新型钢包的温度场及其影响因素模拟分析

李公法，刘 泽，孔建益，蒋国璋，常文俊，李 贝，李 辉

(1.武汉科技大学机械自动化学院，湖北 武汉，430081；2.湖北新冶钢有限公司中棒线项目部，湖北 黄石，435001)

新型钢包的温度场及其影响因素模拟分析

李公法1，刘 泽1，孔建益1，蒋国璋1，常文俊1，李 贝1，李 辉2

(1.武汉科技大学机械自动化学院，湖北 武汉，430081；2.湖北新冶钢有限公司中棒线项目部，湖北 黄石，435001)

以具有纳米保温材料内衬的新型钢包为研究对象，通过建立三维有限元模型，运用ANSYS软件分析该种新型钢包与传统钢包在烤包和盛钢两种工况下的温度分布，并研究纳米绝热材料的导热系数对新型钢包温度场的影响。结果表明，在两种工况下新型钢包的温度分布均优于传统钢包，新型钢包包壳的最高温度明显低于传统钢包包壳的最高温度，新型钢包的保温隔热性能比传统钢包更加优良；在一定范围内，新型钢包包壳的温度随纳米材料导热系数的降低而不断下降，当纳米材料导热系数降低80%时，新型钢包包壳的温度分布更加均匀，包壳的最高温度降幅最大，新型钢包的热量损失更小，其保温性能得到明显提升。

钢包；纳米隔热材料；温度场；导热系数；保温性能；温度模拟

在炼钢过程中，钢包具备优良的保温性能对降低转炉出钢温度、降低包壳散热量、改善铸坯质量、延长钢包内衬使用寿命、优化生产工艺以及降低生产成本具有十分重要的意义。很多研究者对传统钢包的温度分布进行了大量的研究，但仍然存在着钢包的包壳温度较高、保温效果不显著等问题[1-3]。近年来，国内外对新材料内衬结构的钢包进行研究，也取得了一定的研究成果。Mario[4]对标准钢包和具有绝热材料钢包中钢液的温降过程进行研究，发现具有绝热材料钢包的钢液温降速率比标准钢包低1.9 ℃/min，能节省10.5%的电能。陈义峰等[5]提出了一种新型的钢包内衬结构，对新型钢包和传统钢包的保温性能进行模拟分析得到，新型钢包外壳表征温度较传统钢包低45 ℃，钢包内钢水温降平均速率降低了0.27 ℃/min，新型钢包的保温性能较传统钢包更佳。刘志远等[6]针对炼钢生产中钢水热量散失程度较大的问题，在转炉、钢包和中间包上采用了新型WDS纳米级微孔隔热材料，提高了炼钢设备的蓄热能力，在不影响耐火材料使用寿命的情况下，达到了节能降耗的目的。上述对钢包外壳温度的控制以及不同内衬材料对钢包温度分布影响的研究结果显示，钢包的温度分布和保温性能并不十分理想。为此，本文以具有纳米保温材料内衬的新型钢包为研究对象，通过建立三维有限元模型，运用ANSYS软件分析该种新型钢包与传统钢包在烤包和盛钢两种工况下的温度分布，并研究纳米绝热材料的导热系数对新型钢包温度场的影响，以期为优化新型钢包的内村结构、进一步提高钢包的保温性能提供参考。

1 新型钢包有限元模型的建立

1.1 新型钢包的内衬结构

新型钢包的内衬结构如图1所示。传统钢包的内村主要分为工作层、永久层和包壳三部分。新型钢包在传统钢包的永久层和包壳之间加入了纳米绝热材料层和保护层，其中纳米绝热材料层采用的是由气相氧化硅和硅酸钙制备而成的纳米微孔材料，这种纳米材料的绝热性能是极为优良的[7]；保护层由厚5 mm的钢板焊接而成，加在永久层和纳米绝热材料层之间，以保护价格昂贵的纳米绝热材料层。新型钢包各内衬层所用材料及其在桶身和包底处的厚度如表1所示。

表1 新型钢包各内衬层所用材料及其在桶身和包底处的厚度

Table 1 Material and thickness of each lining layer in barrel body and ladle bottom of the new type ladle

1.2 有限元模型的建立和网格划分

运用ANSYS软件对钢包进行建模，选定建模尺寸(单位:m)，设定建模比例为1∶1，建立的新型钢包三维模型如图2所示。采用自由划分的方式对所建模型进行网格划分，单元尺寸设定为0.1，选用ANSYS中的SOLID70单元进行网格划分，得到112 683个网格和23 943个节点。新型钢包的网格图如图3所示。

1.3 边界条件、材料参数及模拟方法

将烤包工况下钢包内衬工作层的内表面温度设定为1000 ℃，盛钢工况下钢包内衬工作层的内表面温度设定为1600 ℃，环境温度设定为30 ℃。钢包的综合对流换热系数为16.234 W/(m2·K)[8-10]。钢包各内衬层材料的物性参数如表2所示[8]，不同温度下新型钢包各内衬层材料的导热率如表3所示。采用稳态分析法[11]模拟钢包在热稳定状态下各内衬层的温度分布。

表2 钢包各内衬层材料的物性参数

Table 2 Material physical property parameters of each lining layer of ladle

表3 不同温度下新型钢包各内衬层材料的导热率(单位：W·(m·K)-1)

Table 3 Thermal conductivity of each lining layer of the new type ladle at different temperatures

2 典型工况下新型钢包温度场的数值模拟

在相同的模型网格单元类型和边界条件加载下，在烤包和盛钢两种工况下对新型钢包和传统钢包的温度场进行仿真分析。

2.1 烤包工况下新型钢包的温度分布

烤包后新型钢包整体温度分布如图4所示。从图4中可以看出，新型钢包整体温度分布较均匀，其内衬温度由内而外依次降低，在耳轴、上下箍板、肋板及包底边缘处的温度较低。

Fig.4 Overall temperature distribution of the new type ladle after baking

烤包后新型钢包和传统钢包的工作层、永久层温度分布分别如图5、图6所示。从图5中可以看出，虽然两种钢包工作层的温度分布情况大致相同，但新型钢包的工作层表面最低温度为419 ℃，而传统钢包工作层表面最低温度为391 ℃，表明新型钢包工作层热量损失略小于传统钢包。从图6中可以看出，两种钢包永久层的温度分布情况也大致相同，但新型钢包永久层表面最低温度为187 ℃，传统钢包永久层表面最低温度为169 ℃，由此表明，新型钢包的永久层热损失相对于传统钢包也是较小的。

Fig.5 Temperature distribution in the working layer of the new type and traditional ladles after baking

Fig.6 Temperature distribution in the permanent layer of the new type and traditional ladles after baking

烤包后新型钢包保护层和纳米绝热材料层的温度分布分别如图7和图8所示。从图7中可以看出，新型钢包保护层的最高温度达到382 ℃，整个温度分布仍然处在一个较高的水平；从图8中可以看出，新型钢包纳米绝热材料层的最高温度为381 ℃，最低温度只有103 ℃，其内外表面的温差达278 ℃。由此表明，尽管纳米绝热材料层的厚度只有20 mm，但它的保温隔热性能非常优良。

Fig.7 Temperature distribution in the protective layer of the new type ladle after baking

Fig.8 Temperature distribution in the thermal insulating nano-material layer of the new type ladle after baking

烤包后新型钢包和传统钢包的包壳温度分布如图9所示。从图9中可以看出，新型钢包包壳的最高温度为202 ℃，出现在包壳上沿，其高温区域主要集中在包壳上沿、钢包底半径位置处、包壳下半部以及包壳中部位置。而传统钢包的包壳最高温度出现在包壳的最上沿，高达316 ℃。新型钢包包壳的最高温度较传统钢包下降了114 ℃，并且新型钢包包壳的大部分区域温度也较传统钢包低。由此表明，新型钢包的大量热量被阻挡在纳米绝热材料层的内侧，无法传递到包壳，从而使得钢包的热量损失较小，这正是钢包保温的关键[12]。

烤包后新型钢包和传统钢包各内衬层的温度分布如表4所示。由表4可以看出，新型钢包和传统钢包在工作层和永久层的温度分布情况相差不大，当新型钢包加入纳米绝热材料层后，包壳的整体温度大幅下降，其最高和最低温度均明显低于传统钢包。这是因为，新型钢包的大部分热量被阻挡在纳米绝热材料层内侧，而不会传递到包壳。由此表明，新型钢包的热量损失非常小，其纳米绝热材料层具有优良的保温隔热性能。

2.2 盛钢工况下新型钢包的温度分布

盛钢工况下新型钢包整体温度分布如图10所示。从图10中可以看出，在盛钢工况下新型钢包的整体温度分布与烤包工况下类似，其整体温度分布比较均匀，内衬温度分布也是由内而外依次降低，温度较低的部位仍在钢包的耳轴、上下箍板、肋板及包底边缘处。

Fig.10 Overall temperature distribution of the new type ladle during steel holding

盛钢工况下新型钢包和传统钢包的工作层温度分布如图11所示。由图11可以看出，盛钢工况下两种钢包的工作层温度分布类似，新型钢包工作层表面最低温度为633 ℃，传统钢包工作层的最低温度为623 ℃。由此表明，新型钢包的工作层热量损失较传统钢包略小。

图11 盛钢工况下新型钢包和传统钢包的工作层温度分布

Fig.11 Temperature distribution in working layer of the new type and traditional ladles during steel holding

盛钢工况下新型钢包和传统钢包的永久层温度分布如图12所示。由图12可看出，盛钢工况下两种钢包永久层的温度分布大致相同，但新型钢包永久层的温度分布较传统钢包更加均匀。

图12 盛钢工况下新型钢包和传统钢包的永久层温度分布

Fig.12 Temperature distribution in the permanent layer of the new type and traditional ladles during steel holding

盛钢工况下新型钢包保护层和纳米绝热材料层的温度分布分别如图13和图14所示。从图13中可以看出，新型钢包保护层的最高温度达到543 ℃，温度分布处在一个较高的水平。从图14中可以看出，新型钢包纳米绝热材料层的最高温度为542 ℃，最低温度只有129 ℃，内外表面的温差达到了275 ℃。由此表明，在盛钢工况下，纳米绝热材料层也依然能够将从保护层传递来的大量热量阻挡在其内侧，起到了良好的保温隔热作用。

Fig.13 Temperature distribution in the protective layer of the new type ladle during steel holding

Fig.14 Temperature distribution in the thermal insulating nano-material layer of the new type ladle during steel holding

盛钢工况下新型钢包和传统钢包的包壳温度分布如图15所示。从图15中可以看出，新型钢包包壳的大部分区域温度在143～228 ℃范围内，其最高温度为250 ℃，出现在包壳内壁，包壳内外表面的温差为85 ℃。传统钢包包壳的最高温度和最低温度出现的位置与新型钢包类似，但包壳的最高温度高达359 ℃，包壳内外表面温差为91 ℃。新型钢包包壳的最高温度较传统钢包降低了109 ℃。由此表明，即使在盛钢工况下，具有纳米绝热材料内衬的新型钢包的热量损失较少。

图15 盛钢工况下新型钢包和传统钢包的包壳温度分布

Fig.15 Temperature distribution in the shell of the new type and traditional ladles during steel holding

盛钢工况下新型钢包和传统钢包各内衬层的温度分布如表5所示。从表5中可以看出，在盛钢工况下，两种钢包在工作层和永久层的温度分布情况同样相差不大。但是对于加入了纳米绝热材料层的新型钢包来说，其包壳的整体温度相对于传统钢包大幅降低，包壳的最高温度与最低温度均明显下降。由此表明，即使是在盛钢工况下，纳米绝热材料层依然能将大量热量阻挡在其内侧，而不会传递到包壳，从而使钢包的热量损失较小。因此，新型钢包在盛钢工况下也具有优良的保温隔热性能。

3 纳米材料的导热系数对新型钢包温度场的影响

在纳米绝热材料的物性参数中，材料的热传导系数对温度场的影响较大[13]。同时，在钢包内衬结构中，包壳可以作为一个衡量钢包整体保温性能的载体[14]。因而本文主要分析在盛钢工况下纳米绝热材料导热系数的变化对新型钢包包壳温度的影响。

降低纳米材料导热系数后新型钢包包壳的温度分布如表6所示。从表6中可以看出，当纳米材料的导热系数分别降低20%、40%、60%、80%后，包壳的最低温度较采用原始纳米材料时分别下降1、2、5、10 ℃；包壳的最高温度较采用原始纳米材料时分别降低了8、20、40、80 ℃，并且包壳外表面大部分区域所处的温度都比采用原始纳米材料时包壳的温度要低。由此表明，在一定范围内，新型钢包的包壳温度是随着纳米材料导热系数的不断减小而呈线性降低的。这是因为，根据传热学的理论，热传导对于固体材料而言，当导热系数降低，而壁厚未变的情况下，热阻就会变大，所以减小纳米材料的导热系数，其实质就是增大了纳米材料的热阻，单位时间内通过纳米保温层的热量就会减小，热损失就小，最终能够传递到包壳的热量较少，导致包壳的温度较低。从表6中还可看出，当纳米材料导热系数降低80%时，新型钢包包壳的最高温度降幅最大，包壳外表面大部分区域的温度较低且温差较小。由此表明，当纳米材料导热系数降低80%时，新型钢包包壳的温度分布比较均衡，热量损失较小，新型钢包的保温性能得到了进一步提升。

表6 纳米材料导热系数降低后包壳的温度分布

Table 6 Temperature distribution in the shell after the decrease of thermal conductivity of nanometer material

4 结论

(1)加入了纳米绝热材料层的新型钢包的温度分布明显优于传统钢包。在烤包工况和盛钢工况下，新型钢包包壳的最高温度比传统钢包包壳的最高温度分别降低了114 、109 ℃，新型钢包的热量损失明显减少，保温隔热性能比传统钢包更加优良。

(2) 在一定范围内，新型钢包包壳的温度随纳米材料导热系数的降低而不断下降。当纳米材料导热系数降低80%时，新型钢包包壳的最高温度降幅最大，包壳的温度分布更加均匀，热量损失更小，新型钢包的保温性能得到明显提升。

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[责任编辑 张惠芳]

Simulation analysis of temperature field and its influence factors of the new type ladle

LiGongfa1,LiuZe1,KongJianyi1,JiangGuozhang1,ChangWenjun1,LiBei1,LiHui2

(1. College of Machinery and Automation, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China;2.Project Department of Medium Size Steel Bar, Hubei Xinyegang Steel Co., Ltd.， Huangshi 435001, China)

With a new type ladle with heat insulation nano-material lining as the research object, the 3D finite element model was established,and the temperature field of the new type and traditional ladles were analyzed by ANSYS under the working conditions of ladle baking and steel holding. The effect of thermal conductivity of heat insulation nano-material on the temperature field of the new type ladle was investigated. The results show that temperature distribution of the new type ladle is better than that of the traditional ladle under two different working conditions, and the maximum temperature of the new type ladle shell is obviously lower than that of the traditional one, which indicates that the thermal insulation property of the new type ladle is superior to that of the traditional ladle. Within a certain range,the temperature of the new type ladle shell decreases with the decrease of the thermal conductivity of heat insulation nano-material. When the thermal conductivity of heat insulation nano-material is reduced by 80%, temperature distribution of the new type ladle shell becomes more uniform and its maximum temperature shows the largest decline. In addition,the heat loss of the new type ladle is smaller, which means that the thermal insulation property of the new type ladle is significantly improved.

ladle; nano insulation material; temperature field; thermal conductivity; thermal insulation property; temperature simulation

2015-10-22

国家自然科学基金资助项目(51075310,51505346)；湖北省自然科学基金资助项目(2010CDA023).

李公法(1979-)，男，武汉科技大学副教授，博士. E-mail:ligongfa@wust.edu.cn

TF796.2

A

1674-3644(2015)06-0401-07