铁钢界面铁水热损规律研究

陈国军,邓安元,黄 军,王明月,孙国伟,陈立军

(1.宝山钢铁股份有限公司,上海 201999; 2.东北大学,辽宁 沈阳 110004;3.内蒙古科技大学,内蒙古 包头 014010)

随着钢铁冶金工业技术水平的提升,低碳、节能、环保、高效的现代化生产方向成为钢铁冶金企业发展的必然趋势。铁水的运输环节是连接炼铁工序和炼钢工序的纽带,其主要依靠敞口式铁水车和鱼雷罐等大型的机械承装工具来完成。对于铁区,铁水温降关乎企业的生产成本和物流节奏;对于钢区,铁水温降大小和波动直接影响预处理和炼钢工艺能耗以及生产稳定顺行,间接影响钢铁冶炼的品种和质量,甚至带来安全问题[1-3]。

一般认为,长流程钢铁企业入转炉铁水温度每提高20 K,则多加废钢可降低铁水比0.8%,每吨废钢替代铁水可降低约0.45 t标煤(1 kg标煤=29.3 MJ)。为提高鱼雷罐的保温性能,减少铁水温降,研究人员针对鱼雷罐做了大量的科学研究,提出了相应的优化和改进措施[4-9]。马学东等[4]采用辐射矩阵描述铁水和罐衬之间的传热,构建了二维轴对称模型,实现了鱼雷罐储运阶段的铁水温降计算;程常桂等[5]针对宝钢二炼钢铁水三脱工艺,建立了铁水温降机理模型;王君等[6]开发了铁水运输过程温降模型,并利用模型对铁钢界面的3种铁水运输工艺进行了能效对比分析;杜涛[7]等分析了铁钢界面铁水在受铁、运输和预处理等过程的散热机理,建立了铁水罐—兑铁包模式的铁水温降模型。

为此,针对铁钢界面主要运输设备和整个流程,应用数值计算方法,结合现场测试数据,系统分析了各阶段的热损途径与比例,并提出了空罐加简易盖措施,已在现场应用和快速推广。

1 数学模型

鱼雷罐内的热量传递包括热传导、辐射和热对流,其可通过热传导方程、辐射模型和对流方程来描述。

1.1 热传导基本方程

在铁钢界面,铁水与鱼雷罐内壁、罐衬与罐衬之间主要以热传导的方式传递热量,且该过程是一个非稳态传热过程,可用式(1)的导热微分方程来描述。

(1)

式中:c为材料比热容,J/(kg.K);ρ为材料密度,kg/m3;t为时间,s;T为温度,K;q为单位体积物体单位时间内释放的热量,W/m3;λ为物体的导热系数,W/(m·K)。

1.2 铁水液面与内衬之间的辐射模型

(2)

式中:I为黑体辐射强度,W/Sr;r为位置向量,m;s为方向矢量,m;a为光谱吸收系数,m-1;σs为散射系数,m-1;σ为斯蒂芬—玻尔兹曼常数,5.67×10-8W/(m2K4);n为波长,m;Φ为散射相函数;Ω为立体角,Sr。

工业上的辐射传热计算一般都按灰体来处理,在计算中,将耐材内壁与铁水表面看作漫灰体。漫灰体墙面内的热流量方程如式(3):

(3)

漫灰体墙面外的热流量方程如式(4):

(4)

式中:γ为墙面的折射率;εw为墙面发射率;Ta为墙面与环境温差,K。

1.3 罐内外(罐口)冷热空气对流换热方程

罐口为对流换热,因此空气为流体,需要同时满足质量守恒、动量守恒和能量守恒,3个方程耦合求解。

根据输运质量守恒方程,鱼雷罐罐内和罐外冷热空气质量交换之间存在式(5)关系:

(5)

根据输运动量守恒方程,鱼雷罐罐内和罐外冷热空气动量交换之间存在式(6)关系:

(6)

式中:U为流体的速度矢量,m/s;τ为应力张量;P为压强,Pa;SM为动量方程源项,N/m3。

(7)

式中:μ为动力黏性系数,Pa·s;δ为单位张量。

根据输运能量守恒方程,鱼雷罐罐内和罐外冷热空气热量交换之间存在式(8)关系:

∇·(U·τ)+U·SM+SE

(8)

式中:htot为总焓,J/kg。

(9)

式中:SE为能量源项,W/m3;h为热焓,J/kg。

1.4 物理模型和条件

鱼雷罐模型主要分为罐壳、罐口、罐衬和耳轴等部分。罐体外壳由中部圆柱段、两侧对称的圆台段和耳轴段部分组成,均由厚32 mm的16Mn钢板焊接而成;鱼雷罐的罐衬从内到外主要包括工作层(ASC砖)、高铝浇注料、永久层(蜡石砖)和钢壳。分析中用W1～W6分别表示鱼雷罐内壁面(W1)、工作层与浇注料的接触面(W2)、浇注料与永久层1接触面(W3)、永久层1与永久层2接触面(W4)、永久层2与钢壳接触面(W5)、钢壳外表面(W6)。采用前处理软件进行网格划分,网格如图1所示。根据已有文献数据,计算中采用现场试验测温数据进行校核的方式,确定了模型中罐衬耐材的材料参数,见表1。

图1 鱼雷罐模型的结构网格

表1 罐衬材料的物性参数

鱼雷罐罐壳与外界环境之间存在对流换热和辐射换热,因此模型计算中罐体外壳的温度边界条件采用综合换热系数来表示。罐车运输中,罐壳外的对流换热形式为强制对流换热;罐车静止等待时,罐壳外部的对流换热形式为自然对流换热。对于罐壳热辐射造成的热量损失,将其影响转化为相应的辐射换热系数。综合换热的计算方法如式(10):

Φr+c=A(hr+hc)ΔT

(10)

式中:Φr+c为换热总流量,J/s;A为罐壳表面面积,m2;hr为辐射换热系数,W/(m2.K);hc为对流换热系数,W/(m2·K);ΔT为罐壳和环境的温差,K。

其中式(10)中罐壳表面辐射换热系数:

(11)

式中:ε为罐壳表面发射率;Tθ为环境温度,K;Tw为罐外壁面温度,K。

式(10)中的对流换热系数,工程上一般采用经验公式[10-11]:

(12)

(13)

式中:A为与鱼雷罐位置有关的系数,通过试验校核取1.2;θ为速度相关因数;v为车速,m/s。

2 鱼雷罐输运过程热状态分析

对上面的热传导、热辐射和对流模型利用CFD软件进行耦合计算。为验证鱼雷罐模拟模型的准确性,通过测试初始受铁温度在1 503 ℃时鱼雷罐整个输运流程不同阶段各时间节点耐材的温度来进行验证。热电偶布置在各层耐材交界面处。测试了鱼雷罐圆台段W3、W4和W5界面的温度。表2所示为浇注料与永久层界面W3的测试和计算结果。对比3个位置的测试数据与模拟结果可知相对误差均在10%以内,有效验证了数值模拟的准确性。以此模型为基础,对鱼雷罐不同阶段的热状态进行模拟分析。

表2 鱼雷罐W3层界面温度对比

2.1 烘烤阶段热状态

根据现场的实际升温曲线对鱼雷罐内衬持续加热,烘烤主要分为4个部分,每部分由升温和保温两个阶段组成,整个过程总计69.5 h。

图2为模型计算得到的鱼雷罐圆柱段各层耐火材料界面的温度变化曲线。由图2可知,烘烤过程中,各层罐衬的温度逐渐升高,温度上升速率的大小与距离内热源的距离成反比,各层罐衬的温度上升速率均滞后于烘烤曲线。而且内部罐衬层蓄热量不够充分,内部罐衬层在保温阶段温度仍在上升,因此烘烤时间还有必要适当延长,以使罐衬耐材充分蓄热。因烘烤位置、各层耐材体积、耐材属性等因素的差异,各层罐衬的蓄热量存在明显差异。经过69.5 h烘烤,鱼雷罐各层蓄热量如表3所示。鱼雷罐各层罐衬在烘烤阶段总的蓄热量为8.938×104MJ,其中工作层蓄热量为7.51×104MJ,占罐衬总蓄热量的84.02%。

图2 耐材各层界面温度随时间的变化

2.2 受铁阶段热状态

以实际受铁温度1 480 ℃对受铁过程的铁水温度和罐体热状态进行了模拟计算,结果如图3所示。在受铁阶段,铁水与罐体之间存在着明显的温差,铁水越靠近壁面,温度越低。受铁过程中,铁水损失的热量一部分通过罐口与罐壳流向外部环境,另一部分流向各层罐衬。该阶段铁水总热量损失约为1.236×104MJ,其中罐衬蓄热量增加了8.03×103MJ,占铁水总热损失的64.97%,罐口与罐壳热损失占比为35.03%。受铁阶段末时刻各层耐火材料蓄热及占比如表3所示。其中工作层增加了7.90×103MJ,占蓄热增长总量的98.38%。可见,受铁阶段铁水的主要热损失流向为罐衬,主要用于工作层的蓄热。若要降低该阶段的铁水热损失,首要措施是降低工作层的蓄热。计算表明,散热损失中74.47%通过罐口损失掉,通过柱段、圆台段和耳轴表面的散热比例分别为14.46%、9.16%和1.91%。

表3 烘烤结束、受铁结束时鱼雷罐罐衬各层的蓄热量和占比

图3 鱼雷罐受铁阶段各时刻温度场

2.3 重罐阶段热状态

受铁完成后,鱼雷罐会经历运输和静置等待兑铁两个阶段。实际生产中罐车运输时间为60 min,罐壳表面处于强制对流散热的状态。罐车静置等待时间为60 min,此时罐壳处于自然对流冷却状态。

计算表明,重罐运输阶段罐壳外壁面温度持续下降,内部罐衬层温度均有小幅上升。如表4、5所示,重罐运输阶段铁水总热量损失为6.45×103MJ,其中鱼雷罐罐衬蓄热量增加了4.43×103MJ,占铁水热损失的68.68%,主要为工作层继续蓄热,永久层与钢壳的蓄热量减少。因此工作层蓄热是鱼雷罐罐衬热量增长的主要部位。

表4 重罐运输结束、重罐静置结束时鱼雷罐罐衬各层的蓄热量和占比

表5 重罐运输、重罐静置阶段鱼雷罐不同部位的散热热损和比例

散热损失的主要流向有两个方向:一是通过罐壳表面,二是通过罐口。罐口与罐壳热损失占比为31.32%。在罐壳表面损失中,圆台段热量损失占比最大,热损失占比为51.12%。运输阶段鱼雷罐铁水散热损失主要是以罐壳散热为主,特别是罐壳圆柱段和圆台段表面的散热。

重罐静置阶段各层罐衬界面温度变化幅度较小。罐内壁温度处于下降状态,内部罐衬层界面温度均有小幅上升。由于罐壳表面由强制对流散热状态转变为自然对流状态,罐壳表面温度呈小幅上升状态。如表4、5,重罐静置阶段铁水总热量损失为4.65×103MJ,其中鱼雷罐罐衬热量增加了3.25×103MJ,占铁水热损失量的69.89%,罐口与罐壳热损失占比为30.11%。其中,工作层蓄热增加量占罐衬总增量的83.08%。因此工作层是鱼雷罐热量增长的主要罐衬部位。相较于运输阶段,罐衬表面散热量减少,各层罐衬蓄热量逐渐提高。由此可见,重罐静置阶段工作层是铁水热损失的主要热量流向部位。静置阶段罐壳表面损失中,圆台段热量损失占比最大,占比为47.73%。通过罐口的热损比例为15.22%。可见,静置阶段罐口处散热占比高于重罐运输阶段,圆台段表面热损是主要原因。

2.4 空罐阶段热状态

鱼雷罐空罐回阶段总时长6 h,其中运输时间为1 h,此时罐壳处于强制对流散热状态;静置等待阶段为5 h,罐壳处于自然对流散热状态。

图4是鱼雷罐圆柱段罐衬界面温度变化过程,罐衬内壁温降在运输的前半段时间尤为明显。兑完铁水后,外界冷空气进入空腔中,罐内壁温度迅速下降。运输后半段时间罐体向外界散热逐渐趋于稳定,罐衬内壁温度下降速率放缓。对于罐壳部分,由于运输阶段罐壳与外界环境处于强制散热状态,故罐壳温度在运输阶段1 h内持续下降。罐衬内壁温降速率远大于罐壳表面,其余3层耐火材料温度在该阶段均有不同程度的上升。空罐等待阶段时长5 h,内壁温度持续下降,其降温速率大于其他耐火材料层。由于罐壳层与外界环境从强制对流散热状态转为自然对流散热状态,加之内部耐火衬持续传递热量,罐壳温度有较小幅度的升温。图5是鱼雷罐空罐阶段各时间段罐衬热量变化占比,工作层热量损失均占比最大;罐壳热量在前1 h运输阶段热损失较大,热量损失为正值;后5 h处于静置状态,热量损失较小,罐壳内部补充热量大于损失量,故后5 h罐壳热损失为负值。空罐阶段罐衬工作层的蓄热损失是罐衬热损的主要来源。

图4 无盖鱼雷罐圆柱段罐衬界面温度变化过程

图5 无盖鱼雷罐空罐阶段各时间段罐衬热量变化占比

表6是鱼雷罐在空罐回运过程中不同部位的散热损失和比例。可见通过罐口与罐壳的散热损失分别占总热损的52.11%和47.89%,其中罐壳的圆台段、圆柱段和耳轴段,分别约占总热损的27.14%、17.45%和3.30%。鱼雷罐空罐阶段的主要热损途径包括罐口和罐壳两部分,且比例接近。由此抑制空罐的热损主要途径是应该同时减少罐壳和罐口两方面的热损。

表6 空罐阶段鱼雷罐不同部位的散热热损和比例

3 热损分析

3.1 铁水温度变化规律

图6为鱼雷罐输运铁水过程铁水温度曲线。可见,40 min受铁后,铁水平均温度由1 478 ℃降至1 422.81 ℃,温降幅度为55.19 K。该阶段铁水温降的宏观趋势为:铁水与鱼雷罐刚接触时温度急速下降,后逐渐趋于稳定,最后阶段有小幅稳定上升的趋势。这是因为受铁初始阶段罐衬温度较低,罐衬内壁会吸收大量来自铁水的热量,导致铁水温度急速下降;随着铁水的继续注入,罐内铁水的蓄热速率逐渐大于散热速率,罐内铁水温度开始出现缓慢上升的趋势。

图6 输运过程鱼雷罐内的铁水温度

整个重罐运输阶段铁水温降为28.82 K,平均温降为0.48 K/min,铁水总热损失为6.45×103MJ。重罐运输初始阶段铁水温降幅度较大。运输阶段前10 min铁水温降幅度为7.27 K,温降速率为0.73 K/min;运输阶段后50 min,温降幅度为21.55 K,温降速率为0.43 K/min。

重罐静置阶段铁水平均温降为0.32 K/min,该阶段铁水总热损为4.65×103MJ。与重罐运输阶段不同,静置阶段铁水温降速率较为稳定。可见,重罐静置阶段铁水温降没有激冷阶段,降温速率较恒定。

3.2 鱼雷罐空罐加盖的热损失

鱼雷罐空罐阶段热量损失的两个途径为罐壳表面散热与罐口散热。对比研究空罐有无加盖时的罐衬内壁面温度变化的结果表明,与无盖状态对比,加盖时罐衬内壁面温度始终高于无盖时的壁面温度。从表7中可知,鱼雷罐在无盖情况下,前1 h运输阶段罐衬内壁面由1 373.11 ℃下降至1 135.40 ℃,温降速率为3.96 K/min;空罐阶段后5 h,静置等待阶段罐衬内壁面温降速率为0.35 K/min;空罐阶段5 h罐衬内壁面整体温降343 K。加盖后空罐运输阶段罐壁温降较无盖时下降趋势平缓,在空罐前1 h运输阶段罐衬内表面由1 373.11 ℃下降至1 139.31 ℃,温降速率为3.89 K/min;空罐阶段后5 h静置等待阶段罐衬内壁面温降速率为0.22 K/min;空罐阶段5 h罐衬内壁面整体温降300.32 K。由此可见,空罐阶段,加盖能很好地抑制壁面温度的降低,使罐衬内壁面温度上升42.68 K。

表7 不同时间下耐材内衬温度

鱼雷罐加盖能够有效减少铁水温降,在行业内也开展过类似的工业试验,但由于固定式或者随车式全程加盖方式存在一次性投资大、设备维护困难、保温盖开启关闭不便、保温效果不明显等问题。基于空罐散热是铁水热损失的关键因素之一,在行业内首次提出TPC空罐加盖利用铁水自重将保温盖冲刷进入TPC,既能够克服全程保温盖的不足,又能够实现减少铁水温降。TPC空罐加盖已在现场应用并快速推广。

4 结论

(1)烘烤阶段主要以工作层蓄热为主,其占总蓄热的84%左右。受铁阶段罐内铁水的主要热损失为罐衬蓄热,特别是用于工作层的蓄热;罐衬蓄热占铁水总热损失的64.97%,罐口与罐壳散热热损占35.03%。重罐运输阶段1 h,铁水热损失以罐衬的蓄热为主,占损失量的68.68%,罐口与罐壳热损失占比为31.32%。罐衬热损以工作层蓄热为主,散热损失以罐壳散热为主。重罐静置阶段1 h,69.89%的铁水热损为罐衬蓄热,罐口与罐壳散热热损失占比约为30%。

(2)鱼雷罐受铁时,罐内的铁水会经历激冷过程,铁水降温幅度最大。重罐运输阶段前10 min铁水温降幅度较大,整个过程铁水温降为28.82 K,平均温降0.48 K/min。重罐静置阶段铁水的温降为20.76K,平均温降为0.32 K/min。

(3)空罐阶段6 h罐衬工作层的蓄热损失是罐衬热损的主要来源,热损途径为罐口和外壳,二者分别占52.11%和47.89%。通过TPC空罐加简易盖能够有效减少铁水温降,已在现场应用并快速推广。