李公法，劉 澤，孔建益，蔣國璋，常文俊，李 貝，李 輝

(1.武漢科技大學機械自動化學院，湖北 武漢，430081；2.湖北新冶鋼有限公司中棒線項目部，湖北 黃石，435001)

新型鋼包的溫度場及其影響因素模擬分析

李公法1，劉 澤1，孔建益1，蔣國璋1，常文俊1，李 貝1，李 輝2

(1.武漢科技大學機械自動化學院，湖北 武漢，430081；2.湖北新冶鋼有限公司中棒線項目部，湖北 黃石，435001)

以具有納米保溫材料內(nèi)襯的新型鋼包為研究對象，通過建立三維有限元模型，運用ANSYS軟件分析該種新型鋼包與傳統(tǒng)鋼包在烤包和盛鋼兩種工況下的溫度分布，并研究納米絕熱材料的導熱系數(shù)對新型鋼包溫度場的影響。結(jié)果表明，在兩種工況下新型鋼包的溫度分布均優(yōu)于傳統(tǒng)鋼包，新型鋼包包殼的最高溫度明顯低于傳統(tǒng)鋼包包殼的最高溫度，新型鋼包的保溫隔熱性能比傳統(tǒng)鋼包更加優(yōu)良；在一定范圍內(nèi)，新型鋼包包殼的溫度隨納米材料導熱系數(shù)的降低而不斷下降，當納米材料導熱系數(shù)降低80%時，新型鋼包包殼的溫度分布更加均勻，包殼的最高溫度降幅最大，新型鋼包的熱量損失更小，其保溫性能得到明顯提升。

鋼包；納米隔熱材料；溫度場；導熱系數(shù)；保溫性能；溫度模擬

在煉鋼過程中，鋼包具備優(yōu)良的保溫性能對降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度、降低包殼散熱量、改善鑄坯質(zhì)量、延長鋼包內(nèi)襯使用壽命、優(yōu)化生產(chǎn)工藝以及降低生產(chǎn)成本具有十分重要的意義。很多研究者對傳統(tǒng)鋼包的溫度分布進行了大量的研究，但仍然存在著鋼包的包殼溫度較高、保溫效果不顯著等問題[1-3]。近年來，國內(nèi)外對新材料內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的鋼包進行研究，也取得了一定的研究成果。Mario[4]對標準鋼包和具有絕熱材料鋼包中鋼液的溫降過程進行研究，發(fā)現(xiàn)具有絕熱材料鋼包的鋼液溫降速率比標準鋼包低1.9 ℃/min，能節(jié)省10.5%的電能。陳義峰等[5]提出了一種新型的鋼包內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，對新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的保溫性能進行模擬分析得到，新型鋼包外殼表征溫度較傳統(tǒng)鋼包低45 ℃，鋼包內(nèi)鋼水溫降平均速率降低了0.27 ℃/min，新型鋼包的保溫性能較傳統(tǒng)鋼包更佳。劉志遠等[6]針對煉鋼生產(chǎn)中鋼水熱量散失程度較大的問題，在轉(zhuǎn)爐、鋼包和中間包上采用了新型WDS納米級微孔隔熱材料，提高了煉鋼設(shè)備的蓄熱能力，在不影響耐火材料使用壽命的情況下，達到了節(jié)能降耗的目的。上述對鋼包外殼溫度的控制以及不同內(nèi)襯材料對鋼包溫度分布影響的研究結(jié)果顯示，鋼包的溫度分布和保溫性能并不十分理想。為此，本文以具有納米保溫材料內(nèi)襯的新型鋼包為研究對象，通過建立三維有限元模型，運用ANSYS軟件分析該種新型鋼包與傳統(tǒng)鋼包在烤包和盛鋼兩種工況下的溫度分布，并研究納米絕熱材料的導熱系數(shù)對新型鋼包溫度場的影響，以期為優(yōu)化新型鋼包的內(nèi)村結(jié)構(gòu)、進一步提高鋼包的保溫性能提供參考。

1 新型鋼包有限元模型的建立

1.1 新型鋼包的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

新型鋼包的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳統(tǒng)鋼包的內(nèi)村主要分為工作層、永久層和包殼三部分。新型鋼包在傳統(tǒng)鋼包的永久層和包殼之間加入了納米絕熱材料層和保護層，其中納米絕熱材料層采用的是由氣相氧化硅和硅酸鈣制備而成的納米微孔材料，這種納米材料的絕熱性能是極為優(yōu)良的[7]；保護層由厚5 mm的鋼板焊接而成，加在永久層和納米絕熱材料層之間，以保護價格昂貴的納米絕熱材料層。新型鋼包各內(nèi)襯層所用材料及其在桶身和包底處的厚度如表1所示。

表1 新型鋼包各內(nèi)襯層所用材料及其在桶身和包底處的厚度

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網(wǎng)格劃分

運用ANSYS軟件對鋼包進行建模，選定建模尺寸(單位:m)，設(shè)定建模比例為1∶1，建立的新型鋼包三維模型如圖2所示。采用自由劃分的方式對所建模型進行網(wǎng)格劃分，單元尺寸設(shè)定為0.1，選用ANSYS中的SOLID70單元進行網(wǎng)格劃分，得到112 683個網(wǎng)格和23 943個節(jié)點。新型鋼包的網(wǎng)格圖如圖3所示。

1.3 邊界條件、材料參數(shù)及模擬方法

將烤包工況下鋼包內(nèi)襯工作層的內(nèi)表面溫度設(shè)定為1000 ℃，盛鋼工況下鋼包內(nèi)襯工作層的內(nèi)表面溫度設(shè)定為1600 ℃，環(huán)境溫度設(shè)定為30 ℃。鋼包的綜合對流換熱系數(shù)為16.234 W/(m2·K)[8-10]。鋼包各內(nèi)襯層材料的物性參數(shù)如表2所示[8]，不同溫度下新型鋼包各內(nèi)襯層材料的導熱率如表3所示。采用穩(wěn)態(tài)分析法[11]模擬鋼包在熱穩(wěn)定狀態(tài)下各內(nèi)襯層的溫度分布。

表2 鋼包各內(nèi)襯層材料的物性參數(shù)

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

表3 不同溫度下新型鋼包各內(nèi)襯層材料的導熱率(單位：W·(m·K)-1)

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

2 典型工況下新型鋼包溫度場的數(shù)值模擬

在相同的模型網(wǎng)格單元類型和邊界條件加載下，在烤包和盛鋼兩種工況下對新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的溫度場進行仿真分析。

2.1 烤包工況下新型鋼包的溫度分布

烤包后新型鋼包整體溫度分布如圖4所示。從圖4中可以看出，新型鋼包整體溫度分布較均勻，其內(nèi)襯溫度由內(nèi)而外依次降低，在耳軸、上下箍板、肋板及包底邊緣處的溫度較低。

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

烤包后新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的工作層、永久層溫度分布分別如圖5、圖6所示。從圖5中可以看出，雖然兩種鋼包工作層的溫度分布情況大致相同，但新型鋼包的工作層表面最低溫度為419 ℃，而傳統(tǒng)鋼包工作層表面最低溫度為391 ℃，表明新型鋼包工作層熱量損失略小于傳統(tǒng)鋼包。從圖6中可以看出，兩種鋼包永久層的溫度分布情況也大致相同，但新型鋼包永久層表面最低溫度為187 ℃，傳統(tǒng)鋼包永久層表面最低溫度為169 ℃，由此表明，新型鋼包的永久層熱損失相對于傳統(tǒng)鋼包也是較小的。

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

烤包后新型鋼包保護層和納米絕熱材料層的溫度分布分別如圖7和圖8所示。從圖7中可以看出，新型鋼包保護層的最高溫度達到382 ℃，整個溫度分布仍然處在一個較高的水平；從圖8中可以看出，新型鋼包納米絕熱材料層的最高溫度為381 ℃，最低溫度只有103 ℃，其內(nèi)外表面的溫差達278 ℃。由此表明，盡管納米絕熱材料層的厚度只有20 mm，但它的保溫隔熱性能非常優(yōu)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

烤包后新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的包殼溫度分布如圖9所示。從圖9中可以看出，新型鋼包包殼的最高溫度為202 ℃，出現(xiàn)在包殼上沿，其高溫區(qū)域主要集中在包殼上沿、鋼包底半徑位置處、包殼下半部以及包殼中部位置。而傳統(tǒng)鋼包的包殼最高溫度出現(xiàn)在包殼的最上沿，高達316 ℃。新型鋼包包殼的最高溫度較傳統(tǒng)鋼包下降了114 ℃，并且新型鋼包包殼的大部分區(qū)域溫度也較傳統(tǒng)鋼包低。由此表明，新型鋼包的大量熱量被阻擋在納米絕熱材料層的內(nèi)側(cè)，無法傳遞到包殼，從而使得鋼包的熱量損失較小，這正是鋼包保溫的關(guān)鍵[12]。

烤包后新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包各內(nèi)襯層的溫度分布如表4所示。由表4可以看出，新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包在工作層和永久層的溫度分布情況相差不大，當新型鋼包加入納米絕熱材料層后，包殼的整體溫度大幅下降，其最高和最低溫度均明顯低于傳統(tǒng)鋼包。這是因為，新型鋼包的大部分熱量被阻擋在納米絕熱材料層內(nèi)側(cè)，而不會傳遞到包殼。由此表明，新型鋼包的熱量損失非常小，其納米絕熱材料層具有優(yōu)良的保溫隔熱性能。

2.2 盛鋼工況下新型鋼包的溫度分布

盛鋼工況下新型鋼包整體溫度分布如圖10所示。從圖10中可以看出，在盛鋼工況下新型鋼包的整體溫度分布與烤包工況下類似，其整體溫度分布比較均勻，內(nèi)襯溫度分布也是由內(nèi)而外依次降低，溫度較低的部位仍在鋼包的耳軸、上下箍板、肋板及包底邊緣處。

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

盛鋼工況下新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的工作層溫度分布如圖11所示。由圖11可以看出，盛鋼工況下兩種鋼包的工作層溫度分布類似，新型鋼包工作層表面最低溫度為633 ℃，傳統(tǒng)鋼包工作層的最低溫度為623 ℃。由此表明，新型鋼包的工作層熱量損失較傳統(tǒng)鋼包略小。

圖11 盛鋼工況下新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的工作層溫度分布

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

盛鋼工況下新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的永久層溫度分布如圖12所示。由圖12可看出，盛鋼工況下兩種鋼包永久層的溫度分布大致相同，但新型鋼包永久層的溫度分布較傳統(tǒng)鋼包更加均勻。

圖12 盛鋼工況下新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的永久層溫度分布

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

盛鋼工況下新型鋼包保護層和納米絕熱材料層的溫度分布分別如圖13和圖14所示。從圖13中可以看出，新型鋼包保護層的最高溫度達到543 ℃，溫度分布處在一個較高的水平。從圖14中可以看出，新型鋼包納米絕熱材料層的最高溫度為542 ℃，最低溫度只有129 ℃，內(nèi)外表面的溫差達到了275 ℃。由此表明，在盛鋼工況下，納米絕熱材料層也依然能夠?qū)谋Ｗo層傳遞來的大量熱量阻擋在其內(nèi)側(cè)，起到了良好的保溫隔熱作用。

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

盛鋼工況下新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的包殼溫度分布如圖15所示。從圖15中可以看出，新型鋼包包殼的大部分區(qū)域溫度在143～228 ℃范圍內(nèi)，其最高溫度為250 ℃，出現(xiàn)在包殼內(nèi)壁，包殼內(nèi)外表面的溫差為85 ℃。傳統(tǒng)鋼包包殼的最高溫度和最低溫度出現(xiàn)的位置與新型鋼包類似，但包殼的最高溫度高達359 ℃，包殼內(nèi)外表面溫差為91 ℃。新型鋼包包殼的最高溫度較傳統(tǒng)鋼包降低了109 ℃。由此表明，即使在盛鋼工況下，具有納米絕熱材料內(nèi)襯的新型鋼包的熱量損失較少。

圖15 盛鋼工況下新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包的包殼溫度分布

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

盛鋼工況下新型鋼包和傳統(tǒng)鋼包各內(nèi)襯層的溫度分布如表5所示。從表5中可以看出，在盛鋼工況下，兩種鋼包在工作層和永久層的溫度分布情況同樣相差不大。但是對于加入了納米絕熱材料層的新型鋼包來說，其包殼的整體溫度相對于傳統(tǒng)鋼包大幅降低，包殼的最高溫度與最低溫度均明顯下降。由此表明，即使是在盛鋼工況下，納米絕熱材料層依然能將大量熱量阻擋在其內(nèi)側(cè)，而不會傳遞到包殼，從而使鋼包的熱量損失較小。因此，新型鋼包在盛鋼工況下也具有優(yōu)良的保溫隔熱性能。

3 納米材料的導熱系數(shù)對新型鋼包溫度場的影響

在納米絕熱材料的物性參數(shù)中，材料的熱傳導系數(shù)對溫度場的影響較大[13]。同時，在鋼包內(nèi)襯結(jié)構(gòu)中，包殼可以作為一個衡量鋼包整體保溫性能的載體[14]。因而本文主要分析在盛鋼工況下納米絕熱材料導熱系數(shù)的變化對新型鋼包包殼溫度的影響。

降低納米材料導熱系數(shù)后新型鋼包包殼的溫度分布如表6所示。從表6中可以看出，當納米材料的導熱系數(shù)分別降低20%、40%、60%、80%后，包殼的最低溫度較采用原始納米材料時分別下降1、2、5、10 ℃；包殼的最高溫度較采用原始納米材料時分別降低了8、20、40、80 ℃，并且包殼外表面大部分區(qū)域所處的溫度都比采用原始納米材料時包殼的溫度要低。由此表明，在一定范圍內(nèi)，新型鋼包的包殼溫度是隨著納米材料導熱系數(shù)的不斷減小而呈線性降低的。這是因為，根據(jù)傳熱學的理論，熱傳導對于固體材料而言，當導熱系數(shù)降低，而壁厚未變的情況下，熱阻就會變大，所以減小納米材料的導熱系數(shù)，其實質(zhì)就是增大了納米材料的熱阻，單位時間內(nèi)通過納米保溫層的熱量就會減小，熱損失就小，最終能夠傳遞到包殼的熱量較少，導致包殼的溫度較低。從表6中還可看出，當納米材料導熱系數(shù)降低80%時，新型鋼包包殼的最高溫度降幅最大，包殼外表面大部分區(qū)域的溫度較低且溫差較小。由此表明，當納米材料導熱系數(shù)降低80%時，新型鋼包包殼的溫度分布比較均衡，熱量損失較小，新型鋼包的保溫性能得到了進一步提升。

表6 納米材料導熱系數(shù)降低后包殼的溫度分布

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

4 結(jié)論

(1)加入了納米絕熱材料層的新型鋼包的溫度分布明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋼包。在烤包工況和盛鋼工況下，新型鋼包包殼的最高溫度比傳統(tǒng)鋼包包殼的最高溫度分別降低了114 、109 ℃，新型鋼包的熱量損失明顯減少，保溫隔熱性能比傳統(tǒng)鋼包更加優(yōu)良。

(2) 在一定范圍內(nèi)，新型鋼包包殼的溫度隨納米材料導熱系數(shù)的降低而不斷下降。當納米材料導熱系數(shù)降低80%時，新型鋼包包殼的最高溫度降幅最大，包殼的溫度分布更加均勻，熱量損失更小，新型鋼包的保溫性能得到明顯提升。

[1] Li G F, Liu J, Jiang G Z, et al. Simulation of expansion joint of bottom lining in ladle and its influence on thermal stress [J]. International Journal of Online Engineering, 2013, 9(2):5-8.

[2] 季樂樂，賀東風. 煤氣成分和流量對鋼包烘烤溫度場影響的數(shù)值模擬[J]. 冶金能源，2014，33(3):12-16.

[3] 李和禎，鄭麗君，羅旭東，等. 不同材質(zhì)鋼包內(nèi)襯烘烤過程中溫度場的數(shù)值模擬[J]. 耐火材料，2014, 48(6):428-431.

[4] Mario T. Optimising ladle furnace operations by controlling the heat loss of casting ladles [J].SEAISI Quarterly (South East Asia Iron and Steel Institute), 2013, 42(1):40-46.

[5] 陳義峰，蔣國璋，李公法. 新型鋼包保溫節(jié)能襯體對鋼包溫度及保溫性能的影響[J].機械科學與技術(shù)，2012，31(11):1796-1800.

[6] 劉志遠，王重君，劉禮龍. 新型納米級微孔隔熱材料在煉鋼生產(chǎn)中的應用[J].中國冶金，2014，24(3):52-57.

[7] Zabolotsky A V. Modeling of the temperature field of the casting ladle lining [J]. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2011, 84(2): 342-347.

[8] Li G F, Liu J, Jiang G Z, et al. Numerical simulation of temperature field and thermal stress field in the new type of ladle with the nanometer adiabatic material [J]. Advances in Mechanical Engineering, 2015, 7(4):1-13.

[9] Padokhin V A, Zueva G A, Kokurina G N, et al. Complex mathematical description of heat and mass transfer in the drying of an infinite cylindrical body with analytical methods of heat-conduction theory [J]. Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2015, 49(1):50-60.

[10]楊帥，張紅亮，鄒忠，等. 鋁電解槽槽體與環(huán)境界面換熱系數(shù)的計算[J]. 中國有色金屬學報，2015, 25(2): 515-522.

[11]Li G F, Qu P X, Kong J Y, et al. Influence of working lining parameters on temperature and stress field of ladle [J]. Applied Mathematics and Information Sciences, 2013, 7(2): 439-448.

[12]Liu Shiwei, Yu Jingkun. Analysis of the heat loss in a torpedo ladle during the transport process[J].International Ceramic Review, 2013, 62(1): 37-39.

[13]楊海龍，倪文，梁濤，等. 硅酸鋁纖維增強納米孔絕熱材料的制備與表征[J].材料工程, 2007(7):63-66.

[14]Bj?rn Glaser, Du Sichen. Thermal conductivity measurements of ladle slag using transient hot wire method [J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2013, 44(1):1-4.

[責任編輯 張惠芳]

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

國家自然科學基金資助項目(51075310,51505346)；湖北省自然科學基金資助項目(2010CDA023).

李公法(1979-)，男，武漢科技大學副教授，博士. E-mail:ligongfa@wust.edu.cn

TF796.2

A

1674-3644(2015)06-0401-07