混铁车外表面温度与内衬厚度关系的模拟研究

单佳，楚化强，顾明言，岑豫皖，黄建新

(安徽工业大学a.能源与环境学院；b.机械工程学院，安徽马鞍山243000)

混铁车外表面温度与内衬厚度关系的模拟研究

单佳a，楚化强a，顾明言a，岑豫皖b，黄建新b

(安徽工业大学a.能源与环境学院；b.机械工程学院，安徽马鞍山243000)

以320 t混铁车为研究对象，根据现场实测混铁车内衬厚度，采用Fluent等软件模拟计算出混铁车外表面温度，并分析混铁车内衬厚度变化对其外表面温度的影响。结果表明，混铁车外表面温度与内衬残余厚度之间存在一一对应的关系，随着混铁车使用次数的增加，内衬厚度愈来愈薄，外表面温度随之升高。此外，根据建立的混铁车外表面温度与内衬厚度之间的关系，利用红外热像技术，可实现对内衬磨损程度的实时监控。

混铁车；内衬厚度；红外热像

混铁车是冶金行业用来将高炉熔炼的铁水运到炼钢厂或铸铁机进行炼钢或浇注铸铁块的重要运输工具。混铁车在使用过程中，工作层耐火材料由于周期性地受到铁水的冲刷和侵蚀，因而不断地产生侵蚀和剥落，当耐火材料局部损毁严重，而未被发现时，会造成铁水的渗漏[1-2]。因此，对混铁车内衬的损毁程度进行监测是保证混铁车安全工作的重要措施。但是目前有关混铁车内衬损毁程度监测等方面的研究较少，多数炼钢厂对混铁车内衬的检查、判定主要根据岗位操作人员的观察，且结合工作经验来确认，缺少先进的检测设备测定内衬的残余厚度。基于此，笔者借鉴文献[3-4]对中间包的研究，结合计算机模拟和红外检测技术提出1套新的内衬残余厚度检测方法。

1 混铁车温度场的数值模拟计算

1.1 模型的建立与网格划分

混铁车罐体呈鱼雷形状，由罐壳、罐口、护板、耳轴等组成。罐体内砌筑耐火衬，由两端耳轴及主、副轴承支承在轴承台架上。罐体中央的上部罐口为受铁、出铁的进出口。鱼雷型由中央直筒部分、两侧圆锥部分及耳轴焊接而成[5-6]。320 t混铁车罐体尺寸及几何模型如图1。利用Gambit对罐体进行网格划分，为保证计算精度并尽可能节省计算时间，采用非均匀网格划分，如图2。

1.2 耐火材料的物性参数

罐体内衬自内到外由3层耐火材料构成，与铁水直接接触的是铝-碳化硅-碳砖(Al2O3-SiC-C)，为工作层；紧靠罐壳的为粘土砖(N2)，为永久层；在粘土砖和铝-碳化硅-碳砖之间为1层高铝质浇注料(H160P)，罐体的外壳由厚度为32mm的钢板焊接而成。

通过对耐火材料的检测，及查阅相关手册[7]和文献[8-9]确定罐体内衬耐火材料的物性参数随温度T的关系，具体见表1。计算中，物性参数以关系式的形式输入，并对这些非线性关系进行有限元计算，以逼近实际值。

图1 混铁车几何模型（单位：mm)Fig.1 Torpedo car overallstructure(unit:mm)

图2 罐体整体及罐体底部的网格划分Fig.2 Meshing ofoverallstructureand bottom of torpedo car

表1 耐火材料的热物性参数Tab.1 Thermalparametersof refractories

3 模拟结果与分析

采用通过Fluent软件[10]计算不同内衬残余厚度的罐体外表面的温度分布，针对不同的内衬残余厚度，选取6个工况进行模拟，见表2。根据现场测量发现，混铁车上有11个部位内衬易磨损，这11个部位分别为1，2，3，4，5，6，5'，4'，3'，2'，1'，如图3。其中1，2，3，4，5和1'，2'，3'，4'，5'是一一对称的，且对称的2个部位磨损程度大致相同，为节省计算和分析时间，取1/2罐体进行计算和分析。

3.1 稳态模拟结果与分析

图4为罐体外表面及轴断面上的温度分布。图4显示，沿着罐体厚度方向，温度从内到外逐步降低且工作层的温度梯度较小，永久层的温度梯度较大。由于混铁车整体尺寸较大，结合实际并考虑到其对称性取1，2，3，4，5，6这6个部位的温度分布如图5。由图4，5可以看出，在混铁车的轴向和径向都存在热量传递过程。

图3 混铁车内衬易磨损的11个部位Fig.3 Eleven different locationsof torpedo car

表2 6个工况各部位内衬残余厚度/mmTab.2 Six kindsof residual lining thicknessof each section/mm

图4 罐体外表面及轴断面上的温度分布Fig.4 Temperature distribution of outer surfaceand axialsection

图5 6个部位的温度分布Fig.5 Temperature distribution of six parts

混铁车6个部位的内衬厚度与外壁底部温度关系可分别得到，由于篇幅限制，文中仅给出第一个部位的分析,其他5个部位类似。1部位底部外壁温度随内衬厚度的变化曲线如图6。由图6可以看出混铁车外壁温度随着内衬厚度的变薄而升高。

通过软件拟合得出1部位外壁底部温度随内衬厚度Y的公式为

表3为1部位内衬厚度计算值与实际值，其中：实际厚度为现场测量的内衬厚度；计算厚度为将已知的温度代入式(1)所得的厚度。由表3可知两者间最大误差小于1.6%，表明了拟合公式的正确性。

3.2 非稳态模拟结果比较

钢铁厂提供的实际测量数据为空罐冷却14 h后的外壁红外温度，因此要验证模拟结果的准确性，就需模拟14 h后的混铁车外壁温度分布。

实测的红外数据中底部温度分布比较清晰，因此选取底部进行对比。使用Fluke红外热像仪测得图像和其附带软件SmartView可将图像上1，2，3，4，5，6六个部位的数据导出。使用Fluent后处理软件Tecplot对模拟数据进行处理，Tecplot同样可以将1，2，3，4，5，6六个部位的温度数据导出。6个部位底部位置实测与模拟数据见表4和图7，可以看出，2部位温度最低，5部位温度最高，6个部位温度趋势相同。可见模拟结果与实测结果吻合较好，这表明所建立的数学模型和求解方法是正确的。

4 结论

1)沿混铁车的轴向及径向均存在热量传递过程。随着混铁车使用时间的延长，混铁车内衬残余厚度变薄，其外壁温度随之升高。

图6 1部位外壁底部温度随内衬厚度的变化曲线Fig.6 Relationship between temperaturesof thebottom of externalshelland inner lining thickness

表3 1部位内衬厚度计算值与实际值Tab.3 Inner lining thicknessof calculation andm easurement

表4 6个部位底部位置实测与模拟温度Tab.4 Measured and simulated temperatureof thebottom ofsix parts

2)混铁车外表面温度与内衬残余厚度之间存在一一对应的关系，而且可以总结为公式的形式。通过红外热像仪测得混铁车外表面温度，然后带入这些关系式即可算出内衬的残余厚度。由此，可以通过红外热像仪对罐体内衬厚度进行在线监控。

3)通过非稳态模拟，温度的实际测量数据与模拟结果吻合较好，验证了模拟的正确性。

图7 6个部位底部位置实测与模拟温度Fig.7 M easured and simulated tem perature of the bottom of six parts

[1]祝洪喜，邓承继，白晨，等.320 t混铁车用衬砖的粘渣机理[J].武汉科技大学学报，2007,30(3):241-243.

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责任编辑：何莉

Simulation of the Relationship Between Temperatureof External Shelland Inner Lining Thicknessof Torpedo Car

SHAN Jiaa,CHU Huaqianga,GUM ingyana,CEN Yuwanb,HUANG Jianxinb
(a.Schoolof Energy and Environment；b.SchoolofMechanical Engineering,AnhuiUniversity of Technology, Ma'anshan 243000,China)

Taking the 320 t torpedo caras the subject in presentwork,the temperature fieldsof externalshellwere calculated by using the Fluent software based on themeasured lining thickness.The effectof lining thickness on the temperature of external shell was also analyzed.The results show that there is a corresponding relationship between temperatures of external shell and lining thickness.Temperature of external shell rises with the decreasing of lining thickness and increasing of service times.According to the relationship between external shell temperatures and lining thickness,the lining damage degree can be real-timemonitored with the infrared imaging technique.

torpedo car;inner lining thickness;infrared imaging

TK124

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2014.02.001

1671-7872(2014)02-0107-04

2013-11-27

国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ220119)；国家自然科学基金项目(53106001，51376008)；安徽工业大学青年科研基金(QZ201302)

单佳(1991-)，男，安徽淮北人，硕士生，主要研究方向煤粉高效洁净燃烧数值模拟。

顾明言(1965-)，女，江苏宜兴人，教授，主要研究方向为煤粉高效与低污染燃烧理论与技术。