摘要：针对新型300 t钢包，采用三维有限元数值模拟的方法研究了包壳的整体温度场分布。重点研究了包壳外表面高度方向、桶体与包底连接环焊缝处的温度分布以及钢包一些辅助结构对包壳温度场的影响，从而掌握钢包包壳温度场的分布规律，为新型钢包的日常维护以及如何延长钢包的使用寿命等方面的工作提供一定的依据。

关键词：钢包；温度场；有限元法；数值模拟

     钢包是钢铁生产的重要容器，随着钢铁冶金技术的不断发展，钢包不再仅仅是运输和浇注钢水的容器，同时也是炉外精炼设备。了解钢包在工作状态下的温度场分布对钢包的日常维护、延长钢包寿命及优化钢包结构有重要的意义。

    目前对钢包温度场的研究主要集中在钢包的局部范围，如对包底的研究，或者进行一些简化的二维数值模拟研究，对于钢包整体温度场的研究较少。本工作主要针对新型300 t钢包，采用三维有限元数值模拟的方法研究了包壳的温度场分布情况，从而掌握钢包温度场的分布规律，为新型钢包的日常维护及如何延长钢包使用寿命等方面的工作提供一定的依据。

1  有限元模型及边界条件的确定

1．1  三维模型的选取与确定

    图1、2分别为数值模拟采用的三维实体及有限元模型，根据钢包结构的对称性，采用1／2模型。有限元模型采用智能网格划分。

    宝山钢铁股份有限公司(以下简称宝钢)目前采用的300 t新型钢包与原来的老钢包相比，主要结构改动是将原来的T型结构包底改为平底压弧型包底。在建模过程中，尽量考虑钢包结构及其加载的真实情况，对一些相对细小且不影响整体的环节进行适当省略，如包底透气砖和水口砖尺寸相对于钢包底的总体尺寸而言较小，可以忽略透气砖和水口砖的影响，近似认为与包底各层材料一致；钢水为稳态不可压缩流体，内部加载时，考虑为恒定温度场。

1．2材料物理性能的选取

  钢包由钢质外壳和耐火材料内衬组成，包壳的材质为SM49OB钢，内衬工作层和永久层为高铝砖，渣线层为MgO-C砖。在本文的计算过程中，认为各种材料的物理性能参数是随温度而变化的，大大提高了计算的精确度。各种材料物性参数随温度变化的曲线如图3、4所示。

1．3边界条件及工况的确定

  在钢包各个运行阶段中，包壳一直处于空气中，与周围的环境进行热交换。热交换的方式有两种：一种为包壳与空气的自然对流换热，另一种为包壳与外界环境的辐射换热。由于辐射换热为高度非线性计算，需要花费大量计算时间，本文采用简化形式，即将辐射换热转化为对流换热形式。

     一般，空气与包壳的自然换热系数为5～10W／(m²·K)，本文中包壳表面与空气的平均换热系数采用下式进行计算：

    式(1)中，Num为努谢尔特数；λm为空气的导热系数，W／(m·℃)；h为钢包高度，m。

    包壳与周围环境的辐射换热转化为对流换热时的等价对流换热系数可用下式表示：

    式(2)中，h_r为等价的对流换热系数，W／(m·℃)；t_s为包壳的温度，℃；t_a为环境温度，℃；B为Boltzmann常数；ε为辐射系数，钢包表面的辐射类似于F₁／F₂趋近于零的辐射换热系数，取辐射系数为0．8。

    在进行温度场的计算过程中，考虑了两种工况，一为烤包，耐火材料内壁温度为l000℃，边界条件包括自然对流和辐射对流。由于在烘烤时，包底的空气基本不流动，因此包底取消自然对流这一边界条件。而辐射则加载到整个钢包的外壳，包括箱形加强箍带及其他封闭空腔的内部。二为工作状态，钢水温度取1 550℃，所施加的边界条件与烤包时相似，只是自然对流包括整个钢包外表面。

    为了更精确地得到钢包的温度场分布，首先对烤包状态进行了有限元模拟，在随后进行的钢包工作状态下温度场的计算中，将通过烤包计算得到的温度场作为初始条件施加在计算模型上。

2钢包温度场计算结果及分析

    根据以上确定的计算模型及边界条件，计算钢包经过烘烤，经过1 h运行后的温度场分布。

2．1  包壳桶体沿高度方向上的温度分布

    包壳桶体外表面高度方向上(从上箍带到包底与桶体环焊缝处)的温度分布曲线如图5所示。图5所示的温度曲线所对应的截面位置为三维模型的对称面上没有配重板的一侧，这一截面的特点是在钢包外壳上除了两条箍带外，没有其他的辅助结构。

    从图5可以看出，钢包包壳表面的温度水平在200～350℃之间，上渣线位置的包壳表面的温度最高。该截面上的温度分布呈两高三低的趋势，其中两高所在的位置是钢包上下渣线部位，温度明显高于其他部位，而且上渣线的高温区范围要比下渣线的高温区范围宽，中问的低温区域是在钢包的下箍带附近区域。同时从图5可以看出包壳桶体温度最低的部位是在包底与桶体连接的环焊缝附近区域。实际测量得到的温度变化趋势与三维有限元数值模拟计算得到的变化趋势基本吻合。

    包壳桶体沿高度方向上呈两高三低趋势的主要原因是：钢包上下渣线采用的是MgO-C砖，其余工作层采用80％或60％的高铝砖。MgO-C砖的导热系数大约是高铝砖的4～9倍，所以，上下渣线所在位置包壳表面的温度明显要高。上渣线对应的高温区域之所以范围比下渣线高温区域大，是因为下渣线区域的MgO-C砖要比上渣线的厚，且下渣线区域所对应的工作层也要比上渣线所对应的工作层厚一倍。上、下箍带区域的温度要比上、下渣线区域的温度低，但比钢包下部环焊缝区域的温度高，这是因为，由于箍带的存在,一方面加强了这一区域的换热效果，而另一方面由于箍带是封闭的，降低了这一区域的换热效果,导致这一区域温度有所升高。   

    包壳桶体高度方向上内外表面的温度分布对比曲线如图6所示。从图6可以看出，上下渣线区的包壳内外表面温差最大，在6～20℃之间，其它部位温差在4～10℃之间，底部环焊缝区域的包壳内外壁温差最小。

2.2包壳桶体与包底连接环焊缝处的温度分布

    焊接接头为结构的薄弱环节，且新型钢包在焊接接头区域的结构有所改变，因此有必要对这一区域的温度场分布进行研究。图7为包壳外表面环焊缝的温度分布曲线，图7的横坐标角度是指以模型对称面(配重板一侧)为起始点，逆时针旋转到环焊缝上各点的角度。   

    从图7可以看出，环焊缝的温度分布曲线存在两个温度平台，这是由于环焊缝区域附近的铜包辅助结构不同造成的。温度曲线起始平稳段所处的位置是配重板下方的环焊缝段，离配重板下端的垂直距离为145 mm，由于配重板的存在，加强了钢包外表面散热效果，同时也影响到周围区域的温度，根据现场测量得到的结果也可以发现紧挨配重板下方的区域温降要比同样高度其它区域的温降快。第二个平稳段是处在钢水车座下方的环焊缝段，因其之间的垂直距离为835 mm，铜水车座散热的作用对其有所减小，温度要升高一些。在曲线的后半段，环焊缝的附近区域不存在任何钢包辅助结构，所以温度相对其他位置来说最高。

2．3配重板对包壳表面温度场的影响

  图8为模型的对称面上被配重板覆盖的包壳外表面沿高度方向上(从上到下)的温度分布以及与之相对应的钢包另一侧的温度分布曲线。

  从图8中可以看出，温度整体趋势是随着高度的降低而递增的，这是由于该区域的下端靠近下渣线，其温度较高。配重板所覆盖的包壳外表面的温度明显低于直接接触空气的包壳外表面的温度，也就是说添加配重板改善了包壳的散热效果，降低了包壳这一区域的温度。这一结果是在假设配重板和钢包外表面紧密结合，以热传导作为主要换热方式的条件下得到的，但是实际中很难达到这一点，因此配重板对包壳表面温度场的影响尚有待于进一步的研究。

3  结  论

    (1)采用三维有限元数值模拟的方法，对新型300 t钢包工作状态下的整体温度场进行了分析，并且充分考虑了烘烤对钢包初始温度场的影响，计算得到的温度场结果与现场测量得到的温度分布基本一致；

    (2)工作状态下，钢包包壳表面温度水平在200～350℃之间，上渣线位置包壳表面的温度最高；

    (3)工作状态下，包壳桶体沿高度方向的温度场分布以下箍带为分界线，呈两高三低的趋势，上、下渣线区域的温度较高，耐火材料对包壳温度场的分布起主导因素；

    (4)钢包的一些辅助结构对包壳表面温度场的影响较大，可以改善包壳的换热效果，降低包壳表面的温度。