80鋼包熱損失與外表面溫度計算

80鋼包熱損失與外表面溫度計算

鋼包是鋼和精煉過程之間的盛鋼容器，其在旋轉(zhuǎn)過程中的溫度直接影響到鋼和精煉過程中鋼水溫度的變化。鋼水從轉(zhuǎn)爐出鋼到澆注結(jié)束的全過程可分為以下幾個階段:轉(zhuǎn)爐出鋼至鋼包,鋼包靜置調(diào)運至LF處理,處理完畢調(diào)運待澆,鋼包開澆至澆注完畢。鋼包在各階段的熱狀態(tài)不盡相同,影響鋼水溫度變化的因素也就有所不同。出鋼完畢,鋼水運送到精煉站,期間存在1個靜置調(diào)運階段,此刻爐渣上浮至鋼水表面形成渣層,并在渣面加碳化稻殼等作為保溫劑。鋼水通過包壁、包底、渣層向外傳熱。王明林等的研究發(fā)現(xiàn):當鋼液面裸露、80t鋼水運輸5min時,鋼水溫度從1598℃降到1577.89℃;而鋼水表面覆蓋有80mm厚液渣和40mm厚碳化稻殼時,80t鋼水5min內(nèi)溫度降低僅為2.3℃。魯開疑對連鑄鋼液溫度變化規(guī)律及控制的研究認為:從出鋼到澆注前的過程中,鋼液鎮(zhèn)靜時間雖然很短,但在全過程中其熱損失最大。對數(shù)爐鋼液在鋼包中溫度變化的統(tǒng)計結(jié)果表明,出鋼后鎮(zhèn)靜期間鋼液溫降最大,鎮(zhèn)靜過程約降溫30～40℃。因此,對鎮(zhèn)靜期間鋼包的熱狀態(tài)進行定量分析,可為降低靜置調(diào)運過程中鋼水的溫降提供依據(jù)。1鋼包結(jié)構(gòu)及容積重慶鋼鐵(集團)有限責(zé)任公司煉鋼廠(以下簡稱重鋼煉鋼廠)80t鋼包結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1,鋼包結(jié)構(gòu)如圖1所示。鋼包結(jié)構(gòu)尺寸為:鋼包深度(H)3.290m,內(nèi)徑(D內(nèi))2.599m,按實際盛鋼量折算,鋼包有效容積(V)為11.96m3。鋼包圓周面積35.144m2,上口表面積6.304m2,下底面積5.3025m2。2鋼包壁、包底、渣層的導(dǎo)熱建立鋼包傳熱數(shù)學(xué)模型時,根據(jù)鋼包結(jié)構(gòu)特點作如下假設(shè):(1)鋼包壁視為無限長圓筒壁,鋼包底和渣層視為無限大平壁;(2)鋼包壁、包底、渣層的導(dǎo)熱按一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱計算;(3)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;(4)鋼包所用耐火材料、渣層的物性參數(shù)不隨溫度變化;(5)不考慮鋼水熱分層現(xiàn)象,假設(shè)鋼水溫度分布均勻。模型計算中的各材料物性參數(shù)見文獻。2.1基于鋼渣層和爐渣層的穩(wěn)定熱模型和計算2.1.1tf1t2模型鋼包底和渣層可視為無限大平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程,對于n層不同材料構(gòu)成的平壁,其熱通量為:q=(t1-tf1)/(nΣi=1δiλi+1αΣ)(1)q=(t1?tf1)/(Σi=1nδiλi+1αΣ)(1)式中,q為熱通量,W/m2;t1為包底、渣層內(nèi)表面溫度,℃;tf1為包底、渣層外表面周圍空氣溫度,℃;δi為第i層壁的厚度,m;λi為第i層壁的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);αΣ為輻射傳熱系數(shù)α1與對流傳熱系數(shù)α2之和,W/(m2·℃)。輻射傳熱系數(shù):α1=εCb[(t2100)4-(tf1100)4]1t2-tf1(2)α1=εCb[(t2100)4?(tf1100)4]1t2?tf1(2)式中,ε為包底、覆蓋劑外表面黑度;t2為包底、覆蓋劑外表面溫度,℃;Cb為黑體輻射系數(shù),5.67W/(m2·K4)。對鋼包底,對流傳熱系數(shù)α2按水平板熱面朝下的經(jīng)驗公式計算:α2=0.59[(t2-tf1)/L]1/5(3)式中,L為定型尺寸,m;取包徑的0.9倍。對渣層而言,對流傳熱系數(shù)α2按水平板熱面朝上的經(jīng)驗公式計算:α2=1.36[(t2-tf1)/L]1/4(4)式中,L為定型尺寸,m;取包徑的0.9倍。2.1.2城市各層導(dǎo)熱系數(shù)對熱損失的影響當設(shè)定鋼液溫度為1560℃,工作層、永久層、鋼殼的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.6938、0.778、43W/(m·℃),包底周圍空氣溫度為35℃時,經(jīng)計算,包底表面溫度達到336℃時基本穩(wěn)定,此時的熱量損失為12704.58W,熱通量為2395.96W/m2。當改變其工作層、永久層的導(dǎo)熱系數(shù)時的熱量損失如圖2和圖3所示。由圖2可以看出,在其它條件不變的情況下,隨著工作層導(dǎo)熱系數(shù)的減小,包底熱損失減少,工作層的導(dǎo)熱系數(shù)由5W/(m·℃)降低到0.8W/(m·℃),可以使包底熱損失減少40%左右。由圖3可以看出,在其它條件不變的情況下,隨著永久層導(dǎo)熱系數(shù)的減小,包底熱損失也減少,永久層的導(dǎo)熱系數(shù)由3W/(m·℃)降低到0.5W/(m·℃),可使包底熱損失減少60%左右。計算還發(fā)現(xiàn),在其它條件完全相同時,僅改變工作層或永久層的厚度對包底熱損失影響不大。2.1.3渣層表面溫度達到32時的熱損失當設(shè)定鋼液溫度為1560℃,覆蓋劑導(dǎo)熱系數(shù)為0.035W/(m·℃),渣層周圍空氣溫度為35℃時,經(jīng)計算,渣層表面溫度達到322℃時基本穩(wěn)定,此時的熱量損失為5650.1W,熱通量為1065.6W/m2。當覆蓋劑導(dǎo)熱系數(shù)由0.2W/(m·℃)降至0.035W/(m·℃)時,通過渣層的熱量損失將減少75%左右,當覆蓋劑的厚度由0.02m增加到0.08m時,通過渣層的熱量損失將減少60%左右。2.2硬壁的穩(wěn)定熱模型和計算2.2.1tt1ti將鋼包壁按一維圓筒壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱處理,包殼的熱傳遞主要以對流和輻射向外散熱。對于n層不同材料構(gòu)成的圓筒壁,其熱通量為:q1=t1-tf1nΣi=112πλiri+1ri+12πrn+1αΣ(5)q1=t1?tf1Σi=1n12πλiri+1ri+12πrn+1αΣ(5)式中,q1為熱通量,W/m;t1、tf1分別為包壁內(nèi)表面溫度和外表面周圍空氣溫度,℃;ri、ri+1、rn+1分別為第i層、第i+1層包壁半徑及鋼包外半徑,m;λi為第i層包壁的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);αΣ為輻射傳熱系數(shù)α1與對流傳熱系數(shù)α2之和,W/(m2·℃)。輻射傳熱系數(shù)α1的計算同公式(2),其中ε為包壁外表面黑度,t2為包壁外表面溫度,℃。對流傳熱系數(shù)α2按垂直圓柱的經(jīng)驗公式計算:α2=1.49(t2-tf1Η)1/4(6)α2=1.49(t2?tf1H)1/4(6)式中,H為定型尺寸,m,取包壁高度。2.2.2導(dǎo)熱系數(shù)對包壁熱損失的影響當設(shè)定鋼液溫度為1560℃,工作層、永久層、絕熱層、鋼殼的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.6983、0.778、0.1、43W/(m·℃),包壁周圍空氣溫度為35℃時,經(jīng)計算,包壁表面溫度達到292℃時基本穩(wěn)定,此時的熱量損失為109762W,熱通量為28809.16W/m。當絕熱層厚度為0.2m,僅改變絕熱層導(dǎo)熱系數(shù)時,其包壁熱損失如圖4所示。由圖4可以看出,隨著絕熱層導(dǎo)熱系數(shù)的減小,包壁熱損失減少,導(dǎo)熱系數(shù)由0.1W/(m·℃)降低至0.01W/(m·℃)時,包壁熱損失減少80%左右。當絕熱層導(dǎo)熱系數(shù)為0.1W/(m·℃),僅改變其厚度時,包壁熱損失如圖5所示。由圖5可以看出,隨著絕熱層厚度的增大,包壁熱損失減少,厚度由0.01m增加至0.04m時,包壁熱損失將減少45%左右。在其它條件不變的情況下,僅改變包壁工作層、永久層的導(dǎo)熱系數(shù)時,包壁的熱損失情況如圖6和圖7所示。由圖6可以看出,隨著工作層導(dǎo)熱系數(shù)的減小,包壁熱損失減少,導(dǎo)熱系數(shù)由5W/(m·℃)降低至0.8W/(m·℃)時,包壁熱損失減少30%左右。由圖7可以看出,隨著永久層導(dǎo)熱系數(shù)的減小,包壁熱損失也減少,導(dǎo)熱系數(shù)由3W/(m·℃)降低至0.5W/(m·℃)時,包壁熱損失將減少15%左右。另外,經(jīng)計算在其它條件相同時,改變工作層或永久層的厚度對包壁熱損失的影響不大。3包壁熱損失的變化經(jīng)現(xiàn)場測試,不同包役鋼包開澆5min的外表面溫度,包壁表面平均溫度為272℃,包底表面平均溫度為302℃。通過對鋼包表面溫度計算結(jié)果和實測結(jié)果進行對比分析可知,計算結(jié)果比實測值偏高,相差10%。這主要是由于在計算過程中作了些簡化處理的緣故,但模型用于分析鋼包熱狀態(tài)還是可行的。計算結(jié)果表明:重鋼80t鋼包熱量損失主要是通過包壁的熱損失,它占整個熱量損失的85.67%,包底熱損失占9.92%,渣層熱損失非常小,僅為4.41%。由此可見,通過渣層的熱量損失是微不足道的,但是鋼液表面加覆蓋劑對降低鋼液的熱損失起著極為重要的作用,尤其是在鋼液的運輸過程中鋼液上面的覆蓋劑給鋼水表面提供1個隔熱層,可以防止鋼水表面的輻射散熱,且覆蓋劑的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)對熱量損失也有一定影響。從計算結(jié)果可知,重鋼80t鋼包熱量損失包壁占了近86%,而包壁導(dǎo)熱系數(shù)由0.1W/(m·℃)降低至0.01W/(m·℃)時,包壁熱損失減少80%左右;包壁絕熱層厚度由0.01m增加至0.04m時,包壁熱損失減少45%左右;工作層導(dǎo)熱系數(shù)由5W/(m·℃)降低至0.8W/(m·℃)時,包壁熱損失減少30%左右;永久層導(dǎo)熱系數(shù)由3W/(m·℃)降低至0.5W/(m·℃)時,包壁熱損失減少15%左右。因此,通過改變絕熱層的材質(zhì)和厚度,對減少包壁熱量損失和降低包壁外表面溫度起著最重要的作用,而減小絕熱層導(dǎo)熱系數(shù)的效果最明顯。在絕熱層材質(zhì)和厚度不變時,改變工作層或永久層的厚度對熱損失的影響不大,造成這種現(xiàn)象的原因主要是由于工作層或永久層的導(dǎo)熱系數(shù)偏高所致,但改變其導(dǎo)熱系數(shù)時,對熱量損失也有一定程度的影響。鋼包加與不加隔熱層,如包壁和包底,其外表面溫度相差近40℃,必然會對鋼包熱損失產(chǎn)生較大影響,進而也會對鋼包內(nèi)鋼水的溫降產(chǎn)生較大影響,絕熱層導(dǎo)熱系數(shù)越小對減輕鋼水的溫降越有利。4鋼包材質(zhì)和厚度對熱損失的影響由上述分析可知:(1)鋼包的