供稿|蘭大偉， 王厲剛， 馬學(xué)東 / LAN Da-wei， WANG Li-gang， MA Xue-dong

前言

混鐵車以其大容量和高效保溫的性能日益成為各大鋼企的主流鐵水運(yùn)輸和儲(chǔ)存工具。魚雷罐是混鐵車的主體設(shè)備，起著運(yùn)輸和儲(chǔ)存鐵水的作用。而魚雷罐溫度場的計(jì)算對于研究魚雷罐的熱應(yīng)力及對其烘罐工藝具有重要的指導(dǎo)意義。近年來許多學(xué)者對魚雷罐溫度場做了一定的研究[1-3]，但忽略了空罐過程對溫度場的影響，且多采用的是穩(wěn)態(tài)分析，未能充分考慮時(shí)間因素及運(yùn)輸工藝的對魚雷罐罐體的影響。

本文以某重型鋼企使用的320 t魚雷罐為研究模型，利用ANSYS軟件，以傳熱學(xué)理論為依據(jù)，通過設(shè)置多載荷步，來消除熱慣性，并充分考慮空罐過程、時(shí)間因素及運(yùn)輸工藝對其溫度場分布的影響。得到魚雷罐在經(jīng)過重罐—空罐多個(gè)周期循環(huán)后達(dá)到穩(wěn)定時(shí)溫度場分布。本文所做工作，將為魚雷罐的設(shè)計(jì)、維護(hù)及使用提供一定參考。

熱場分析

有限元模型

如果不考慮魚雷罐罐口的結(jié)構(gòu)，魚雷罐罐體是一個(gè)軸對稱結(jié)構(gòu)。為了降低計(jì)算量，取魚雷罐罐體二維軸對稱平面模型的1/4為研究對象。其罐襯的布置如圖1所示，從外到內(nèi)依次是：罐殼—永久層—澆注料—工作層。其中罐殼材質(zhì)為16 Mn，永久層材質(zhì)為蠟石磚，工作層材質(zhì)為硅磚。幾何尺寸：罐體圓柱段總長6.5 m，圓錐段為兩段，每段長3.5 m，罐體總長為13.5 m(不含耳軸長度)。有限元模型選取了平面單元Plane55及表面單元Surf151單元進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖2所示。

圖1 魚雷罐幾何模型

圖2 魚雷罐有限元模型

熱邊界條件

◆ 罐殼外表面的邊界條件

魚雷罐在使用過程中，罐殼外表面不僅受到自然對流的影響，而且由于罐殼溫度相對外界環(huán)境溫度較高，對外界環(huán)境存在輻射換熱。故在罐殼的外表面加載空氣自然對流換熱系數(shù)hc，同時(shí)設(shè)定孤立節(jié)點(diǎn)的溫度即環(huán)境溫度為30 ℃，數(shù)據(jù)來源于有關(guān)文獻(xiàn)[4]。

◆ 罐襯內(nèi)表面的邊界條件

重罐時(shí)，鐵水與罐襯內(nèi)壁直接接觸，熱量傳遞主要通過熱傳導(dǎo)、熱輻射及熱對流的形式傳遞給內(nèi)襯，傳熱極其復(fù)雜。因此，本文認(rèn)為鐵水溫度即內(nèi)表面壁溫。故重罐時(shí)在罐襯內(nèi)表面加載第一類邊界條件1450 ℃溫度載荷。

空罐時(shí)，根據(jù)空腔法原理可知，魚雷罐不加蓋時(shí)，魚雷罐內(nèi)壁對外部空間散失的熱量等效于罐口面積對外部空間的輻射換熱量。同時(shí)，輻射換熱可轉(zhuǎn)化為換熱系數(shù)hc[5-6]。

hr和內(nèi)壁溫度Tw的關(guān)系圖如圖3所示。

模擬參數(shù)及載荷步設(shè)置

◆ 材料參數(shù)

比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等隨溫度變化的具體數(shù)據(jù)來源于有關(guān)手冊及論文[7-8]。

◆ 時(shí)間設(shè)置

瞬態(tài)分析時(shí)間來源于現(xiàn)場實(shí)際，空罐時(shí)間為6小時(shí)，重罐時(shí)間為2小時(shí)20分鐘，其中在轉(zhuǎn)爐前等待時(shí)間為2小時(shí)，運(yùn)輸時(shí)間約為20分鐘。

圖3 等效對流換熱系數(shù)

◆ 載荷步設(shè)置

載荷步的設(shè)置同運(yùn)輸工藝接軌，通過設(shè)置多載荷步，得到罐體儲(chǔ)熱狀態(tài)達(dá)到平衡時(shí)的溫度場分布，進(jìn)而消除不準(zhǔn)確的溫度場影響，即消除熱慣性的影響。

(1) 第1個(gè)載荷步(初始溫度場)

由于魚雷罐使用時(shí)需要進(jìn)行烘爐處理，故內(nèi)壁的施加的溫度為烘爐溫度1000 ℃，罐殼外表面施加hc，設(shè)定外部環(huán)境溫度為30 ℃，求解得出非均勻分布的溫度場，此溫度場為瞬態(tài)分析時(shí)的初始溫度場。且把初始溫度場作為第1個(gè)載荷步。

(2) 第2個(gè)載荷步(重罐)

瞬態(tài)時(shí)間設(shè)定為2小時(shí)20分(8400 s)，內(nèi)壁施加鐵水的溫度1450 ℃，罐殼外表面加入換熱系數(shù)hc，設(shè)定孤立節(jié)點(diǎn)溫度為30℃，寫第2個(gè)載荷步。

(3) 第3個(gè)載荷步(空罐)

瞬態(tài)時(shí)間設(shè)定為6小時(shí)(21600 s)，罐襯內(nèi)壁加入換熱系數(shù)hc，罐殼外表面加入換熱系數(shù)hc，設(shè)定孤立節(jié)點(diǎn)溫度為30 ℃，寫第3個(gè)載荷步。

為了消除熱慣性及初始溫度場所帶來的誤差，取得熱平衡，繼續(xù)寫第4、5…20個(gè)載荷步，其中偶數(shù)載荷步施加的邊界條件和運(yùn)行時(shí)間與第2個(gè)載荷步相同，反映的是重罐時(shí)的工況；奇數(shù)載荷步施加的邊界條件和運(yùn)行時(shí)間與第3個(gè)載荷步相同，反映的是空罐狀況。

有限元結(jié)果

經(jīng)求解，最后得到運(yùn)行重罐—空罐10個(gè)周期后(278400 s)重罐末期時(shí)的溫度場云圖如圖4所示。選取工作層上特征點(diǎn)A、B及罐殼上特征點(diǎn)C、D點(diǎn)，并作A、B、C、D四個(gè)特征點(diǎn)的時(shí)間—溫度歷程圖如圖5所示。選取沿罐襯厚度方向的路徑1如圖4所示，并作路徑圖，如圖6所示。

圖4 重罐末期時(shí)溫度場云圖

圖5 特征點(diǎn)時(shí)間歷程曲線

圖6 路徑1溫度分布圖

由圖4和圖5可知，當(dāng)魚雷罐運(yùn)行重罐—空罐等前5個(gè)周期后，罐體各部分儲(chǔ)熱狀態(tài)開始趨于平衡，當(dāng)魚雷罐運(yùn)行重罐—空罐10個(gè)周期(278400 s) ，魚雷罐罐體的儲(chǔ)熱狀態(tài)已經(jīng)完全處在穩(wěn)定范圍內(nèi)波動(dòng)。在此穩(wěn)態(tài)工況下，魚雷罐內(nèi)壁溫度最高為1450 ℃，當(dāng)空罐末期時(shí)，內(nèi)壁溫度則降至865 ℃，高于魚雷罐內(nèi)壁最低使用溫度700 ℃；處在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時(shí)罐殼的最高溫度為268 ℃，小于其蠕變溫度400 ℃，與實(shí)際測量魚雷罐罐壁溫度誤差在5%以內(nèi)。

從圖6可知，沿路徑1罐襯厚度方向，從工作層到罐殼溫度依次降低。其中，工作層從內(nèi)到外，溫度近似線性降低，澆注料和蠟石磚呈線性降低且澆注料和蠟石磚沿厚度方向溫度降低速率高于工作層。

結(jié)論

通過設(shè)置多載荷步求解魚雷罐溫度場，能夠充分考慮熱慣性及時(shí)間因素對溫度分布影響，計(jì)算方法比較新穎。

通過分析表明：烘爐溫度對魚雷罐使用后前5罐次影響比較明顯，但隨著運(yùn)行時(shí)間延長，影響越來越小。

通過計(jì)算表明：魚雷罐內(nèi)壁在空罐末期溫度最低為865 ℃，高于魚雷罐烘罐最低溫度要求；罐殼溫度最高達(dá)到268 ℃，小于罐殼蠕變溫度400 ℃。

[1] 萬文， 趙紫玉， 趙靜. 鐵水魚雷罐的溫度控制. 冶金叢刊，2013， (5)： 24[2] 范萬臣. 首鋼魚雷罐襯磚剝落現(xiàn)象分析. 耐火材料， 2011， 45(1)： 59

[3] 羅乃杰. 魚雷型混鐵車罐體和車架的有限元分析. 鞍山： 遼寧科技大學(xué)， 2007

[4] 章熙民， 任澤霈， 梅飛鳴. 傳熱學(xué)(新二版). 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 1993

[5] 余其錚. 輻射換熱原理. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2000

[6] 楊賢榮. 輻射換熱角系數(shù)手冊. 北京： 國防工業(yè)出版社， 1982

[7] 卞伯繪. 輻射換熱的分析與設(shè)計(jì)與計(jì)算. 北京：清華大學(xué)出版社，1988

[8] 王學(xué)敏.混鐵車罐體溫降過程的有限元模擬. 沈陽： 東北大學(xué)， 2003