袁飞等：基于不同保温措施下的铁水包热状态模拟分析 .33· K并计算达到稳态，分别承接铁水100min,再空包3 热状态 h,如此往复3个周期后开始实验，以充分模拟铁水 实际生产中的现场环境极其复杂，为简化数学 包在实际运行过程接铁时的热状态.本次实验的所 模型，特作如下假设条件： 有模型均在进行上述周转模拟后，以第三次运行周 (1)忽略铁水包耳轴、牵引架等部位，并将包口 期结束后的铁水包热状态作为各个模型的初始热 处理为等效圆柱体； 状态 (2)因铁水表面有一定厚度渣层覆盖，且铁渣 1.2实验内容与假设条件 流动性小，将铁水上表面视为壁面无流动[2-】 本次模拟实验的自变量有三个，分别为保温盖、 (3)假设空包阶段包内空气无初始流动，包口 绝热层厚度以及空包时间，因变量为空包热状态 或包盖缝隙为压力出口： 保温盖的有无包含2个水平，绝热层厚度涉及4个水 (4)铁水包耐材参数只考虑导热系数入、比热容 平，其中涵盖了现有最大绝热层的选取厚度，空包运行 c及密度p,忽略各层热膨胀系数、接触热阻等其他 时间以钢铁厂典型的3个平均空包时间为选取值 导热参数的影响； 为了便于描述异同，在保温盖包含2个水平中， (5)简化外界环境，假设环境温度始终为300K Y表示有保温盖，N为无保温盖：在绝热层厚度4个 1.3铁水包建模及网格质量 水平中，0表示无绝热层，6表示绝热层厚度为6 由于铁水包结构的不规则性，将对铁水包进行 mm.模型Y-0表示该模型加盖但无绝热层，N-6表 简化处理，包括铁水包耳轴、牵引架和包嘴；又由于 示该模型无盖绝热层厚度为6mm:24种热状态同样 铁水包具有对称性，为了在不影响计算精度的情况 以类似方式命名，例如热状态Y-12-3表示绝热层 下适当降低计算工作量，铁水包模型均采用二维轴 厚度为12mm的铁水包空包阶段加盖运行3h后的 对称模型[0]，如图2所示. 包盖 温度K 2144 mm (Y/N)320mm ■1.733×103 622×103 工作层 510×10 1399×103 200mm 1288×10 永久层 1.177x103 1.066×105 80 mm 9.552x10P 8.442×102 绝热层 7.331×102 0/6/12/18mm 6.221×10 5.110x10 外包壳 4.x1P 848mm 20 mm (a) b 图2铁水包模型尺寸及其网格划分.(a)模型尺寸：(b)结构化网格 Fig.2 Dimension and structured grid of the hot metal model:(a)dimension of the model;(b)structured grid of the model 由于铁水包耐材温度场变化的复杂性，导致难 行1h满包铁水运输过程模拟，用铁水温度变化量 以对铁水包空包热状态进行分级定义，且在空包热 来衡量不同空包热状态.模拟实验模型一共有8 状态对铁水温度影响规律未知的情况下，分级定义 个，实验模拟内容主要为：8个模型分别进行3、4和 的空包热状态仍无法直接与铁水温度相关联，故对 5h的空包温降模拟，模拟实验共产生24个不同热 铁水包空包热状态进行分级定义没有必要性和实际 状态的铁水包，24个不同热状态的铁水包再均承装 性的指导意义.本次模拟实验为了分析各自变量对 铁水1h.表1为铁水包各部分耐材的相关热物性 空包热状态的影响规律，将在空包时间结束之后进 参数[31-]，其中部分参数为温度t的函数 表1铁水包不同部位的热物性参数 Table 1 Thermophysical properties of the hot metal ladle 部位 材料 密度/(gcm3) 导热系数/(Wm1.K1) 比热容/(Jkg1.K1) 工作层 A20,-SiC-C系砖 3.20 1.4×10-3:+0.3011 0.1981+842.73 永久层 铝硅系重质浇注料 3.03 3×104t+1.0188 0.217t+881.6 保温层 纳米材料(Si02质量分数≥60%) 0.40 0.06 0.30061+936.27 包壳 钢板 7.60 46.67 502.8袁 飞等: 基于不同保温措施下的铁水包热状态模拟分析 K 并计算达到稳态,分别承接铁水 100 min,再空包 3 h,如此往复 3 个周期后开始实验,以充分模拟铁水 包在实际运行过程接铁时的热状态. 本次实验的所 有模型均在进行上述周转模拟后,以第三次运行周 期结束后的铁水包热状态作为各个模型的初始热 状态. 1郾 2 实验内容与假设条件 本次模拟实验的自变量有三个,分别为保温盖、 绝热层厚度以及空包时间,因变量为空包热状态. 保温盖的有无包含 2 个水平,绝热层厚度涉及 4 个水 平,其中涵盖了现有最大绝热层的选取厚度,空包运行 时间以钢铁厂典型的3 个平均空包时间为选取值. 为了便于描述异同,在保温盖包含 2 个水平中, Y 表示有保温盖,N 为无保温盖;在绝热层厚度 4 个 水平中,0 表示无绝热层,6 表示绝热层厚度为 6 mm. 模型 Y鄄鄄0 表示该模型加盖但无绝热层,N鄄鄄6 表 示该模型无盖绝热层厚度为 6 mm;24 种热状态同样 以类似方式命名,例如热状态 Y鄄鄄12鄄鄄3 表示绝热层 厚度为 12 mm 的铁水包空包阶段加盖运行 3 h 后的 热状态. 实际生产中的现场环境极其复杂,为简化数学 模型,特作如下假设条件: (1)忽略铁水包耳轴、牵引架等部位,并将包口 处理为等效圆柱体; (2)因铁水表面有一定厚度渣层覆盖,且铁渣 流动性小,将铁水上表面视为壁面无流动[28鄄鄄29] ; (3)假设空包阶段包内空气无初始流动,包口 或包盖缝隙为压力出口; (4)铁水包耐材参数只考虑导热系数 姿、比热容 c 及密度 籽,忽略各层热膨胀系数、接触热阻等其他 导热参数的影响; (5)简化外界环境,假设环境温度始终为300 K. 1郾 3 铁水包建模及网格质量 由于铁水包结构的不规则性,将对铁水包进行 简化处理,包括铁水包耳轴、牵引架和包嘴;又由于 铁水包具有对称性,为了在不影响计算精度的情况 下适当降低计算工作量,铁水包模型均采用二维轴 对称模型[30] ,如图 2 所示. 图 2 铁水包模型尺寸及其网格划分 郾 (a)模型尺寸;(b)结构化网格 Fig. 2 Dimension and structured grid of the hot metal model: (a) dimension of the model; (b) structured grid of the model 由于铁水包耐材温度场变化的复杂性,导致难 以对铁水包空包热状态进行分级定义,且在空包热 状态对铁水温度影响规律未知的情况下,分级定义 的空包热状态仍无法直接与铁水温度相关联,故对 铁水包空包热状态进行分级定义没有必要性和实际 性的指导意义. 本次模拟实验为了分析各自变量对 空包热状态的影响规律,将在空包时间结束之后进 行 1 h 满包铁水运输过程模拟,用铁水温度变化量 来衡量不同空包热状态. 模拟实验模型一共有 8 个,实验模拟内容主要为:8 个模型分别进行 3、4 和 5 h 的空包温降模拟,模拟实验共产生 24 个不同热 状态的铁水包,24 个不同热状态的铁水包再均承装 铁水 1 h. 表 1 为铁水包各部分耐材的相关热物性 参数[31鄄鄄32] ,其中部分参数为温度 t 的函数. 表 1 铁水包不同部位的热物性参数 Table 1 Thermophysical properties of the hot metal ladle 部位 材料 密度/ (g·cm - 3 ) 导热系数/ (W·m - 1·K - 1 ) 比热容/ (J·kg - 1·K - 1 ) 工作层 Al2O3 鄄鄄 SiC鄄鄄C 系砖 3郾 20 1郾 4 伊 10 - 3 t + 0郾 3011 0郾 198t + 842郾 73 永久层 铝硅系重质浇注料 3郾 03 3 伊 10 - 4 t + 1郾 0188 0郾 217t + 881郾 6 保温层 纳米材料(SiO2质量分数逸60% ) 0郾 40 0郾 06 0郾 3006t + 936郾 27 包壳 钢板 7郾 60 46郾 67 502郾 8 ·33·