單佳，楚化強，顧明言，岑豫皖，黃建新

(安徽工業(yè)大學a.能源與環(huán)境學院；b.機械工程學院，安徽馬鞍山243000)

混鐵車外表面溫度與內襯厚度關系的模擬研究

單佳a，楚化強a，顧明言a，岑豫皖b，黃建新b

(安徽工業(yè)大學a.能源與環(huán)境學院；b.機械工程學院，安徽馬鞍山243000)

以320 t混鐵車為研究對象，根據現(xiàn)場實測混鐵車內襯厚度，采用Fluent等軟件模擬計算出混鐵車外表面溫度，并分析混鐵車內襯厚度變化對其外表面溫度的影響。結果表明，混鐵車外表面溫度與內襯殘余厚度之間存在一一對應的關系，隨著混鐵車使用次數的增加，內襯厚度愈來愈薄，外表面溫度隨之升高。此外，根據建立的混鐵車外表面溫度與內襯厚度之間的關系，利用紅外熱像技術，可實現(xiàn)對內襯磨損程度的實時監(jiān)控。

混鐵車；內襯厚度；紅外熱像

混鐵車是冶金行業(yè)用來將高爐熔煉的鐵水運到煉鋼廠或鑄鐵機進行煉鋼或澆注鑄鐵塊的重要運輸工具?；扈F車在使用過程中，工作層耐火材料由于周期性地受到鐵水的沖刷和侵蝕，因而不斷地產生侵蝕和剝落，當耐火材料局部損毀嚴重，而未被發(fā)現(xiàn)時，會造成鐵水的滲漏[1-2]。因此，對混鐵車內襯的損毀程度進行監(jiān)測是保證混鐵車安全工作的重要措施。但是目前有關混鐵車內襯損毀程度監(jiān)測等方面的研究較少，多數煉鋼廠對混鐵車內襯的檢查、判定主要根據崗位操作人員的觀察，且結合工作經驗來確認，缺少先進的檢測設備測定內襯的殘余厚度?；诖耍P者借鑒文獻[3-4]對中間包的研究，結合計算機模擬和紅外檢測技術提出1套新的內襯殘余厚度檢測方法。

1 混鐵車溫度場的數值模擬計算

1.1 模型的建立與網格劃分

混鐵車罐體呈魚雷形狀，由罐殼、罐口、護板、耳軸等組成。罐體內砌筑耐火襯，由兩端耳軸及主、副軸承支承在軸承臺架上。罐體中央的上部罐口為受鐵、出鐵的進出口。魚雷型由中央直筒部分、兩側圓錐部分及耳軸焊接而成[5-6]。320 t混鐵車罐體尺寸及幾何模型如圖1。利用Gambit對罐體進行網格劃分，為保證計算精度并盡可能節(jié)省計算時間，采用非均勻網格劃分，如圖2。

1.2 耐火材料的物性參數

罐體內襯自內到外由3層耐火材料構成，與鐵水直接接觸的是鋁-碳化硅-碳磚(Al2O3-SiC-C)，為工作層；緊靠罐殼的為粘土磚(N2)，為永久層；在粘土磚和鋁-碳化硅-碳磚之間為1層高鋁質澆注料(H160P)，罐體的外殼由厚度為32mm的鋼板焊接而成。

通過對耐火材料的檢測，及查閱相關手冊[7]和文獻[8-9]確定罐體內襯耐火材料的物性參數隨溫度T的關系，具體見表1。計算中，物性參數以關系式的形式輸入，并對這些非線性關系進行有限元計算，以逼近實際值。

圖1 混鐵車幾何模型（單位：mm)Fig.1 Torpedo car overallstructure(unit:mm)

圖2 罐體整體及罐體底部的網格劃分Fig.2 Meshing ofoverallstructureand bottom of torpedo car

表1 耐火材料的熱物性參數Tab.1 Thermalparametersof refractories

3 模擬結果與分析

采用通過Fluent軟件[10]計算不同內襯殘余厚度的罐體外表面的溫度分布，針對不同的內襯殘余厚度，選取6個工況進行模擬，見表2。根據現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)，混鐵車上有11個部位內襯易磨損，這11個部位分別為1，2，3，4，5，6，5'，4'，3'，2'，1'，如圖3。其中1，2，3，4，5和1'，2'，3'，4'，5'是一一對稱的，且對稱的2個部位磨損程度大致相同，為節(jié)省計算和分析時間，取1/2罐體進行計算和分析。

3.1 穩(wěn)態(tài)模擬結果與分析

圖4為罐體外表面及軸斷面上的溫度分布。圖4顯示，沿著罐體厚度方向，溫度從內到外逐步降低且工作層的溫度梯度較小，永久層的溫度梯度較大。由于混鐵車整體尺寸較大，結合實際并考慮到其對稱性取1，2，3，4，5，6這6個部位的溫度分布如圖5。由圖4，5可以看出，在混鐵車的軸向和徑向都存在熱量傳遞過程。

圖3 混鐵車內襯易磨損的11個部位Fig.3 Eleven different locationsof torpedo car

表2 6個工況各部位內襯殘余厚度/mmTab.2 Six kindsof residual lining thicknessof each section/mm

圖4 罐體外表面及軸斷面上的溫度分布Fig.4 Temperature distribution of outer surfaceand axialsection

圖5 6個部位的溫度分布Fig.5 Temperature distribution of six parts

混鐵車6個部位的內襯厚度與外壁底部溫度關系可分別得到，由于篇幅限制，文中僅給出第一個部位的分析,其他5個部位類似。1部位底部外壁溫度隨內襯厚度的變化曲線如圖6。由圖6可以看出混鐵車外壁溫度隨著內襯厚度的變薄而升高。

通過軟件擬合得出1部位外壁底部溫度隨內襯厚度Y的公式為

表3為1部位內襯厚度計算值與實際值，其中：實際厚度為現(xiàn)場測量的內襯厚度；計算厚度為將已知的溫度代入式(1)所得的厚度。由表3可知兩者間最大誤差小于1.6%，表明了擬合公式的正確性。

3.2 非穩(wěn)態(tài)模擬結果比較

鋼鐵廠提供的實際測量數據為空罐冷卻14 h后的外壁紅外溫度，因此要驗證模擬結果的準確性，就需模擬14 h后的混鐵車外壁溫度分布。

實測的紅外數據中底部溫度分布比較清晰，因此選取底部進行對比。使用Fluke紅外熱像儀測得圖像和其附帶軟件SmartView可將圖像上1，2，3，4，5，6六個部位的數據導出。使用Fluent后處理軟件Tecplot對模擬數據進行處理，Tecplot同樣可以將1，2，3，4，5，6六個部位的溫度數據導出。6個部位底部位置實測與模擬數據見表4和圖7，可以看出，2部位溫度最低，5部位溫度最高，6個部位溫度趨勢相同?？梢娔M結果與實測結果吻合較好，這表明所建立的數學模型和求解方法是正確的。

4 結論

1)沿混鐵車的軸向及徑向均存在熱量傳遞過程。隨著混鐵車使用時間的延長，混鐵車內襯殘余厚度變薄，其外壁溫度隨之升高。

圖6 1部位外壁底部溫度隨內襯厚度的變化曲線Fig.6 Relationship between temperaturesof thebottom of externalshelland inner lining thickness

表3 1部位內襯厚度計算值與實際值Tab.3 Inner lining thicknessof calculation andm easurement

表4 6個部位底部位置實測與模擬溫度Tab.4 Measured and simulated temperatureof thebottom ofsix parts

2)混鐵車外表面溫度與內襯殘余厚度之間存在一一對應的關系，而且可以總結為公式的形式。通過紅外熱像儀測得混鐵車外表面溫度，然后帶入這些關系式即可算出內襯的殘余厚度。由此，可以通過紅外熱像儀對罐體內襯厚度進行在線監(jiān)控。

3)通過非穩(wěn)態(tài)模擬，溫度的實際測量數據與模擬結果吻合較好，驗證了模擬的正確性。

圖7 6個部位底部位置實測與模擬溫度Fig.7 M easured and simulated tem perature of the bottom of six parts

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責任編輯：何莉

Simulation of the Relationship Between Temperatureof External Shelland Inner Lining Thicknessof Torpedo Car

SHAN Jiaa,CHU Huaqianga,GUM ingyana,CEN Yuwanb,HUANG Jianxinb
(a.Schoolof Energy and Environment；b.SchoolofMechanical Engineering,AnhuiUniversity of Technology, Ma'anshan 243000,China)

Taking the 320 t torpedo caras the subject in presentwork,the temperature fieldsof externalshellwere calculated by using the Fluent software based on themeasured lining thickness.The effectof lining thickness on the temperature of external shell was also analyzed.The results show that there is a corresponding relationship between temperatures of external shell and lining thickness.Temperature of external shell rises with the decreasing of lining thickness and increasing of service times.According to the relationship between external shell temperatures and lining thickness,the lining damage degree can be real-timemonitored with the infrared imaging technique.

torpedo car;inner lining thickness;infrared imaging

TK124

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2014.02.001

1671-7872(2014)02-0107-04

2013-11-27

國家重大科學儀器設備開發(fā)專項(2012YQ220119)；國家自然科學基金項目(53106001，51376008)；安徽工業(yè)大學青年科研基金(QZ201302)

單佳(1991-)，男，安徽淮北人，碩士生，主要研究方向煤粉高效潔凈燃燒數值模擬。

顧明言(1965-)，女，江蘇宜興人，教授，主要研究方向為煤粉高效與低污染燃燒理論與技術。