连铸中间包热损失影响因素的数值分析

杜亚伟 杜海明 杜玉兰 单 强 苏 彬

(安阳钢铁集团有限责任公司)

连铸中间包热损失影响因素的数值分析

杜亚伟 杜海明 杜玉兰 单 强 苏 彬

(安阳钢铁集团有限责任公司)

为掌握典型工况条件对连铸过程中中间包热损失的影响程度，基于大型数模分析软件ANSYS 热分析模块，对普碳低合金钢种连铸中间包热损失影响因素进行了数值分析。结果表明：1)当钢水较大面积暴露在环境中时，环境温度的变化将显著影响中间包钢水温度的变化；2)实际生产中应尽量减少中间包操作孔敞开的时间；3)中间包保温层采用新型隔热保温材料将大幅改善其保温效果；4)覆盖剂的合理选用及正确使用有助于降低上钢温度。

连铸中间包 热损失 数值模拟

AbstractIn order to grasp the influence of the typical operating conditions on the heat loss in the continuous casting tundish，the numerical analysis on the influence factors of the heat loss in the tundish in continuous casting for the carbon-steel and low alloy steel，based on the thermal analysis module of the software ANSYS，had been carried out. The results showed that，1)The steel temperature could be affected significantly when the molten steel ws exposed to the environment in large area；2)In practice，the opening time of the operation hole on the tundish should be minimized；3) The heat preservation effect in the tundish wounld be improved，if the new heat insulation materials were applied to the insulation on the tundish；4)Reasonable selection and proper use of the covering agent could help reduce the end point temperature of the LF refining.

KEYWORDScontinuous casting tundish heatloss numerical simulation

0 前言

温度是整个炼钢生产的生命线，中间包钢水温度作为连铸流程乃至整个炼钢流程温度控制的一个重要环节，其温度高低、波动直接或间接影响钢材质量和产量。

对中间包温度的研究，20世纪80年代以来，国内虽相继开发并应用了各种中间包测温技术和设备，如宝钢等企业利用连续测温装置对中间包进行了热测试[1]。并且以往对中间包热状态的研究多将其作为钢包热循环过程的一个组成部分，对影响中间包温度变化规律的影响因素研究并不多见。因此，要了解中间包温度的变化规律和稳定控制中间包温度，必须对影响中间包温度的因素进行分析和研究，才能更好的实现中间包的温控。

以某钢厂3#铸机的中间包浇铸过程为例，拟采用大型商用有限元分析软件ANSYS11.0建立中间包的相关热损失数学模型，着重就中间包所处的环境温度变化、中间包操作孔封闭与否、中间包保温层厚度及材质改变等几种工况条件进行相关数值分析，以期找到影响中间包温度变化的规律。同时，就中间包浇注过程的温降规律进行模拟分析，为中间包内钢液温降控制提供理论依据，从而指导生产实践。

1 中间包温度模型的建立

以某钢厂3#铸机用中间包(正常工作吨位～53 t，液面高度～1 200 mm)为研究对象，以普碳低合金钢为例，建立中间包温度模型进行数值模拟。中间包结构尺寸及各部分耐材尺寸和相应的物性参数分别见表1、表2、表3[2]和表4[3]。

表1 中间包包体外形尺寸 / m

表2 中间包包底及侧壁各层厚度 / m

表3 中间包各组成部分的热物性参数

表4 中间包包盖尺寸及热物性参数

注：1. 包盖各操作孔总面积约占包盖平面面积的30%～40%； 2. 钢壳厚度约8 mm，钢纤维浇注料厚度约200 mm。

1.1 ANSYS模拟过程简述

ANSYS求解模型分3个步骤[4]：前处理、求解、后处理。中间包ANSYS数值模拟的具体程序为：“进入前处理器”→“定义单元类型及材料热物性参数”→“建立中间包实体模型”→“网格划分”→“定义表面效应单元及空间节点”→“进入求解器”→“施加稳态边界条件”→“进行稳态求解”→“删除稳态边界条件，将稳态结果作为瞬态分析初始条件并重新施加边界条件”→“进行瞬态求解”→“进入后处理器”→“绘制温度分布图、时间-温度曲线图，输出结果”→“结果保存”。

1.2 中间包实体模型的建立

在ANSYS前处理模块中对中间包建立实体模型。利用查阅的相关物性参数在ANSYS前处理中分别定义单元类型(SOLID70、SURF152)、材料密度、热导率、比热容、辐射率。建立1/4中间包有盖有覆盖剂的实体模型。建立好中间包物理模型后对其进行网格划分，施加边界条件并求解。

这里需要说明的是，网格划分主要分为映射网格划分(mapped)和自由网格划分(free)，事实上，完全靠软件的自由网格划分可能容易产生尖锐或边长比很大的不良单元，但经过控制的自由网格划分的精度与映射网格划分差别不大[5]。采用自由网格划分所产生的三角形单元或四面体单元将使自由度大大增加，从而造成运算量的增加，随着机器配置的逐渐增强，运算量大的问题已经得到很好的解决，由于中间包各面结构复杂，故本文采用自由网格划分方法与映射划分相结合的方法，因覆盖剂层比较薄，所以覆盖剂的网格划分尺寸较小，为0.05 m，而其他位置网格尺寸分别为0.1 m和0.5 m，划分网格后有盖有覆盖剂中间包如图1、图2所示。

图1 有盖有覆盖剂1/4中间包网格划分图2 包盖4操作孔封闭1/4中间包网格划分

在上述1/4中间包有限元模型基础上对模型施加初始条件及边界条件：1)进入Aux12，求解出中间包内辐射矩阵；2)再进入前处理器，选择单元MATRIX50(超单元)，并设置单元KeyOption为热辐射分析；3)读入辐射矩阵，删除生成辐射矩阵的SHELL57单元；4)先定义分析类型为稳态分析；5)定义中间包内表面初始温度，外表面温度；6)进行求解；7)设置分析类型为瞬态分析；8)删除稳态时施加的边界条件；9)定义中间包外表面、内壁及覆盖剂上表面对流换热系数；10)定义外界空气温度，覆盖剂上表面空气温度；11)定义钢水初始温度；12)设置输出控制为全部结果；13)定义求解传热时间；14)定义时间步长；15)求解。

2 影响中间包温度变化的因素分析

前面简述了利用有限元分析软件对中间包温度模型的建模过程，本部分将在模拟的基础上求解中间包温度模型，并较为系统的分析影响中间包钢水温度的各影响因素。

2.1 冬夏季不同环境温度对中间包钢水温度的影响

中间包有盖有覆盖剂，分操作孔封闭与不封闭两种模拟条件，模拟不同环境温度对中间包钢水温度变化的影响程度，中间包钢水的“温度-时间”曲线图分别如图3、图4所示。环境温度取值：冬季设定为0 ℃，夏季设定为40 ℃。

图3 环境温度对钢水温度的影响(不封闭)图4 环境温度对钢水温度的影响(封闭)

1)不封闭情况：从图3可以看出，30 min内中间包钢水温度在外界环境不同时存在一定的差异。其他条件相同时，30 min内，外界环境为0 ℃时要比外界环境为40 ℃时多下降3 ℃左右。从这种情况分析，外界环境温度是影响中间包温度稳定的一个相对因素。

2)封闭情况：从图4可以看出，30 min内，外界环境温度从0 ℃升高到40 ℃，中间包内钢水温度的相对变化已经很小，相差仅0.5 ℃左右。

上述两种情况的分析显示，当钢水较大面积暴露在环境中时，外界环境温度的变化将显著影响中间包钢水温度的变化。

2.2 包盖各操作孔封闭与否对中间包钢水温度的影响

为掌握包盖各操作孔封闭与不封闭情况下，对中间包钢水温度的影响程度，重点模拟了中间包有盖有覆盖剂，相同环境温度(夏季为40 ℃)、相同保温层厚度(5 mm)及相同边界与初始条件下中间包钢水温度随时间的变化，结果如图5所示。

从图5可以看出：1)各操作孔封闭情况中间包钢水温降要小于操作孔敞开情况的温降；2)30 min内“封闭情况”要比“敞开情况”少下降3.6 ℃，“敞开情况”对中间包温度的影响超过了“0 ℃外界环境温度对中间包温降”的影响程度。

由此可见，中间包操作孔封闭与否对中间包保温有重要的影响，实际生产中应尽量减少中间包操作孔敞开的时间。

图5 操作孔封闭与否对钢水温度的影响

2.3 不同保温层厚度对中间包钢水温度的影响

中间包包壁分为4层，从外到内分别为钢壳、保温层、永久层和工作层。因中间包工作条件的需要，工作层和永久层的厚度几乎不变，而钢壳对中间包的保温作用又没有太大影响。所以，要有效提高中间包的保温性能，只能通过改变中间包保温层的厚度来实现。该部分通过讨论“不同保温层厚度”对中间包钢液温降的影响。

模拟计算条件为：中间包有盖有覆盖剂，包盖各操作孔封闭情况下，相同环境温度(夏季为40 ℃)、不同保温层厚度(0.005 m、0.010 m、0.015 m、0.020 m(设计厚度)、0.030 m、0.035 m、0.040 m和0.050 m)及相同边界与初始条件下建立中间包30 min钢水温度随时间变化的温度模型，如图6所示；相应取30 min时0.70 m处中间包宽面侧壁保温层中部(8种不同厚度方案)的“温度-厚度”曲线，如图7所示。

图6 保温层厚度对钢水温度的影响图7 保温层8种厚度方案温度分布图

由图6、图7可以看出：

1)钢水温度在保温层厚度处于15 mm和20 mm时出现明显转折；保温层厚度提高到20 mm后，钢水“温度-时间”曲线明显趋缓并有所提高，30 min后钢水温度也相应提高了3 ℃左右。

2)保温层8种厚度温度分布图同样表明，在保温层厚度提高到20 mm后，保温层中部温度明显下降约20 ℃，这足以使中间包包体钢壳温度下降20 ℃以上。之后提高保温层厚度的4种方案，温度降低程度较小，则说明继续提高保温层厚度意义并不大。

由此可见，适当增加保温层厚度对中间包的保温效果有一定的影响。而当保温层厚度增加到40 mm时与20 mm温度变化基本相同。可知虽然增加中间包保温层厚度可减少中间包向包外的散热量，但其厚度增加到一定程度后继续增加保温层厚度对中间包保温效果影响己经不大。

3)如果中间包保温层在其材质不变的条件下，将保温层实际投用厚度(目前实际投用厚度为～15 mm)保证在20 mm的设计厚度(永久层浇注料压实后的实际厚度)以上，中间包保温效果较好。

4)如果改变保温层使用材质，如采用“新型纳米硅反射材料”，其理化指标见表5。该种材料每张厚度为10 mm，与石棉毡一样，砌包结束后的实际厚度<10 mm。

模拟结果显示，其10 mm～15 mm使用厚度的保温效果就能满足相当于石棉毡20 mm以上使用厚度的保温效果(如图8所示)。

表5 新型纳米材料隔热板主要理化指标

2.4 中间包覆盖剂(材质与厚度)辐射及对流热损失

某钢厂3#铸机要求中间包覆盖剂厚度≤100 mm，但实际所用的材质均为废旧的保护渣或认为不太好用的保护渣材料，并未采用双层覆盖剂方式：下层为碱性覆盖剂熔融结构，主要吸附夹杂用；上层为保温隔热层(为避免中间包包盖另加隔热层)；但实际覆盖厚度无定值，多为20 mm左右。

因此，以下就连浇炉次渣面温度1 000 ℃(现用中间包覆盖剂条件下)和渣面温度为800 ℃(假设的采用双层覆盖剂后的渣面温度)两种情况下，对渣面热损失做计算对比分析。

2.4.1 热损失计算

中间包渣面热量损失包括“辐射热损失”和“对流热损失”(这里假定为自然对流)，其中，包内气氛温度按tf=600 ℃设定，中间包渣面长度L=7.607 m，宽度W=1.183 m，黑度按ε= 0.6设定。可根据式(1)、式(2)进行计算。

q1=εCb((T/100)4-((tf+273)/100)4)·S

(1)

式中:q1——辐射热，W；

ε——覆盖剂表层黑度，这里取0.6；

Cb——黑体辐射系数，5.67，W·(m2·K4)-1；

T——覆盖剂表层温度(这里分别取1 000 ℃和800 ℃，即1 273 K和1 073 K，这两个温度取值即为式(2)中的tw的开氏温度)，K；

tf——中间包包内气氛温度，℃。这里按600 ℃设定；

S——中间包渣面面积(由S=L×W计算确定)，m2。

q2= h(tw-tf)

(2)

式中:q2——对流热，W；

h——覆盖剂表层对包内气氛的对流换热系数，W·(m2·K)-1；

tw——覆盖剂表层温度，℃。这里分别取1 000 ℃和800 ℃；

tf——如式(1)中的说明。

其中，式(2)中关于h的计算则分别依据式(3)、式(4)、式(5)进行确定：

h=Nu·λ/l

(3)

式中:h——如式(2)中的说明；

Nu——努谢尔特准数，由式(4)计算确定；

λ——由定性温度tm=(tw+tf)/2确定后查得的空气的热导率，W·(m·K)-1；

l——定型尺寸，m，由l = (L + W)/2计算确定。

Nu = C(Gr·Pr)n

(4)

式中:Nu——如式(3)中的说明；

Gr——格拉晓夫准数，由式(5)计算确定；Pr——普朗特准数，由定性温度tm= (tw+ tf) /2确定后查得；

系数C、指数n——常数，由式(5)计算结果并参考表6确定。

表6 典型表面形状实验室确定的常数C和n的取值表

Gr=βgl3Δt/ν2

(5)

式中:Gr——如式(4)中的说明；

β——格拉晓夫准数Gr中的体积膨胀系数，由β=1/(tm+273)计算确定；

g——重力加速度，这里取9.81m·s2；

l——如式(3)中的说明；

Δt——tw-tf的差值，℃；

ν——由定性温度tm=(tw+tf)/2确定后查得的空气的运动粘度，m2·s-1。

结合式(1) ～式(5)可分别计算渣面温度T为1 000+273=1 273 K、800+273=1 073 K时中间包钢水渣面热量损失变化情况，计算结果见表7。

表7 中间包不同渣面温度条件下热损失计算结果

由表7数据可知，中间包渣面温度800 ℃条件下总的热损失约为渣面温度1 000 ℃条件下的63%。

2.4.2 对钢水温度的影响

液态钢水1 500 ℃的热容按0.879 kJ·(kg·℃)-1计，中间包容量按5.3×104kg计。

根据上述计算可知，35 min内，上述两种情况下损失的热量分别为：1.51×106kJ、5.52×105kJ。那么，在包盖各操作孔不完全隔热封闭的情况下，约有30%～40%(前已述及包盖各操作孔总面积约占包盖平面面积的30%～40%)的渣层表面暴露于环境，这里取值30%。则在35 min内，依据公式(6)渣面散失的热量可使中间包钢水温度下降值分别为：8.5 ℃和3.1 ℃。

Q=cmΔt

(6)

式中:Q——热量，kJ；

c——钢水的比热容，kJ·(kg·℃)-1；

m——钢水质量，kg；

Δt——温差，℃。

以此推算，如果使用双层覆盖剂可使盛钢量160 t的钢包出站温度下降3 ℃～5 ℃。这一点进一步说明了浇注过程中对中间包操作孔采取隔热封闭的必要性。

综上所述，渣面温度仅降低200 ℃(从1 000 ℃降至800 ℃)的条件下对钢水出站的温度就有3 ℃～5 ℃的影响。可想而知，单就覆盖剂而言，如果采用双层覆盖剂，则通过渣面造成的热损失将大为降低。

2.5 包盖加保温层对中间包钢水温度的影响说明

现场砌包实际表明，中间包包盖加保温层(位置在钢壳内侧与钢纤维浇注料之间)容易造成钢纤维浇注料塌料事故，所以，这里不再进行包盖加保温层的热模拟研究。

3 中间包温降规律的数值分析

浇注过程中，普碳低合金钢种在钢水浇注温度1 570 ℃、浇注周期按35 min计、中间包加盖且有覆盖剂等正常浇注条件的基础上，计算了连浇3个包次的浇注过程中间包钢水温度变化规律，如图9所示。

图9 中间包钢水温降规律

计算所得中间包钢液温度变化规律与宝钢实测中间包温度变化规律相一致[6]。从图9可以看出：

1)中间包内钢液温度变化很大，尤其是第1包次的浇注。第1包次钢包开始浇注时包衬温度较低，且在此期间内钢液表面无任何覆盖剂，钢液自由表面直接向中间包空腔及环境辐射传热。

2)随包衬蓄热量不断增加及随后覆盖剂等的加入很快达到热平衡，中间包内钢液温度逐渐上升，由图示曲线走势可知，钢液量浇注约1/2时达到最高。

3)在浇注中钢包内钢液的温度逐渐降低，中间包内钢液温度也缓慢下降，但远小于钢液温度上升时的速度。

4)更换钢包时由于无新钢液注入，包内钢液面迅速下降，这时钢液温度下降速度明显加快。当新的钢包开浇后，钢液迅速注入中间包，中间包内钢液面很快恢复到正常浇注水平，由于新注入的钢液温度很高，中间包内钢液温度随钢液的注入而迅速上升且很快达到最大值，随后缓慢下降，直到这一包次钢液浇注结束，进入下一个包次循环。

5 结论

1)仅当钢水较大面积暴露在环境中时，外界环境温度的变化才显著影响中间包钢水温度的变化。

2)可比条件下，浇注过程中间包操作孔“敞开”情况下对其钢水温度的影响超过了冬季相对较低的外界环境温度对中间包钢水温降的影响程度。实际生产中应尽量减少中间包操作孔敞开的时间。

3)适当增加保温层厚度对中间包的保温效果有一定的影响。保温层采用新型隔热保温材料将大幅改善中间包的保温效果。

4)覆盖剂的合理选用及正确使用有助于降低上钢温度，并改善中间包的过程温降条件。

[1] 李里，周瑞和，薛念福，等. 攀钢连铸钢包热循环的现状与分析[J]. 钢铁钒钛，2002(3)：5-11.

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[5] 胡红军，杨明波，张丁非. ANSYS10.0 材料工程有限元分析实例教程[M]. 北京：电子工业出版社，2008：54-176.

[6] 吴晓东，刘青，徐安军，等. 宝钢炼钢厂300 t整体钢包热循环实测研究[J]. 北京科技大学学报，2001，23(5)：418-420.

NUMERICALANALYSISONTHEINFLUENCEFACTORSOFTHEHEATLOSSINTHECONTINUOUSCASTINGTUNDISH

Du Yawei Du Haiming Du Yulan Shan Qiang Su Bin

(Anyang Iron and Steel Group Co., Ltd)

2017—4—10

联系人：杜亚伟，工程师，河南.安阳(455004)，安阳钢铁集团有限责任公司技术中心长材产品研究室；