一种连铸钢包空间辐射热流分布的数值确定方法与流程

本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种连铸钢包空间辐射热流分布的数值确定方法。

背景技术：

钢铁工业是国民经济重要支柱型基础产业，其流程制造和冶炼加工等工艺特性决定了其能源消耗和余废热排放大户的特点；统计表明，钢铁制造流程能源消耗约占全国工业总能耗10％～15％，能耗巨大，而制造流程释放的余废热中即使忽略必要的热损失，仍有极为可观的热量被浪费和未能得到有效回收及重复利用；

随着对于资源、能源以及环境问题的逐步重视以及钢铁行业可持续发展所遇到的生态、经济瓶颈问题，各种余废热回收利用技术得到了快速的发展。例如：烧结余热回收技术、球团废热循环利用技术、高炉热风炉双预热技术、电炉、高炉烟气余热回收利用除尘技术等。但由于受到技术和空间的限制，有效利用效率为10％到30％。例如对于焦炭及烧结矿的显热的只有通过气-固热交换方式才能回收，生产蒸汽并发电，有效利用效率只有17％；对于熔渣显热的回收，虽然出渣温度高达1500℃以上，但由于回收困难，目前除了高炉渣采用水淬法回收余热水以外，其它尚处于实验研究阶段。通过水淬法回收余热水尽管转换过程的热效率很高但有效能却丧失严重，其有效利用效率仅有12％。因此需要寻求新的思路方法或方向。

上述技术或方法中，连续铸钢余热仍未受到重视和开展研究，连续铸钢温度跨度较大，从高温液态钢水凝固成为连铸坯总温降达1600℃左右(若为连铸连轧温降约为800℃)，除部分能量通过导热对流被设备和冷却水吸收外，有相当一部分能量以辐射方式散失而被大量浪费；因此，只有明确连续铸钢流程辐射热损失量及分布情况，才能针对其余热回收和利用技术开展深入研究。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种连铸钢包空间辐射热流分布的数值确定方法，准确描述了钢包不同时间不同空间的辐射热量散失情况，从而以达到降低成本，实现节能减排压力的目的。

一种连铸钢包空间辐射热流分布的数值确定方法，包括以下步骤：

步骤1、以工况钢包为对象，建立钢包1/2三维物理模型；

步骤2、采用有限差分法对模型进行离散化处理，采用四面体和六面体混合网格对模型进行划分；

步骤3、确定模型材料物性参数，并采用数学解析预测结合数值模拟反馈修正的方法确定自然对流换热系数；

步骤4、对模型的固体域的稳态传热进行模拟，获得温度场；

步骤5、在步骤4的基础上，以固体域温度场为初始条件，对模型的流固域的耦合瞬态进行模拟，获得不同时刻钢包表面各处温度场以及辐射热损失量；

步骤6、根据钢包表面各处温度场以及辐射热损失量进行余热回收。

步骤3所述的模型材料物性参数，包括：导热系数、密度、比热、粘度、热膨胀系数和辐射率。

步骤3所述的采用数学解析预测结合数值模拟反馈修正的方法确定自然对流换热系数，具体如下：

步骤3-1、确定初始定性温度；

定性温度公式如下：

$t_m=\frac{t_w+t_f}{2}---\left(1\right)$

其中，t_m表示定性温度；t_w为壁面温度，初始值的取值范围为200～400℃；t_f为环境温度；

步骤3-2、获得努赛尔准数；

$Nu=C{(\frac{{\mathrm{\βgd}}^3\mathrm{\Δ}t}{v^2}\·\mathrm{Pr})}^n---\left(2\right)$

其中，Nu表示努赛尔准数；C和n均为常数，根据湍流性质获取；β表示空气热膨胀系数；g为重力加速度；d表示定性尺寸；Δt表示壁面与环境温差；v表示粘度；Pr表示普朗特数；

步骤3-3、根据获得的努赛尔准数，确定自然对流给热系数：

${\mathrm{\α}}_a=Nu\frac{\mathrm{\λ}}{d}---\left(3\right)$

其中，α_a表示自然对流给热系数；λ表示导热系数；

步骤3-4、将得到的自然对流换热系数输入钢包壁稳态传热数值模拟过程中，获得稳态温度场，得到钢包各处表面温度；

步骤3-5、将得到的钢包各处表面温度返回代入公式(1)中，对自然对流换热系数进行修正；

步骤3-6、判断相邻两次的自然对流换热系数相对误差是否小于设定值，若是，则获得最终的对流换热系数，否则执行步骤3-4。

步骤4所述的对模型的固体域的稳态传热进行求解，具体步骤如下：

步骤4-1、设置数值计算为并行计算，设置网格自动分区；

步骤4-2、选择基于压力求解器，设置为稳态过程，不设置重力；

步骤4-3、开启能量守恒方程和S2S辐射模型；

步骤4-4、设置边界条件，具体如下：

钢包侧壁、包底、包檐、净空内衬和渣层上表面采用第三类边界条件；

设置环境温度、外部辐射率以及对流换热系数；

在流固界面处，设置固体区域一侧的壁面为恒温墙，流体一侧设置为绝热墙；

步骤4-5、设置求解器为压力-速度耦合求解器，方案为SIMPLE，动量、湍流动能、湍流耗散率和能量选取二阶迎风操作，亚松弛因子采用系统默认值；

步骤4-6、进行初始化设置，设置钢液温度；

步骤4-7、进行迭代直至收敛，停止后获得温度场。

步骤5所述的在步骤4的基础上，对模型的流固域的耦合瞬态进行模拟，具体步骤如下：

步骤5-1、将稳态过程修改为瞬态过程，并开启重力；

步骤5-2、增开标准k-ε湍流模型，并选择增强壁面处理和全浮力模型；

步骤5-3、对边界条件进行修改，即将流固界面设置为耦合壁面；

步骤5-4、将稳态传热获得的温度场作为固体域初始条件，使用patch设置流体域初始条件，并开始迭代；

步骤5-5、时间步长设置为自适应性步长，当残差稳定后修改为固定步长，获得不同时刻钢包表面各处温度场以及辐射热损失量。

本发明优点：

本发明提出一种连铸钢包空间辐射热流分布的数值确定方法，该方法将依托连续铸钢工艺实际，采用数学计算和数值模拟等研究方法获取热源温度和热流分布，并基于此开发连续铸钢流程辐射热量模型，既为连续铸钢余热回收利用提供新途径，也为开发钢铁制造全流程节能环保新技术和有效的“节能减排”实施奠定理论基础和储备方式方法；这不仅将会大幅降低企业制造成本，也会极大缓解工业节能减排压力，进而产生极大社会经济效益，相关研究具有重要的理论和现实意义。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的连铸钢包空间辐射热流分布的数值确定方法流程图；

图2为本发明一种实施方式的钢包1/2三维物理模型示意图；

图3为本发明一种实施方式的自然对流换热系数确定流程图；

图4为本发明一种实施方式的某时刻总散热和其中辐射散热部分的热流密度示意图；

图5为本发明一种实施方式的某时刻各位置辐射热量占总辐射热量的比例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

本发明实施例中，连铸钢包空间辐射热流分布的数值确定方法，方法流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、以工况钢包为对象，建立钢包1/2三维物理模型；

本发明实施例中，选取某厂250吨连铸钢包作为研究对象，除去钢包的吊装机构，不考虑主流控制机构和底部供气装置的影响，钢包壁结构与渣层厚度使用现场实测数据，采用CAD建模软件建立钢包1/2三维物理模型如图2所示，1为钢液；2为工作层；3为永久层；4为绝热层；5为钢壳；6为渣层；图中钢包为有锥度的倒锥台型，为展示内部结构对其进行部分剖分；钢包所示为钢包满包状态，内部区域为钢液，上部为渣层；钢包侧壁和包底都为四层结构，由内到外分别为工作层、永久层、绝热层、钢壳；

表1 为钢包主要尺寸；

表2 钢包尺寸参数

步骤2、采用有限差分法对模型进行离散化处理，采用四面体和六面体混合网格对模型进行划分；

本发明实施例中，将构建的模型导入网格划分软件进行网格划分；网格采用四面体和六面体的混合网格，在钢水与工作层、渣层流固界面界面处增加边界层，整体网格尺寸最大不超过0.05m，网格数为2056224；

步骤3、确定模型材料物性参数，并采用数学解析预测结合数值模拟反馈修正的方法确定自然对流换热系数；

本发明实施例中，由《冶金传输原理》附录二查得对应温度的空气热物性参数，包括：导热系数、密度、比热、粘度、热膨胀系数和辐射率；

本发明实施例中，将划分好的网格导入有限体积求解软件中，并检查网格质量保证有限单元无负体积，然后设置根据表1设置材料物性，其中钢包结构和渣层设为固体，钢液设置为液体，并采用Boussinesq假设，初始参考温度为1873K；

环境温度设置钢包周围空气温度为30℃，侧壁和包底为钢板设置黑度为0.8，渣层黑度为0.9，净空内衬表面黑度为0.9；由于各表面达到稳态时的温度无法确定，因此对流换热系数不好确定，本发明实施例中所述的采用数学解析预测结合数值模拟反馈修正的方法确定自然对流换热系数，方法流程图如图3所示，具体如下：

步骤3-1、确定初始定性温度；

一般钢包工作时的表面温度在300-400℃，钢包表面和空气自然接触，为自然对流；对于渣层，可以视为热面朝上的水平壁面的自然对流给热；本发明实施例中，设空气温度为30℃，渣层和包底外表面的温度约为300℃，则定性温度为：

$t_m=\frac{t_w+t_f}{2}=\frac{30+300}{2}=165---\left(1\right)$

其中，t_m表示定性温度；t_w为壁面温度，t_f为环境温度；

步骤3-2、获得努赛尔准数；

$Nu=C{(\frac{{\mathrm{\βgd}}^3\mathrm{\Δ}t}{v^2}\·\mathrm{Pr})}^n=0.15{(\frac{9.81\×4^3\×(300-30)}{(273+165)\×{(30.1\×{10}^{-6})}^2}\×0.685)}^{1/3}=992.9---\left(2\right)$

其中，Nu表示努赛尔准数；C和n均为常数，如表2所示，根据湍流性质获取；β表示空气热膨胀系数；g为重力加速度；d表示定性尺寸，本发明实施例中，d＝4m；Δt表示壁面与环境温差；v表示粘度，本发明实施例中v＝30.1×10^-6m²s^-1；Pr表示普朗特数，本发明实施例中，Pr＝0.685；

表2 式(2)中常数C和n值

步骤3-3、根据获得的努赛尔准数，确定自然对流给热系数：

${\mathrm{\α}}_a=Nu\frac{\mathrm{\λ}}{d}=\frac{992.9\×3.65\×{10}^{-2}}{4}=9.1W\·m^{-2}\·K^{-1}---\left(3\right)$

其中，α_a表示自然对流给热系数；λ表示导热系数，本发明实施例中λ＝3.65×10^-2W·m^-1·℃^-1；

步骤3-4、将得到的自然对流换热系数输入钢包壁稳态传热数值模拟过程中，获得稳态温度场，得到钢包各处表面温度；

本发明实施例中，钢包壁稳态传热数值模拟过程包括：选择求解器及模型设定材料参数，设置边界条件(即输入自然对流换热系数)，设置参数并初始化，稳态迭代计算，获得表面温度；

步骤3-5、将得到的钢包各处表面温度返回代入公式(1)中，对自然对流换热系数进行修正；

步骤3-6、判断相邻两次的自然对流换热系数相对误差是否小于0.01，若是，则获得最终的对流换热系数，否则执行步骤3-4。

本发明实施例中，将计算所得对流换热系数输入软件进行钢包稳态传热计算，求得渣层表面实际温度，然后采用模拟所得温度分别带入上面数学解析流程中进行再次计算求解，得到对流换热系数为10.24w·m^-2·K^-1，最终结果作为矫正后的对流换热系数应用于本实施例的边界条件设置中；

初始条件设定的准确性直接影响瞬态数值模拟的收敛性和准确性；工况钢包经过精炼后，钢包壁的温度为非均匀分布，特别是在厚度方向存在瞬时稳定的温度梯度；本发明实施例中，为得到与工况实际最为接近的包壁温度场作为初始条件，首先只对固体区域进行稳态迭代计算，将计算结果作为流固耦合传热的初始条件再进行瞬时迭代；

边界条件的确定也尤为重要；本发明实施例的边界设置分两个过程，首先在对固体区域进行稳态传热时的边界条件设置，二是流固耦合计算时边界条件的设置；

步骤4、对模型的固体域的稳态传热进行模拟，获得温度场；

本发明实施例中，对于固体稳态传热过程，在钢包的侧壁、包底、包檐、净空内衬、渣层上表面与周围环境发生对流和辐射作用，因此采用第三类边界条件，设置环境温度、外部辐射率以及对流换热系数。在流固界面处，设置固体区域一侧的壁面为第一类边界条件，温度为1873K的恒温墙，流体一侧设置为绝热墙；

具体步骤如下：

步骤4-1、设置数值计算为并行计算，设置网格自动分区；

本发明实施例中，由于网格数目庞大，数值计算采用并行计算，使用服务器为两个6核，3.74GHz处理器，导入网格并对其分区；

步骤4-2、选择基于压力求解器，设置为稳态过程，不设置重力；

步骤4-3、开启能量守恒方程和S2S辐射模型；

步骤4-4、设置边界条件，具体如下：

钢包侧壁、包底、包檐、净空内衬和渣层上表面采用第三类边界条件；

设置环境温度、外部辐射率以及对流换热系数；

在流固界面处，设置固体区域一侧的壁面为恒温墙，流体一侧设置为绝热墙；

步骤4-5、求解器选用压力-速度耦合求解器，方案为SIMPLE，压力差值格式选用PRESTO！，动量、湍流动能、湍流耗散率和能量选取二阶迎风操作，亚松弛因子采用系统默认值；

步骤4-6、进行初始化设置，设置钢液温度；本发明实施例中，设置钢液温度为1873K；

步骤4-7、进行迭代直至收敛，停止后获得温度场。

本发明实施例中，迭代数目设置为20，其余参数采用默认设置，开始进行稳态计算，当迭代10步后计算收敛而停止；打开后处理观察温度场效果；

步骤5、在步骤4的基础上，以固体域温度场为初始条件，对模型的流固域的耦合瞬态进行模拟，获得不同时刻钢包表面各处温度场以及辐射热损失量；

当固体稳态传热计算完成后，流固耦合计算前，需要对边界条件重新设置，即将流固界面设置为Coupled墙，从而将流固进行耦合；

具体步骤如下：

步骤5-1、将稳态过程修改为瞬态过程，并开启重力；

步骤5-2、增开标准k-ε湍流模型，并选择增强壁面处理和全浮力模型；

步骤5-3、对边界条件进行修改，即将流固界面设置为Coupled墙；

步骤5-4、将稳态传热获得的温度场作为固体域初始条件，使用patch设置流体域初始条件，并开始迭代；

本发明实施例中，求解器设置不变，选用压力-速度耦合求解器，方案为SIMPLE，压力差值格式选用PRESTO！，动量、湍流动能、湍流耗散率和能量选取二阶迎风操作，亚松弛因子采用系统默认值；

步骤5-5、时间步长设置为自适应性步长，当残差稳定后修改为固定步长，获得不同时刻钢包表面各处温度场以及辐射热损失量；

本发明实施例中，开始时间步长设置为自适应性步长，待计算一定时间后，观察残差曲线趋势，若残差稳定在一个较小范围，将步长改为固定步长，从而在不影响准确度的基础上加快计算速度直到计算完成。

步骤6、根据钢包表面各处温度场以及辐射热损失量进行余热回收。

本发明实施例中，运用后处理软件得到钢包整体温度场及流场并对表面热流数据进行统计分析如下：

图4为静置期选取的某时刻总散热和其中辐射散热部分的热流密度，通过对比看出在钢包的绝大部分区域，辐射散热在总散热中的比重都很大，即辐射散热是钢包热量损失的主要形式；在散热速率方向考虑，渣层的热流密度最大且远大于其他位置。

图5为静置期选取的某时刻各位置辐射热量占总辐射热量的比例，侧壁单位时间的辐射热量损失最大，占总辐射热量的一半以上，渣层次之，约为31％。

由此得出钢包热量损失只要以辐射热损失为主，对于钢包辐射热损失的相关研究具有重要意义；渣层和侧壁的辐射热将是余热回收的主要对象。