丁河江， 曹建國(guó),4， 燕 月， 周志鴻， 馬 飛

(1．北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 北京 100083；2.北京科技大學(xué)人工智能研究院 北京 100083；3.北京科技大學(xué)高效軋制國(guó)家工程研究中心 北京 100083；4.北京科技大學(xué)順德研究生院 廣東 佛山 528399；5.北京企星冶金機(jī)電有限公司 北京 102401)

2019年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量為9.95億噸，同比增長(zhǎng)7%，總產(chǎn)量占世界粗鋼總產(chǎn)量的53.3%，以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)處于世界第一。我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)在量上發(fā)展的同時(shí)，也在不斷提升發(fā)展質(zhì)量。其中對(duì)高爐的順行狀態(tài)、安全環(huán)保及人工效率提出了越來(lái)越高的要求。目前我國(guó)高爐自動(dòng)化和智能化水平在世界上是較為領(lǐng)先的，高爐其他的操作控制也已大多實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，最后的一環(huán)就是以開(kāi)鐵口機(jī)為中心的爐前設(shè)備。開(kāi)鐵口機(jī)未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化與無(wú)人化，仍需要人工現(xiàn)場(chǎng)操作，不可控的故障停機(jī)和開(kāi)口工況的復(fù)雜多變是主要原因。這也使得它嚴(yán)重影響高爐的順行狀態(tài)，影響高爐的多項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。因此智能開(kāi)鐵口機(jī)器人在研發(fā)初期就必須將這些情況都考慮進(jìn)去，改變現(xiàn)狀，提高設(shè)備工作可靠性，避免各種故障停機(jī)，或人為干預(yù)而造成的自動(dòng)化終止。

智能開(kāi)鐵口機(jī)器人工作時(shí)，鉆頭鉆桿處要承受鐵水的沖刷，會(huì)給整機(jī)帶來(lái)很大的熱量。它的沖擊活塞以約12 m·s-1最高打擊速度做30 Hz高頻的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，沖擊活塞沖擊瞬間的加速度約為重力加速度的104倍數(shù)量級(jí)[1-4]。高溫與巨大的沖擊載荷使其成為整臺(tái)開(kāi)鐵口機(jī)的主要故障源。對(duì)設(shè)備的智能化及無(wú)人化改進(jìn)并不是產(chǎn)品的簡(jiǎn)單升級(jí)，需在設(shè)計(jì)之初就對(duì)產(chǎn)品可靠性提出了更高的要求。確保產(chǎn)品不會(huì)因?yàn)椴豢深A(yù)測(cè)的故障停機(jī)而影響高爐的順行狀態(tài)。為了提高其可靠性，對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的深入研究必不可少。

高爐鐵口工況非常復(fù)雜，由于高爐及鐵口內(nèi)部高溫高壓封閉的惡劣工況，對(duì)其內(nèi)部的直接觀測(cè)在目前的科技條件下是非常困難的[5]。由于其對(duì)鋼鐵生產(chǎn)的重要性，國(guó)內(nèi)外多人對(duì)高爐開(kāi)口的出鐵過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)與模擬[5-18]，以了解其內(nèi)部的運(yùn)行規(guī)律。東北大學(xué)馬銘等人于2006年對(duì)高爐鐵口孔道侵蝕過(guò)程通過(guò)試驗(yàn)方法進(jìn)行了模擬[2]。芬蘭Abo Akademi大學(xué)的Lei SHAO等人在前人基礎(chǔ)上提出了一種高爐內(nèi)鐵口多相流的模擬方法[5，6]。挪威SINTEF Industrial的J E Olsen在挪威研究委員會(huì)的資助下對(duì)錳鐵電爐開(kāi)口時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了建模與分析[8]。也有不少研究著重于鐵口和鐵溝處鐵水的流動(dòng)、溫度與溝壁侵蝕[18]。但過(guò)去的研究更多側(cè)重于開(kāi)口完成后高爐出鐵過(guò)程的研究，目前還未見(jiàn)到對(duì)高爐與開(kāi)鐵口機(jī)之間熱量交換進(jìn)行分析的。本文借鑒了他們的一些研究方法，提出通過(guò)對(duì)開(kāi)鐵口過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行單獨(dú)的分析，進(jìn)而對(duì)智能開(kāi)鐵口機(jī)器人的工作溫度提出設(shè)計(jì)依據(jù)。并根據(jù)目前手頭資料，首次提出對(duì)開(kāi)鐵口過(guò)程中的溫度場(chǎng)展開(kāi)深入分析和研究。

1 模型描述

本研究的目的是通過(guò)對(duì)高爐開(kāi)口過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，進(jìn)一步了解智能開(kāi)鐵口機(jī)器人的工作溫度，為智能開(kāi)鐵口機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。開(kāi)鐵口過(guò)程可用圖1和圖2來(lái)描述，開(kāi)鐵口機(jī)提供推進(jìn)、沖擊和旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，該動(dòng)力通過(guò)鉆桿傳遞到前端的鉆頭處，由鉆頭切削炮泥并最終形成鐵口。開(kāi)鐵口時(shí)，為了排出鉆渣，降低鉆具與開(kāi)鐵口機(jī)溫度，開(kāi)鐵口機(jī)內(nèi)會(huì)導(dǎo)入吹掃介質(zhì)，一般為室溫的壓縮空氣或氮?dú)?，通過(guò)鉆桿內(nèi)部的孔直接引向鉆頭處。在鉆孔過(guò)程中，吹掃介質(zhì)會(huì)通過(guò)機(jī)頭、連接套后引入鐵口與鉆桿間的間隙，并將鉆渣與熱量帶走。

圖1 開(kāi)鐵口機(jī)出鐵工況剖面示意圖

圖2 鐵口處出鐵工況剖面示意圖

但當(dāng)孔鉆通后，會(huì)立即進(jìn)入出鐵工況，鐵水及鐵渣會(huì)通過(guò)鉆桿與鐵口間間隙噴出，鉆桿外側(cè)均會(huì)被鐵水包圍。正常情況下，智能開(kāi)鐵口機(jī)器人會(huì)立即將鉆桿等退出鐵口，迅速退出工作位置，遠(yuǎn)離鐵口，避免受到鐵水的作用，溫度升高。但如果此時(shí)發(fā)生了卡鉆等情況，智能開(kāi)鐵口機(jī)器人無(wú)法及時(shí)退出鐵口，返回待機(jī)位置，當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)(1 min以上)，雖然此時(shí)內(nèi)部的吹掃介質(zhì)仍會(huì)帶走部分鐵水帶來(lái)的熱量，同時(shí)由于外部空氣對(duì)流作用，會(huì)帶走部分熱量。但鉆桿在鐵口以外的部分會(huì)受鐵水及鐵溝等處的輻射加熱，由于鉆桿一端通過(guò)連接套與機(jī)頭接觸，鉆桿的熱量會(huì)傳入機(jī)頭鑿巖機(jī)(Hammer)，鑿巖機(jī)的溫度會(huì)在鉆桿末端溫度與環(huán)境溫度之間達(dá)到平衡，整個(gè)系統(tǒng)也會(huì)達(dá)到熱平衡狀態(tài)。此時(shí)為整臺(tái)設(shè)備工作的溫度最高的情況。因此，此工況可為智能開(kāi)鐵口機(jī)器人提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1.1 假設(shè)與模型簡(jiǎn)化

實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工作條件復(fù)雜多變，本文只是對(duì)上述最?lèi)毫庸r進(jìn)行了分析模擬。為順利進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)與試制工作，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。這些簡(jiǎn)化忽略了開(kāi)口處的部分工況，對(duì)結(jié)果精確度影響較少，且更加專(zhuān)注于內(nèi)部流動(dòng)對(duì)開(kāi)鐵口機(jī)的熱傳遞。對(duì)于開(kāi)鐵口機(jī)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)來(lái)說(shuō)，這些偏安全的簡(jiǎn)化是可以接受的。本次研究?jī)H涉及鐵口外部與內(nèi)部局部，爐內(nèi)部分及鉆桿入口以外部分均簡(jiǎn)化為過(guò)界條件，以減少模型復(fù)雜程度。

(1)由于重力的影響，鐵口內(nèi)部的流動(dòng)沿中心平面左右對(duì)稱(chēng)，并不是軸向?qū)ΨQ(chēng)的，需建立3D模型。但考慮到重力對(duì)鐵水、空氣流動(dòng)及溫度場(chǎng)影響較小，若忽略重力的影響，鐵口內(nèi)部可認(rèn)為是沿中心軸對(duì)稱(chēng)的，本模型可簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱(chēng)的2D模型。

(2)實(shí)際的開(kāi)口過(guò)程是時(shí)變的，如果開(kāi)口過(guò)程很順利，則開(kāi)口機(jī)溫度還未達(dá)到平衡時(shí)開(kāi)口機(jī)就可以退出了，且本次分析計(jì)算也是行業(yè)內(nèi)第一次對(duì)開(kāi)鐵口機(jī)進(jìn)行分析，本著深入淺出的原則，只對(duì)平衡狀態(tài)進(jìn)行分析。

(3)鉆桿為外徑38 mm，壁厚9 mm的鋼管，其長(zhǎng)度為4.5 m，可見(jiàn)其軸向熱阻遠(yuǎn)大于徑向，且軸向溫度遠(yuǎn)小于徑向，如將軸向熱傳遞忽略，可將鉆桿簡(jiǎn)化為內(nèi)部氣體區(qū)域的外壁，不用對(duì)鉆桿外壁另行建模，只需利用Fluent現(xiàn)有管壁功能進(jìn)行計(jì)算。

(4)在鐵水流動(dòng)初期，會(huì)有鐵水在溫度降低的情況下凝固為固體，后又被鐵水帶來(lái)的熱量融化，且鉆桿會(huì)在高溫情況下發(fā)生變形與融化。這些現(xiàn)象都會(huì)影響鐵水的熱物性[19]。在鐵水流動(dòng)過(guò)程中，還會(huì)夾有鐵渣，其熱物性與鐵水差別很大[20-22]。因此，該模型將涉及多相流與離散相且為非定常流，其運(yùn)算量遠(yuǎn)大于筆者目前所具有的能力。目前筆者只可將其簡(jiǎn)化，假設(shè)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)達(dá)到平衡的情況，且僅考慮鐵口開(kāi)口初期鐵水中鐵渣含量非常少，全部為鐵水的這一惡劣的工況，減少運(yùn)算負(fù)載。

(5)在運(yùn)算中，鐵水近似為不可壓縮液體，其密度為常數(shù)。因?yàn)榭諝獾臏囟茸兓秶艽?，流速較大，按不可壓縮氣體會(huì)帶來(lái)較大誤差。本例中近似為理想氣體，其密度隨溫度和壓力變化。

(1)

式中：ρ為密度，p為氣體壓力，R為狀態(tài)常數(shù)，R=8.31 J·mol-1·K-1，T為絕對(duì)溫度，Mw為氣體的摩爾質(zhì)量，Mw=28.9647 g·mol-1。

(6)空氣的黏度會(huì)隨溫度變化，本文采用Sutherland’s law三因子公式[23，24]計(jì)算空氣黏度

(2)

式中：S為Sutherland常數(shù)，S=110.56 K，μ0為參考黏度，對(duì)于空氣，μ0=17.9×10-6Pa·s，T0為參考溫度，對(duì)于空氣，T0=293.11 K。

1.2 模型的建立

模型采用Ansys2019自帶的Design Modular建立，并采用Fluent Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其優(yōu)點(diǎn)是可與Fluent無(wú)縫對(duì)接。所有網(wǎng)格均為矩形網(wǎng)格(Quadrilaterals)，在靠近壁面處進(jìn)行了3倍的加密(bias=3)。共計(jì)75000個(gè)單元，80032個(gè)節(jié)點(diǎn)，159030個(gè)面域(如圖3)。

由于該模型長(zhǎng)度為4500 mm，其中鐵口長(zhǎng)度3000 mm，鉆桿外露部分長(zhǎng)1500 mm, 高度僅為20 mm，故為了完整展示模型，已經(jīng)對(duì)X方向做了截?cái)唷?/p>

圖3 開(kāi)鐵口機(jī)工作狀況模型

2 解算方法，控制方程

本例采用目前較為成熟常用的有限體積法進(jìn)行分析，采用軟件為Ansys Fluent19.0， 并采用CFD-Post進(jìn)行后處理。

2.1 初始數(shù)據(jù)概算

鐵水均預(yù)估為湍流，湍流均采用realized K-ε模型。

空氣在入口處溫度較低，黏度也較低，在向出口流動(dòng)的過(guò)程中，溫度會(huì)升高，同時(shí)黏度也會(huì)大幅增加。在流動(dòng)過(guò)程中總的流量Q不變，但由于溫度上升，黏度升高，最后在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)重新變成層流狀態(tài)。這一現(xiàn)象在別的研究領(lǐng)域較為少見(jiàn)，需要在最后分析結(jié)果時(shí)特別注意。

2.2 解算初始條件

對(duì)初次的分析及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，我們認(rèn)為這一分析結(jié)果會(huì)很大程度地受到空氣入口溫度和流速的影響，為了更好地了解它們之間的關(guān)系，我們?cè)O(shè)計(jì)了6種不同工況，其輸入工況參數(shù)如表1所示。

表1 工況表

3 分析結(jié)果分析

圖4中頂部虛線(xiàn)為鐵口入口截面溫度曲線(xiàn)，不同工況間非常近似，故只給出一條。實(shí)線(xiàn)為不同工況下的出口截面溫度曲線(xiàn)。由圖4可見(jiàn)，鐵水在入口和出口的溫度差很小。在所有分析的工況中，最大的入口與出口溫度差也小于1 K。鐵口內(nèi)部的鉆桿外壁為鐵水，內(nèi)壁為空氣，應(yīng)可簡(jiǎn)化為逆流管式換熱器[25，26]，認(rèn)為鐵水在流動(dòng)過(guò)程中是恒溫的。

圖4 不同工況下的鐵水出口處溫度曲線(xiàn)

圖5可分為鐵口內(nèi)部(0～3 m處)與鐵口外部(3～4.5 m處)兩部分分別討論。

(1)如前所述，所有工況中，鐵水內(nèi)外壁面的溫度與入口溫度1800 K的最大溫差小于1 K，可近似為恒溫，鉆桿外壁面的溫度與鐵水內(nèi)壁面直接接觸，也可近似為恒溫。圖示溫度為空氣外壁面溫度，即鉆桿的內(nèi)表面的溫度。前文提出的簡(jiǎn)化項(xiàng)目雖然簡(jiǎn)化了鉆桿壁，但是鉆桿的熱阻在傳熱過(guò)程中起到了決定性作用，鉆桿內(nèi)外表面的溫度差還是很好地體現(xiàn)了出來(lái)。

(2)由圖5中可見(jiàn)，在氣流幾乎完全受到阻塞的W00工況下，空氣溫度能達(dá)到1800 K。其他所有工況下，鉆桿在鐵口內(nèi)的溫度也都達(dá)到相變溫度以上，所以鉆桿只能作為易損件一次性使用，無(wú)法重復(fù)使用。

圖5 不同工況下的空氣外壁面的溫度分布

(3)鐵水的熱量經(jīng)過(guò)鉆桿外壁傳遞到空氣中，導(dǎo)致鐵口內(nèi)部空氣的在流動(dòng)過(guò)程中溫度不斷上升。在流速較小的情況下，如工況W00、W01、W11，空氣始終為層流狀態(tài)，換熱系數(shù)較為恒定，可以看到溫度近似指數(shù)上升的規(guī)律。但當(dāng)流速較大時(shí)，如工況W13，W23，空氣入口處為紊流狀態(tài)，溫度升高后黏度會(huì)變大，造成空氣從紊流返回層流的情況，換熱系數(shù)降低，使空氣溫度上升的均勢(shì)出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折。

鐵口外部部分，特別是空氣入口處，圖6和圖7給出了更詳細(xì)的溫度場(chǎng)，結(jié)合圖5得出如下結(jié)論。

(1)由于外部的輻射作用，外表面溫度要高于內(nèi)表面溫度。鉆桿外部受到的熱量需通過(guò)內(nèi)部的空氣帶走。在鉆桿入口處，由于壁面層的作用，入口處傳熱能力較低。且由于與鑿巖機(jī)產(chǎn)生的熱量的交互作用，所以，在入口段會(huì)有一小段溫度升高的現(xiàn)象。在達(dá)到紊流層處逐漸達(dá)到平衡。

圖6 不同工況下鐵口外部的溫度場(chǎng)

圖7 不同工況下空氣入口處的溫度場(chǎng)

(2)對(duì)比工況W01與W11可知，減少外部的輻射對(duì)外面表溫度有非常大的影響?？赏ㄟ^(guò)增加隔板，減少鉆桿黑度等措施來(lái)降低外部輻射對(duì)開(kāi)口機(jī)器人的影響。

(3)對(duì)比工況W11、W12與W13可知增加空氣流速可以降低鉆桿表面溫度，是一種最為高效的控溫措施，可與減少外部輻射一起使用，使開(kāi)口機(jī)器人工作在合理的工作溫度，400 K以?xún)?nèi)。

(4)對(duì)比工況W13與W23可知，降低入口空氣溫度也可有效地降溫，但這一做法成本很高，實(shí)用效果不佳。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

由于高爐惡劣的工作工況，對(duì)開(kāi)口機(jī)部位的溫度測(cè)試是非常困難的，對(duì)鐵口內(nèi)部的測(cè)試目前還沒(méi)有可行的方法。為了驗(yàn)證分析結(jié)果，我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了3種不同的方法對(duì)開(kāi)口機(jī)空氣入口段局部溫度進(jìn)行了測(cè)試，分別為紅外成像儀、紅外溫槍、熱敏電阻。

最終現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與仿真分析結(jié)果差別在5.5%以?xún)?nèi)，誤差結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)CFD模擬的方法，首次對(duì)開(kāi)口過(guò)程中最?lèi)毫拥墓r進(jìn)行了分析，為智能開(kāi)口機(jī)的研發(fā)提供了工作溫度范圍的設(shè)計(jì)依據(jù)。通過(guò)分析計(jì)算，我們也可以看到雖然開(kāi)口機(jī)是在一個(gè)溫度異常高的工作環(huán)境中，直接與鐵水接觸，但其工作溫度是可調(diào)可控的。通過(guò)合理的優(yōu)化參數(shù)，可使開(kāi)口機(jī)的工作溫度在合理的范圍內(nèi)，保證智能設(shè)備的可靠性。本文主要的總結(jié)如下：

(1)通過(guò)控制環(huán)境輻射與增大吹掃空氣流速，可將開(kāi)口機(jī)器人工作溫度控制在合理范圍內(nèi)，即400 K以?xún)?nèi)。因此，智能開(kāi)鐵口機(jī)器人雖然與鐵水直接接觸，但是可以工作在合理的溫度范圍內(nèi)，確保智能開(kāi)鐵口機(jī)器人的可靠性、壽命與成本等各項(xiàng)性能參數(shù)。

(2)降低吹掃空氣入口溫度也可進(jìn)一步降低智能開(kāi)口機(jī)器人工作溫度。

通過(guò)本次工作，我們初次對(duì)開(kāi)鐵口機(jī)工作的溫度場(chǎng)有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，為下一步工作提供了思路和基礎(chǔ)。筆者認(rèn)為下一步工作可通過(guò)如下改進(jìn)，來(lái)開(kāi)展進(jìn)一步的深入研究，提高分析的精度。

(1)鐵口內(nèi)部部分規(guī)律較為簡(jiǎn)單，特別是鐵水在整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中溫度變化較小，可在以后的下一步分析時(shí)簡(jiǎn)化為恒溫模型，可節(jié)省約三分之二的建模量與計(jì)算量。

(2)本文中忽略了鉆桿的軸向傳熱，這在吹渣介質(zhì)速度較高時(shí)確實(shí)影響非常小，但在吹渣介質(zhì)速度低或者沒(méi)有時(shí)的極限工況下，鉆桿的軸向傳熱會(huì)對(duì)溫度的分布產(chǎn)生的影響還需要另外分析，建議以后進(jìn)一步分析時(shí)將這一部分模型不做簡(jiǎn)化，進(jìn)一步提高模型的計(jì)算精度。結(jié)合鐵口內(nèi)部節(jié)省的計(jì)算量，可以實(shí)現(xiàn)在相同計(jì)算量的情況下，大幅增加計(jì)算精度。