钢包钢水温降及其影响因素的模拟

杜传明，戴文斌，于景坤，刘诗薇

（东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819）

钢包钢水温降及其影响因素的模拟

杜传明，戴文斌，于景坤，刘诗薇

（东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819）

通过有限元方法建立了120 t钢包的传热模型，计算分析了钢包在使用过程中的传热行为，研究了钢包内衬及厚度对钢水温降的影响.结果表明:使用导热系数较低的保温材料，在传统钢包内衬中添加绝热层能显著提高钢包的保温效果，减低钢水温降速率;改变工作衬厚度对钢水温降速率的影响较小.

钢包;温度场;钢水温降

随着冶金工业的快速发展和技术进步，钢包的作用日益显著，并日趋功能化.钢包内的钢水温度及其在钢包内温降不但直接影响冶炼过程、钢材质量，同时对经济效益及生产安全也具有重要影响.本研究以某钢厂120 t钢包为原型，通过建立有限元传热模型，研究钢包内衬耐火材料的材质，厚度等对钢水温降的影响，确定钢水温降的主要机理及影响因素，为进一步优化钢包结构提供理论指导.

1 传热模型

1.1 钢包结构与尺寸

钢包盛钢量为120 t，上部直径为3 660 mm，下部直径为3 440 mm，高度为4 110 mm.钢包衬体由外至内依次为钢壳层、永久层和工作层.钢包各层厚度如表1所示.其中，永久层采用高铝质浇注料，工作层采用镁碳砖，钢包各层材料的物性参数见表2.

表1 钢包包底和包壁各层的厚度Table 1 Every layer dimension of ladle bottom and wall mm

表2 钢包材料的物性参数Table 2 The physical parameters of lad le materials

1.2 模型建立

根据钢包的使用特点，本文按照非稳态传热过程计算钢包衬体和钢水的温度场分布及散热损失.设包衬达到热平衡，忽略其蓄热，将传热模型作如下简化:（1）钢水温度均匀，不存在热分层现象;（2）忽略钢水、渣层内部的质量传输;（3）钢水和钢渣以传导传热为主;（4）忽略钢包耐火材料各层间的接触热阻.

根据钢包的结构特点，可以把钢包简化为轴对称体进行分析.根据Fourier热传导定律和能量守恒定律建立柱坐标系的热量传输方程［5］:

式中:ρ为材料的密度，kg·m－3;c为材料的比热容，J·kg－·1℃－1;t为温度，℃;为方位角;为时间，s;λ 为材料的导热系数，W·m－·1℃－1.

1.3 边界条件

钢包内壁、渣层与钢水间的接触传热，按第一类边界条件（式2）进行处理.式中Γ表示钢包内壁;tm为钢液温度，℃.

钢包外壁与周围空气之间以对流和辐射的形式进行换热，按第三类边界条件（式3）进行处理.

式中:tf为环境温度，℃;h为综合换热系数，W·m－2·K－1;αc为对流给热系数;αr为辐射的等效对流系数.

式（5）～（7）中:Nu为努塞尔数;λ为周围空气的导热系数，W·m－1·K－1;d为钢包高度，m;Gr为格拉晓夫数;Pr为普朗特数;C、n为常数;ε为黑度系数;T为钢包外壁温度，K;Tf为环境温度，K;c0为黑体辐射系数，c0=5.67W·m－2·K－4.取钢包外壁ε=0.8［3］，计算得出钢包外壁的综合换热系数h=25.37W·m－2·K－1.

渣层只考虑辐射传热.为了简化，将辐射热损失等效为对流换热进行计算.

1.4 初始条件

设钢水和钢渣的初始温度为1 600℃，周围空气温度为25℃.钢包中熔池深度为2 600 mm，渣层厚度为100 mm.将以上温度参数和边界条件加载到钢包上，首先进行稳态传热分析，得出包衬的温度场，将其作为初始温度分布加载到模型中，然后再进行瞬态传热分析.

2 结果与讨论

根据对称性，选取钢包模型的1/4作为研究对象.钢包静置15 min后，钢水和钢包内衬的温度场如图1所示.由图可见，钢包内衬及钢液温度由包内向外部逐渐降低.由于各层材料的厚度和导热系数不同，导致各层内的温度梯度也不相同.

图1 钢水和钢包衬的温度场Fig.1 Tem perature field of the molten steel and lad le

本文采用代表值法计算钢水温度，即在熔池内选6个节点单元，取其在整个瞬态过程中温降速率的平均值作为钢水的温降速率.其中在钢液上部渣层附近、钢液中部和包底附近各取2个点.各节点温度随时间的变化曲线如图2所示，可以看出，靠近钢液中心的节点（2、4、6）温降很小，但靠近包衬的节点（1、3、5）温降很大.靠近渣层和包底的节点（1、5）温降速率最快.这是因为除了包壁传热外，还通过渣层和包底传热，散热量大.15 min后钢水的平均温度为1 591℃，温降速率为0.58℃·min－1.现场测得的钢水平均温降速率为0.59℃·min－1，与模型计算结果基本一致.

图3示出了钢包静置15 min后，距包底1 300 mm处钢包内衬沿径向的温度分布.由图可见，由于工作层镁碳砖的导热系数较大，且与钢水接触，因此其温度梯度较小，温度很高;永久层高铝质耐材的导热系数最小，热阻大，通过永久层温度下降了约1 000℃;钢壳导热系数很大，温度变化可忽略不计.从钢包内表面到外表面，由于包衬的隔热保温作用，温度从1 578℃降低至391℃.

图4为钢包的热损失分布.通过计算可知，钢水的总热流量损失为95.22 kW，其中通过包壁损失的热流量有54.77 kW，占总损失的57.52%，通过渣层辐射传热的热流量占总损失的29.47%.由此可见，钢包的热损失主要是通过钢包壁的对流和辐射传热.

3 钢水温降影响因素分析

3.1 永久层导热系数对钢水温降的影响

钢包永久层的耐火材料对导热系数影响很大，气孔率愈大，则导热系数愈小.钢水的温降速率随永久层导热系数的变化如图5所示.由图可见，随着永久层导热系数的降低，钢水温降速率降低，钢包的保温性能升高.另外，永久层导热系数越低，其对钢水温降速率的影响程度亦越大.若将现有钢包的导热系数降低到0.5 W·m－1·K－1，则钢水温降速率可以从 0.58℃·min－1降低到0.33 ℃·min－1.

图6示出了钢包内衬径向的温度分布.由图可见，随着永久层导热系数的降低，与钢水接触的工作层温度升高，钢包外表面温度降低.导热系数越小，永久层的温度梯度越大，温度急剧下降，隔热效果越好.钢包外表面温度一般在200～400℃，从控制较低表面温度的角度来说，钢包永久层导热系数应小于1.5 W·m－1·K－1这一数值.当k=0.5 W·m－1·K－1时，钢包外表面温度只有222℃，热量损失明显减少.

3.2 工作层厚度对钢水温降的影响

由于在使用过程中钢包内衬将受到钢液和熔渣的冲刷和侵蚀，工作层的厚度会随着钢包使用次数的增加而逐渐变薄，这将直接影响钢包内衬的温度场分布.工作层厚度与钢水温降的变化关系如图7所示.由图可见，随着钢包工作层的不断减薄，钢水温降速率不断升高，并且在钢包使用后期，特别是当工作衬厚度减薄至190 mm时，温降速率会明显升高.当工作层减薄至150 mm时，钢水温降的速率达到了0.64℃·min－1.

工作层厚度变化对钢包内衬温度变化的影响如图8所示.当工作层厚度逐渐减薄时，钢包壁内表面温度变化不大，但是钢包外表面温度会有所升高.当工作层的厚度减少至150 mm时，钢包外表面温度升高了近20℃.可见，工作层的减薄对包衬的温度场影响不是十分明显，这是由钢包工作衬所使用材质的性质所决定的.镁碳砖的导热系数比永久层的导热系数大几倍，钢包内衬的导热热阻主要集中在永久层上，其温度梯度很大，而工作层温度梯度小，厚度变化对钢包衬温度场影响亦较小.

3.3 绝热层厚度对钢水温降的影响

为了进一步增加钢包的保温效果，在钢包外壳和永久层间增设一层绝热层，取其导热系数k=0.1 W·m－1·K－1，讨论其对钢水温降的影响，绝热层厚度对钢水温降速率的影响如图9所示.

图8 钢包内衬径向的温度曲线Fig.8 Temperature curves of ladle wallalong radial direction

由图可见，随着钢包绝热层厚度的增加，钢水温降速率显著降低.当绝热层厚度较大时，继续增加其厚度对降低钢水温降速率效果减弱.若钢包添加30 mm的绝热层，钢水温降速率将从0.58 ℃·min－1降低到0.25 ℃·min－1，明显地提高了钢包的保温效果.

钢包绝热层厚度对钢包内衬温度场的影响如图10所示.由于绝热层的导热系数较低，因此减少了由绝热层热面向冷面的传导热损失，从而表现为绝热层热面温度较高，冷面温度较低.随着绝热层厚度的增加，钢包外表面的温度显著下降.其中，钢包加砌10 mm绝热层时，钢包外表面温度下降至263℃，当绝热层增至30 mm时，外表面温度下降至164℃，减少了通过包壁所产生的传热损失.同时，添加绝热层还能提高钢包内表面的温度，绝热层为10 mm时，钢包内表面的温度比无绝热层钢包的温度高7.5℃，降低了钢水的温降速率.由此可见，添加绝热层能显著提高钢包的隔热保温效果.

图10 钢包内衬径向的温度曲线Fig.10 Tem perature curves of ladle wallalong radial direction

4 结论

（1）数值模拟分析结果表明，120 t钢包内的钢水温降速率为0.58℃·min－1，钢包外表面温度为391℃，与现场数据基本一致.钢包的热损失主要是通过包壁的辐射和对流传热.

（2）钢包永久层的导热系数越小，钢水温降速率越低，钢包外表面温度越低.永久层采用低导热系数的轻质浇注料，能显著提高钢包的保温效果.

（3）随着钢包工作层厚度的减薄，钢水温降速率有所升高，钢包衬体的温度变化不大.

（4）钢包壳与永久层间添加绝热层隔热效果显著，不仅可以显著降低钢液温降速率，还可以大幅度降低钢包外壳温度，减少通过包壁和包底的热损失.

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Simulation study on tem perature drop ofmolten steel in ladle and influencing factors

DU Chuan-ming，DAIWen-bin，YU Jing-kun，LIU Shi-wei
（School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

The heat transfer model for 120 t ladle was established by using a finite elementmethod，and the heat transfer behavior of the ladle was investigated according to the analysis results and the influences of the structural dimension and materials for the ladle on the temperature drop of themolten steelwere researched.The research results showed that the heat conservation effect could be increased and the temperature drop of the molten steel could be decreased by using the lining materials with lower thermal conductivity，especially by adding insulating layer in the traditional ladle.Reduction of the working lining dimension had a little effect on the molten steel temperature drop rate.

ladle;temperature field;molten steel temperature drop

TF 769.2

A

1671-6620（2012）03-0160-05

2012-06-05.

杜传明（1988—），男，东北大学硕士研究生，E－mail:dcm1988@sina.com;于景坤 （1960—），男，东北大学教授，博士生导师.