ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY
Jan. 2021
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加盖鱼雷罐的铁水温降分析
**国家重点研发计划“冶金、化工炉窑及系统节能减排关
键技术 ”(2018YFB0605900)收稿日期：2020-07 -20
杜贤武(1989 -)，博士;430000湖北省武汉市。
杜贤武朱善合陈超孙伟杨超丁翠娇
(宝钢股份中央研究院(武钢有限技术中心))
摘 要 以装载260t 铁水的鱼雷罐为研究对象，利用ANSYS 有限元软件建立二维传热数学模
型，考虑罐体物性参数随温度变化的非线性、辐射的非线性等因素，模拟实际生产状况下鱼
雷罐罐体、罐壳及铁水的温度场，分析了加盖对鱼雷罐内衬和外壳温度随时间的变化关系及
铁水温降的影响。结果表明：加盖可明显降低罐体内衬及铁水的温降速率，温度下降幅度随 时间的延长越来越小；无盖情况下，空罐时间每减少lh，铁水温降会相应平均减少4.
,
而重罐时间每减少lh，铁水温降会相应平均减少19T，加盖后空罐时间每减少lh，铁水温降
相应平均减少3. 1°C ，重罐时间每减少lh，铁水温降相应平均减少16. 8T ；加盖后每小时的
铁水温度会比无盖铁水高1. 1 ~2.2t，空罐8h 重罐5h 后加盖铁水温度比无盖铁水高19. 4°C o
关键词鱼雷罐加盖铁水温降有限元分析温度场文献标识码：Agoat
文章编号：1001 -1617 ( 2021) 01 -0019 - 05
Analysis on molten iron temperature drop of torpedo ladle with a lid
Du Xianwu Zhu Shanhe Chen Chao Sun Wei Yang Chao Ding Cuijiao (Baosteel Central Rearch Institute ( R and D Center of Wuhan Iron and Steel Co. , Ltd.))
Abstract Taking a torpedo car with 260 t molten irons as the rearch object , a two - dimensional
heat transfer mathematical model was established with the ANSYS software to simulate the temperature
field of the inner lining , car shell and molten iron under the actual production conditions and analyze the effects of lid on the temperature field of inner lining , car shell and molten iron of torpedo car. The
results show that the lid can significantly decrea the temperature drop rate of inner lining and molten irons , and the increment value of temperature drop decrea with time. Under the condition of torpedo car without lids, the temperature drop of molten irons will decrea by 4. 2乞 for every one hour de
crea in empty tank time, and decrea by 19七 for every one hour decrea in heavy tank time, re
spectively. However , after adding the lids, the temperature drop of molten irons will decrea
by 3. 1弋 for every one hour decrea in empty tank time, and decrea by 16. 8七 for every one hour de crea in heavy tank time, respectively. The temperature of molten irons of the torpedo car with lids per hour will be 1. 1 ~2. 2°C higher than that of torpedo car without lids. The temperature of molten i- rons of the torpedo car with lids is 19. 4毛 higher than that without lids when the torpedo car is waiting
for 8 h in empty tank time and quential 5h in heavy tank time.
Keywords torpedo ladle lids molten iron temperature drop finite element computation temper
ature field
铁水运输是全流程钢铁行业一个关键环节O 与敞口式铁水车相比，鱼雷罐车具有装载容量 大、保温效果好和运输距离长等特点，成为众多
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大型钢铁企业运输铁水的首选设备U。尽管其保温效果已远优于普通铁水罐车，但运输周期长、罐内“三脱”操作和内衬的不合理设计仍使得铁水温度下降较大。生产实践表明，铁水温度的微小变化，会显著影响炼钢和连铸能耗。铁钢界面的铁水温降过大，不仅会加大炼铁时焦炭和喷煤的消耗以及高
炉废弃的气固液排放，也会降低炼钢转炉中的废钢加入量，影响炼钢的吹氧作业。同时，过大的铁水温降还会造成鱼雷罐的结壳结瘤，降低罐体的使用寿命因此，减少铁水温降既是炼钢工艺的要求，也是降低炼铁、炼钢能耗和生产成本的要求。
近年来，国内外对鱼雷罐铁水保温的研究主要集中在：（1）罐口加盖；（2）内衬添加保温层或隔热层；（3）减薄内衬厚度，扩容罐体。国内众多学者对鱼雷罐体的热量损失及所造成的铁水温降研究做了大量工作，也取得了一定的成就。吴懋林等［创采用实验方法探讨了空罐罐口加盖和空罐时间对铁水温降的影响。楚化强等⑴］以某钢厂320t鱼雷罐为研究对象，利用Fluent软件分析了鱼雷罐内衬温度分布随时间的变化关系及工作层厚度对温降的影响。马学东等I—］采用ansy S有限元软件对320t鱼雷罐实施保温措施前后的铁水温降进行了分析。但是，为简化计算，目前的数值模拟普遍计算的是320t铁水满罐情况，而实际铁水量在260t左右，忽略了铁水量及罐内辐射换热对铁水温度的影响。
文章以某炼铁厂实际装载260t铁水的鱼雷罐为研究对象，利用ANSYS有限元软件建立二维传热数学模型，考虑罐体物性参数随温度变化的非线性、辐射的非线性等因素，模拟实际生产状况下鱼雷罐铁水及罐壳的温度场，分析了加盖对鱼雷罐内衬温度及铁水温度的影响规律。
1鱼雷罐的实际运输情况
某炼铁厂鱼雷罐设计满载铁水容量320t，实际铁水转载量在260t左右，铁水出高炉时温度约为1500T，
受铁时间约0.5h，受铁结束时罐内铁水平均温度约为1450^，然后将铁水由炼铁厂运至炼钢厂进行倒罐，倒罐后铁水测温再进行脱硫作业。铁水倒罐结束后，鱼雷罐按调度计划进行空罐等待后才能再次返回炼铁厂受铁。对实际运行中的鱼雷罐运行时间、铁水温度及外壳温度进行了跟踪测试与统计，鱼雷罐圆柱中部和圆锥中部外壳的平均温度分别为240P和271P，鱼雷罐运行参数如表1所示。
表1部分鱼雷罐的运行参数表
罐号出铁温度/弋受铁开始结束时间铁水净重/t开倒时间倒空时间脱硫前温度/花
36号146502：5303：2725205：0805：371276 150013：0213：3326115：0015：241340
44号146902：1302：4826603：2803：581280 149009：0409：3726310：3010：341384
2数值模拟
2.1模型建立及网格划分
所分析的鱼雷罐几何尺寸及内衬结构来源于炼铁厂的实际车型，该罐体的圆柱段长为4.8m、内外直径分别为2.685m和3.7m，左右圆锥段对称分布，右圆锥段内外径轴长分别为3.275m 和3.65m，罐口直径1.4m，内衬材质主要为铝碳硅碳（ASC）砖和耐火黏土砖，相关物性参数如表2所示。为减少计算量，在进行有限元分析时，取二维剖面右平面模型为研究对象。
表2材料物性参数⑶
导热系数
生活大爆炸 第七季
W/（m•咒）
热容
J/（吩）
密度
kg/m3 ASC砖20.9-0.0105x T8002800
粘土砖0.84+0.58x10-3T879+0.23xT2050
钢壳50-0.025xT400+0.25xT7800
77.5-0.03xT7607138注：T为温度变化参数（25~15009）。
2.2边界条件
miss是什么意思采用红外图像仪对刚倒罐结束后的内衬温度进行了测量，平均温度约为1250^0非稳态模
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拟的初始条件(空罐开始时的内衬温度场)参数采用稳态传热模拟的结果，即初始时刻罐体的内壁温度为1250兀，外壁温度分布是稳态时的温度分布。空罐时，考虑罐外壁的对流换热和辐射换热，内壁、罐口与空气的辐射换热；重罐时，考虑罐外壁的对流换热和辐射换热，铁水与内衬的热传导及辐射换热。采用表面效应施加外壳辐射，对于内壁半封闭系统的辐射换热，采用 含空间节点的辐射矩阵来计算。环境温度为25%，受铁刚结束时铁水罐内平均温度为1450兀，外壳及铁水表面辐射率为0.8，耐材表面辐射率为0.4，外壳自然对流系数由准数方程可以计算出为15.2W/(m2・K)，并通过缩小实际外壳温度与稳态计算外壳温度的误差情况来优化外壳自然对流系数。
2.3载荷步
(1)初始温度场
倒罐刚结束时内衬的温度场作为鱼雷罐下一个运行周期的初始条件。首先利用生死单元杀死铁水单元，内壁施加温度1250%，外壳施加表面辐射和对流，长时间瞬态求解至外壳温度与实际情况一致或
接近，此时内衬温度场作为初始条件。
(2)空罐过程
在获取初始温度场后，利用辐射矩阵施加内壁表面辐射，瞬态求解获取不同时间条件下的空罐温度场。
(3)重罐过程
接上一步，激活铁水单元，施加铁水温度1450兀，以及铁水表面和内衬表面的辐射换热，瞬态求解整个温度场。
3结果与讨论
3.1空罐内外壁温度随时间的变化规律
罐体的内壁温度均随着空罐时间的延长而降低，圆柱部位的温度明显高于圆锥部位，柱体内表面温度最高，锥体端部温度最低，这是锥体部位内衬工作层与永久层的厚度均小于柱体部位所致。无盖情况下，空罐lh和7h后的内衬最高温度分别为1127兀和864尤，而加盖空罐lh和7h 后的内衬最高温分别为1201%和1002%，两者的温差由lh的74弋增大到7h的138尤，加盖后的内衬温度较无盖内衬温度大幅度提高，而且温降速率大幅降低。
图1是有无加盖罐体圆柱及圆锥中部外壳温度随时间的变化曲线。在2h以内，罐体内壁温度较高，并向外壁传热，外壁温度变化较慢，加盖对外壁温度几乎没有影响；但是，2h后加盖罐体的外壳温度高于无盖罐体，且随着时间延长，温差越来越大。空罐8h后，加盖罐体圆锥部的外壳温度要比无盖罐体圆锥部的外壳温度高30%，加盖罐体圆柱和圆锥部外壳平均温降分别为1.5%/h和7%/h，而无盖罐体圆柱和圆锥部外壳平均温降分别为2.8兀/h和10.8^/h o可见，加盖可显著减弱罐体内壁的对外辐射和对流，大幅降低罐体的热量损失。
时间/h
图1有无加盖罐体圆柱及圆锥中部外壳温度随时间的变化曲线
3.2重罐铁水温度随时间的变化规律
在无盖情况下空罐5h重罐lh后及空罐8h 重罐2h后的计算铁水温度分别为1399兀和1366弋，与相同时间条件下44号罐和36号罐倒罐结束后实测的铁水硫前温度(1384弋、1340P)均比较接近，计算值与实测值误差小于2%，说明模型计算的准确性及有效性。表3列出了一个运行循环内不同空罐和重罐时间条件下的铁水平均温度值。无论罐体是否加盖，铁水温度都会随空罐和重罐时间的延长而下降，但加盖罐体的铁水温度均明显高于无盖铁水温度，亦即加盖后铁水温降减少，在空罐弘重罐5h情况下，加盖后铁水温度由1310.5兀提高到1329.9兀，温降减少了近20尤。
图2(a)是在重罐时间一定的条件下铁水温降随空罐时间的变化曲线，可以看出，
在重罐
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表3不同空罐和重罐时间条件下有无加盖铁水平均温度T
空罐
重罐lh重罐2h重罐3h重罐4h重罐5h
无盖加盖无盖加盖无盖加盖无盖加盖无盖加盖
Oh1418.91421.91398.71403.51381.11387.513651372.71348.81357.9 2h1409.51417.21387.71397.41369.31380.751352.91365.71337.21353.7 4h1402.6140&41378.913881359.613711342.61355.81326.81342.4 6h1397.81405.71372.31383.7135213661334.51350.41318.01335.7 8h1392.91401.613661378.613451360.41327.11344.51310.51329.9
lh不变的情况下，将无盖空罐时间由Oh变为
8h，则铁水温降值由31.1七增大到57.1弋，平
supercharger均温降速率为3.25%/h，而加盖时铁水温降值
则由28.1T增大到48.4T，平均温降速率为
2.538^/h，同理，在重罐3h和5h不变的情况
下，无盖铁水温降平均速率分别4.513%/h和
4.788%/h，而加盖铁水温降平均速率分别为
3.388%/h和3.5%/h，较无盖相比，其铁水温
降速率分别降低了 1.125兀/h和1.288T/h o因
此，在无盖状态下每减少lh空罐时间，铁水温
160 140 120 100 :80 60 40二
二
二
burdened无盖重罐lh
加盖重罐lh
无盖重饉3h
加盖重嚴3h
无盖重罐5h
加盖重罐5h
02468
空罐时间Zh
140
120
plOO
J80
天然气英语
60
40
重罐时间/h
图2选定条件下空罐时间和重罐时间分别与铁水温降的关系曲线降平均会减少4.2尤左右，而加盖后每减少lh 空罐时间，铁水温降平均会减少3.1弋左右，亦 即，加盖后空罐时间每减少lh，其铁水温度就会比无盖铁水提高1.1兀左右O
图2(b)则是在空罐时间一定的条件下铁水温降随重罐时间的变化曲线。在空罐Oh不变的情况下，将无盖重罐时间由lh变为5h，则铁水温降值由31弋增大到101弋，平均温降速率为17.5%/h，而加盖时铁水温降值则由28弋增大到92兀，平均温降速率为16%/h，同理，在空罐4h和8h不变的情况下，无盖铁水温降平均速率分别19^/h和20.5兀/h，而加盖铁水温降平均速率分别为16.5P/h和18^/h，较无盖相比，其铁水温降速率降低了2.5兀/h。因此，在无盖状态下每减少lh重罐时间，铁水温降平均会减少19兀左右，而加盖后每减少lh重罐时间，铁水温降平均会减少16.8弋左右，即加盖后重罐时间每减少lh，其铁水温度就会比无盖铁水提高2.2尤左右。
4结论
利用ANSYS有限元软件模拟某钢厂装载260t铁水鱼雷罐从倒罐结束到下一次倒罐结束的一个循环运行周期内罐体内衬、外壳及铁水温度场随时间的变化，结论如下：
(1)无盖情况下，空罐5h重罐lh后及空罐8h重罐2h后的计算铁水温度分别为1399%和1366%，与相同时间条件下44号罐和36号罐倒罐结束后实测的铁水硫前温度(1384弋、1340%)均比较接近，计算值与实测值误差小于2%，说明模型计算的准确性及有效性。
copper
(2)加盖后，罐体内衬、钢壳及铁水的温降速率均小于无盖状态；在重罐时间一定条件下，加盖铁水温度随空罐时间延长而降低，温降
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平均速率为3.1紀/h，而无盖状态下铁水的温降平均速率为4.2^/h；在空罐时间一定条件下，加盖铁水温度随重罐时间的延长而降低，温降平均速率为16.8^/h，而无盖状态下铁水的温降平均速率为19t/h。
(3)在空罐8h重罐5h的连续情况下，与无盖铁水相比，全程加盖后铁水温度可提高19.汽。
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