钢包行为及钢水温度优化控制

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1、洁净钢生产工艺技术,长 治 2011.08,-钢包行为及钢水温度控制,问题的提出,高炉-转炉之间-铁水包或者鱼雷罐车 转炉和连铸之间-钢包 连铸和轧钢机之间-铸坯,问题的提出,问题的提出,内容,钢包在钢铁制造流程中的作用 钢包热状态研究 钢包周转与钢厂物流调控 钢包行为研究与应用的典型实例,钢包在钢铁制造流程中的作用,钢水容器 （强度，耐材，保温性，容量，工艺适应性） 冶金反应器 （合理结构，适应性） 物流载体 （合理周转时间）,钢包热状态研究,实测研究 数值模拟 传热反问题研究及其应用,钢包热状态研究,钢包热状态研究,钢包热状态研究,钢包热状态研究,钢包烘烤预热阶段 （01） 出钢等待阶段

2、（ 12） 出钢装钢阶段 （23） 静置转运阶段 （34） 精炼阶段 （45） 连铸/模铸浇注阶段 （56）,数值模拟（钢包烘烤预热阶段）,数值模拟（钢包烘烤预热阶段）,能量平衡方程为： Q燃q气iFi 式中，Q燃： 燃料燃烧供热量 （J/小时） q气i: 燃烧产物向包盖、包壁和包底的热通量（J/m2h） i=V: 表示包底； i=T: 表示包盖； i=B: 表示包壁； Fi: 包底、盖、壁面积（m2)。,数值模拟（钢包烘烤预热阶段）,高温烟气对钢包壁、包底和包盖的耐火材料层的传热、应考虑气体辐射和对流传热，这样，热流q气-i为： qi=FiT气4-Ti4+气i( T气-Ti ) 式中，： 辐

3、射常数， 5.6710-8 w/m2K i： 钢包内表面黑度 Fi： 传热面积 , m2 A： 钢包内表面吸收率 气： 燃烧气体黑度，T气 Ti时，气 Ai 气i：燃烧气体与钢包表面的对流传热系数，w/m2K Ti： 包内表面温度（K） T气： 燃烧烟气温度（K） 欲求包壁的温度分布，需求解热传导方程。包侧壁看作无限长园筒，只有径向热流，包底和包盖看作无限大平板，只存在轴向热流。,数值模拟（钢包烘烤预热阶段）,包壁的热传导方程为： r壁内 r r壁外，0 1 初始条件： =0 T壁T室温 边界条件： 1 0 r=r壁内，q=q 气-i (i=B) r=r壁外， q= 壁环（T壁外T环） 包底的

4、热传导方程为： z底内zz底外，1 0 初始条件：=0 T底T室温 边界条件：1 0 z=z底内， q=q气I (i=V） z=z底外 q= 底环（T底外T环） 包盖的热传导方程为： z底内zz底外，1 0 初始条件：=0 T盖T室温 边界条件：1 0 zz盖内， q=q气i（i=T） zz盖外 q= 盖环（T盖外T环） 包壁、包底、包盖的热传导差分方程，采用显式差分格式。,数值模拟（出钢等待阶段）,钢包壁、包底内部的温度分布及随时间的变化可用前面类似的热传导方程进行计算,只是内表面处的边界条件不同. 包壁: 21时，r=r壁内，q=q气i, i=B 包底: 21时，z=z底内，q=q气i,

5、i=V 另外,初始条件由烘烤终了的包衬状态确定,即 1时，T壁T壁(r);T底T底(z),数值模拟（出钢装钢阶段）,数值模拟（出钢装钢阶段）,假设: 钢包锥度忽略,包壁看作无限长圆筒,包底为无限大平板; 钢流搅动钢水,使包内钢水均匀,且不存在炉渣的影响; 由于出钢时间相对比较短,自由表面直接对外传热,暂时尚未浸入钢水的侧壁传热不予考虑。,数值模拟（出钢装钢阶段）,钢水与包壁及包底耐火材料之间的传热可由求解热传导方程获得。 包壁热传导方程如前所示。 边界条件为: 32时， r=r壁内，q=钢壁(T钢()-T壁内) r=r壁外，q=壁环(T壁外-Tf) 初始条件: = 2时，T壁T壁(r) 包底热

6、传导方程如前所示。 边界条件为：32时， z=z底内，q=钢底(T钢()-T底内) z=z底外，q=底环(T底外-Tf) 初始条件: = 2时，T底T底(z) 上述初始条件由空包运至出钢处的状态确定。,数值模拟（出钢装钢阶段）,假定: 转炉出钢过程中,钢水温度恒定; 出钢口流出质量流量恒定; 钢水入包符合自由落体规律; 钢流为圆形断面。 取钢流微元控制体,由能量平衡原理有: 微元体向外传热量=向环境辐射传热+向环境对流传热, 即: r02v钢Cp钢(-dT钢)=2r0 dy 钢(T钢4-T环4)+钢环(T钢-T环) 式中, r0: 钢流断面半径; v: 钢流速度； 钢: 钢水密度； Cp钢:

7、钢水比热; T钢: 钢流温度; dy: 微元体高度; 钢: 钢水黑度系数; 钢环: 钢水对外对流换热系数； T环: 周围环境温度。 将上式整理得:,数值模拟（出钢装钢阶段）,钢水进入钢包后的能量平衡为： M钢() Cp钢(dT钢/d)=Cp钢r02 v进包 钢T进包T钢()+q底内()*A底q壁内()*A壁()+q自由面()*A自由面 式中, M钢()： 包内钢水质量; v进包： 钢水进入钢包液面的速度; T进包： 钢水进入钢包液面的温度; T钢()： 任一时刻包内钢水温度; q底内()： 钢水通过包底的传热流量; q壁内()： 钢水通过包壁的传热流量; A底： 包底面积; A壁()： 钢水与

8、包侧壁接触面积,它随时间变化; q自由面()： 自由表面向外传热流量， q自由面()渣T钢()4-T环4+渣环(T钢()-T环) A自由面: 自由表面面积, A自由面A底 这样,由上式即求得包内钢水在出钢过程中的温度变化。方程的求解可用欧拉方法。在出钢过程中,由于脱氧和合金化操作要加入部分铁合金,影响钢水温度变化，按经验式计算。,数值模拟（静置转运阶段）,数值模拟（静置转运阶段）,出钢完毕,钢水将运送到精炼站,其间存在一个静置传运阶段。此刻炉渣上浮至钢水表面形成渣层,为保温,还要在渣面加碳化稻壳作为保温剂,一般不加盖。钢水通过包壁、包底、渣层向外传热。 如图所示，包内钢水能量平衡为： M钢 C

9、p钢(dT钢/d)=q底内()*A底q壁内()*A壁+q渣层()*A渣层 由上式即可求得静置阶段钢水随时间的变化， 其中，q壁内()、q底内()、q渣层()均可求解相应的热传导方程获得。 包壁热传导方程同前。 边界条件为：43时， r=r内壁， r=r外壁，q=壁环(T外壁-T环) 初始条件为：=3时, T壁T外壁(r),T钢水T钢水(3) 包底热传导方程同(5.5)。 边界条件：43时， z=z内壁，T底内T钢()底 z=z外壁，q=底环(T底外-T环) 初始条件：=3时, T底T底外(z),T钢水T钢水(3) 在此需要说明的是，钢水在静置状态下，包内存在钢水温度分层现象，在确定边界条件时，

10、应考虑钢水沿钢包高度方向的温度变化。,数值模拟（静置转运阶段）,在实际情况下，钢水自由表面上覆盖的渣层上方存在一个自由空间，自由面与其上方钢包侧壁、环境之间有辐射换热。但一般来讲，装满钢水时，此自由空间很小，故在此不考虑这部分辐射换热，只考虑渣面对环境的辐射传热，这样，热传导方程和包盖的热传导方程与前述相同。 边界条件：43，时， z=z渣内，T渣T钢()渣内 z=z渣外，q=q渣外环 (5.19) 初始条件：=3时, T渣T钢水(3),数值模拟（钢水精炼阶段）,数值模拟（钢水精炼阶段）,钢水精炼方式较多，以宝钢炼钢厂为例，选择下述方式： （a）钢包在线吹Ar （b）CAS/CAS-OB （c

11、）RH/RH-OB （d）KIP 无论哪一种精炼方式，开始精炼处理时，先底吹Ar，并加入少量合金调整成分，CAS-OB与RH-OB处理时，还可吹O2提温，此时钢水的温降为： TT熔(dT钢/d)T吹ArTOBT合金 (5.20) T熔: 开始吹Ar时，表面渣熔化温降； (dT钢/d): 处理过程中通过包壁、底、自由面散热温降； T吹Ar: 吹入Ar导致的温降; TOB: OB处理温升； T合金: 加入合金导致温降， 其中 T熔、T吹Ar、TOB、T合金 可根据现场确定或由经验统计式计算。,数值模拟（钢水精炼阶段）,处理期间的热平衡式为： dT钢/d=(1/M钢Cp钢)q壁内*A壁+q底内*A底

12、+Q表 (5.21) 其时间范围为: 45 q壁内、q底可依据式（5.17）（5.18）计算。Q表依据精炼方式不同而有所变化。 吹Ar时： Q表裸T钢()-T环钢T钢()4-T环4A裸 -渣T渣()-T环渣T渣()4-T环4A渣 CAS或RH时： Q表-渣T渣()-T环渣T渣()4-T环4A渣 (5.22) （5.22）式中有关参数应根据具体情况进行修正。 实际生产中，若需多次处理时，其传热机理是相同的。,数值模拟（连铸阶段）,数值模拟（连铸阶段）,钢包水口开启，从时刻6开浇。浇铸过程中，钢包中的钢水逐渐减少，自由表面缓慢下降。一般情况下，钢包是加盖的。此过程可看成转炉出钢时钢包盛钢的逆过程。

13、这样钢包内钢水的热量平衡式为： M钢() Cp钢(dT钢/d)=q底内()*A底q壁内()*A壁()+q盖()*A盖m浇Cp钢T钢() 式中，m浇为钢水质量流量， m浇v拉坯流数铸坯截面积 钢() q底()，q壁()，q盖()均由热传导方程求解，因为钢水自由表面下降，露出的侧壁、自由表面与包盖内表面形成的封闭空间不断扩大，包盖内表面接收到的辐射传热量不断变化；另外，接触钢水的侧壁包衬沿高度方向的温度也是不同的，为计算这个阶段的包壁通过的热流的相应温度分布，应将钢包内高度分为n个小垂直段求解，每一个垂直段内表面温度由其中点温度表示，图5.25。 为计算空腔中的辐射角系数。将钢包内腔进一步几何简化

14、为图5.26所示的园筒。内筒半径为r0，空径总高度为h，将其沿高度方向分为n段，每段长度I=h/n。,数值模拟（连铸阶段）,为计算空腔中的辐射角系数。将钢包内腔进一步几何简化为图5.26所示的园筒。内筒半径为r0，空径总高度为h，将其沿高度方向分为n段，每段长度I=h/n。 根据辐射角系数，即可计算自由空间内的辐射换热。假定该空间的热量交换只有辐射方式的同时还需假设： 辐射空间的气体透明； 构成自由腔体的表面为灰体； 各表面为等温面； 包盖和包底自身只有轴向热流； 包壁内只有径向热流。 每一个面的投射辐射密度为： Gi=Jkik (5.31) 即 G1J111 +J212 +J313 G2J121 +J222 +J323 G3J131 +J232 +J333,数值模拟（连铸阶段）,每一个面的自辐射为： Ei=iTis4 (5.32) 即 E1 =1T1s4 E2 =2T2s4 E3=3T3s4 每一个面的有效辐射为： Ji=Ei-(1-i)Gi (5.33) 即J1=E1-(1-1)G1