基于Fluent的托圈及联接装置温度场研究

杨 权,何 康

宿州学院机械与电子工程学院，宿州,234000

转炉托圈是炼钢设备的重要组成部分，承受着炉体和钢液的全部重量以及钢水的高温载荷。通过模拟托圈循环水的流固耦合界面，可准确反映托圈及联接装置的温度场、热应力，并有效降低热应力，减小托圈的变形甚至裂纹，延长托圈寿命。通入冷却水的转炉托圈温度场是典型的热-流-固三场耦合，借助Fluent流固耦合计算功能可解决托圈三场耦合分析的难题。

很多学者通过有限元分析软件对耦合传热问题进行了仿真。陈红岩等人通过建立活塞组-缸套-冷却水-机体的整机耦合传热系统模型，选用稳态传热方式，提取耦合系统的温度场和流场分布结果[1-2]。吴永海等使用CFD方法，采用APDL和Fortran语言编程材料性能与温度的关系计算了身管系统的瞬态温度场[3]。骆清国采用Workbench软件对由缸盖、缸盖内冷却水道和排气导管组成的局部系统进行了耦合传热分析，模拟了额定工况下气缸盖的温度场[4]。李磊等采用Fluent软件,在稳态传热情况下对离心式压气机进行了热-流-固耦合分析[5]。

解决托圈-流体耦合传热问题的数值解法是整场离散和整场求解[6-7]，它将不同区域中的热传递组合成一个整体进行对流换热的求解，采用Fluent提供的标准壁面函数法对流固耦合界面处的流动边界层和传热边界层进行处理。托圈温度分析需要有热载荷和热边界约束做支撑，温度测试是模拟托圈循环水温度场首要前提。

1 红外测试托圈的温度

红外测温是一种基于热辐射原理，测温时元件不需与被测介质接触的非接触式测温方法[8]。红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成[9]。

本文采用红外测温仪的型号为RAYRPM20L3U，测温范围为-20～700℃。根据红外测温仪的原理，于转炉托圈的倾动过程，测试出托圈和炉体的温度测温点附近的温度。

数据处理得到下盖板和外腹板的温度分布情况，托圈下盖板最高温度为79.6 ℃左右，最低温度为44.2 ℃左右，靠近耳轴块的外腹板区域温度在43 ℃浮动。在测试托圈温度分布时，为提供托圈的加载条件，对炉体的一些部位也进行了测试。炉体底面温度在238 ℃浮动。

进行温度测试为托圈流固耦合分析提供热载荷和比较，建立转炉托圈整体合理的流固耦合模型对托圈进行流固耦合分析，仿真其温度场和流场分布至关重要。

2 托圈内部流体分析

2.1 托圈的流体及有限元模型

托圈循环水经长耳轴一端进入，穿过封闭箱型内的筋板，从短耳轴端流出。根据钢厂托圈结构，给出托圈水流分布模型，如图1。整个转炉系统有9根通径为50 mm的管道通往系统不同的部位，其中4根管子通往托圈，3根管子通往炉帽，2根管子通往炉体，托圈的流量为总流量的4/9，炉帽占总流量的3/9，炉体占2/9。系统进水总流量为276 m3/h，托圈的流量为123 m3/h。

图1 托圈水循环示意图

将建好的模型导入Fluent中，在Fluent中建立有限元模型，网格划分结果如图2。模型划分后共有337 791个节点，2 040 400个单元，其中水体单元468 831个，托圈占43.4%，炉体占6.7%，其他为联接装置，并定义材料属性。

图2 托圈及联接装置网格划分

采用流体和固体直接耦合进行传热计算，可以获得较为精确的温度场。Fluent软件求解流固耦合传热问题时，要将流固交界面设置为interface。传热过程中炉体与联接装置、联接装置与托圈在热传递的过程中需要设定接触换热系数[10]，取接触换热系数为2 500 W/(m2·K)。

2.2 转炉托圈系统热分析的CAE模型及边界条件

在实际工作环境中，炉体、托圈、联接装置及水体与外界的热交换行为极其复杂。由于整个系统中各零件材料属性、热传导、热对流、热辐射位置与温差各不相同，导致了各零件的边界条件也不相同。托圈的温度边界条件加载可以用对流换热系数代替。如表1所示。

表1 托圈各部位加载温度及对流系数

在托圈温度场模拟时，流场边界条件如表2。

表2 托圈循环水边界条件

3 托圈及联接装置温度场分析结果

Fluent后处理软件Tecplot展现出温度的单位是K，因此要转化为℃。根据转炉托圈实际温度分布和加载的温度载荷分析可知，其整体温度呈现对称分布，最高温度为317 ℃，最低为27 ℃，如图3。炉体通过辐射作用把温度辐射到托圈的内腹板、上盖板和下盖板，再配合流体散热、空气对流换热和材料内部热传导，把温度传递到托圈的各部位，托圈最高温度为127 ℃，位于内腹板处。最低温度为27 ℃，上、下盖板温度分布为67～77℃(图4)，从图5x-z截面和图6托圈内部钢管温度分布可以看出温度是从内向外逐渐过渡。

图3 托圈及联接装置整体温度分布(K)

图4 托圈温度分布(K)

图5 托圈x-z截面温度 (K)

图6 托圈内部钢管温度分布 (K)

炉体、水平联接装置(止动滑块)和竖直联接装置(三点球铰装置)在结构上对称，温度分布符合对称分布。炉壳温度场基本对称，在竖直方向上呈现层状分布，最高温度处于炉身与托圈相对处约为317 ℃，低于材料16 MnR的蠕变温度400 ℃。三点球铰在竖直方向连接着炉壳与托圈，在温度方面起着传导的作用，温度分布为87～157 ℃。止动滑块在水平方向连接着炉壳与托圈，温度分布为87～267 ℃，如图7-9。

图7 三点球铰温度分布(K)

图8 球铰温度分布 (K)

图9 炉体及止动滑块温度分布(K)

提取流体的温度分布，如图10，读出入口处温度为26 ℃，出口处温度为42 ℃，实际入口温度为25 ℃，出口温度为41 ℃。计算入口温度比实际温度高了1 ℃，出口温度高了1 ℃，入口误差为4%，出口误差为2.4%。

提取托圈内水体流速，如图11，流体最大速度为2.2 m/s，出现在两端耳轴块的分管处，管道分支地方，直径突然减小，截面积减小，造成分管处速度增加。图11也显示了游动端耳轴块的速度分布，4个管道的速度都很大，速度方向朝外，而且基本上呈对称分布，这与管道实际速度分布相同。入口处速度为0.7 m/s，与实际基本相符。

图10 托圈水体温度分布 (K)

图11 托圈水体流速分布(m/s)

4 结 论

本文以流固耦合为基础，利用Fluent软件模拟了托圈、冷却水及联结装置的温度场。通过软件数值仿真计算可得到以下结论：

(1)将数值仿真温度与红外测温仪测量温度进行比较，温度误差小于5%，可知仿真温度与测量温度基本吻合，证明了仿真方法的正确性。托圈内部水循环入口温度为26 ℃，出口温度为42 ℃，实现了水冷效果。

(2)转炉托圈及联接装置的温度场成对称分布，炉壳温度场在竖直方向上分层，最高温度为317 ℃，低于材料的蠕变温度(400 ℃)，同时得到了水平联接装置和竖直联接装置的温度场分布。