供稿|兰大伟， 王厉刚， 马学东 / LAN Da-wei， WANG Li-gang， MA Xue-dong

前言

混铁车以其大容量和高效保温的性能日益成为各大钢企的主流铁水运输和储存工具。鱼雷罐是混铁车的主体设备，起着运输和储存铁水的作用。而鱼雷罐温度场的计算对于研究鱼雷罐的热应力及对其烘罐工艺具有重要的指导意义。近年来许多学者对鱼雷罐温度场做了一定的研究[1-3]，但忽略了空罐过程对温度场的影响，且多采用的是稳态分析，未能充分考虑时间因素及运输工艺的对鱼雷罐罐体的影响。

本文以某重型钢企使用的320 t鱼雷罐为研究模型，利用ANSYS软件，以传热学理论为依据，通过设置多载荷步，来消除热惯性，并充分考虑空罐过程、时间因素及运输工艺对其温度场分布的影响。得到鱼雷罐在经过重罐—空罐多个周期循环后达到稳定时温度场分布。本文所做工作，将为鱼雷罐的设计、维护及使用提供一定参考。

热场分析

有限元模型

如果不考虑鱼雷罐罐口的结构，鱼雷罐罐体是一个轴对称结构。为了降低计算量，取鱼雷罐罐体二维轴对称平面模型的1/4为研究对象。其罐衬的布置如图1所示，从外到内依次是：罐壳—永久层—浇注料—工作层。其中罐壳材质为16 Mn，永久层材质为蜡石砖，工作层材质为硅砖。几何尺寸：罐体圆柱段总长6.5 m，圆锥段为两段，每段长3.5 m，罐体总长为13.5 m(不含耳轴长度)。有限元模型选取了平面单元Plane55及表面单元Surf151单元进行自由网格划分，有限元模型如图2所示。

图1 鱼雷罐几何模型

图2 鱼雷罐有限元模型

热边界条件

◆ 罐壳外表面的边界条件

鱼雷罐在使用过程中，罐壳外表面不仅受到自然对流的影响，而且由于罐壳温度相对外界环境温度较高，对外界环境存在辐射换热。故在罐壳的外表面加载空气自然对流换热系数hc，同时设定孤立节点的温度即环境温度为30 ℃，数据来源于有关文献[4]。

◆ 罐衬内表面的边界条件

重罐时，铁水与罐衬内壁直接接触，热量传递主要通过热传导、热辐射及热对流的形式传递给内衬，传热极其复杂。因此，本文认为铁水温度即内表面壁温。故重罐时在罐衬内表面加载第一类边界条件1450 ℃温度载荷。

空罐时，根据空腔法原理可知，鱼雷罐不加盖时，鱼雷罐内壁对外部空间散失的热量等效于罐口面积对外部空间的辐射换热量。同时，辐射换热可转化为换热系数hc[5-6]。

hr和内壁温度Tw的关系图如图3所示。

模拟参数及载荷步设置

◆ 材料参数

比热容、导热系数等随温度变化的具体数据来源于有关手册及论文[7-8]。

◆ 时间设置

瞬态分析时间来源于现场实际，空罐时间为6小时，重罐时间为2小时20分钟，其中在转炉前等待时间为2小时，运输时间约为20分钟。

图3 等效对流换热系数

◆ 载荷步设置

载荷步的设置同运输工艺接轨，通过设置多载荷步，得到罐体储热状态达到平衡时的温度场分布，进而消除不准确的温度场影响，即消除热惯性的影响。

(1) 第1个载荷步(初始温度场)

由于鱼雷罐使用时需要进行烘炉处理，故内壁的施加的温度为烘炉温度1000 ℃，罐壳外表面施加hc，设定外部环境温度为30 ℃，求解得出非均匀分布的温度场，此温度场为瞬态分析时的初始温度场。且把初始温度场作为第1个载荷步。

(2) 第2个载荷步(重罐)

瞬态时间设定为2小时20分(8400 s)，内壁施加铁水的温度1450 ℃，罐壳外表面加入换热系数hc，设定孤立节点温度为30℃，写第2个载荷步。

(3) 第3个载荷步(空罐)

瞬态时间设定为6小时(21600 s)，罐衬内壁加入换热系数hc，罐壳外表面加入换热系数hc，设定孤立节点温度为30 ℃，写第3个载荷步。

为了消除热惯性及初始温度场所带来的误差，取得热平衡，继续写第4、5…20个载荷步，其中偶数载荷步施加的边界条件和运行时间与第2个载荷步相同，反映的是重罐时的工况；奇数载荷步施加的边界条件和运行时间与第3个载荷步相同，反映的是空罐状况。

有限元结果

经求解，最后得到运行重罐—空罐10个周期后(278400 s)重罐末期时的温度场云图如图4所示。选取工作层上特征点A、B及罐壳上特征点C、D点，并作A、B、C、D四个特征点的时间—温度历程图如图5所示。选取沿罐衬厚度方向的路径1如图4所示，并作路径图，如图6所示。

图4 重罐末期时温度场云图

图5 特征点时间历程曲线

图6 路径1温度分布图

由图4和图5可知，当鱼雷罐运行重罐—空罐等前5个周期后，罐体各部分储热状态开始趋于平衡，当鱼雷罐运行重罐—空罐10个周期(278400 s) ，鱼雷罐罐体的储热状态已经完全处在稳定范围内波动。在此稳态工况下，鱼雷罐内壁温度最高为1450 ℃，当空罐末期时，内壁温度则降至865 ℃，高于鱼雷罐内壁最低使用温度700 ℃；处在稳态状态时罐壳的最高温度为268 ℃，小于其蠕变温度400 ℃，与实际测量鱼雷罐罐壁温度误差在5%以内。

从图6可知，沿路径1罐衬厚度方向，从工作层到罐壳温度依次降低。其中，工作层从内到外，温度近似线性降低，浇注料和蜡石砖呈线性降低且浇注料和蜡石砖沿厚度方向温度降低速率高于工作层。

结论

通过设置多载荷步求解鱼雷罐温度场，能够充分考虑热惯性及时间因素对温度分布影响，计算方法比较新颖。

通过分析表明：烘炉温度对鱼雷罐使用后前5罐次影响比较明显，但随着运行时间延长，影响越来越小。

通过计算表明：鱼雷罐内壁在空罐末期温度最低为865 ℃，高于鱼雷罐烘罐最低温度要求；罐壳温度最高达到268 ℃，小于罐壳蠕变温度400 ℃。

[1] 万文， 赵紫玉， 赵静. 铁水鱼雷罐的温度控制. 冶金丛刊，2013， (5)： 24[2] 范万臣. 首钢鱼雷罐衬砖剥落现象分析. 耐火材料， 2011， 45(1)： 59

[3] 罗乃杰. 鱼雷型混铁车罐体和车架的有限元分析. 鞍山： 辽宁科技大学， 2007

[4] 章熙民， 任泽霈， 梅飞鸣. 传热学(新二版). 北京： 中国建筑工业出版社， 1993

[5] 余其铮. 辐射换热原理. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2000

[6] 杨贤荣. 辐射换热角系数手册. 北京： 国防工业出版社， 1982

[7] 卞伯绘. 辐射换热的分析与设计与计算. 北京：清华大学出版社，1988

[8] 王学敏.混铁车罐体温降过程的有限元模拟. 沈阳： 东北大学， 2003