1.绪论
1.1钢包技术的现状和发展趋势
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1.2钢包热行为研究技术的发展和应用概况
对钢包传热问题的研究，根据研究的出发点不同，大致可分为两种类型。一种类型是纯粹研究钢包内衬的温度场，以及钢包在循环过程中各种因素对温度场的影响。这类研究一般不再研究钢水的温度场，假定钢水温度是均匀分布的。另一类种类型的目的是研究钢水的温度场和流场及其变化，即钢水的热分层现象，而钢包的传热则成为钢水传热的边界条件之一，同样要研究钢包的温度场及其变化规律。国内外冶金工作者对钢包周转过程中的热状态作了大量的研究工作。其研究内容主要是针对各种钢包的实际情况(包型、包衬材质、及生产周转过程中的各环节的运行情况)建立钢包传热数学模型，用数值计算方法模拟钢包周转过程的温度场及其变化情况。对于数学模型中大量的未知参数，则通过实际测定数据对模型进行修正而得。一钢包热状态模拟技术经历了一个发展、完善的过程。国外，早期分别由szekely和Lee叫、Szekely和Evans进行的工作，主要研究钢水表面的热损失。后来，Morrow和Russellll31建立了一种包壁和包底均为一维的模型，用于研究钢包在各个操作阶段的散热损失。Tomazinl建立了一种二维非稳态传热和传质模型，用来研究钢水的热分层现象，但假设通过包壁的热流是恒定的。后来Anstinll，l又建立了一种完全二维非稳态传热模型，用来计算钢包的温度分布。该模型考虑了钢包在干燥、烘烤阶段的操作、盛钢阶段是否加盖操作、渣层厚度、钢渣性质、包衬耐火材料类型和包衬浸蚀程度等因素。模型采用柱坐标二维非稳态传导方程离散化模拟钢包的热循环过程，可计算包壁的温度分布和钢水热损失。Ys.Koo等人[l6]、negbusi和szekel尹刀、川inka和诵ne尸gl研究了钢包热状态对钢包温度和钢水温度分层的影响，对钢包中钢水的分层现象作了精确的描述，并提出了减弱分层现象的措施。国内鞍山热能研究院在鞍钢not钢包上进行过热模拟Il0j，主要针对各层包衬的材质组合分别进行模拟计算。卢翔宇等人[201、韩海鹰等人p’l分别建立了流动场、温度场数学模型，对钢包热行为和钢液的温度场和流场进行了模拟，分析了钢液温度的变化情况。从实际应用情况来看，第一种方法，即纯粹只研究钢包热状态的方法，一般用来预报钢包的热状态和钢包温度的变化;第二种方法，因为研究了钢液的温度场，一般可用来对钢水温度的控制阶.
1.3钢包热循环过程热行为的研究方法
13.1实测法
实测法的优点是结果直观。缺点是热电偶易于损坏，特别是伸入钢液中的电偶。即使是埋在包衬内的电偶，也由于钢包的工作衬在热循环过程中不断浸蚀剥落而逐渐变薄，靠近包壁内表面的热电偶最终总会裸露到钢液中而损坏，即使是不裸露的电偶，也由于工作衬厚度的变化，而且这种变化的不易确定和不均匀性，热电偶埋设点与钢包内表面的距离也不易确定。此外，此法由于所能埋设的测点有限，不能全面研究钢包的温度场，一般是用作对数学模型的修正，纯粹用来研究温度场的情况不多。例如wHoppmann等人阅在300t钢包内衬进行埋偶试验，埋入了两排电偶，第一排埋在钢包上部，距罐沿670rnr。处，共8支电偶，其中工作层埋了5支，永久层和隔热层各埋了1支，钢壳外表面1支。此处位于钢液的上方净空处，钢包内表面不受钢液和钢渣的浸蚀，其厚度在钢包的热循环过程是不变的，所以第一支电偶埋点距内表面只有3Omm。第二排电偶共6支，埋点在钢包下部距包底930mm处。此处工作层因常驻钢液的浸蚀剥落，因而第一支电偶埋点离钢包内表面增在为60mm。该研究的目的是通过测定钢包的温度分布，从而计算钢包的能量分布。就查阅的文献资料而言，这是为数不多的完全用实测法研究钢包热行为的例子，其余则为将实测结果用作对数学模拟对边界条件的确定和修正的手段。
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2.钢包热行为模拟数学模型的建立
2.1钢包热循环过程的传热特点
从传热的角度上看，钢包传热为非稳定态的复杂传热过程。其复杂性在于内表面边界条件在热循环过程各个工序之间变化较大，有的完全两样。钢包外表面的传热方式在热循环过程基本上是不变的，均为由自然对流换热和辐射散热所构成的综合换热过程。空包阶段，钢包内表面温度较高，主要是内表面向环境及内表面各部位之间的辐射传热，自然对流散热量占的比例较小。空包阶段前期，刚浇完钢的内表面温度非常高，辐射非常强烈，内表面温度下降迅速。随着温度的下降，内表面辐射能力有所下降，同时，工作衬靠近内表面一层温度梯度变大，内衬对表面的传导传热也随之变大，内表面温度的变化受到内衬热传导的控制，变化速度趋缓，正常周转情况下，空包后期温度仍然维持在较高的温度。虽然空包后期钢包内表面仍维持在较高的温度，但相对钢水温度而言，还有很大的差值。为减少这个温差，以减少钢水进入钢包后的蓄热损失，出钢前对钢包的烘烤是必要的。烘烤阶段，钢包上部加上盖子，内表面主要受热气体的强制对流换热和火焰的辐射换热。烘烤阶段所起到的实际作用，是提高工作衬靠近内表面一层的温度，减少其温度梯度，以减少对钢水的吸丛量。
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2.2物理模型的建立
物理模型是建立数学模型的基础。对于具体的传热问题，只有建立了物理模型后，才能采用相应的离散方法对模拟区域进行离散化，建立数学模型。攀钢160t钢包实际尺寸如图2.1所示。
钢包工作衬材质为铝镁碳砖，上、下渣线部位采用镁碳砖，永久层为捣打料，隔热层为硅酸铝耐火纤维预制板，各层厚度见表2.1。
在热模拟数学模型中采用柱坐标系，必须将钢包形状简化处理为圆筒形状，并以以下假设为基准:①钢包各层材料厚度保持不变;②钢包高度方向(轴向)尺寸(包括外形和内腔高度)保持不变;③正常装钢量情况下钢液高度及净空高度保持不变，由此算得圆筒形的内径。
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3钢包热模拟程序设计.....................45
3.1系统管理模块...........................45
3.2初始化模块...............................47
3.3边界条件处理模块......................47
3.4互温度场计算模块.....................................47
4.钢包热行为试验研究................................49
4.1热模拟程序初始条件的确定.................49
4.2实际测定结果对模拟结果的验证....................52
5.模拟结果与分析
运用钢包热行为模拟程序，以表4.1中各工序的平均耗时作为模型计算中各工序的运行时间，对热循环过程中钢包的热行为进行模拟，并由模拟结果对各因素对钢包热状态及盛钢过程钢水温度变化的影响进行分析。在钢包热循环过程中，吹氢、电加热及真空处理过程钢水温度变化过程非常复杂，由于时间的限制，本模拟程序采用生产数据的统计结果一温度变化平均值(见表4.3)进行计算。为便于比较分析，如不说明，主要取包龄为30次的不加隔热层钢包的模拟结果作分析。
5.1钢包加隔热层的影响
则加与不加隔热层，钢包在空包和烘包期间内表面温度变化的模拟结果见图5.1。其中，钢包烘烤前、后隔热钢包内表面中部温度均t匕非隔热钢包.高18℃。图5_2为经过相同的空包时间，两种钢包衬中部在烘烤前及经过巧面n烘烤后的温度分布。其中，钢包烘烤前，内表面温度前者比后者高29℃，而包衬内部温差最大处前者比后者高118℃，到了表面后者则比前者高出88℃。经过15min烘烤后，虽然靠近内表面一层的温差有所减小，但内表面一定距离后，温差基本上仍然维持不变。由此可见，隔热层在钢包衬中起到的隔热保温作用是非常大的。
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6结论
(l)采用有限差分法建立了钢包在热循环过程中热行为模拟的数学模型，其中钢包本体采用二维模型，渣层和包盖采用一维模型，充分描述了钢包系统在热循环过程的传热特点。
(2)为钢包热行为模拟数学模型编制了计算机软件，该软件采用模块化和开放式编程技术，以方便软件的维护和应用，通过输入相应的初始条件，就可以对不同类别的钢包的热行为进行数值模拟。
(3)采用了独特的辐射换热代数方程组求解，使模拟程序顺利地处理了钢包挣空部分内表面之间辐射换热的模拟问题。
(4)进行了钢包热行为实验研究，为钢包热行为模拟研究确定了初始条件，验证了模拟结果的准确性。(5)运用模拟计算结果，分析讨论了各种因素对热循环过程钢包热状态及的盛钢过程钢水温度变化的影响，找出了主要影响因素及其规律:在影响钢包热状态及盛钢期间钢水温度变化的因素中，空包时间和加盖的作用最明显，其次是钢包的隔热保温和出钢前钢包的烘烤情况，现行生产条件下的渣层厚度和包衬工作层厚度作用不明显。
参考文献（略）