楚化强，冯　艳，顾明言，陈　光，徐　靖，单　佳（.安徽工业大学能源与环境学院，安徽马鞍山4300；.河海大学文天学院，安徽马鞍山4303）

鱼雷罐罐体温降与内衬厚度关系特性分析

楚化强1，冯艳1，顾明言1，陈光1，徐靖2，单佳1
（1.安徽工业大学能源与环境学院，安徽马鞍山243002；2.河海大学文天学院，安徽马鞍山243031）

以某钢厂320 t鱼雷罐为研究对象，利用Fluent软件建立三维传热数学模型，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及罐壳的温度场，分析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。结果表明：鱼雷罐外壳温度随时间的增加而降低；初始状态时，罐体两端椎体部位温度高于中间部位的温度，14 h后内罐体椎体部位温度下降速度大于中间部位温度下降速度，这是由于罐体两端椎体部位内衬厚度小于中间部位内衬厚度，热量传递快；沿厚度由内向外方向上，温度下降幅度愈来愈小。比较模拟计算结果与现场测量的罐体外表面温度，两者吻合较好，最大误差仅为1.32%。

鱼雷罐；内衬；厚度；温度场；数值模拟

鱼雷罐车是当今国内外大型钢铁企业装运铁水的专用车［1-2］，能够把铁水运输到50 km外或更远的地方，并可通过短时间贮存铁水来协调炼铁和炼钢之间出现的不平衡。但是，高炉铁水温度的提高，增强了鱼雷罐车内衬的高温辐射和热冲击，铁水、铁渣与内衬接触发生的化学反应、运输过程中的机械磨损等均会影响鱼雷罐的使用寿命；倒出铁水前后的鱼雷罐温差较大，即冷热交替温差大，致使内衬材料产生裂纹，内衬更易剥落和腐蚀。采用喷吹方式对铁水进行处理时（即脱硅、脱磷、脱硫，同时喷入氧气），也会加快内衬的整体腐蚀［3-5］。内衬损坏严重导致铁水泄露，会威胁现场工人的生命安全，也会造成巨大的财产损失［6-7］，因此，需实时监测鱼雷罐内衬的损坏情况和残余厚度。

目前，多数炼钢厂主要根据操作人员的工作经验来检查和判定鱼雷罐内衬使用和损坏情况。亦有学者对鱼雷罐内衬的监测与判定进行了一定的研究，单佳等［8-9］对鱼雷罐稳态情况下表面温度与内衬厚度的关系进行了模拟，并对非稳态情况进行了初步研究；宋利明等［10］介绍了鱼雷罐内衬温度监测技术，并测量鱼雷罐改装前后运行变化；宋飞［3］针对宝钢320 t鱼雷罐分析了炉内各部分内衬的损毁状况，并给出了相应对策；齐晖［11］利用ANSYS软件对宝钢鱼雷罐进行了传热与应力分析。针对罐体物性参数随温度变化的非线性、辐射的非线性等因素，笔者以某钢厂320 t鱼雷罐为研究对象，结合计算机模拟和红外热像检测技术，探索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，探索鱼雷罐内衬残余厚度及损坏情况的在线监测方法。

1　数值模拟

1.1模型建立及网格划分

鱼雷罐罐体尺寸及网格划分如图1，该鱼雷罐由走行端耳轴、罐体、罐口及从动端耳轴等组成。设计温度为1 450℃，设计容量为320 t（新罐）、370 t（旧罐），运行速度为15 km/h，内衬材质为铝-碳化硅-碳砖、黏土砖，高铝浇注料。为保证计算精度并尽可能节省计算时间，采用文献［8，12］类似的方法对罐体进行非均匀网格划分，网格类型为TGrid类型。

图1　鱼雷罐罐体模型的整体结构及网格划分Fig.1 Overall structure and the meshing of torpedo car model

1.2温度场模拟计算

鱼雷罐的空罐时间会影响铁水的温降，随空罐时间的延长铁水温降增大，这对炼钢的能耗和质量有一定的影响［13］。因此模拟鱼雷罐倒出铁水后的冷却过程对鱼雷罐实际使用周期的制定具有重要意义。文中模拟的鱼雷罐结构如图2。

取1，2，3，4，5，6六个部位的外壁温度，相应6个部位内衬残余厚度分别为137，137，167，200，272，182 mm。

图2　鱼雷罐模型的结构及内衬残余厚度分布情况Fig.2 Structure and residue lining thickness distribution of torpedo car model

1.3边界条件

非稳态模拟的初始条件（τ=0 h）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1 573 K，外壁温度分布是稳态时的温度分布。倒出铁水的空罐在空气中自然冷却，主要考虑内壁、罐口和空气的辐射换热。由于罐口的面积较小，采用第三类边界条件来研究内壁和罐口的辐射换热［14］，内壁热流密度qw的经验公式如

其中：A1=1.538 6 m2，表示罐口面积；A2=66.247 6 m2，表示鱼雷罐内壁的面积；T1取400 K，表示罐口空气温度；T2表示内壁温度。采用第三类边界条件来研究鱼雷罐外壁与空气间的对流、辐射换热，则散热系数αn可由经验公式（2）表示

式中：Tw为外壁温度，K；Ta为空气温度，取293 K。采用C语言对式（1），（2）进行编程，并通过Fluent中的UDF （User-Defined Function）功能导入Fluent中进行数值模拟。文中对某钢厂320 t鱼雷罐（部位1，2，3，4，5，6的内衬残余厚度分别为137，137，167，200，272，182 mm）铁水倒出后的自然冷却过程进行非稳态模拟和分析。

2　结果与讨论

2.1外壁温度随时间的变化规律

图3为罐体外壁在不同时刻的温度图。从图3可看出，罐体6个部位的外壁温度随着冷却时间的延长而降低，这与罐体实际冷却过程相符。τ=0～6 h内罐体锥体部位的温度高于中间部位的温度，τ=8 h时锥体部位和中间部位的温度比较接近，τ=10～14 h时椎体部位的温度低于中间部位的温度，在整个过程中椎体部位温降（120 K）大于中间部位温降（53 K），这是由于罐体两端椎体部位内衬厚度小于中间部位内衬厚度所致。

图3　罐体冷却过程中外壁温度变化Fig.3 Change of outer wall temperature during the torpedo car cooling process

鱼雷罐6个部位外壁温度随时间的变化关系如图4。由图4可知：在τ=0～2 h内罐体内壁的温度较高，并向外壁传热，所以6个部位外壁的温度变化较慢；在τ=2～14 h之间外壁温度变化较快且随时间的变化接近线性，这为推算不同时刻外壁温度提供了依据；部位1和2外壁温度随时间的降幅最大，部位5外壁温度的降幅最小，分别为9.6，10.5，4.2 K/h。这主要是因为3个部位内衬厚度不同，内衬厚度最小的部位1和2热量传递快，内衬厚度最大的部位5热量传递慢。

图4　罐体6部位外壁温度随时间的变化关系Fig.4 Relationship between the temperatures of 6 parts of the outer wall in torpedo car and time

2.2内衬温度随时间的变化规律

限于篇幅，文中仅给出最易受损的底部情况，即部位6处。不同时刻部位6沿内衬由内向外方向上的温度分布如图5。为清楚了解温度变化规律，将图5的曲线总结为表1～3。由表1可看出，稳态模拟时永久层（黏土砖）温度梯度最大，工作层（铝碳化硅碳砖）温度梯度次之，高铝质浇注料温度梯度最小。这主要是因为内壁温度高、罐口小与空气之间的辐射对流换热较少，外壁在环境温度下散热快。由表2可知，在τ=0～14 h之间，内壁温度降幅最大，外壁温度降幅最小，且沿着内壁到外壁的方向降幅依次减小，这主要是因为内壁温度高且与罐口的空气进行对流和辐射换热量大造成的。此外，内壁温度的降幅随时间的延长逐渐减小，这与表3所示一致。

图5　部位6内衬温度随时间的变化关系Fig.5 Varying of the 6th lining temperature with time

表1　τ=0 h时不同材料内外侧温度Tab.1 Outside and inside temperatures of different materials in the time ofτ=0 h

表2　τ=0，14 h时不同位置处温度及温降（K）Tab.2 Temperature and its drop at different locations inτ=0，14 h（K）

表3　不同时间段内内壁的温度变化率Tab.3 Rate of temperature change in the inner wall at different time periods

2.3模拟与实测比较

图6为鱼雷罐空罐冷却14 h后采用Fluke红外热像仪附带的Smart View软件导出的6个部位外壁温度测量值。同时使用Fluent的后处理软件Tecplot导出上述6个部位外壁温度的模拟值。表4为6个部位的外壁温度测量值和模拟结果。

图6　罐体底部表面红外温度（℃）Fig.6 Infraredtemperatureatthebottomofthecarsurface（℃）

表4　6个部位外壁实测与模拟温度Tab.4 Measured and simulated temperatures of the outer wall of 6 parts

由表4可见，6个部位外壁温度实测值与模拟值间的误差均小于5%，最大误差仅为1.32%。模拟结果可用来预测鱼雷罐实际冷却过程中温度变化和分布，验证了本文建立模型是正确的。将Fluke红外热像仪获得的图像导入Matlab中，转化为三维图像，如图7。图7表明罐体底部红外三维可视化技术可便捷展示各处温度分布，由此可根据鱼雷罐外壁温度与内衬的关系，来判断内衬是否需要更换。

3　结　论

利用Fluent软件模拟某钢厂320 t鱼雷罐某次倒出铁水后的自然冷却过程，并将结果与实测值进行比较分析。

1）随着冷却时间的延长，罐体外壁的温度逐渐降低，且随着内衬厚度的减小外壁温度下降速率增大。

2）罐体外壁温度在0～2 h内下降速率较小，在2～14 h内与时间接近线性变化关系，这为推算不同时刻外壁温度提供了依据。

图7　罐体底部红外热像图及三维可视化Fig.7 Infrared thermal image and 3D visualization of car bottom

3）沿内衬从内到外的方向，温度的降幅愈来愈小。随着冷却时间的延长，内壁温度下降速度逐渐变小，外壁温度降低比较缓慢。

4）对比罐体底部表面温度模拟结果与实测结果，两者误差较小，表明所建模型是正确的，模拟结果可用来预测鱼雷罐实际冷却过程中温度变化和分布。开发了罐体底部红外温度三维可视化技术，该技术可便捷展示各处温度分布。

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责任编辑：何莉

Analysis of the Relationship Between Temperature Drop and Inner Lining Thickness of Torpedo Car

CHU Huaqiang1，FENG Yan1，GU Mingyan1，CHEN Guang1，XU Jing2，SHAN Jia1
（1.School of Energy and Environment，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243002，China；2.Wentian College，Hehai University，Ma'anshan 243031，China）

Take a 320 t torpedo car as the research object，a three-dimensional heat transfer mathematical model was established with the Fluent software，and the temperature field of the body and the car shell under actual production conditions were simulated，in which non-linear change of physical parameters with the temperature change and the radiation was considered.The changing of temperature distribution of torpedo car inside lining with time and the effect of lining thickness on the temperature drop were analyzed.The results show that temperature of the external shell decreases with time increasing.In the initial state，the temperatures of vertebral body parts on both ends of car are higher than those of the middle parts.14 h later，the vertebral body parts temperatures drop faster than those of the middle parts，which is because the lining thickness of the vertebral body parts on both ends of car is less than that of the middle，and the heat transfer is fast.The temperature drop is decreased gradually along the thickness from the inside to the outside.By comparing the measured temperature of the external shell and the calculated result，the two agree well，the maximum error is only 1.32%.

torpedo car；inner lining；thickness；temperature field；numerical simulation

TK124

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7872.2016.02.001

1671-7872（2016）02-0095-05

2015-11-23

国家重大科学仪器设备开发专项（2012YQ220119）；安徽工业大学青年科研基金项目（QZ201302）；安徽省自然科学基金项目（1408085QE100）；国家自然科学基金项目（51306001，51376008）

楚化强（1982-），男，山东菏泽人，副教授，主要研究方向为燃烧检测及传热分析。