钢包行为

版权所有,2000(c)AnjunXu,USTB钢铁制造流程中的钢包行为钢包形状炼钢厂钢包运行路径示意图LD2LD1LD3RH1RH2CAS1CAS2B1B2B3CC2CC1提纲钢包在钢铁制造流程中的作用•钢包热状态研究•钢包周转与钢厂物流调控•钢包研究与应用的典型实例钢包在钢铁制造流程中的作用•钢水容器（强度，耐材，保温性，容量，工艺适应性）•冶金反应器（合理结构，适应性）•物流载体（合理周转时间）提纲•钢包在钢铁制造流程中的作用钢包热状态研究•钢包周转与钢厂物流调控•钢包研究与应用的典型实例钢包热状态研究•研究状况•实测研究•数值模拟•传热反问题研究及其应用研究状况1、早期研究工作V.Paschkisetc.:假定通过钢包包壁和上表面的热流是稳定的，根据热平衡原理，将钢包内的钢水视为均匀的整体，采用电模拟方法进行热流分析，计算钢水温降。计算过程中，出钢温度、包衬耐材的热物性和厚度、钢包的容量和形状、钢水和炉渣的液固态性质、钢水上表面辐射系数等均为常数。并做了一系列假设，如转炉出钢过程时间为零、钢水上表面炉渣层厚度为零等，显然，此模型只是近似地提供了一种定性理解影响钢水温度的时间因素的方法，不能准确计算实际生产中的钢水温度。J.G.Henzel和J.Keverian:假定钢包内一直装满钢水且钢水温度均匀，取钢水与侧壁接触时间为实际浇铸时间的一半，渣层不透明且对热流没有影响，然后按稳态热传导方程计算通过渣层和包壁的热量，将计算结果绘制成给定条件下的盛钢时间和钢水温降的关系图，用以指导电弧炉的出钢温度。该法没有考虑包底的传热，包衬温度取为平均常数值，具有局限性。研究状况J.H.Ludley、RobertGLee和J.Szekely：通过分析钢水表面形成金属凝固层的辐射和对流传热综合损失、不同厚度渣层对传热的影响，认为钢水是均温的，忽略通过包壁、包底的热传导和耐材的吸热，通过上表面渣层传导到与空气交界面处的热量等于对流和辐射传到空气中的热量，所建立的各固相层的一维不稳态导热方程在与空气交界面的边界条件中包括辐射和对流传热两项，用有限差分方法求解。该研究对钢包对钢包传热的模拟工作起到了一定的推动作用，并能在一定条件下估算钢水热量损失。但由于忽略了包衬的影响，模型误差较大。研究状况J.Szekely和J.W.Evans：针对钢包真空脱气处理过程中，钢水上表面无覆盖层的特殊情况，假设气体不吸收和反射热量，忽略对流传热，将裸露于空气中的钢水表面辐射表述为圆柱凹窝内辐射传热，建立了钢水表面、钢包内侧壁及包盖内表面三者构成的封闭空间体系相互辐射换热的热流表达式，经过包壁和包盖内表面传入其内衬的净热量采用一维不稳态热传导方程，运用包括逐级积分在内的数值计算方法，由于系统使用的参数太多，计算结果不能覆盖实际操作参数的变化范围，J.Szekely指出了裸露钢水表面的热损失相当于通过与钢水直接接触的包壁因热传导损失的热量等等一系列关系。此研究中采用的传热基本理论对生产有参考价值，但因为它侧重某一特定内容，或因简化处理某一前提条件，结果只对当时某一特定条件下的生产有指导作用，可通过它掌握所需的出钢温度和正常持续浇铸时间。但与实际生产差距较大。研究状况Hlinka和T.W.Miller：忽略钢包内的对流传热是数学方法产生缺陷的主要原因。为此设计了水模型试验方法，模拟钢水与耐材完全接触体系中的钢水温度变化与包衬的关系。试验结果表明，不管表面渣层厚度，钢水内部存在自然对流现象且对浇铸温度有较大影响。另外渣层厚度对传热也有影响，渣层较薄时，钢水与渣层交界面处的温度损失大于包壁和包底处的温度差，表面处的钢水冷却较快而密度增加，由此形成钢水向下流动与中心钢水混合，钢包内不存在温度分层现象；渣层较厚时，较好的绝热作用使渣、钢交界面处没有大的热损，散热主要集中在侧壁，使该处钢水温度偏低，密度变大而向下形成对流钢流，此钢流到达底部时，引起钢水温度分层。虽然钢水的对流并不改变钢包整体热平衡，但它解释了钢水浇铸过程中的温度变化现象，为获取稳定的浇铸温度提供了理论依据。该观点提出后，得到了冶金界的普遍承认，并应用于实际钢水的温度控制。J.Szekely和J.H.Chen对上表面很好绝热的150吨钢包假设紧临包壁的冷钢水的对流流量为3吨/分，计算了其内部对流流动现象。结果表明，钢包水口处的浇铸速度小于对流速率，冷钢水流先流入水口。虽然钢包吹Ar可以消除钢水静置时的温度分层，但吹Ar毕至连铸开浇之间不可避免地存在时间间隔，温度分层又会出现。研究状况R.Widdowson、R.Baker和W.R.Irving:分别定量计算了钢包钢水热损失，开发了铸流温度的数学模型。通过分析浇铸速度和自然对流速度的影响，进一步推算了钢包内钢水温度分层。经过英钢联BSC厂间断测量铸流温度验证，在考虑钢水温度分层时，计算值和测量值能较好吻合,已开发出的模型大都较好地应用到了实际生产中，但由于一些重要的过程数据不能及时获得，这些模型都不能在线应用，而且它们大都是在模铸条件下开发出来的，依然不能较好地应用于指导连铸生产。研究状况2、现在工作：主要体现在连铸发展、钢水精炼带来的变化。•采用优质耐火材料•钢水温度均匀性•钢水温度严格控制•保温性要求提高•寿命要求提高•工艺流程的整体性要求提高重新根据具体条件研究钢包非常必要实测研究钢包烘烤预热阶段（0－1）出钢等待阶段（1－2）出钢装钢阶段（2－3）静置转运阶段（3－4）精炼阶段（4－5）连铸/模铸浇注阶段（5－6）数值模拟（钢包烘烤预热阶段）q盖A盖Tf盖－环烘烤烧嘴包盖钢包包体烘烤火焰q外壁A外壁Tf壁－环q底A底Tf底－环数值模拟（钢包烘烤预热阶段）能量平衡方程为：Q燃＝q气－iFi式中，Q燃：燃料燃烧供热量（J/小时）q气－i:燃烧产物向包盖、包壁和包底的热通量（J/m2·h）i=V:表示包底；i=T:表示包盖；i=B:表示包壁；Fi:包底、盖、壁面积（m2)。数值模拟（钢包烘烤预热阶段）高温烟气对钢包壁、包底和包盖的耐火材料层的传热、应考虑气体辐射和对流传热，这样，热流q气-i为：qi=Fi{[T气4-Ti4]+气－i(T气-Ti)}式中，：辐射常数，＝5.67×10-8w/m2·Ki：钢包内表面黑度Fi：传热面积,m2A：钢包内表面吸收率气：燃烧气体黑度，T气Ti时，气＝Ai气－i：燃烧气体与钢包表面的对流传热系数，w/m2·KTi：包内表面温度（K）T气：燃烧烟气温度（K）欲求包壁的温度分布，需求解热传导方程。包侧壁看作无限长园筒，只有径向热流，包底和包盖看作无限大平板，只存在轴向热流。数值模拟（钢包烘烤预热阶段）包壁的热传导方程为：r壁内rr壁外，01初始条件：=0T壁＝T室温边界条件：10r=r壁内，q=q气-i(i=B)r=r壁外，q=壁－环（T壁外－T环）包底的热传导方程为：z底内zz底外，10初始条件：=0T底＝T室温边界条件：10z=z底内，q=q气－I(i=V）z=z底外q=底－环（T底外－T环）包盖的热传导方程为：z底内zz底外，10初始条件：=0T盖＝T室温边界条件：10z＝z盖内，q=q气－i（i=T）z＝z盖外q=盖－环（T盖外－T环）包壁、包底、包盖的热传导差分方程，采用显式差分格式。)]([1xTxCpT)]([1xTxCpT)](1[1rTrrrCpT数值模拟（出钢等待阶段）钢包壁、包底内部的温度分布及随时间的变化可用前面类似的热传导方程进行计算,只是内表面处的边界条件不同.包壁:21时，r=r壁内，q=q’气－i,i=B包底:21时，z=z底内，q=q’气－i,i=V另外,初始条件由烘烤终了的包衬状态确定,即＝1时，T壁＝T壁(r);T底＝T底(z)数值模拟（出钢装钢阶段）出钢口钢流y钢流向环境散热T环壁－环q自由面A自由面q壁外qqA壁外()T环壁－环钢水q底外A底T环底－环数值模拟（出钢装钢阶段）假设:钢包锥度忽略,包壁看作无限长圆筒,包底为无限大平板;钢流搅动钢水,使包内钢水均匀,且不存在炉渣的影响;由于出钢时间相对比较短,自由表面直接对外传热,暂时尚未浸入钢水的侧壁传热不予考虑。数值模拟（出钢装钢阶段）钢水与包壁及包底耐火材料之间的传热可由求解热传导方程获得。包壁热传导方程如前所示。边界条件为:32时，r=r壁内，q=钢－壁(T钢()-T壁内)r=r壁外，q=壁－环(T壁外-Tf)初始条件:=2时，T壁＝T壁(r)包底热传导方程如前所示。边界条件为：32时，z=z底内，q=钢－底(T钢()-T底内)z=z底外，q=底－环(T底外-Tf)初始条件:=2时，T底＝T底(z)上述初始条件由空包运至出钢处的状态确定。数值模拟（出钢装钢阶段）假定:转炉出钢过程中,钢水温度恒定;出钢口流出质量流量恒定;钢水入包符合自由落体规律;钢流为圆形断面。取钢流微元控制体,由能量平衡原理有:[微元体向外传热量]=[向环境辐射传热]+[向环境对流传热],即:r02v钢Cp钢(-dT钢)=2r0dy[钢(T钢4-T环4)+钢－环(T钢-T环)]式中,r0:钢流断面半径;v:钢流速度；钢:钢水密度；Cp钢:钢水比热;T钢:钢流温度;dy:微元体高度;钢:钢水黑度系数;钢－环:钢水对外对流换热系数；T环:周围环境温度。将上式整理得:)])(())(([*]2(2[4400TyTTyTgyvCprKdydT数值模拟（出钢装钢阶段）钢水进入钢包后的能量平衡为：M钢()Cp钢(dT钢/d)=Cp钢r02v进包钢[T进包－T钢()]+q底内()*A底＋q壁内()*A壁()+q自由面()*A自由面式中,M钢()：包内钢水质量;v进包：钢水进入钢包液面的速度;T进包：钢水进入钢包液面的温度;T钢()：任一时刻包内钢水温度;q底内()：钢水通过包底的传热流量;q壁内()：钢水通过包壁的传热流量;A底：包底面积;A壁()：钢水与包侧壁接触面积,它随时间变化;q自由面()：自由表面向外传热流量，q自由面()＝－渣[T钢()4-T环4]+渣－环(T钢()-T环)]A自由面:自由表面面积,A自由面＝A底这样,由上式即求得包内钢水在出钢过程中的温度变化。方程的求解可用欧拉方法。在出钢过程中,由于脱氧和合金化操作要加入部分铁合金,影响钢水温度变化，按经验式计算。数值模拟（静置转运阶段）q渣层A渣层Tf渣－环渣层钢水q壁外A壁外Tf壁－环q底外A底Tf底－环数值模拟（静置转运阶段）出钢完毕,钢水将运送到精炼站,其间存在一个静置传运阶段。此刻炉渣上浮至钢水表面形成渣层,为保温,还要在渣面加碳化稻壳作为保温剂,一般不加盖。钢水通过包壁、包底、渣层向外传热。如图所示，包内钢水能量平衡为：M钢Cp钢(dT钢/d)=q底内()*A底＋q壁内()*A壁+q渣层()*A渣层由上式即可求得静置阶段钢水随时间的变化，其中，q壁内()、q底内()、q渣层()均可求解相应的热传导方程获得。包壁热传导方程同前。边界条件为：43时，r=r内壁，r=r外壁，q=壁－环(T外壁-T环)初始条件为：=3时,T壁＝T外壁(r),T钢水＝T钢水(3)包底热传导方程同(5.5)。边界条件：43时，z=z内壁，T底内＝T钢()底z=z外壁，q=底－环(T底外-T环)初始条件：=3时,T底＝T底外(z),T钢水＝T钢水(3)在此需要说明的是，钢水在静置状态下，包内存在钢水温度分层现象，在确定边界条件时，应考虑钢水沿钢包高度方向的温度变化。TAMq数值模拟（静置转运阶段）在实际情况下，钢水自由表面上覆盖的渣层上方存在一个自由空间，自由面与其上方钢包侧壁、环境之间有辐射换热。