.32· 工程科学学报，第40卷，第1期 在传统的几种铁钢界面技术中（如鱼雷罐-兑 铁包或受铁炉-混铁罐-兑铁包)，均存在一个铁水 倒罐的过程，而倒罐这一工序使得现场作业环境恶 劣，操作繁琐]，更为关键的是倒罐带来了极大的 铁水热量 铁水温降.为了减少上述危害，近些年在铁钢界面 研发了新型的运行模式“一包到底”（也称“一罐 制”)技术2-).铁水运输全程仅由一个铁水包完 成，因此“一包到底”模式下的多功能铁水包相比于 传统模式具有诸多优点.但由于缺少了足够的缓冲 图1铁水热损示意图 容器以及现场调度的复杂性，高炉-转炉区段的连 Fig.1 Heat loss of hot metal 续性和紧凑性达不到最佳[6刀，导致铁水包运行时 Q.+Q.=-c.M.△T (1) 间仍然较长，铁水温降有待优化，且铁水容器蓄热产 铁水上表面散失的热量Q。包含铁水面的辐射 生温降占高炉一转炉区段铁水总温降的45%~ 换热和对流换热： 50%[8】 Q.=Tr2[h.(T-T)+E.σ(T-T)](2) 为减小铁水运输过程中温降，主要从影响铁水 铁水内衬接触部分散热Q以对流换热为主，包 热量损失的因素考虑：控制时间以及减小散热速率. 括侧壁内衬和底部内衬： 国内外关于钢铁生产过程的温降研究很多，但大部 (3) 分是针对钢水或钢包温降分析9】，针对铁水包温 Q,=(2TrL+ur2)h,(T-T.) 空包阶段，铁水包包衬内能的变化量等于铁水 降过程研究较少且多以传统模式的鱼雷罐为 包包壳及工作层内壁的散热量： 主[20-)】.钢铁生产过程中的热损减小主要通过增 加容器绝热层、覆盖剂、预热烘烤2、改善周转时 E c,M,AT:=(4mrL+2ur)[h;(T:-T.)+ 间2]等措施来实现，最近有研究[26]分析了一种新 E;(T:-T)] (4) 型措施—采用真空包壳，分析了包壳不同真空度 式中，c为铁水比热容，J·kg1·K';M为铁水质 情况下的保温性能.以上研究均对铁水保温提供了 量，kg:△T为铁水温度改变量，K;r为铁水面半径， 大量参考依据，但针对现有铁水“一包到底”运输模 m;h.为铁水面与空气对流换热系数，Wm2.K-; 式中的多功能铁水包保温研究较少，且关于空包热 T.为外界环境温度，K;6。为铁水表面发射率；σ为 状态对铁水温降的还未有详细的研究.本文基于铁 Boltz常数，W·m2.K-4:L为柱状铁水高度，m;h,为 水包包盖在空包和满包运行阶段的保温效果的已有 铁水与内衬的对流换热系数，W·m2.K4:T为铁 研究2]的基础上，对影响铁水包热状态的相关因素 水包内衬温度，K;i为包衬第i层耐火材料(i≤4)； 进行耦合，进一步分析不同热状态对下一周期铁水 M,为包衬耐材质量，kg;T:为第i层耐材温度，K. 温降的影响规律 1.1.2传热控制方程与初始条件 对于铁水包耐材中某一微元体的温度控制方 1实验模型及网格划分 程，使用傅里叶导热微分方程在圆柱坐标系下的 1.1铁水热损分析及控制方程 公式： 1.1.1铁水热损分析 器=r+品()+片品)+ r ar 在满包铁水运输过程中，铁水的散热分为铁水 上表面渣层散热Q,和铁水与内衬接触部分散热Q2, (5) 如图1所示.铁水传递给铁水包内衬的热量Q2,其 式中：p为耐材密度，kg·m3;c为耐材比热容，J· 中有部分热量Q,通过铁水包外壳散热流失，另一部 kg1·K-1:t为温度，K:r为铁水包轴心到耐材的距 分热量Q,留在铁水包耐材内升高了耐材温度，同时 离，m;p为圆柱坐标系中方位角，°；T为时间，s;q、 热量Q3也称为耐材蓄热量. 为内热源相，W·m-3;入为耐材导热系数，W·m-1· 满包阶段，根据铁水系统的热量平衡，铁水在？ K1.铁水包中无内热源，9。=0. 时刻的内能变化量等于铁水在？时刻的对外散 在开始进行模拟实验之前，各铁水包模型均进 热量： 行周转运行模拟.将各个铁水包内壁加载温度1000工程科学学报,第 40 卷,第 1 期 在传统的几种铁钢界面技术中(如鱼雷罐鄄鄄 兑 铁包或受铁炉鄄鄄 混铁罐鄄鄄 兑铁包),均存在一个铁水 倒罐的过程,而倒罐这一工序使得现场作业环境恶 劣,操作繁琐[1] ,更为关键的是倒罐带来了极大的 铁水温降. 为了减少上述危害,近些年在铁钢界面 研发了新型的运行模式“一包到底冶 (也称“一罐 制冶)技术[2鄄鄄5] . 铁水运输全程仅由一个铁水包完 成,因此“一包到底冶模式下的多功能铁水包相比于 传统模式具有诸多优点. 但由于缺少了足够的缓冲 容器以及现场调度的复杂性,高炉鄄鄄 转炉区段的连 续性和紧凑性达不到最佳[6鄄鄄7] ,导致铁水包运行时 间仍然较长,铁水温降有待优化,且铁水容器蓄热产 生温降占高炉—转炉区段铁水总温降的 45% ~ 50% [8] . 为减小铁水运输过程中温降,主要从影响铁水 热量损失的因素考虑:控制时间以及减小散热速率. 国内外关于钢铁生产过程的温降研究很多,但大部 分是针对钢水或钢包温降分析[9鄄鄄19] ,针对铁水包温 降 过 程 研 究 较 少 且 多 以 传 统 模 式 的 鱼 雷 罐 为 主[20鄄鄄23] . 钢铁生产过程中的热损减小主要通过增 加容器绝热层、覆盖剂、预热烘烤[24] 、改善周转时 间[25]等措施来实现,最近有研究[26] 分析了一种新 型措施———采用真空包壳,分析了包壳不同真空度 情况下的保温性能. 以上研究均对铁水保温提供了 大量参考依据,但针对现有铁水“一包到底冶运输模 式中的多功能铁水包保温研究较少,且关于空包热 状态对铁水温降的还未有详细的研究. 本文基于铁 水包包盖在空包和满包运行阶段的保温效果的已有 研究[27]的基础上,对影响铁水包热状态的相关因素 进行耦合,进一步分析不同热状态对下一周期铁水 温降的影响规律. 1 实验模型及网格划分 1郾 1 铁水热损分析及控制方程 1郾 1郾 1 铁水热损分析 在满包铁水运输过程中,铁水的散热分为铁水 上表面渣层散热 Q1和铁水与内衬接触部分散热 Q2 , 如图 1 所示. 铁水传递给铁水包内衬的热量 Q2 ,其 中有部分热量 Q4通过铁水包外壳散热流失,另一部 分热量 Q3留在铁水包耐材内升高了耐材温度,同时 热量 Q3也称为耐材蓄热量. 满包阶段,根据铁水系统的热量平衡,铁水在 子 时刻的内能变化量等于铁水在 子 时刻的对外散 热量: 图 1 铁水热损示意图 Fig. 1 Heat loss of hot metal Qu + Qr = - cFeMFe驻T (1) 铁水上表面散失的热量 Qu 包含铁水面的辐射 换热和对流换热: Qu = 仔r 2 [hu (T - T肄 ) + 着u滓(T 4 - T 4 肄 )] (2) 铁水内衬接触部分散热 Qr 以对流换热为主,包 括侧壁内衬和底部内衬: Qr = (2仔rL + 仔r 2 )hr(T - Tr) (3) 空包阶段,铁水包包衬内能的变化量等于铁水 包包壳及工作层内壁的散热量: 移 ciMi驻Ti = (4仔rL + 2仔r 2 )[hi(Ti - T肄 ) + 着i滓(T 4 i - T 4 肄 )] (4) 式中,cFe为铁水比热容,J·kg - 1·K - 1 ;MFe为铁水质 量,kg;驻T 为铁水温度改变量,K;r 为铁水面半径, m;hu 为铁水面与空气对流换热系数,W·m - 2·K - 1 ; T肄 为外界环境温度,K;着u 为铁水表面发射率;滓 为 Boltz 常数,W·m - 2·K - 4 ;L 为柱状铁水高度,m;hr 为 铁水与内衬的对流换热系数,W·m - 2·K - 4 ;Tr 为铁 水包内衬温度,K;i 为包衬第 i 层耐火材料( i臆4); Mi 为包衬耐材质量,kg;Ti 为第 i 层耐材温度,K. 1郾 1郾 2 传热控制方程与初始条件 对于铁水包耐材中某一微元体的温度控制方 程,使用傅里叶导热微分方程在圆柱坐标系下的 公式: 籽c 鄣t 鄣子 = qv r + 1 r 鄣 鄣 ( r 姿r 鄣t 鄣 ) r + 1 r 鄣 鄣 ( 渍 姿 鄣t 鄣 ) 渍 + 鄣 鄣 ( z 姿 鄣t 鄣 ) z (5) 式中:籽 为耐材密度,kg·m - 3 ;c 为耐材比热容,J· kg - 1·K - 1 ;t 为温度,K;r 为铁水包轴心到耐材的距 离,m;渍 为圆柱坐标系中方位角,毅;子 为时间,s;qv 为内热源相,W·m - 3 ;姿 为耐材导热系数,W·m - 1· K - 1 . 铁水包中无内热源,qv = 0. 在开始进行模拟实验之前,各铁水包模型均进 行周转运行模拟. 将各个铁水包内壁加载温度 1000 ·32·