抽風式預熱過程浸入式水口升溫特性研究

王長軍，于 洋，李寶寬

(東北大學 冶金學院，沈陽 110819)

浸入式水口是安裝在中間包底部并插入到結晶器鋼液面以下的耐火材料套管.其主要作用是將中間包內的鋼液輸送到結晶器、保護鋼液不發生二次氧化、促進夾雜物上浮以及改善鋼液在結晶器內的流動狀態[1-3].浸入式水口的使用條件極為苛刻，不僅承受澆鋼過程中鋼液和保護渣的侵蝕，還要經受澆鋼初期由于鋼液與水口間的溫差造成的強烈熱震[4].實際工程中通過對水口預熱來減弱這一影響，以提高水口使用壽命，并且發現水口預熱溫度越高，澆鋼時水口熱應力越低[5].

目前鋼廠普遍采用抽風式烘烤方式對水口進行預熱，通過抽風系統將烘烤中的中間包內的熱空氣余熱經浸入式水口內腔抽到烘烤箱內，再經抽風管排出來達到預熱浸入式水口的目的[6].通常選取烘烤后水口頸部溫度判斷水口預熱質量[7].增加水口預熱時間和預熱氣體流量，縮小烘烤箱尺寸及提高抽風口位置均可以提高水口預熱溫度[8-10].其中抽風流量對水口預熱溫度影響顯著；研究發現，利用氣體噴射引流技術能明顯提高水口抽風流量，進而大幅度提高了水口頸部預熱溫度[11].浸入式水口常見材質為鋁碳質，水口強度隨著烘烤溫度的升高而下降，在500～600 ℃之間水口強度最低，隨著烘烤溫度繼續上升強度增加，為提高水口使用壽命，要求水口在預熱的開始階段快速升溫，以便迅速越過低強度區.

本文對抽風式烘烤箱預熱浸入式水口過程進行三維流固耦合計算[12]，分析浸入式水口的溫度場變化情況，得出浸入式水口預熱質量與預熱時間及進出口壓差的關系.

1 數學模型

1.1 物理模型

根據實際尺寸建立抽風式烘烤箱物理模型，烘烤箱內腔直徑380 mm，內腔深度644 mm，筒體高強澆注料厚度60 mm，筒體外側保溫層無石棉硅鈣板厚度20 mm，烘烤箱底座硅酸鋁耐火纖維厚度60 mm，烘烤箱進口直徑150 mm，出口直徑107 mm.模擬的浸入式水口內腔直徑130 mm，水口壁面厚度10 mm，水口長度600 mm，水口為單口直通式不含SiO2鋁碳質浸入式水口，物理模型如圖1所示.工作時會在烘烤箱抽風口側造成負壓，在進出口壓差的作用下抽取烘烤中間包內熱空氣，與浸入式水口發生對流換熱，從而達到預熱水口的目的.

圖1 抽風式預熱箱物理模型Fig.1 Physical model of preheating apparatus with deflating

圖2 抽風式預熱箱網格劃分Fig.2 Grid of preheating apparatus with deflating

分別對固體域和氣體域進行離散化，網格劃分情況如圖2所示，除抽風管道與筒體交接處采用非結構網格外，其余區域均為結構化網格.網格數目共計72萬，并進行了網格無關性驗證.

1.2 物性參數

設定中間包內熱空氣溫度為1 050 ℃，浸入式水口及預熱箱材料的物性參數按1 000 ℃條件下進行選取，該條件下各材料物性參數見表1.

表1 1 000 ℃條件下的材料物性參數Table 1 Material physical parameters at 1 000 ℃

1.3 模型設置

采用標準k-epsilon湍流模型和增強壁面函數[13]，湍流強度為3%.

設定浸入式水口入口為壓力入口邊界條件，取101.3 kPa，抽風口為壓力出口邊界條件，外界空氣溫度和初始溫度均為27 ℃.水口外壁與外界空氣對流換熱系數為12 W/(m2·K)[14]，高強澆注料與外界空氣對流換熱系數為12 W/(m2·K)[15]，無石棉硅鈣板與外界空氣對流換熱系數為8 W/(m2·K)，硅酸鋁耐火纖維與外界空氣對流換熱系數為6 W/(m2·K)[9]，不同材質間的熱邊界條件為耦合.

2 模型驗證

對模型進行網格無關性驗證，如圖3所示.對模型進行網格劃分，獲得網格數分別為28萬、55萬和72萬的計算模型，并在相同的邊界條件下對三組對象進行數值模擬.對模型中浸入式水口內腔中心軸線位置處的預熱氣體速度分布進行檢測分析，由圖3可以看出，55萬網格數與72萬網格數的模擬結果差別不大，計算結果趨于穩定，模型的網格無關性測試表現良好，可以認為72萬網格滿足網格無關性要求，用于研究抽風式預熱水口升溫特性的可靠性得以驗證.

3 結果與討論

3.1 預熱時間對水口預熱溫度影響

圖4為整個預熱裝置在進出口壓差3.0 kPa，烘烤10 min后的溫度場.由圖可以看出烘烤箱內抽風口側的熱空氣溫度較低，導致該側熱空氣與浸入式水口對流換熱強度較低，引起水口的周向溫度分布不均，對水口預熱質量產生微弱的影響.另一方面，在浸入式水口軸向方向，高溫區域表現為由水口出口側向水口頸部傳遞，水口軸向溫度分布不均，并且水口頸部位置的預熱溫度明顯低于水口其他位置的溫度，故選取水口頸部的預熱溫度和水口軸向溫度梯度來判斷水口預熱質量.

圖5 水口溫度場變化Fig.5 Temperature field changes of submerged entry nozzle t1=10 min； t2=20 min； t3=30 min； t4=40 min； t5=50 min； t6=60 min

圖5為壓差3.0 kPa條件下水口溫度場隨預熱時間t的變化規律.各浸入式水口溫度云圖為水口位于圖4位置時的外表面主視圖溫度分布，圖中各水口左側區域均為靠近預熱箱抽風口出口側區域.從左至右依次為水口預熱10 min到60 min 后的溫度場情況，可以看出，隨著預熱過程的進行,水口的周向與軸向溫度分布不均逐漸減弱，預熱40 min后幾乎只存在軸向溫度梯度；水口頸部一直處于預熱過程的薄弱環節，并且水口預熱溫度場在預熱的前40 min變化明顯，隨著預熱過程的繼續進行，水口溫度場趨于穩定.

圖6 水口溫度與預熱時間關系Fig.6 Relation between temperature of nozzle and preheating time

水口預熱的薄弱環節為水口頸部位置，以水口頸部外壁烘烤溫度作為判斷水口預熱質量好壞的條件.圖6為預熱箱進出口壓差分別為1.5 kPa、2.0 kPa、2.5 kPa、3.0 kPa、3.5 kPa、4.0 kPa六種工況下水口頸部外壁溫度隨時間的變化規律曲線.可以看出，預熱的前30 min，水口頸部外壁溫度曲線以接近線性規律上升，并且壓差越大，斜率越大，隨著水口溫度的升高，溫升率逐漸降低；并且該預熱箱模型能夠在較短的時間內將水口頸部外壁預熱到800 ℃甚至更高，滿足工藝要求.預熱60 min后，水口頸部外壁溫度幾乎不變，水口的預熱情況趨于穩定狀態，此時可以進行壓差對水口預熱質量的影響分析.

3.2 壓差對水口頸部預熱溫度的影響

通過模擬六種工況下浸入式水口頸部位置的升溫狀況，分析壓差對水口預熱質量的影響.由表2可以看出，抽風式烘烤箱進出口壓差對水口預熱溫度的影響主要是因為壓差影響著水口內腔的熱空氣質量流量，增大壓差會增強烘烤箱內的熱空氣湍流強度，進而增強了熱空氣與水口之間的對流換熱.

表2 不同壓差下的質量流量Table 2 Mass flux at different pressure differences

評判水口預熱質量高低的一個方法是分析水口頸部內外壁溫度，圖7為六種工況下浸入式水口充分預熱60 min后水口頸部內外壁溫度.由圖可以看出，該抽風式預熱裝置模型滿足在1～2 h內將水口預熱到800 ℃甚至更高的要求.水口頸部外壁溫度總是低于水口頸部內壁溫度，符合物理現象，同時六種工況下水口頸部內外壁溫度差平均為7 ℃，表明水口預熱已達到穩定狀態.隨著進出口壓差的增大，水口頸部內外壁預熱溫度增高，說明增大壓差會提高熱空氣質量流量，進而提高浸入式水口頸部預熱溫度，提高水口預熱質量.

圖7 壓差對水口頸部溫度影響Fig.7 Effect of pressure difference on temperature of nozzle neck

3.3 壓差對水口軸向預熱溫度梯度的影響

水口軸向溫度分布也是判斷水口預熱質量高低的一個因素.圖8為六種進出口壓差條件下，水口充分預熱60 min后的水口軸向溫度分布.圖中橫坐標表示的是水口軸向溫度取值點的位置，坐標從小到大代表溫度取值點從水口出口處到水口頸部位置.由圖可以看出，壓差對水口軸向預熱溫度梯度的影響主要體現在對水口頸部溫度的影響.在壓差為1.5 kPa時水口軸向平均溫度梯度為432 ℃/m，而壓差為4.0 kPa時水口軸向平均溫度梯度為360 ℃/m.可見壓差越大，水口頸部預熱溫度越高，水口軸向溫度梯度越小，水口預熱溫度分布更合理，有利于增加水口的使用壽命.

圖8 壓差對水口軸向溫度分布影響Fig.8 Effect of pressure difference on axial temperature distribution of the nozzle

4 結 論

本文通過模擬抽風式預熱裝置預熱浸入式水口過程，對模擬結果進行分析，得到如下結論：

(1)該抽風式烘烤裝置抽風口會對水口前期的周向溫度分布產生一定影響，但在對水口進行充分預熱后，該影響會逐漸減弱直至消失.

(2)水口頸部位置是預熱過程的薄弱環節，前30 min該位置溫度接近線性變化，隨著預熱的繼續溫升率逐漸減小，烘烤 60 min后水口預熱溫度趨于穩定狀態，預熱溫度可達到800 ℃甚至更高.

(3)水口頸部溫度受壓差影響明顯，預熱60 min 后，進出口壓差越大，水口頸部預熱溫度越高，在進出口壓差為4.0 kPa時，水口頸部內壁溫度858 ℃，水口頸部外壁溫度851 ℃.

(4)進出口壓差影響水口軸向溫度分布.壓差為1.5 kPa時水口軸向平均溫度梯度為432 ℃/m，而壓差為4.0 kPa時僅為360 ℃/m.說明進出口壓差越大，水口軸向溫度梯度越小，水口溫度分布更合理，水口預熱質量越高，故在條件允許的前提下應盡量增加預熱箱進出口壓差.

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