抽风式预热过程浸入式水口升温特性研究

王长军，于 洋，李宝宽

(东北大学 冶金学院，沈阳 110819)

浸入式水口是安装在中间包底部并插入到结晶器钢液面以下的耐火材料套管.其主要作用是将中间包内的钢液输送到结晶器、保护钢液不发生二次氧化、促进夹杂物上浮以及改善钢液在结晶器内的流动状态[1-3].浸入式水口的使用条件极为苛刻，不仅承受浇钢过程中钢液和保护渣的侵蚀，还要经受浇钢初期由于钢液与水口间的温差造成的强烈热震[4].实际工程中通过对水口预热来减弱这一影响，以提高水口使用寿命，并且发现水口预热温度越高，浇钢时水口热应力越低[5].

目前钢厂普遍采用抽风式烘烤方式对水口进行预热，通过抽风系统将烘烤中的中间包内的热空气余热经浸入式水口内腔抽到烘烤箱内，再经抽风管排出来达到预热浸入式水口的目的[6].通常选取烘烤后水口颈部温度判断水口预热质量[7].增加水口预热时间和预热气体流量，缩小烘烤箱尺寸及提高抽风口位置均可以提高水口预热温度[8-10].其中抽风流量对水口预热温度影响显著；研究发现，利用气体喷射引流技术能明显提高水口抽风流量，进而大幅度提高了水口颈部预热温度[11].浸入式水口常见材质为铝碳质，水口强度随着烘烤温度的升高而下降，在500～600 ℃之间水口强度最低，随着烘烤温度继续上升强度增加，为提高水口使用寿命，要求水口在预热的开始阶段快速升温，以便迅速越过低强度区.

本文对抽风式烘烤箱预热浸入式水口过程进行三维流固耦合计算[12]，分析浸入式水口的温度场变化情况，得出浸入式水口预热质量与预热时间及进出口压差的关系.

1 数学模型

1.1 物理模型

根据实际尺寸建立抽风式烘烤箱物理模型，烘烤箱内腔直径380 mm，内腔深度644 mm，筒体高强浇注料厚度60 mm，筒体外侧保温层无石棉硅钙板厚度20 mm，烘烤箱底座硅酸铝耐火纤维厚度60 mm，烘烤箱进口直径150 mm，出口直径107 mm.模拟的浸入式水口内腔直径130 mm，水口壁面厚度10 mm，水口长度600 mm，水口为单口直通式不含SiO2铝碳质浸入式水口，物理模型如图1所示.工作时会在烘烤箱抽风口侧造成负压，在进出口压差的作用下抽取烘烤中间包内热空气，与浸入式水口发生对流换热，从而达到预热水口的目的.

图1 抽风式预热箱物理模型Fig.1 Physical model of preheating apparatus with deflating

图2 抽风式预热箱网格划分Fig.2 Grid of preheating apparatus with deflating

分别对固体域和气体域进行离散化，网格划分情况如图2所示，除抽风管道与筒体交接处采用非结构网格外，其余区域均为结构化网格.网格数目共计72万，并进行了网格无关性验证.

1.2 物性参数

设定中间包内热空气温度为1 050 ℃，浸入式水口及预热箱材料的物性参数按1 000 ℃条件下进行选取，该条件下各材料物性参数见表1.

表1 1 000 ℃条件下的材料物性参数Table 1 Material physical parameters at 1 000 ℃

1.3 模型设置

采用标准k-epsilon湍流模型和增强壁面函数[13]，湍流强度为3%.

设定浸入式水口入口为压力入口边界条件，取101.3 kPa，抽风口为压力出口边界条件，外界空气温度和初始温度均为27 ℃.水口外壁与外界空气对流换热系数为12 W/(m2·K)[14]，高强浇注料与外界空气对流换热系数为12 W/(m2·K)[15]，无石棉硅钙板与外界空气对流换热系数为8 W/(m2·K)，硅酸铝耐火纤维与外界空气对流换热系数为6 W/(m2·K)[9]，不同材质间的热边界条件为耦合.

2 模型验证

对模型进行网格无关性验证，如图3所示.对模型进行网格划分，获得网格数分别为28万、55万和72万的计算模型，并在相同的边界条件下对三组对象进行数值模拟.对模型中浸入式水口内腔中心轴线位置处的预热气体速度分布进行检测分析，由图3可以看出，55万网格数与72万网格数的模拟结果差别不大，计算结果趋于稳定，模型的网格无关性测试表现良好，可以认为72万网格满足网格无关性要求，用于研究抽风式预热水口升温特性的可靠性得以验证.

3 结果与讨论

3.1 预热时间对水口预热温度影响

图4为整个预热装置在进出口压差3.0 kPa，烘烤10 min后的温度场.由图可以看出烘烤箱内抽风口侧的热空气温度较低，导致该侧热空气与浸入式水口对流换热强度较低，引起水口的周向温度分布不均，对水口预热质量产生微弱的影响.另一方面，在浸入式水口轴向方向，高温区域表现为由水口出口侧向水口颈部传递，水口轴向温度分布不均，并且水口颈部位置的预热温度明显低于水口其他位置的温度，故选取水口颈部的预热温度和水口轴向温度梯度来判断水口预热质量.

图5 水口温度场变化Fig.5 Temperature field changes of submerged entry nozzle t1=10 min； t2=20 min； t3=30 min； t4=40 min； t5=50 min； t6=60 min

图5为压差3.0 kPa条件下水口温度场随预热时间t的变化规律.各浸入式水口温度云图为水口位于图4位置时的外表面主视图温度分布，图中各水口左侧区域均为靠近预热箱抽风口出口侧区域.从左至右依次为水口预热10 min到60 min 后的温度场情况，可以看出，随着预热过程的进行,水口的周向与轴向温度分布不均逐渐减弱，预热40 min后几乎只存在轴向温度梯度；水口颈部一直处于预热过程的薄弱环节，并且水口预热温度场在预热的前40 min变化明显，随着预热过程的继续进行，水口温度场趋于稳定.

图6 水口温度与预热时间关系Fig.6 Relation between temperature of nozzle and preheating time

水口预热的薄弱环节为水口颈部位置，以水口颈部外壁烘烤温度作为判断水口预热质量好坏的条件.图6为预热箱进出口压差分别为1.5 kPa、2.0 kPa、2.5 kPa、3.0 kPa、3.5 kPa、4.0 kPa六种工况下水口颈部外壁温度随时间的变化规律曲线.可以看出，预热的前30 min，水口颈部外壁温度曲线以接近线性规律上升，并且压差越大，斜率越大，随着水口温度的升高，温升率逐渐降低；并且该预热箱模型能够在较短的时间内将水口颈部外壁预热到800 ℃甚至更高，满足工艺要求.预热60 min后，水口颈部外壁温度几乎不变，水口的预热情况趋于稳定状态，此时可以进行压差对水口预热质量的影响分析.

3.2 压差对水口颈部预热温度的影响

通过模拟六种工况下浸入式水口颈部位置的升温状况，分析压差对水口预热质量的影响.由表2可以看出，抽风式烘烤箱进出口压差对水口预热温度的影响主要是因为压差影响着水口内腔的热空气质量流量，增大压差会增强烘烤箱内的热空气湍流强度，进而增强了热空气与水口之间的对流换热.

表2 不同压差下的质量流量Table 2 Mass flux at different pressure differences

评判水口预热质量高低的一个方法是分析水口颈部内外壁温度，图7为六种工况下浸入式水口充分预热60 min后水口颈部内外壁温度.由图可以看出，该抽风式预热装置模型满足在1～2 h内将水口预热到800 ℃甚至更高的要求.水口颈部外壁温度总是低于水口颈部内壁温度，符合物理现象，同时六种工况下水口颈部内外壁温度差平均为7 ℃，表明水口预热已达到稳定状态.随着进出口压差的增大，水口颈部内外壁预热温度增高，说明增大压差会提高热空气质量流量，进而提高浸入式水口颈部预热温度，提高水口预热质量.

图7 压差对水口颈部温度影响Fig.7 Effect of pressure difference on temperature of nozzle neck

3.3 压差对水口轴向预热温度梯度的影响

水口轴向温度分布也是判断水口预热质量高低的一个因素.图8为六种进出口压差条件下，水口充分预热60 min后的水口轴向温度分布.图中横坐标表示的是水口轴向温度取值点的位置，坐标从小到大代表温度取值点从水口出口处到水口颈部位置.由图可以看出，压差对水口轴向预热温度梯度的影响主要体现在对水口颈部温度的影响.在压差为1.5 kPa时水口轴向平均温度梯度为432 ℃/m，而压差为4.0 kPa时水口轴向平均温度梯度为360 ℃/m.可见压差越大，水口颈部预热温度越高，水口轴向温度梯度越小，水口预热温度分布更合理，有利于增加水口的使用寿命.

图8 压差对水口轴向温度分布影响Fig.8 Effect of pressure difference on axial temperature distribution of the nozzle

4 结 论

本文通过模拟抽风式预热装置预热浸入式水口过程，对模拟结果进行分析，得到如下结论：

(1)该抽风式烘烤装置抽风口会对水口前期的周向温度分布产生一定影响，但在对水口进行充分预热后，该影响会逐渐减弱直至消失.

(2)水口颈部位置是预热过程的薄弱环节，前30 min该位置温度接近线性变化，随着预热的继续温升率逐渐减小，烘烤 60 min后水口预热温度趋于稳定状态，预热温度可达到800 ℃甚至更高.

(3)水口颈部温度受压差影响明显，预热60 min 后，进出口压差越大，水口颈部预热温度越高，在进出口压差为4.0 kPa时，水口颈部内壁温度858 ℃，水口颈部外壁温度851 ℃.

(4)进出口压差影响水口轴向温度分布.压差为1.5 kPa时水口轴向平均温度梯度为432 ℃/m，而压差为4.0 kPa时仅为360 ℃/m.说明进出口压差越大，水口轴向温度梯度越小，水口温度分布更合理，水口预热质量越高，故在条件允许的前提下应尽量增加预热箱进出口压差.

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