鐵鋼界面鐵水熱損規律研究

陳國軍,鄧安元,黃 軍,王明月,孫國偉,陳立軍

(1.寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201999; 2.東北大學,遼寧 沈陽 110004;3.內蒙古科技大學,內蒙古 包頭 014010)

隨著鋼鐵冶金工業技術水平的提升,低碳、節能、環保、高效的現代化生產方向成為鋼鐵冶金企業發展的必然趨勢。鐵水的運輸環節是連接煉鐵工序和煉鋼工序的紐帶,其主要依靠敞口式鐵水車和魚雷罐等大型的機械承裝工具來完成。對于鐵區,鐵水溫降關乎企業的生產成本和物流節奏;對于鋼區,鐵水溫降大小和波動直接影響預處理和煉鋼工藝能耗以及生產穩定順行,間接影響鋼鐵冶煉的品種和質量,甚至帶來安全問題[1-3]。

一般認為,長流程鋼鐵企業入轉爐鐵水溫度每提高20 K,則多加廢鋼可降低鐵水比0.8%,每噸廢鋼替代鐵水可降低約0.45 t標煤(1 kg標煤=29.3 MJ)。為提高魚雷罐的保溫性能,減少鐵水溫降,研究人員針對魚雷罐做了大量的科學研究,提出了相應的優化和改進措施[4-9]。馬學東等[4]采用輻射矩陣描述鐵水和罐襯之間的傳熱,構建了二維軸對稱模型,實現了魚雷罐儲運階段的鐵水溫降計算;程常桂等[5]針對寶鋼二煉鋼鐵水三脫工藝,建立了鐵水溫降機理模型;王君等[6]開發了鐵水運輸過程溫降模型,并利用模型對鐵鋼界面的3種鐵水運輸工藝進行了能效對比分析;杜濤[7]等分析了鐵鋼界面鐵水在受鐵、運輸和預處理等過程的散熱機理,建立了鐵水罐—兌鐵包模式的鐵水溫降模型。

為此,針對鐵鋼界面主要運輸設備和整個流程,應用數值計算方法,結合現場測試數據,系統分析了各階段的熱損途徑與比例,并提出了空罐加簡易蓋措施,已在現場應用和快速推廣。

1 數學模型

魚雷罐內的熱量傳遞包括熱傳導、輻射和熱對流,其可通過熱傳導方程、輻射模型和對流方程來描述。

1.1 熱傳導基本方程

在鐵鋼界面,鐵水與魚雷罐內壁、罐襯與罐襯之間主要以熱傳導的方式傳遞熱量,且該過程是一個非穩態傳熱過程,可用式(1)的導熱微分方程來描述。

(1)

式中:c為材料比熱容,J/(kg.K);ρ為材料密度,kg/m3;t為時間,s;T為溫度,K;q為單位體積物體單位時間內釋放的熱量,W/m3;λ為物體的導熱系數,W/(m·K)。

1.2 鐵水液面與內襯之間的輻射模型

(2)

式中:I為黑體輻射強度,W/Sr;r為位置向量,m;s為方向矢量,m;a為光譜吸收系數,m-1;σs為散射系數,m-1;σ為斯蒂芬—玻爾茲曼常數,5.67×10-8W/(m2K4);n為波長,m;Φ為散射相函數;Ω為立體角,Sr。

工業上的輻射傳熱計算一般都按灰體來處理,在計算中,將耐材內壁與鐵水表面看作漫灰體。漫灰體墻面內的熱流量方程如式(3):

(3)

漫灰體墻面外的熱流量方程如式(4):

(4)

式中:γ為墻面的折射率;εw為墻面發射率;Ta為墻面與環境溫差,K。

1.3 罐內外(罐口)冷熱空氣對流換熱方程

罐口為對流換熱,因此空氣為流體,需要同時滿足質量守恒、動量守恒和能量守恒,3個方程耦合求解。

根據輸運質量守恒方程,魚雷罐罐內和罐外冷熱空氣質量交換之間存在式(5)關系:

(5)

根據輸運動量守恒方程,魚雷罐罐內和罐外冷熱空氣動量交換之間存在式(6)關系:

(6)

式中:U為流體的速度矢量,m/s;τ為應力張量;P為壓強,Pa;SM為動量方程源項,N/m3。

(7)

式中:μ為動力黏性系數,Pa·s;δ為單位張量。

根據輸運能量守恒方程,魚雷罐罐內和罐外冷熱空氣熱量交換之間存在式(8)關系:

?·(U·τ)+U·SM+SE

(8)

式中:htot為總焓,J/kg。

(9)

式中:SE為能量源項,W/m3;h為熱焓,J/kg。

1.4 物理模型和條件

魚雷罐模型主要分為罐殼、罐口、罐襯和耳軸等部分。罐體外殼由中部圓柱段、兩側對稱的圓臺段和耳軸段部分組成,均由厚32 mm的16Mn鋼板焊接而成;魚雷罐的罐襯從內到外主要包括工作層(ASC磚)、高鋁澆注料、永久層(蠟石磚)和鋼殼。分析中用W1～W6分別表示魚雷罐內壁面(W1)、工作層與澆注料的接觸面(W2)、澆注料與永久層1接觸面(W3)、永久層1與永久層2接觸面(W4)、永久層2與鋼殼接觸面(W5)、鋼殼外表面(W6)。采用前處理軟件進行網格劃分,網格如圖1所示。根據已有文獻數據,計算中采用現場試驗測溫數據進行校核的方式,確定了模型中罐襯耐材的材料參數,見表1。

圖1 魚雷罐模型的結構網格

表1 罐襯材料的物性參數

魚雷罐罐殼與外界環境之間存在對流換熱和輻射換熱,因此模型計算中罐體外殼的溫度邊界條件采用綜合換熱系數來表示。罐車運輸中,罐殼外的對流換熱形式為強制對流換熱;罐車靜止等待時,罐殼外部的對流換熱形式為自然對流換熱。對于罐殼熱輻射造成的熱量損失,將其影響轉化為相應的輻射換熱系數。綜合換熱的計算方法如式(10):

Φr+c=A(hr+hc)ΔT

(10)

式中:Φr+c為換熱總流量,J/s;A為罐殼表面面積,m2;hr為輻射換熱系數,W/(m2.K);hc為對流換熱系數,W/(m2·K);ΔT為罐殼和環境的溫差,K。

其中式(10)中罐殼表面輻射換熱系數:

(11)

式中:ε為罐殼表面發射率;Tθ為環境溫度,K;Tw為罐外壁面溫度,K。

式(10)中的對流換熱系數,工程上一般采用經驗公式[10-11]:

(12)

(13)

式中:A為與魚雷罐位置有關的系數,通過試驗校核取1.2;θ為速度相關因數;v為車速,m/s。

2 魚雷罐輸運過程熱狀態分析

對上面的熱傳導、熱輻射和對流模型利用CFD軟件進行耦合計算。為驗證魚雷罐模擬模型的準確性,通過測試初始受鐵溫度在1 503 ℃時魚雷罐整個輸運流程不同階段各時間節點耐材的溫度來進行驗證。熱電偶布置在各層耐材交界面處。測試了魚雷罐圓臺段W3、W4和W5界面的溫度。表2所示為澆注料與永久層界面W3的測試和計算結果。對比3個位置的測試數據與模擬結果可知相對誤差均在10%以內,有效驗證了數值模擬的準確性。以此模型為基礎,對魚雷罐不同階段的熱狀態進行模擬分析。

表2 魚雷罐W3層界面溫度對比

2.1 烘烤階段熱狀態

根據現場的實際升溫曲線對魚雷罐內襯持續加熱,烘烤主要分為4個部分,每部分由升溫和保溫兩個階段組成,整個過程總計69.5 h。

圖2為模型計算得到的魚雷罐圓柱段各層耐火材料界面的溫度變化曲線。由圖2可知,烘烤過程中,各層罐襯的溫度逐漸升高,溫度上升速率的大小與距離內熱源的距離成反比,各層罐襯的溫度上升速率均滯后于烘烤曲線。而且內部罐襯層蓄熱量不夠充分,內部罐襯層在保溫階段溫度仍在上升,因此烘烤時間還有必要適當延長,以使罐襯耐材充分蓄熱。因烘烤位置、各層耐材體積、耐材屬性等因素的差異,各層罐襯的蓄熱量存在明顯差異。經過69.5 h烘烤,魚雷罐各層蓄熱量如表3所示。魚雷罐各層罐襯在烘烤階段總的蓄熱量為8.938×104MJ,其中工作層蓄熱量為7.51×104MJ,占罐襯總蓄熱量的84.02%。

圖2 耐材各層界面溫度隨時間的變化

2.2 受鐵階段熱狀態

以實際受鐵溫度1 480 ℃對受鐵過程的鐵水溫度和罐體熱狀態進行了模擬計算,結果如圖3所示。在受鐵階段,鐵水與罐體之間存在著明顯的溫差,鐵水越靠近壁面,溫度越低。受鐵過程中,鐵水損失的熱量一部分通過罐口與罐殼流向外部環境,另一部分流向各層罐襯。該階段鐵水總熱量損失約為1.236×104MJ,其中罐襯蓄熱量增加了8.03×103MJ,占鐵水總熱損失的64.97%,罐口與罐殼熱損失占比為35.03%。受鐵階段末時刻各層耐火材料蓄熱及占比如表3所示。其中工作層增加了7.90×103MJ,占蓄熱增長總量的98.38%。可見,受鐵階段鐵水的主要熱損失流向為罐襯,主要用于工作層的蓄熱。若要降低該階段的鐵水熱損失,首要措施是降低工作層的蓄熱。計算表明,散熱損失中74.47%通過罐口損失掉,通過柱段、圓臺段和耳軸表面的散熱比例分別為14.46%、9.16%和1.91%。

表3 烘烤結束、受鐵結束時魚雷罐罐襯各層的蓄熱量和占比

圖3 魚雷罐受鐵階段各時刻溫度場

2.3 重罐階段熱狀態

受鐵完成后,魚雷罐會經歷運輸和靜置等待兌鐵兩個階段。實際生產中罐車運輸時間為60 min,罐殼表面處于強制對流散熱的狀態。罐車靜置等待時間為60 min,此時罐殼處于自然對流冷卻狀態。

計算表明,重罐運輸階段罐殼外壁面溫度持續下降,內部罐襯層溫度均有小幅上升。如表4、5所示,重罐運輸階段鐵水總熱量損失為6.45×103MJ,其中魚雷罐罐襯蓄熱量增加了4.43×103MJ,占鐵水熱損失的68.68%,主要為工作層繼續蓄熱,永久層與鋼殼的蓄熱量減少。因此工作層蓄熱是魚雷罐罐襯熱量增長的主要部位。

表4 重罐運輸結束、重罐靜置結束時魚雷罐罐襯各層的蓄熱量和占比

表5 重罐運輸、重罐靜置階段魚雷罐不同部位的散熱熱損和比例

散熱損失的主要流向有兩個方向:一是通過罐殼表面,二是通過罐口。罐口與罐殼熱損失占比為31.32%。在罐殼表面損失中,圓臺段熱量損失占比最大,熱損失占比為51.12%。運輸階段魚雷罐鐵水散熱損失主要是以罐殼散熱為主,特別是罐殼圓柱段和圓臺段表面的散熱。

重罐靜置階段各層罐襯界面溫度變化幅度較小。罐內壁溫度處于下降狀態,內部罐襯層界面溫度均有小幅上升。由于罐殼表面由強制對流散熱狀態轉變為自然對流狀態,罐殼表面溫度呈小幅上升狀態。如表4、5,重罐靜置階段鐵水總熱量損失為4.65×103MJ,其中魚雷罐罐襯熱量增加了3.25×103MJ,占鐵水熱損失量的69.89%,罐口與罐殼熱損失占比為30.11%。其中,工作層蓄熱增加量占罐襯總增量的83.08%。因此工作層是魚雷罐熱量增長的主要罐襯部位。相較于運輸階段,罐襯表面散熱量減少,各層罐襯蓄熱量逐漸提高。由此可見,重罐靜置階段工作層是鐵水熱損失的主要熱量流向部位。靜置階段罐殼表面損失中,圓臺段熱量損失占比最大,占比為47.73%。通過罐口的熱損比例為15.22%。可見,靜置階段罐口處散熱占比高于重罐運輸階段,圓臺段表面熱損是主要原因。

2.4 空罐階段熱狀態

魚雷罐空罐回階段總時長6 h,其中運輸時間為1 h,此時罐殼處于強制對流散熱狀態;靜置等待階段為5 h,罐殼處于自然對流散熱狀態。

圖4是魚雷罐圓柱段罐襯界面溫度變化過程,罐襯內壁溫降在運輸的前半段時間尤為明顯。兌完鐵水后,外界冷空氣進入空腔中,罐內壁溫度迅速下降。運輸后半段時間罐體向外界散熱逐漸趨于穩定,罐襯內壁溫度下降速率放緩。對于罐殼部分,由于運輸階段罐殼與外界環境處于強制散熱狀態,故罐殼溫度在運輸階段1 h內持續下降。罐襯內壁溫降速率遠大于罐殼表面,其余3層耐火材料溫度在該階段均有不同程度的上升。空罐等待階段時長5 h,內壁溫度持續下降,其降溫速率大于其他耐火材料層。由于罐殼層與外界環境從強制對流散熱狀態轉為自然對流散熱狀態,加之內部耐火襯持續傳遞熱量,罐殼溫度有較小幅度的升溫。圖5是魚雷罐空罐階段各時間段罐襯熱量變化占比,工作層熱量損失均占比最大;罐殼熱量在前1 h運輸階段熱損失較大,熱量損失為正值;后5 h處于靜置狀態,熱量損失較小,罐殼內部補充熱量大于損失量,故后5 h罐殼熱損失為負值。空罐階段罐襯工作層的蓄熱損失是罐襯熱損的主要來源。

圖4 無蓋魚雷罐圓柱段罐襯界面溫度變化過程

圖5 無蓋魚雷罐空罐階段各時間段罐襯熱量變化占比

表6是魚雷罐在空罐回運過程中不同部位的散熱損失和比例。可見通過罐口與罐殼的散熱損失分別占總熱損的52.11%和47.89%,其中罐殼的圓臺段、圓柱段和耳軸段,分別約占總熱損的27.14%、17.45%和3.30%。魚雷罐空罐階段的主要熱損途徑包括罐口和罐殼兩部分,且比例接近。由此抑制空罐的熱損主要途徑是應該同時減少罐殼和罐口兩方面的熱損。

表6 空罐階段魚雷罐不同部位的散熱熱損和比例

3 熱損分析

3.1 鐵水溫度變化規律

圖6為魚雷罐輸運鐵水過程鐵水溫度曲線。可見,40 min受鐵后,鐵水平均溫度由1 478 ℃降至1 422.81 ℃,溫降幅度為55.19 K。該階段鐵水溫降的宏觀趨勢為:鐵水與魚雷罐剛接觸時溫度急速下降,后逐漸趨于穩定,最后階段有小幅穩定上升的趨勢。這是因為受鐵初始階段罐襯溫度較低,罐襯內壁會吸收大量來自鐵水的熱量,導致鐵水溫度急速下降;隨著鐵水的繼續注入,罐內鐵水的蓄熱速率逐漸大于散熱速率,罐內鐵水溫度開始出現緩慢上升的趨勢。

圖6 輸運過程魚雷罐內的鐵水溫度

整個重罐運輸階段鐵水溫降為28.82 K,平均溫降為0.48 K/min,鐵水總熱損失為6.45×103MJ。重罐運輸初始階段鐵水溫降幅度較大。運輸階段前10 min鐵水溫降幅度為7.27 K,溫降速率為0.73 K/min;運輸階段后50 min,溫降幅度為21.55 K,溫降速率為0.43 K/min。

重罐靜置階段鐵水平均溫降為0.32 K/min,該階段鐵水總熱損為4.65×103MJ。與重罐運輸階段不同,靜置階段鐵水溫降速率較為穩定。可見,重罐靜置階段鐵水溫降沒有激冷階段,降溫速率較恒定。

3.2 魚雷罐空罐加蓋的熱損失

魚雷罐空罐階段熱量損失的兩個途徑為罐殼表面散熱與罐口散熱。對比研究空罐有無加蓋時的罐襯內壁面溫度變化的結果表明,與無蓋狀態對比,加蓋時罐襯內壁面溫度始終高于無蓋時的壁面溫度。從表7中可知,魚雷罐在無蓋情況下,前1 h運輸階段罐襯內壁面由1 373.11 ℃下降至1 135.40 ℃,溫降速率為3.96 K/min;空罐階段后5 h,靜置等待階段罐襯內壁面溫降速率為0.35 K/min;空罐階段5 h罐襯內壁面整體溫降343 K。加蓋后空罐運輸階段罐壁溫降較無蓋時下降趨勢平緩,在空罐前1 h運輸階段罐襯內表面由1 373.11 ℃下降至1 139.31 ℃,溫降速率為3.89 K/min;空罐階段后5 h靜置等待階段罐襯內壁面溫降速率為0.22 K/min;空罐階段5 h罐襯內壁面整體溫降300.32 K。由此可見,空罐階段,加蓋能很好地抑制壁面溫度的降低,使罐襯內壁面溫度上升42.68 K。

表7 不同時間下耐材內襯溫度

魚雷罐加蓋能夠有效減少鐵水溫降,在行業內也開展過類似的工業試驗,但由于固定式或者隨車式全程加蓋方式存在一次性投資大、設備維護困難、保溫蓋開啟關閉不便、保溫效果不明顯等問題。基于空罐散熱是鐵水熱損失的關鍵因素之一,在行業內首次提出TPC空罐加蓋利用鐵水自重將保溫蓋沖刷進入TPC,既能夠克服全程保溫蓋的不足,又能夠實現減少鐵水溫降。TPC空罐加蓋已在現場應用并快速推廣。

4 結論

(1)烘烤階段主要以工作層蓄熱為主,其占總蓄熱的84%左右。受鐵階段罐內鐵水的主要熱損失為罐襯蓄熱,特別是用于工作層的蓄熱;罐襯蓄熱占鐵水總熱損失的64.97%,罐口與罐殼散熱熱損占35.03%。重罐運輸階段1 h,鐵水熱損失以罐襯的蓄熱為主,占損失量的68.68%,罐口與罐殼熱損失占比為31.32%。罐襯熱損以工作層蓄熱為主,散熱損失以罐殼散熱為主。重罐靜置階段1 h,69.89%的鐵水熱損為罐襯蓄熱,罐口與罐殼散熱熱損失占比約為30%。

(2)魚雷罐受鐵時,罐內的鐵水會經歷激冷過程,鐵水降溫幅度最大。重罐運輸階段前10 min鐵水溫降幅度較大,整個過程鐵水溫降為28.82 K,平均溫降0.48 K/min。重罐靜置階段鐵水的溫降為20.76K,平均溫降為0.32 K/min。

(3)空罐階段6 h罐襯工作層的蓄熱損失是罐襯熱損的主要來源,熱損途徑為罐口和外殼,二者分別占52.11%和47.89%。通過TPC空罐加簡易蓋能夠有效減少鐵水溫降,已在現場應用并快速推廣。