钢包加盖过程仿真及其保温性能研究

蒋波，尹平，刘庆运

(1.费斯托（中国）有限公司上海201206;2.马钢股份特钢公司;3安徽工业大学机械工程学院,安徽马鞍山，243000)

钢包加盖过程仿真及其保温性能研究

蒋波1，尹平2，刘庆运3

(1.费斯托（中国）有限公司上海201206;2.马钢股份特钢公司;3安徽工业大学机械工程学院,安徽马鞍山，243000)

基于ADAMS建立了钢包加盖的模型，对钢包取盖过程进行了动力学仿真分析，验证插齿式揭盖机构的可行性，并根据仿真结果对其结构重新设计改进。利用有限元法建立了钢包的热力学模型，分析了钢包稳态温度场的分布，并将稳态温度场作为初始条件加载到模型中进行钢包加盖的瞬态热分析，获得了钢包的温度变化曲线。仿真结果表明钢包加盖后可以使钢包节能约115伊105kJ，可见对钢包蓄热能力影响显著。

钢包加盖;虚拟样机;有限元分析;温度场;仿真

1 引言

随着炼钢技术的发展，钢水温度控制越来越重要。钢包作为炼钢与连铸工序之间的主要衔接设备，其保温性能直接影响出钢温度和浇铸温度。针对炼钢生产过程钢水温度波动较大，一般采取强化钢包烘烤、提高钢包热周转、优化包衬结构、钢水运转过程加保温剂和浇注过程钢包加盖等手段来减少钢水温降[1]。通过在钢包上加盖，钢包在同转使用过程中对于钢包的散热起到了很好的保护作用，辐射热损失可显著减少[2]，也使钢包的热状态更加趋于稳定，为准确控制钢包温度和温降创造了条件。由于钢包加盖节能效果显著，已成为钢企进行节能降耗的一个重要手段。

现有钢包加盖操作必须借助行车辅助完成，使得此项技术在实际操作中受到极大限制，无法做到在整个循环过程中都使钢包盖盖在钢包上。据文献[3~5]所述，国内部分科研单位联合钢铁企业进行技术引进、转化创新，研究开发出符合我国钢企实情的钢包全程加盖工艺技术和设备，并获得了良好的生产实践效果。

随着计算机辅助工程技术（CAE）越来越广泛的使用，工程设计也更加多元化，为降低成本和提高研发周期，虚拟样机技术在工程领域的应用已日趋成为主流，本文着重介绍利用虚拟样机仿真软件对钢包加盖过程进行了仿真验证，从理论角度分析验证钢包揭盖机构的可行性以及钢包加盖后整体温度场的变化情况。

2 钢包加盖模型

2.1 钢包参数

钢包一般主要由金属外壳和耐火材料两部分组成，外壳呈桶状外形，内侧砌筑耐火材料；耐火材料分为三层，分别为安全层、中间工作层和上下渣线层。本论文的钢包参数来自于梅钢150 t型钢包，其结构尺寸及其特性参数：钢包深度4.375 m，内径4.510 m，按实际盛钢量折算，钢包有效容积为35.7 m3，侧壁耐火材料厚度为320 mm，底部耐火材料厚度为450 mm。

钢包三维模型由Inventor完成，通过两软件的数据交换接口，将模型导入ADAMS中进行仿真，模型如图1所示。考虑到Inventor与ADAMS两软件的兼容性问题，在模型导入后进行后处理阶段须注意检查模型是否开启了重力场，由于包盖的重量对揭取盖运动过程中的碰撞有较大影响，不同重量的包盖产生的惯性与冲量影响到软件对碰撞力的计算判定。

图1 钢包及包盖整体模型

由于钢包揭盖机构的具体参数为项目研究的保密内容并同时申请了相关专利，在此不便对插齿揭盖机构的具体参数进行阐述，本文仅基于虚拟样机分析软件对钢包加揭盖运动过程进行仿真，论证该仿真手段的有效性，为日后进一步改善研究提供参考借鉴。

2.2 揭盖机构运动仿真分析

根据钢包实际运动情况，在转炉出钢前，带盖的钢包通过钢包车向出钢位移动，经过插齿式加揭盖机构时将钢包盖揭起；等转炉出钢完成后，受钢的钢包从加揭盖机构下通过时，包盖被自动加在钢包上，然后运输到LF精炼炉，整个过程顺利而流畅，无需人工进行干预。

仿真过程涉及自动揭盖和返回加盖两个流程，对模型进行运动副和驱动加载，驱动函数选用Step函数进行定义。由于钢包在运行过程中，包盖与揭盖插齿机构会发生碰撞，必须对其接触力模型进行严格设置。ADAMS/View中有两种接触力的计算方法：一种基于恢复的接触，根据损失系数和补偿系数计算接触力，损失系数限于单向约束并控制接触时的能量耗散，补偿系数决定两个构件在接触时的能量损失；另一种是基于冲击函数的接触，根据ADAMS函数库中的Impact函数计算接触力，其由两个部分组成，一个是由于两构件相互切入而产生的弹性力，另一个是由相对速度产生的阻尼力。

定义钢包与包盖之间的接触力为contact_1，包盖与揭盖机构的接触力为contact_2，考虑到钢包运动时包盖与插齿和包体均发生接触，碰撞的刚性较强，因此本模型选用Impact函数作为钢包各部件间的接触力计算准则，选用WISTIFF积分器作为系统动力学仿真算法，因为预测动态很强的情况时，选用WISTIFF积分器预测值更精确[6]。

进行20 s仿真后发现，现行插齿式揭盖机构无法使钢包盖完整取下，第15 s时的姿态如图2所示。钢包运行过程中，钢包与包盖接触力contact_1始终振荡变化，揭盖机构与包盖的接触力contact_2几乎为0，实际仿真动画也显示在15 s后包盖并未越过插齿式揭盖机构的齿尖，并最终沿齿面锥度方向滑下，揭盖失败，说明此结构不能满足钢包自动加揭盖的运动学过程。

图2 改进前钢包加揭盖过程仿真

基于上述分析，对插齿式揭盖机构重新进行设计修改，将插齿的锥度减小，提高钢包的运行速度，并修改插齿台阶过渡处为圆角，减轻包盖在运动过程中的振荡。将改进后的模型重新输入到ADAMS中，仿真时间设置为40s，为真实逼近钢包盖分离机构的运动姿态，将仿真步数设置为2000steps。检验模型后重新进行仿真，如图3所示，包盖在离开钢包的一瞬间，即包盖越过插齿式揭盖机构齿尖的瞬时，接触力contact_1与contact_2均发生剧烈突变，之后contact_1变为0，contact_2呈现周期性振荡变化，说明此时包盖已与钢包分离，包盖悬挂在揭盖机构的插齿上并由于惯性作用产生振荡。钢包受钢完成后返回加盖，30 s时钢包耳轴首先插入包盖的挂钩，在挂钩带动下包盖越过插齿式揭盖机构的齿尖并与其逐渐分离，contact_2变为0，包盖从插齿上滑下并盖在钢包上，完成整个自动加揭盖过程。

综上所述，经改进后的结构完全满足钢包自动加揭盖的工艺要求，仿真结果为试验样机的试制提供了理论依据。

图3 改进后钢包加揭盖过程仿真

3 钢包加盖前后温度场对比分析

为检验钢包加盖对蓄热能力的影响，利用有限元分析软件对钢包温度场进行热力学仿真分析。由于钢包结构和所受的载荷均为轴对称，为减少计算机运算量提高计算效率，将模型中与热力学分析不相干的特征略去，选取模型的1/4作为有限元分析对象。钢包外壳为普通碳钢，其导热率为45W/(m.K)左右；内衬材料中，工作层内衬为含80%氧化铝的高铝砖，永久层内衬为含60%氧化铝的高铝砖，密度取为2840 kg/m3，上下渣线采用的是镁碳砖，密度为2890 kg/m3；模型计算中的各材料物性参数如下表1，表2所示[8]。各材料的热力学特性随着温度变化呈现非线性，本文温度场仿真考虑此因素，从而大大提高了仿真计算精度。

表1 不同温度下的材料导热系数W/(m.K)

表2 不同温度下的材料比热容J/(kg.K)

为了精确地得到钢包的温度场分布，首先对钢包状态进行稳态热力学模拟，并将计算得到的稳态温度场作为初始条件施加在加盖工况中，再进行瞬态热力学分析以验证钢包加盖对钢水保温及散热能力的影响。

3.1 钢包热边界条件

钢包在注入钢水后，工作层内壁与钢水直接相接触，因此可以视工作层内壁温度为钢水温度；钢包外壳处在空气中，外壳与空气存在热交换，热交换存在两种形式：一种为包壳与空气的自然对流换热，另一种为包壳与外界环境的辐射换[9]。由于辐射换热为高度非线性计算，需要耗费大量计算时间，因此将其等效转化为对流换热[10]；

式中，Num——努谢尔特数；λm——空气导热系数，W/(m.益)；h—钢包高度，m。

包壳与周围环境的辐射换热转化为对流换热时的等价对流换热系数可用下式表示[10]：

式中，hr—等价对流换热系数，W/(m益)；B—Boltzmann常数，即钢包表面的黑度系数；ε—黑体辐射系数，取为0.8；ta—包壳温度，益；ts—环境温度，益。

3.2 钢包稳态热分析

为了分析钢包在各工况下的温度场和应力场分布，作了如下假设：(1)钢包包壁的倾斜度很小，模型近似为圆柱体；(2)钢包简化为由多层不同材料组成，包壁内衬耐火材料与包底相同；(3)钢水为稳态不可压缩流体，内部加载时考虑为恒定温度场[11]；施加钢水温度载荷1650益，钢包外壳存在空气自然对流，环境温度为30益，自然对流系数为12.5 W/(m2益)，稳态热分析结果如图4所示。

图4 钢包稳态温度场分布

由图4可以看出，钢包温度场分布均匀，温度梯度沿厚度方向递减，由于包底耐材较厚，包底温度最低，约为264益左右。在有盖情况下，包盖耐材部分还要承受承受钢水带来的对流换热，因此包盖表面的温度分布相对包壁和包底均较高，温度最高点集中在包盖与钢包接触处，达到1724.5益左右。

3.3 钢包瞬态热分析

瞬态分析设置多个子载荷步，采用自动时间步长功能。求解完毕后，温度云图和热流密度向量图详细显示了计算结果。

为了验证钢包加盖对钢包蓄能能力的影响，在温度场的计算过程中考虑两种工况：一是钢包未加盖情况，即钢水在钢包中的边界条件为钢包壁和包底同时发生自然对流和辐射热交换；二是钢包加盖完成后，钢水与空气隔离，包内空气几乎不流动，因此取消钢包的自然对流热交换形式，钢包通过辐射形式向外进行热交换。

有盖情况下，钢包整体通过与空气进行辐射热交换散发热量，应用简单对流边界条件，设置仿真时间为0.5 h，初始时间步为10 s，运行仿真，钢包整体温度场分布如图5(a)，选取钢包内壁面作为分析对象，生成钢水温度变化曲线图5(b)所示。由图可以看出，经过半小时的散热，钢包中温度最高点在钢包底部为1609益左右，而钢水温度由1650益下降到1566.5益，温降损失约为84益左右。

图5 (a)有盖时钢包温度场分布

图5 (b)有盖时壁面温度变化曲线

包盖取去工况下，钢包中钢水暴露于空气中，主要散热形式有钢水的辐射散热和钢包外壁的自然对流。分别添加边界条件，根据式(1)、(2)计算取钢包中的对流换热系数和环境温度分别为50 W/(m2·益)和1600益，外壁自然对流换热系数和环境温度分别为25 W/(m2·益)和50益，对其进行0.5 h的仿真模拟，得出钢包温度场分布如图6(a)所示，温度变化曲线如图6(b)所示。由图可看出，在无包盖工况下0.5 h内钢包内温度降低为1491益，温度损失为150益左右，可见无包盖情况下钢包内热量损失明显。

图6 (a)无盖时钢包温度场分布

图6 (b)无盖时钢包温度场分布

由上述分析可知，钢包在有盖工况下，钢水的温降梯度由150益降为84益，可见钢包全程加盖技术将显著降低钢包内的热量损失。钢包容量为250 t，钢铁比热容为0.46伊103kJ/(kg·益)，则可计算得钢包加盖后能量损失减少115伊105kJ，若按钢包运行一周期为半小时算，则一个周期内钢包加盖后的节能能力折合标准煤392 kg。

4 结论

虚拟样机技术作为验证机械设计可行性的有效手段，已越来越被业内所认可。钢包加揭盖机构在国内各大钢厂的普遍应用，已经充分证明钢包加盖技术是一项节能、降耗的新技术，虚拟样机仿真手段为该项技术的研究设计缩短了研发周期，节约成本，并且通过后期试制1:20的实验样机进行实验也验证了经虚拟样机仿真后的插齿式加揭盖机构是可行和有效的。

[1]张威，刘晓峰，朱光俊，杨治立.炼钢厂钢水温降研究现状[J].重庆科技学院学报(自然科学版)，2005(4)：34-36.

[2]王英哲，冯志太，李开强，江志庚.连铸钢包全过程加盖保温试验[J].炼钢，1994(2)：11-15.

[3]李拥军，郝江敏等.加盖工艺在刑钢80t钢包上的应用[J].河北冶金，2011(2)：46~48.

[4]袁方明，杜洋，牛博.高温熔体容器全程自动加盖装置[P].中国专利：ZL200720000491.5,2008-06-25.

[5]刘晓峰.钢包全程加盖设备与工艺研究现状[J].四川冶金，2011，33（3）：19~22.

[6]赫雄.ADAMS动力学仿真算法及参数设置分析[J].传动技术，2005，19(3)：27~30.

[7]黄奥等.300t精炼钢包温度场和应力场的有限元分析[J].耐火材料，2009，43（4）：270~273.

[8]钱之荣，范广举.耐火材料实用手册[M].北京：冶金工业出版社，1992.

[9]孔建益，李楠，李友荣等.有限元法在钢包温度场模拟中的应用[J].湖北工学院学报，2002，17（2）：6~8

[10]杨世铭，陶文铨.传热学（第三版）.北京：高等教育出版社，1985

[11]卢翔字，杨吉春，王宏明，等.钢包热行为数学模型研究[J].包头钢铁学院学报，2000，19(2)：124~127.

Emulation and Heat-insulating Performance Study of Lad le Covering Process

JIANG Bo1,YIN Ping2,LIU Qingyun3
（1.Festo China Co.,Ltd.,Shanghai 201206;2.Special Steel Co.of Masteel; 3.School of Mechanical Engineering of Anhui University of Technology,Maanshan,Anhui 243000,China）

A model for ladle covering was established based on ADAMS,to dynamically emulate ladle covering process,validate the feasibility of gear-shaping cover remover and re原design the structure of the remover according to the results of the emulation.A thermal mod原el for ladle was set up using finite element method,the distribution of stable temperature field of ladle was analyzed and the stable temperature field was also loaded into the model as initial conditions to perform transient thermal analysis,obtaining temperature time history. Emulation results showed that covered ladle could save energy by about 115伊105kJ,indicating significant effect on heat preservation of ladle.

ladle covering;virtual prototype;finite element analysis;temperature field; emulation

TP311.5

B

1006-6764（2014）04-0061-05

2014-01-15

蒋波（1986-），男，硕士研究生，现研究方向：气动技术，冶金机械设计。