鋼包熱循環(huán)過程鋼水溫度影響因素分析

鋼包熱循環(huán)過程鋼水溫度影響因素分析

鋼水溫度控制是連鑄生產(chǎn)技術(shù)的核心之一。鋼包是一個盛納、運輸和處理鋼水的適當(dāng)二次金屬陶瓷。這與鋼水溫控制密切相關(guān)。國內(nèi)外對鋼包傳熱規(guī)律的研究主要集中在單一序列的研究上。鋼包旋轉(zhuǎn)是一種封閉的熱循環(huán)系統(tǒng)。在整個精煉過程中，使用數(shù)學(xué)方法將鋼包的傳統(tǒng)模式和包裝置層的溫度測量系統(tǒng)中的鋼包傳遞熱量和包裝置層的溫度進(jìn)行了計算，并分析了鋼包熱條件對鋼水溫降低的影響。因此，可以準(zhǔn)確控制整個精煉過程中鋼水溫度。相關(guān)文獻(xiàn)很少，只介紹了開發(fā)模型的功能，建模方法也沒有介紹。同時，僅通過數(shù)值模擬進(jìn)行鋼包的熱態(tài)。由于難以準(zhǔn)確確定一些邊界條件下的熱流密度，模型的精度受到影響。該模型離實際應(yīng)用還有一定的距離。通過頒布裝置的水溫測量，可以確定涂層的傳熱規(guī)律。然而，由于現(xiàn)場條件的限制，在某些特殊情況下，只能進(jìn)行殼體的熱態(tài)熱分析。通過測量技術(shù)和數(shù)值模擬的綜合研究方法，可以開發(fā)出一種更好的鋼包熱傳統(tǒng)模型。在這項工作中，以q邯鄲鋼包為研究對象，建立了鋼包的熱態(tài)跟蹤模型，并將鋼包的熱態(tài)狀況與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，使用傳熱反問題法修改模型，提高了模型的精度。1鋼包生命周期Q煉鋼廠鋼包從砌包到下一次砌包,具體行為如圖1.當(dāng)鋼包包齡達(dá)到120爐時,鋼包退出周轉(zhuǎn),進(jìn)行新包砌包,完成一個鋼包的生命周期.2建立和修改模型2.1鋼包傳熱的簡化假設(shè)在精煉工序,不管何種精煉方式,鋼水被劇烈攪拌,可認(rèn)為鋼包內(nèi)的鋼水溫度是均勻的.因此,精煉傳熱機(jī)理和鋼水靜置、傳擱過程的機(jī)理是一致的,統(tǒng)稱為滿包傳遞.鋼包在周轉(zhuǎn)過程中,按照鋼包傳熱情況可以分為鋼包烘烤、空包傳遞、出鋼、滿包傳遞和連鑄五個階段,其中連鑄可以看作出鋼的逆過程.根據(jù)實際情況,為求解方便,對各階段鋼包傳熱作以下簡化假設(shè):(1)忽略鋼包各層耐火材料間及耐火材料與鋼殼間的接觸熱阻;(2)鋼包烘烤階段,燃料燃燒煙氣溫度分布均勻,且溫度、密度和濃度均不變,火焰以對流及輻射形式向包襯傳熱;(3)渣層、包底視為無限大平板,忽略徑向傳熱,只考慮軸向熱流;(4)忽略熔渣的流動,渣層內(nèi)部為傳導(dǎo)傳熱;(5)出鋼階段,由于出鋼時間相對比較短,自由表面直接對外傳熱,忽略未浸入鋼水的側(cè)壁傳熱;(6)出鋼階段,不考慮爐渣的影響.鋼包五個階段的傳熱數(shù)學(xué)模型都是基于導(dǎo)熱微分方程建立的,各階段的初始條件為上一階段的結(jié)果,各階段的傳熱邊界條件和能量方程各異,分述如下.(1)qgi1in1in,gitg及tg-itg能量平衡方程為:Qg=∑qg-iHi(1)鋼包邊界條件:包壁和包底內(nèi)表面,qg?i=σεin1?(1?εin)(1?Ain)(εgT4g?AinT4in)+αg?i(Tg?Tin)；qg-i=σεin1-(1-εin)(1-Ain)(εgΤg4-AinΤin4)+αg-i(Τg-Τin)；包壁和包底外表面,q=hi-e(Tiw-Te).(2)t4int4e鋼包外表面邊界條件同上,鋼包內(nèi)表面邊界條件如下:包壁和包底內(nèi)表面,q=σ(T4in?T4e)1?εinεin+1Finˉˉˉˉˉˉˉ.q=σ(Τin4-Τe4)1-εinεin+1Finˉ.(3)鋼包邊界條件鋼水能量方程如下:Ms(τ)CsdTsdτdΤsdτ=Csπr2002vρs[Tin-Ts(τ)]+qVn(τ)HV+qBn(τ)HB(τ)+qf(τ)Hf(2)鋼包邊界條件:包壁和包底內(nèi)表面,Ti=Ts(τ);包壁和包底外表面,q=hi-e(Tiw-Te);自由表面,q=εsσ[Ts(τ)4-T4e]+αs-e(Ts(τ)-Te).連鑄階段為轉(zhuǎn)爐出鋼鋼包盛鋼過程的逆過程,其鋼水能量方程和邊界條件類似.(4)表面邊界條件鋼水能量方程:MsCsdTsdτ=qVn(τ)HV+qBn(τ)HB+qsl(τ)Hsl+S?(3)ΜsCsdΤsdτ=qVn(τ)ΗV+qBn(τ)ΗB+qsl(τ)Ηsl+S?(3)鋼水進(jìn)行LF、RH或LF精煉時,底吹氬、加合金、吹氧提溫和電極加熱等操作造成的熱量變化按內(nèi)生熱源S?處理,鋼水鎮(zhèn)靜時S?=0.滿包轉(zhuǎn)運階段鋼包內(nèi)外邊界條件與出鋼過程類似,鋼渣內(nèi)外表面的邊界條件與包壁、包底內(nèi)外表面類似.以上各式中變量含義:q為熱流密度,W·m-2;H為表面積,m2;T為溫度,K;τ為時間,s;ρ為密度,kg·m-3;C為比熱容,J·kg-1·K-1;α為對流換熱系數(shù),W·m-2·K-1;h為合并對流換熱和輻射傳熱的綜合傳熱系數(shù),W·m-2·K-1;A為鋼包內(nèi)表面吸收率;Q為熱流量,W;σ為黑體輻射常數(shù),5.67×10-8W·m-2·K-4;ε為黑度;FˉˉˉFˉ為鋼包內(nèi)表面通過包口向外輻射的平均視角因素;M為鋼包內(nèi)鋼水質(zhì)量,kg;r0為鋼流斷面直徑,m;v為鋼水流入鋼包速度,m·s-1;S?為鋼水內(nèi)生熱源的熱流量,W.下標(biāo)含義如下:i為鋼包各部分,B為包壁,V為包底;s為鋼水;sl為鋼渣;g為燃燒氣體;e為環(huán)境;w為鋼包外表面;n為鋼包內(nèi)表面;f為自由面;g-i為包壁內(nèi)表面各部分與燃燒氣體之間;i-e為包壁外表面各部分與環(huán)境之間.由于包襯溫度的變化范圍較大,計算時考慮各類包襯耐材的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容隨溫度的變化.各類耐材的導(dǎo)熱系數(shù)采用熱線法在實驗室進(jìn)行測試,得到其導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化曲線.以上各階段傳熱模型組合,得到鋼包熱循環(huán)過程的熱狀態(tài)跟蹤模型.模型采用顯式差分格式,在鋼包的整個熱循環(huán)周期中依次求解.2.2鋼包襯熱狀態(tài)的修正在以上模型的求解中,鋼包外表面的熱流密度(綜合傳熱系數(shù))為邊界條件,而熱流密度是近似計算得到,由此計算會產(chǎn)生較大誤差,且不容易預(yù)知.為了提高模型計算的準(zhǔn)確度,根據(jù)鋼包包襯溫度測試值,利用傳熱反問題來修正鋼包熱狀態(tài)跟蹤模型.2.2.1包襯溫度測試?yán)冒惭b在包襯內(nèi)部的熱電偶實測鋼包熱循環(huán)過程中的包襯溫度.Q煉鋼廠鋼包包壁和包底的耐火材料分為工作層和永久層.包壁工作層從上至下又分為凈空區(qū)、渣線、包壁中部和圍罐磚,各部分包襯材質(zhì)不同.熱電偶埋設(shè)位置如圖2.其中1#、3#、5#、7#和9#熱電偶安裝在工作層和永久層之間,2#、4#、6#、8#和10#熱電偶安裝在永久層和包殼之間,11#～14#熱電偶安裝在包壁內(nèi)表面.新包砌筑完畢,利用熱電偶和溫度巡檢儀,連續(xù)測試烘烤除水分、等待冷卻以及新砌包烘烤預(yù)熱時包襯測試點溫度.當(dāng)鋼包投入周轉(zhuǎn)后,難于連續(xù)測溫,采用點測方法.具體測試點如下:在線烘烤開始時刻、在線烘烤結(jié)束時刻、精煉處理開始時刻、精煉處理結(jié)束時刻、連鑄鋼包開澆時刻以及連鑄鋼包澆畢時刻.2.2.2跟蹤模型的建立鋼包的傳熱反問題可闡述如下:給定M個包襯內(nèi)部測試點,欲求鋼包外表面的熱流密度.即在鋼包外表面找到合適的熱流分布,使得通過正問題計算出的溫度值與測量值最為接近.該問題轉(zhuǎn)換為極值問題,用測量值與模擬值的最小二乘法來解決,建立方程如下:S(qj)=∑j=1M∑j=1Μ(Tmj-Tcj(qj))2+a∑j=1M∑j=1Μ(qj-q0jj0)2(4)式中,S為方差之和,M為已知的測溫點數(shù),Tmj為測點溫度,Tcj由預(yù)估的邊界熱流qj計算出的溫度,q0jj0為前一次迭代所得的熱流值,a為保證迭代求解收斂的一個小數(shù).由式(4)和前面的傳熱正問題模型,利用脈沖譜方法(PST)進(jìn)行傳熱反問題求解,根據(jù)q0、T0計算q,并由此計算Tc.即通過埋設(shè)在包襯內(nèi)部的熱電偶測得各時刻溫度,根據(jù)溫度實測值計算得到各時刻的鋼包外表面熱流密度,由此對鋼包熱狀態(tài)跟蹤模型進(jìn)行修正.以新砌包烘烤預(yù)熱780min包襯中2#熱電偶處為例,模型修正前,溫度實測值和模擬值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為±22.7℃.利用傳熱反問題修正模型后,模擬值和測量值的標(biāo)準(zhǔn)差為±6.4℃.以鋼包前10次熱循環(huán)包襯中7#熱電偶處為例,模型修正前,溫度實測值和模擬值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為±30.2℃;修正模型后,測試值與模擬值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為±13.4℃.模型修正后,模擬結(jié)果和實測值基本吻合,說明模型的計算結(jié)果能夠反映鋼包包襯的實際傳熱規(guī)律.3鋼包熱狀態(tài)跟蹤模型確定在轉(zhuǎn)爐至連鑄流程中,造成鋼水溫度變化的因素分兩類,第一類是與鋼包熱狀態(tài)相關(guān)造成的鋼水溫降,包括鋼水通過包壁、包底和渣層的熱量損失造成的溫降;第二類是由于添加合金、電極加熱等冶煉操作造成的鋼水溫降或溫升.鋼包熱狀態(tài)跟蹤模型計算的是第一種因素造成的鋼水溫降,其溫降值與鋼包熱狀態(tài)、鋼水溫度和各步驟操作時間相關(guān).設(shè)定轉(zhuǎn)爐出鋼溫度為1680℃,根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,Q煉鋼廠鋼包熱循環(huán)過程中,各步驟的耗時如表1所示.為了方便討論,假設(shè)第二類因素造成的鋼水溫降或溫升不變.利用鋼包熱狀態(tài)跟蹤模型計算轉(zhuǎn)爐出鋼開始至連鑄澆鑄結(jié)束鋼包熱狀態(tài)造成的鋼水總溫降,由此可確定不同的鋼包熱狀態(tài)對應(yīng)的轉(zhuǎn)爐出鋼溫度.3.1鋼包烘烤預(yù)熱時間新砌鋼包投入使用后,包襯溫度逐漸上升.當(dāng)鋼包進(jìn)行一定熱循環(huán)次數(shù)后,包襯才達(dá)到“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”.新砌包進(jìn)入熱循環(huán)之前,需進(jìn)行新包烘烤預(yù)熱,新包烘烤預(yù)熱時間的長短與鋼包達(dá)到“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”的時間相關(guān),也與鋼包達(dá)到“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”前,每一次鋼包熱循環(huán)中鋼水的溫降值相關(guān).分別選擇新包烘烤預(yù)熱時間為480和780min,模擬計算鋼包達(dá)到“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”的時間和“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”之前鋼包一個熱循環(huán)周期內(nèi)鋼水通過鋼包散熱造成的總溫降,見圖3.由圖3可得,新砌包烘烤預(yù)熱時間對鋼包達(dá)到“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”的時間和鋼水溫降具有顯著影響.根據(jù)模擬,鋼包達(dá)到“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”后,正常周轉(zhuǎn)包從轉(zhuǎn)爐出鋼開始至連鑄澆鑄結(jié)束,鋼水通過鋼包散熱的總溫降是36.8℃,這也是Q煉鋼廠鋼包熱循環(huán)一個周期鋼水溫降的最小值.以鋼水溫降與“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”鋼包鋼水溫降的差值小于1.0℃為界限,則當(dāng)新包烘烤預(yù)熱為780min時,經(jīng)過四次熱循環(huán),鋼包達(dá)到“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”.從第一次熱循環(huán)到第四次熱循環(huán),鋼水通過鋼包散熱造成的鋼水總溫降與“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”鋼包相比,差值分別為2.9、2.3、1.7和1.3℃.當(dāng)離線烘烤預(yù)熱為480min時,經(jīng)過七次熱循環(huán),鋼包才達(dá)到“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”.從第一次熱循環(huán)到第七次熱循環(huán),鋼水總溫降與“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”鋼包相比,差值分別為18.5、7.7、5.7、4.2、2.7、1.8和1.2℃.鋼包烘烤預(yù)熱時間從480min增加到780min,鋼包第一次熱循環(huán)鋼水總溫降減少15.6℃,可大幅度降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度.3.2在線烘烤時間從鋼包快修到在線烘烤,如圖1所示,鋼包周轉(zhuǎn)途徑有四種:第一種,正常周轉(zhuǎn),鋼包快修后,直接在線烘烤;第二種,鋼包由于鋼包調(diào)配的原因,經(jīng)過鋼包快修后不能及時在線烘烤,出現(xiàn)鋼包等待冷卻時間,然后再進(jìn)行在線烘烤;第三種,鋼包經(jīng)過鋼包快修后,預(yù)計等待時間較長,為了包襯保溫進(jìn)行離線烘烤,然后再進(jìn)行在線烘烤;第四種,鋼包經(jīng)過一定時間的等待冷卻后,為了補(bǔ)償包襯溫度,減少鋼水溫降,對鋼包進(jìn)行一定時間的離線烘烤,然后再進(jìn)行在線烘烤.鋼包在連鑄工序澆鑄結(jié)束至在線烘烤之間為空包時間.正常周轉(zhuǎn)鋼包空包時間為鋼包快修時間,即60min.在第二種情況中,增加了空包時間,由此造成鋼水溫降增加.空包時間對鋼水溫降的影響如圖4.由圖4可得,空包時間90、120、180和540min時,鋼水總溫降比空包時間60min時增加2.2、4.0、6.6和14.6℃.空包時間長短,對鋼水溫降具有顯著影響.3.3離線烘烤時間的影響在鋼包周轉(zhuǎn)的第三種情況中,離線烘烤時間對鋼水溫降的影響如圖5.圖5中從左至右前五個點的時間坐標(biāo)非等值分布,分別是0、6、12、30和60min,后面各點時間坐標(biāo)為60min的整數(shù)倍等值分布.在離線烘烤前期,由于鋼包包襯溫度較高,鋼包散熱速率大于離線烘烤器對鋼包的加熱速率,包襯溫度逐漸降低.由此,鋼水溫降隨離線烘烤時間延長而增大.當(dāng)離線烘烤時間接近120min時,包襯溫度降到最低值;當(dāng)大于120min后,包襯散熱速率小于離線烘烤器對鋼包的加熱速率,包襯溫度隨離線烘烤時間的延長而提高.由此,鋼水溫降隨離線烘烤時間的延長而減少.在1200min之內(nèi),鋼水溫降略大于正常周轉(zhuǎn)鋼包的鋼水溫降,說明由于離線烘烤器烘烤效果的限制,Q煉鋼廠離線烘烤只起到鋼包保溫的作用.3.4空包時間和離線烘烤時間的影響在鋼包周轉(zhuǎn)的第四種情況中,分別模擬空包時間為90、120、180、240和540min時,離線烘烤時間從0min到300min后,鋼包熱循環(huán)一個周期,鋼水通過鋼包散熱的總溫降(如圖6).由圖6可得,空包時間越長,離線烘烤減少鋼水溫降的效果越明顯.當(dāng)空包時間為540min時,進(jìn)行240min離線烘烤,可使鋼水總溫降減少11.0℃.隨著離線烘烤時間的延長,單位烘烤時間對鋼水溫降的減少值變小.離線烘烤雖然可以減少鋼水溫降,但是并不能完全彌補(bǔ)空包時間造成的鋼水過量溫降.這是由于離線烘烤器火焰溫度的限制,離線烘烤并不能將包襯平均溫度加熱到正常周轉(zhuǎn)包的包襯溫度.由此,當(dāng)空包時間較短時,鋼包沒有必要進(jìn)行離線烘烤補(bǔ)償溫度;當(dāng)空包時間較長時,應(yīng)該進(jìn)行離線烘烤補(bǔ)償包襯溫度.同時,應(yīng)盡可能縮短空包時間.3.5包襯侵蝕速率Q煉鋼廠鋼包工作層包襯初始厚度為:上渣線260mm,包身180mm,圍罐磚360mm,包底300mm.隨著鋼包周轉(zhuǎn)工作層耐火磚存在侵蝕現(xiàn)象.根據(jù)包襯厚度測量,鋼包熱循環(huán)一次,包襯各部分平均侵蝕量為:包身0.92mm,包底2.92mm,渣線和圍罐磚2.50mm.鋼包在120次的包齡中,中間有幾次修包換包襯磚操作,具體見表2.根據(jù)包襯侵蝕速率和修包情況,可確定在每次熱循環(huán)中,各部位包襯工作層厚度為:Lij=Lif-vi×(j-f-1)(5)式中:Lij為鋼包第j次熱循環(huán)時工作層部位i的耐火磚厚度,mm;i為鋼包工作層部位,包括包身、包底、渣線和圍罐磚;Lif為鋼包工作層部位i的耐火磚在熱循環(huán)f次更換后的初始厚度,mm;f為鋼包在第j次熱循環(huán)之前最近一次修包時的熱循環(huán)次數(shù),f<j;vi為鋼包工作層部位i的耐火磚侵蝕速率,mm·次-1.鋼包熱循環(huán)第