的(de)5 h 末(mo)包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)壁(bi)上(shang)(shang)下(xia)(xia)部(bu)(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)圖。如(ru)表4 中所示(shi),在(zai)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)返回接鐵(tie)(tie)(tie)(tie)口的(de)5 h 運輸時(shi)(shi)間末(mo),未加(jia)蓋(gai)(gai)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)上(shang)(shang)下(xia)(xia)部(bu)(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)差(cha)205 K,加(jia)蓋(gai)(gai)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)上(shang)(shang)下(xia)(xia)部(bu)(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)差(cha)為(wei)(wei)65 K,減(jian)小鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)上(shang)(shang)下(xia)(xia)部(bu)(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)差(cha)140 K。由鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)耐(nai)材(cai)(cai)壽命研究(jiu)的(de)相關(guan)文獻[17]指出(chu),熱應(ying)力是耐(nai)材(cai)(cai)損壞的(de)重(zhong)要因(yin)(yin)素之一,而(er)產生熱應(ying)力的(de)主要原(yuan)因(yin)(yin)就(jiu)是溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)梯度(du)。鐵(tie)(tie)(tie)(tie)水包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)不同部(bu)(bu)位耐(nai)材(cai)(cai)的(de)溫(wen)(wen)(wen)(wen)差(cha)較大,產生熱應(ying)力會損害包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)襯(chen)耐(nai)材(cai)(cai),且低(di)溫(wen)(wen)(wen)(wen)部(bu)(bu)分(fen)在(zai)接鐵(tie)(tie)(tie)(tie)時(shi)(shi)由于(yu)與鐵(tie)(tie)(tie)(tie)水溫(wen)(wen)(wen)(wen)差(cha)大爐襯(chen)易被(bei)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)水侵蝕。保(bao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)蓋(gai)(gai)則極大地提高了鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)上(shang)(shang)部(bu)(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)194 K,同時(shi)(shi)減(jian)小鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)上(shang)(shang)下(xia)(xia)部(bu)(bu)內襯(chen)溫(wen)(wen)(wen)(wen)差(cha)140 K,有(you)效減(jian)小了因(yin)(yin)熱應(ying)力所導致的(de)包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)襯(chen)耐(nai)火材(cai)(cai)料損傷。延長鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)耐(nai)材(cai)(cai)使用(yong)壽命,對減(jian)少修(xiu)包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)頻(pin)率(lv)、提高包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)齡有(you)著重(zhong)要作用(yong)。

4. 3 實測(ce)驗(yan)證

為(wei)了對模擬結(jie)果進行(xing)驗證,選(xuan)定(ding)(ding)(ding)某廠230 (t 36號)鐵水(shui)包(bao)(bao)進行(xing)滿(man)包(bao)(bao)鐵水(shui)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)測(ce)(ce)(ce)定(ding)(ding)(ding)。制(zhi)定(ding)(ding)(ding)了簡要的測(ce)(ce)(ce)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)方案:滿(man)包(bao)(bao)測(ce)(ce)(ce)定(ding)(ding)(ding)間(jian)隔(ge)時(shi)間(jian)為(wei)20 min,總(zong)(zong)時(shi)長為(wei)2 h;空包(bao)(bao)測(ce)(ce)(ce)定(ding)(ding)(ding)間(jian)隔(ge)時(shi)間(jian)為(wei)20 min,總(zong)(zong)時(shi)長為(wei)5 h。測(ce)(ce)(ce)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)內(nei)容(rong)主要包(bao)(bao)括(kuo):(1)空包(bao)(bao)不(bu)加(jia)蓋(gai)狀態下(xia)(xia)包(bao)(bao)襯溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du);(2)空包(bao)(bao)加(jia)蓋(gai)狀態下(xia)(xia)包(bao)(bao)襯溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du);(3)滿(man)包(bao)(bao)不(bu)加(jia)蓋(gai)狀態下(xia)(xia)鐵水(shui)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du);(4)滿(man)包(bao)(bao)加(jia)蓋(gai)狀態下(xia)(xia)鐵水(shui)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)。測(ce)(ce)(ce)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)內(nei)容(rong)中(1)、(2)空包(bao)(bao)部分已經在(zai)圖(tu)(tu)5 和圖(tu)(tu)6中與模擬結(jie)果共同繪出,以進行(xing)比較。圖(tu)(tu)13 所示為(wei)測(ce)(ce)(ce)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)內(nei)容(rong)第(3)、(4)部分內(nei)容(rong)鐵水(shui)測(ce)(ce)(ce)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)。由于出鐵過程(cheng)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)無法精確控(kong)制(zhi),以及加(jia)蓋(gai)設備(bei)等(deng)操作影(ying)響,導致實(shi)測(ce)(ce)(ce)起始點溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)并不(bu)完全相同,但在(zai)誤差(cha)可接受范圍內(nei)可以進行(xing)驗證。

保溫效果驗證(zheng)結(jie)果見表5。由(you)表5 中可(ke)以看出,模擬結(jie)果與實(shi)際驗證(zheng)情況存在一(yi)定(ding)誤差。分析(xi)原因主要是由(you)于模擬與實(shi)測鐵水起始溫度(du)不同,模擬過程鐵水溫度(du)比實(shi)際略高、溫降速率更大,所以保溫效果更為明顯。但(dan)相對誤差值(zhi)在允(yun)許(xu)范(fan)圍之內,驗證(zheng)了整個試驗的準確性。

5 結論

(1)通過對(dui)某廠多(duo)功能鐵水包進行(xing)(xing)(xing)實際測溫,并與模(mo)擬(ni)計算結果(guo)進行(xing)(xing)(xing)比較(jiao),計算結果(guo)與實測數據相對(dui)誤差(cha)值小于5%,驗(yan)證(zheng)本(ben)次(ci)數值模(mo)擬(ni)假(jia)設條件的(de)可行(xing)(xing)(xing)性(xing)及模(mo)型的(de)準確(que)性(xing)。

(2)鐵(tie)(tie)(tie)水包(bao)在空包(bao)運行階段(duan)加蓋(gai)(gai),能有(you)效提(ti)高下(xia)次接(jie)鐵(tie)(tie)(tie)時的鐵(tie)(tie)(tie)包(bao)整(zheng)體溫度。鐵(tie)(tie)(tie)包(bao)加蓋(gai)(gai)后上、中、下(xia)部(bu)溫度分別提(ti)高194、126、54 K,有(you)效改善(shan)空包(bao)熱狀態,減(jian)少下(xia)次承接(jie)鐵(tie)(tie)(tie)水時鐵(tie)(tie)(tie)包(bao)的耐材(cai)蓄熱量。

(3)鐵(tie)水(shui)包(bao)(bao)在空包(bao)(bao)運行階段加蓋,能有效(xiao)降低(di)鐵(tie)水(shui)包(bao)(bao)包(bao)(bao)襯上(shang)下部溫差140 K,減(jian)小鐵(tie)水(shui)包(bao)(bao)包(bao)(bao)襯由于(yu)溫度(du)(du)梯度(du)(du)所(suo)產生(sheng)的熱(re)應力,從而降低(di)熱(re)應力所(suo)導致(zhi)的耐(nai)材損耗,有效(xiao)保護鐵(tie)水(shui)包(bao)(bao)耐(nai)火(huo)材料、降低(di)修包(bao)(bao)頻率。

(4)根據鐵(tie)水包(bao)(bao)空(kong)包(bao)(bao)加蓋(gai)前后(hou),包(bao)(bao)壁中部B 點溫(wen)差ΔTB 隨(sui)時(shi)(shi)間變(bian)化(hua)規(gui)律(lv)可(ke)知:ΔTB 隨(sui)時(shi)(shi)間變(bian)化(hua)呈現先增(zeng)大后(hou)減小的(de)趨(qu)勢(shi),且(qie)在空(kong)包(bao)(bao)3 h 時(shi)(shi)達到最大值ΔTB max=150 K 。即空(kong)包(bao)(bao)加蓋(gai)運(yun)行3 h 左右,包(bao)(bao)蓋(gai)保溫(wen)效果得到最大化(hua),空(kong)包(bao)(bao)運(yun)輸時(shi)(shi)間應盡可(ke)能控(kong)制(zhi)3 h以內最為合(he)理。

(5)空包(bao)(bao)(bao)在(zai)返回過程中增(zeng)設保(bao)溫(wen)蓋,能有效提高接(jie)鐵(tie)(tie)時的(de)鐵(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)溫(wen)度,減少(shao)耐(nai)材蓄(xu)熱;且同(tong)時在(zai)重包(bao)(bao)(bao)運行過程中加(jia)蓋,每小(xiao)時能減少(shao)鐵(tie)(tie)水溫(wen)降約13 K,全程加(jia)蓋保(bao)溫(wen)效果顯著。

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