基于SolidworkSimulation鉛錠水冷脫模熱力學分析

林 森

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

目前國內澆鑄鉛錠的冷卻方式普遍為風冷，通過空氣的強制對流實現液態鉛錠的凝固冷卻。鉛錠熱交換產生的熱流量會彌散分布在鑄錠線周圍的空氣中形成高溫作業區，容易造成職業危害，同時，風冷脫模后的鉛錠塊仍具有較高的溫度，需要再次冷卻后才能進行后續的打捆噴碼作業。因此國內已有少部分冶煉廠開始采用封閉水冷的方式，改善作業環境的同時也能有效的降低鉛錠脫模的溫度。本文基于solidworks的simulation插件通過對鉛錠模型的熱力仿真模擬，分析水冷環境對鉛錠脫模溫度的影響，旨在對今后的鉛錠水冷鑄錠線設計提供理論依據。

1 鉛錠水冷條件

澆鑄后的鉛錠依次通過自然冷卻和滴水冷卻兩個冷卻階段，冷卻總時長440s，其中水冷時長340s。鉛錠的澆鑄溫度約420℃，鉛錠的尺寸～650×120×85mm（以上條件參考國內某冶煉廠實際工況取值）。

2 傳熱分析

2.1 自然冷卻階段

剛澆鑄的鉛錠表面仍處于液相狀態，直接水冷會發生“放炮”現象，嚴重危害人身健康，因此需要等待其表面凝固才能水冷，故該階段可認為水冷的前置階段。從傳熱形式來看，該階段的熱交換主要包括：①錠模和液態鉛錠之間的導熱；②空氣與鉛錠表面之間的自然對流換；③鉛錠的熱輻射。本文基于SolidWorks進行熱力仿真，需要輸入的特征參數計算如下。

表1 傳熱特征參數

將上述各式計算所得的特征值作為邊界條件輸入SolidWorks的simulation插件，以所得的仿真結果作為水冷分析的初始條件。

2.2 滴水冷卻階段

該階段采用多孔滴水的方式，使水冷區域能均勻覆蓋整個鉛錠表面，已知滴孔直徑約10mm，單孔流量約6l/min，滴孔距鉛錠表面約100mm（參考現場數據）。根據《傳熱學》理論可將該水冷換熱近似簡化為射流沖擊模型，需要輸入的特征參數計算見下表2。

表2 多孔滴水方式下傳熱形式及參數

該階段換熱主要以射流沖擊傳熱為主，同時還需考慮鉛錠與錠模之間的導熱。將上述各式計算所得的平均對流換熱系數作為條件輸入simulation插件，仿真計算熱力結果。

2.3 風冷階段

為了橫向對比水冷鉛錠的冷卻效果，需要同樣對風冷進行熱力分析。風冷采用軸流風機吹風冷卻，按照《傳熱學》理論可近似簡化為空氣外掠平板傳熱模型，需要輸入的特征參數計算見表3。

表3 使用軸流風機吹風冷卻特征參數及關聯式

3 仿真結果

輸入特征值及邊界條件后，利用simulation插件進行鉛錠冷卻過程的熱力仿真，結果如下圖所示。

圖1 應用simulation插件進行鉛錠冷卻過程的熱力圖

從矢量圖中可明顯看出在相同的冷卻時間內，水冷的效果要優于風冷。

為了能夠更準確的反應這一溫度差異，本文在鉛錠表面中心位置處選取一直徑為80mm的探測范圍，如上圖（d）所示，通過比對該區域的溫降變化進一步分析不同冷卻方式的差異，比對結果如下所示。

從圖（a）分析，風冷340s后，鉛錠表面探測區域內的溫度在130℃～139℃范圍內，該溫度高于鉛錠打包和噴碼的溫度要求（＜100℃），還需繼續冷卻才能進行后續作業；而相同時間下，水冷后鉛錠表面探測區域的溫度在73℃～80℃范圍內，可以直接進行后續處理作業。

從圖（b）分析，水冷340s和水冷420s后，鉛錠表面探測區域內的溫度范圍差異較小，表明此時繼續水冷的冷卻效果較弱，不建議再延長冷卻時間。

圖2 鉛錠表面探測區域內的溫度范圍圖

4 結論

（1）文章提出一種基于SolidWorks仿真插件模擬鉛錠水冷過程的計算方法。

（2）通過建模分析，驗證了鉛錠水冷脫模的可行性與可靠性，并為鉛錠水冷鑄錠線的設計提供了理論依據。