蔣波，尹平，劉慶運

(1.費斯托（中國）有限公司上海201206;2.馬鋼股份特鋼公司;3安徽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院,安徽馬鞍山，243000)

鋼包加蓋過程仿真及其保溫性能研究

蔣波1，尹平2，劉慶運3

(1.費斯托（中國）有限公司上海201206;2.馬鋼股份特鋼公司;3安徽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院,安徽馬鞍山，243000)

基于ADAMS建立了鋼包加蓋的模型，對鋼包取蓋過程進行了動力學(xué)仿真分析，驗證插齒式揭蓋機構(gòu)的可行性，并根據(jù)仿真結(jié)果對其結(jié)構(gòu)重新設(shè)計改進。利用有限元法建立了鋼包的熱力學(xué)模型，分析了鋼包穩(wěn)態(tài)溫度場的分布，并將穩(wěn)態(tài)溫度場作為初始條件加載到模型中進行鋼包加蓋的瞬態(tài)熱分析，獲得了鋼包的溫度變化曲線。仿真結(jié)果表明鋼包加蓋后可以使鋼包節(jié)能約115伊105kJ，可見對鋼包蓄熱能力影響顯著。

鋼包加蓋;虛擬樣機;有限元分析;溫度場;仿真

1 引言

隨著煉鋼技術(shù)的發(fā)展，鋼水溫度控制越來越重要。鋼包作為煉鋼與連鑄工序之間的主要銜接設(shè)備，其保溫性能直接影響出鋼溫度和澆鑄溫度。針對煉鋼生產(chǎn)過程鋼水溫度波動較大，一般采取強化鋼包烘烤、提高鋼包熱周轉(zhuǎn)、優(yōu)化包襯結(jié)構(gòu)、鋼水運轉(zhuǎn)過程加保溫劑和澆注過程鋼包加蓋等手段來減少鋼水溫降[1]。通過在鋼包上加蓋，鋼包在同轉(zhuǎn)使用過程中對于鋼包的散熱起到了很好的保護作用，輻射熱損失可顯著減少[2]，也使鋼包的熱狀態(tài)更加趨于穩(wěn)定，為準確控制鋼包溫度和溫降創(chuàng)造了條件。由于鋼包加蓋節(jié)能效果顯著，已成為鋼企進行節(jié)能降耗的一個重要手段。

現(xiàn)有鋼包加蓋操作必須借助行車輔助完成，使得此項技術(shù)在實際操作中受到極大限制，無法做到在整個循環(huán)過程中都使鋼包蓋蓋在鋼包上。據(jù)文獻[3~5]所述，國內(nèi)部分科研單位聯(lián)合鋼鐵企業(yè)進行技術(shù)引進、轉(zhuǎn)化創(chuàng)新，研究開發(fā)出符合我國鋼企實情的鋼包全程加蓋工藝技術(shù)和設(shè)備，并獲得了良好的生產(chǎn)實踐效果。

隨著計算機輔助工程技術(shù)（CAE）越來越廣泛的使用，工程設(shè)計也更加多元化，為降低成本和提高研發(fā)周期，虛擬樣機技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用已日趨成為主流，本文著重介紹利用虛擬樣機仿真軟件對鋼包加蓋過程進行了仿真驗證，從理論角度分析驗證鋼包揭蓋機構(gòu)的可行性以及鋼包加蓋后整體溫度場的變化情況。

2 鋼包加蓋模型

2.1 鋼包參數(shù)

鋼包一般主要由金屬外殼和耐火材料兩部分組成，外殼呈桶狀外形，內(nèi)側(cè)砌筑耐火材料；耐火材料分為三層，分別為安全層、中間工作層和上下渣線層。本論文的鋼包參數(shù)來自于梅鋼150 t型鋼包，其結(jié)構(gòu)尺寸及其特性參數(shù)：鋼包深度4.375 m，內(nèi)徑4.510 m，按實際盛鋼量折算，鋼包有效容積為35.7 m3，側(cè)壁耐火材料厚度為320 mm，底部耐火材料厚度為450 mm。

鋼包三維模型由Inventor完成，通過兩軟件的數(shù)據(jù)交換接口，將模型導(dǎo)入ADAMS中進行仿真，模型如圖1所示?？紤]到Inventor與ADAMS兩軟件的兼容性問題，在模型導(dǎo)入后進行后處理階段須注意檢查模型是否開啟了重力場，由于包蓋的重量對揭取蓋運動過程中的碰撞有較大影響，不同重量的包蓋產(chǎn)生的慣性與沖量影響到軟件對碰撞力的計算判定。

圖1 鋼包及包蓋整體模型

由于鋼包揭蓋機構(gòu)的具體參數(shù)為項目研究的保密內(nèi)容并同時申請了相關(guān)專利，在此不便對插齒揭蓋機構(gòu)的具體參數(shù)進行闡述，本文僅基于虛擬樣機分析軟件對鋼包加揭蓋運動過程進行仿真，論證該仿真手段的有效性，為日后進一步改善研究提供參考借鑒。

2.2 揭蓋機構(gòu)運動仿真分析

根據(jù)鋼包實際運動情況，在轉(zhuǎn)爐出鋼前，帶蓋的鋼包通過鋼包車向出鋼位移動，經(jīng)過插齒式加揭蓋機構(gòu)時將鋼包蓋揭起；等轉(zhuǎn)爐出鋼完成后，受鋼的鋼包從加揭蓋機構(gòu)下通過時，包蓋被自動加在鋼包上，然后運輸?shù)絃F精煉爐，整個過程順利而流暢，無需人工進行干預(yù)。

仿真過程涉及自動揭蓋和返回加蓋兩個流程，對模型進行運動副和驅(qū)動加載，驅(qū)動函數(shù)選用Step函數(shù)進行定義。由于鋼包在運行過程中，包蓋與揭蓋插齒機構(gòu)會發(fā)生碰撞，必須對其接觸力模型進行嚴格設(shè)置。ADAMS/View中有兩種接觸力的計算方法：一種基于恢復(fù)的接觸，根據(jù)損失系數(shù)和補償系數(shù)計算接觸力，損失系數(shù)限于單向約束并控制接觸時的能量耗散，補償系數(shù)決定兩個構(gòu)件在接觸時的能量損失；另一種是基于沖擊函數(shù)的接觸，根據(jù)ADAMS函數(shù)庫中的Impact函數(shù)計算接觸力，其由兩個部分組成，一個是由于兩構(gòu)件相互切入而產(chǎn)生的彈性力，另一個是由相對速度產(chǎn)生的阻尼力。

定義鋼包與包蓋之間的接觸力為contact_1，包蓋與揭蓋機構(gòu)的接觸力為contact_2，考慮到鋼包運動時包蓋與插齒和包體均發(fā)生接觸，碰撞的剛性較強，因此本模型選用Impact函數(shù)作為鋼包各部件間的接觸力計算準則，選用WISTIFF積分器作為系統(tǒng)動力學(xué)仿真算法，因為預(yù)測動態(tài)很強的情況時，選用WISTIFF積分器預(yù)測值更精確[6]。

進行20 s仿真后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行插齒式揭蓋機構(gòu)無法使鋼包蓋完整取下，第15 s時的姿態(tài)如圖2所示。鋼包運行過程中，鋼包與包蓋接觸力contact_1始終振蕩變化，揭蓋機構(gòu)與包蓋的接觸力contact_2幾乎為0，實際仿真動畫也顯示在15 s后包蓋并未越過插齒式揭蓋機構(gòu)的齒尖，并最終沿齒面錐度方向滑下，揭蓋失敗，說明此結(jié)構(gòu)不能滿足鋼包自動加揭蓋的運動學(xué)過程。

圖2 改進前鋼包加揭蓋過程仿真

基于上述分析，對插齒式揭蓋機構(gòu)重新進行設(shè)計修改，將插齒的錐度減小，提高鋼包的運行速度，并修改插齒臺階過渡處為圓角，減輕包蓋在運動過程中的振蕩。將改進后的模型重新輸入到ADAMS中，仿真時間設(shè)置為40s，為真實逼近鋼包蓋分離機構(gòu)的運動姿態(tài)，將仿真步數(shù)設(shè)置為2000steps。檢驗?zāi)Ｐ秃笾匦逻M行仿真，如圖3所示，包蓋在離開鋼包的一瞬間，即包蓋越過插齒式揭蓋機構(gòu)齒尖的瞬時，接觸力contact_1與contact_2均發(fā)生劇烈突變，之后contact_1變?yōu)?，contact_2呈現(xiàn)周期性振蕩變化，說明此時包蓋已與鋼包分離，包蓋懸掛在揭蓋機構(gòu)的插齒上并由于慣性作用產(chǎn)生振蕩。鋼包受鋼完成后返回加蓋，30 s時鋼包耳軸首先插入包蓋的掛鉤，在掛鉤帶動下包蓋越過插齒式揭蓋機構(gòu)的齒尖并與其逐漸分離，contact_2變?yōu)?，包蓋從插齒上滑下并蓋在鋼包上，完成整個自動加揭蓋過程。

綜上所述，經(jīng)改進后的結(jié)構(gòu)完全滿足鋼包自動加揭蓋的工藝要求，仿真結(jié)果為試驗樣機的試制提供了理論依據(jù)。

圖3 改進后鋼包加揭蓋過程仿真

3 鋼包加蓋前后溫度場對比分析

為檢驗鋼包加蓋對蓄熱能力的影響，利用有限元分析軟件對鋼包溫度場進行熱力學(xué)仿真分析。由于鋼包結(jié)構(gòu)和所受的載荷均為軸對稱，為減少計算機運算量提高計算效率，將模型中與熱力學(xué)分析不相干的特征略去，選取模型的1/4作為有限元分析對象。鋼包外殼為普通碳鋼，其導(dǎo)熱率為45W/(m.K)左右；內(nèi)襯材料中，工作層內(nèi)襯為含80%氧化鋁的高鋁磚，永久層內(nèi)襯為含60%氧化鋁的高鋁磚，密度取為2840 kg/m3，上下渣線采用的是鎂碳磚，密度為2890 kg/m3；模型計算中的各材料物性參數(shù)如下表1，表2所示[8]。各材料的熱力學(xué)特性隨著溫度變化呈現(xiàn)非線性，本文溫度場仿真考慮此因素，從而大大提高了仿真計算精度。

表1 不同溫度下的材料導(dǎo)熱系數(shù)W/(m.K)

表2 不同溫度下的材料比熱容J/(kg.K)

為了精確地得到鋼包的溫度場分布，首先對鋼包狀態(tài)進行穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)模擬，并將計算得到的穩(wěn)態(tài)溫度場作為初始條件施加在加蓋工況中，再進行瞬態(tài)熱力學(xué)分析以驗證鋼包加蓋對鋼水保溫及散熱能力的影響。

3.1 鋼包熱邊界條件

鋼包在注入鋼水后，工作層內(nèi)壁與鋼水直接相接觸，因此可以視工作層內(nèi)壁溫度為鋼水溫度；鋼包外殼處在空氣中，外殼與空氣存在熱交換，熱交換存在兩種形式：一種為包殼與空氣的自然對流換熱，另一種為包殼與外界環(huán)境的輻射換[9]。由于輻射換熱為高度非線性計算，需要耗費大量計算時間，因此將其等效轉(zhuǎn)化為對流換熱[10]；

式中，Num——努謝爾特數(shù)；λm——空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m.益)；h—鋼包高度，m。

包殼與周圍環(huán)境的輻射換熱轉(zhuǎn)化為對流換熱時的等價對流換熱系數(shù)可用下式表示[10]：

式中，hr—等價對流換熱系數(shù)，W/(m益)；B—Boltzmann常數(shù)，即鋼包表面的黑度系數(shù)；ε—黑體輻射系數(shù)，取為0.8；ta—包殼溫度，益；ts—環(huán)境溫度，益。

3.2 鋼包穩(wěn)態(tài)熱分析

為了分析鋼包在各工況下的溫度場和應(yīng)力場分布，作了如下假設(shè)：(1)鋼包包壁的傾斜度很小，模型近似為圓柱體；(2)鋼包簡化為由多層不同材料組成，包壁內(nèi)襯耐火材料與包底相同；(3)鋼水為穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體，內(nèi)部加載時考慮為恒定溫度場[11]；施加鋼水溫度載荷1650益，鋼包外殼存在空氣自然對流，環(huán)境溫度為30益，自然對流系數(shù)為12.5 W/(m2益)，穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 鋼包穩(wěn)態(tài)溫度場分布

由圖4可以看出，鋼包溫度場分布均勻，溫度梯度沿厚度方向遞減，由于包底耐材較厚，包底溫度最低，約為264益左右。在有蓋情況下，包蓋耐材部分還要承受承受鋼水帶來的對流換熱，因此包蓋表面的溫度分布相對包壁和包底均較高，溫度最高點集中在包蓋與鋼包接觸處，達到1724.5益左右。

3.3 鋼包瞬態(tài)熱分析

瞬態(tài)分析設(shè)置多個子載荷步，采用自動時間步長功能。求解完畢后，溫度云圖和熱流密度向量圖詳細顯示了計算結(jié)果。

為了驗證鋼包加蓋對鋼包蓄能能力的影響，在溫度場的計算過程中考慮兩種工況：一是鋼包未加蓋情況，即鋼水在鋼包中的邊界條件為鋼包壁和包底同時發(fā)生自然對流和輻射熱交換；二是鋼包加蓋完成后，鋼水與空氣隔離，包內(nèi)空氣幾乎不流動，因此取消鋼包的自然對流熱交換形式，鋼包通過輻射形式向外進行熱交換。

有蓋情況下，鋼包整體通過與空氣進行輻射熱交換散發(fā)熱量，應(yīng)用簡單對流邊界條件，設(shè)置仿真時間為0.5 h，初始時間步為10 s，運行仿真，鋼包整體溫度場分布如圖5(a)，選取鋼包內(nèi)壁面作為分析對象，生成鋼水溫度變化曲線圖5(b)所示。由圖可以看出，經(jīng)過半小時的散熱，鋼包中溫度最高點在鋼包底部為1609益左右，而鋼水溫度由1650益下降到1566.5益，溫降損失約為84益左右。

圖5 (a)有蓋時鋼包溫度場分布

圖5 (b)有蓋時壁面溫度變化曲線

包蓋取去工況下，鋼包中鋼水暴露于空氣中，主要散熱形式有鋼水的輻射散熱和鋼包外壁的自然對流。分別添加邊界條件，根據(jù)式(1)、(2)計算取鋼包中的對流換熱系數(shù)和環(huán)境溫度分別為50 W/(m2·益)和1600益，外壁自然對流換熱系數(shù)和環(huán)境溫度分別為25 W/(m2·益)和50益，對其進行0.5 h的仿真模擬，得出鋼包溫度場分布如圖6(a)所示，溫度變化曲線如圖6(b)所示。由圖可看出，在無包蓋工況下0.5 h內(nèi)鋼包內(nèi)溫度降低為1491益，溫度損失為150益左右，可見無包蓋情況下鋼包內(nèi)熱量損失明顯。

圖6 (a)無蓋時鋼包溫度場分布

圖6 (b)無蓋時鋼包溫度場分布

由上述分析可知，鋼包在有蓋工況下，鋼水的溫降梯度由150益降為84益，可見鋼包全程加蓋技術(shù)將顯著降低鋼包內(nèi)的熱量損失。鋼包容量為250 t，鋼鐵比熱容為0.46伊103kJ/(kg·益)，則可計算得鋼包加蓋后能量損失減少115伊105kJ，若按鋼包運行一周期為半小時算，則一個周期內(nèi)鋼包加蓋后的節(jié)能能力折合標(biāo)準煤392 kg。

4 結(jié)論

虛擬樣機技術(shù)作為驗證機械設(shè)計可行性的有效手段，已越來越被業(yè)內(nèi)所認可。鋼包加揭蓋機構(gòu)在國內(nèi)各大鋼廠的普遍應(yīng)用，已經(jīng)充分證明鋼包加蓋技術(shù)是一項節(jié)能、降耗的新技術(shù)，虛擬樣機仿真手段為該項技術(shù)的研究設(shè)計縮短了研發(fā)周期，節(jié)約成本，并且通過后期試制1:20的實驗樣機進行實驗也驗證了經(jīng)虛擬樣機仿真后的插齒式加揭蓋機構(gòu)是可行和有效的。

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Emulation and Heat-insulating Performance Study of Lad le Covering Process

JIANG Bo1,YIN Ping2,LIU Qingyun3
（1.Festo China Co.,Ltd.,Shanghai 201206;2.Special Steel Co.of Masteel; 3.School of Mechanical Engineering of Anhui University of Technology,Maanshan,Anhui 243000,China）

A model for ladle covering was established based on ADAMS,to dynamically emulate ladle covering process,validate the feasibility of gear-shaping cover remover and re原design the structure of the remover according to the results of the emulation.A thermal mod原el for ladle was set up using finite element method,the distribution of stable temperature field of ladle was analyzed and the stable temperature field was also loaded into the model as initial conditions to perform transient thermal analysis,obtaining temperature time history. Emulation results showed that covered ladle could save energy by about 115伊105kJ,indicating significant effect on heat preservation of ladle.

ladle covering;virtual prototype;finite element analysis;temperature field; emulation

TP311.5

B

1006-6764（2014）04-0061-05

2014-01-15

蔣波（1986-），男，碩士研究生，現(xiàn)研究方向：氣動技術(shù)，冶金機械設(shè)計。