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稀有金属 2020,44(02),186-194 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy18080043

铜渣缓冷制度条件下渣包温度场的仿真与分析

王旭成 张立华

中南大学机电工程学院

中南大学轻合金研究院

摘 要：

铜渣包是使用范围较广的冷却机械,在水冷却时容易出现结构的变化失效。根据热弹性力学理论,本文建立了某工厂铜渣包的温度场ANSYS计算模型,并首次从温度场分布的角度分析不同冷却水温度和不同冷却水流量对渣包温度场及结构的影响。计算结果表明,冬夏两季渣包空冷时均较为平稳,在水冷却的第1 h内,渣包处于严重的急冷急热状态。在0.95m³·h^-1流量冷却水制度下,渣包在冬夏两季冷却时的最大温度梯度均出现在铜渣与渣包交界处。夏季时最大冷却速度约为7℃·min^-1,冬季时约为10℃·min^-1。冷却50 h后,满足倒渣条件。与0.95 m³·h^-1冷却水制度相比,渣包在2 m³·h^-1冷却水制度条件下急冷速度更快,且冷却较为不平缓。在水冷却的第1 h内,夏季时的最大冷却速度约为12.5℃·min^-1,冬季约为14.5℃·min^-1,且在渣包上沿会出现较大的温度过冷区,应根据相关需要制定相应的缓冷制度。

关键词：

铜渣包;有限元分析;水冷;急冷;温度场;

中图分类号： TF811

作者简介：王旭成(1993-),男,安徽铜陵人,硕士研究生;研究方向:冶金机械的热力学仿真,E-mail:wangxuchengcsu@163.com;*张立华,教授;电话:13975170491;E-mail:zhanglihua@csu.edu.cn;

收稿日期：2018-08-30

基金：国家自然科学基金项目(51575539)资助;

Simulation and Analysis of Temperature Field of Slag Ladle under Cooling System of Copper Slag

Wang Xucheng Zhang Lihua

School of Mechanical and Electrical Engineering,University of Central South University

Light Alloy Research Institute,University of Central South University

Abstract：

Copper slag ladle is a widely used cooling machine, which could be failure in specific condition. An ANSYS calculation model of temperature field of copper slag was establiched ladle based on the theory of thermoelastic mechanics, so as to reveal the influence of different cooling types. The results showed that the slag ladle wasrelatively stable in air-cooling either in summer or winter. However, the slag ladle was submitted to the state of Heat & Cool condition during subsequent first hour of water-cooling, the maximum temperature gradient of the slag ladle appeared at the junction of inner and surface when used 0.95 m³·h^-1 cooling-water flow. Obviously the maximum cooling rate in summer was slowly compared with that in winter. Due to increasing efficiency, factory employed 2 m³·h^-1 cooling-water flow occasionally while the cooling speed wasfaster at first. Nevertheless the speed sharply dropped over time. During the first hour of cooling, the maximum cooling in summer and winter both increased drastically compared in 0.95 m³·h^-1 cooling-water flow. Meanwhile there was a large under cooling area on the top edge. The factory should formulate corresponding cooling methods in accordance with different requirements.

Keyword：

copper slag ladle; finite element analysis; water cooling; rapid cooling; temperature field;

Received： 2018-08-30

铜渣是铜冶炼过程重要的产物, 它的回收利用可以提高铜矿的利用率, 进而提高铜产量, 目前对于铜渣的研究, 国内外都较为深入 ^[1,2,3,4] 。 Kanukhina等 ^[5] 对铜渣及其氧化物进行了相关研究, 发现铜渣及其氧化物与部分碱金属反应热值约为2226.1 kJ·kg^-1, 为提高铜渣回收率提供了新的思路。 Kaksonen等 ^[6] 对铜冶炼厂的废渣进行了浸出, 测定了不同类型铜渣内所掺杂的相关元素及其化合物, 同时对浸出液的pH值进行了测定。 渣包是铜渣冷却工艺中使用量很大的设备。 在铜渣缓冷工艺中, 渣包与铜渣直接接触, 对铜渣品质的影响至关重要。 目前对于渣包相关的研究较少。 Santos等 ^[7] 认为钢包内衬结构对钢包寿命有着重大影响, 针对不同内衬结构, Santos对钢包的耐火性能进行了数值模拟, 优化出最适宜的钢包内衬结构。 Mantripragada等 ^[8] 对钢包的内应力进行了数值模拟, 研究其应力分布, 并对部分参数进行了优化。 Lu等 ^[9] 对钢包的热传递行为进行了数值分析, 描述了钢包内热瞬态模型和对外散热的形式。 谭大鹏等 ^[10] 对钢包渣套的检测方式进行了相关研究。 王厉刚等 ^[11] 对渣包装渣和倾倒过程进行了有限元分析, 通过渣包变形应力得知, 渣包在重载、 自重作用下应力集中、 变形较为明显, 更容易导致包体疲劳裂纹产生, 影响包体寿命, 并提出了相关改进措施。 在不同缓冷制度条件下渣包温度场的变化, 国内还未有人对此研究。 因此本文首次建立渣包的温度场分析模型, 并使用ANSYS有限元软件对某工厂的渣包的温度场的影响情况进行模拟研究。 目的将模拟仿真的结果结合实际情况, 给工厂的渣包使用及维护提供相应的参考。

1 计算模型

1.1 分析方法

与其他热力学仿真软件相比(例如comsol等), ANSYSWORKBENCH适用于工程情况, 加载边界条件更为简便, 因而本文采用ANSYSWORKBENCH软件对某工厂渣包壁进行温度场分析。 渣包实际的冷却工况与建立的渣包模型如图1所示。 在水冷条件下, 渣包从最初的较高温度到最后的室温, 各处节点的温度都随着时间变化而变化。 因此, 本文采用的是ANSYS瞬态传热 ^[12] 对渣包进行温度场的求解。 其基本计算流程为: (1) 使用Solidworks建立渣包壁传热分析模型并导入ANSYS; (2) 给定热分析参数, 施加传热边界条件, 进行温度场求解; (3) 后处理得温度场分布云图。

1.2 边界条件

本文主要研究对象为铸造渣包在不同冷却水流量(人为可控因素)、 极端冷却工况(38 ℃夏季高温和0 ℃冬季低温)条件下的温度场分布情况, 忽略部分铜渣和空气之间的自然对流等人为不可控制的自然条件以及热应力变形 ^[13] 对渣包的影响, 因此所采用边界条件如下:

(1) 渣包外壁为自由边界, 与空气之间存在对流换热, 考虑渣包底部与湿润的地面之间的对流换热.在冷却过程中, 渣包外壁与空气的对流换热系数由工厂提供, 夏季约为30 W·m^-2·K^-1, 冬季约为70 W·m^-2·K^-1。 水冷时向渣包喷淋冷却水, 水强对流换热系数由工厂经验取得约1500 W·m^-2·K^-1。 渣包底部处于湿润状态, 从工厂测得夏季约180 W·m^-2·K^-1, 冬季约250 W·m^-2·K^-1。

(2) 因为渣包为对称结构, 渣包内壁及铜渣在几何对称面上采用对称边界条件。

图1 渣包的实际工况建立的渣包模型

Fig.1 Real situation and ladle model (mm)

1.3 设计参数

渣包的设计参数如表1, 铜渣的成分见表2, 渣包材质的相关性质见表3 ^[14] 。

1.4 计算工况参数及条件

主要考察在不同冷却条件下, 即在不同冷却水流量下(因为高水压会导致冷却水飞溅, 按照工厂的最低给水压力, 6分管时流量约为0.95 m³·h^-1, 一寸管时流量约为2 m³·h^-1), 和冬夏两种极端工况条件下, 渣包结构温度场变化及分布情况。 某工厂冷却水温度夏季约为18 ℃, 冬季约为5 ℃。 其他相关影响因素如表4所示。

2 在不同缓冷情况下渣包温度场的变化情况

2.1 冬夏对渣包的温度场的影响

渣包装渣的初始温度大约为1300 ℃, 冷却工艺为: 先空冷约4 h, 再水冷约50 h。 在冷却过程中, 最高温度主要分布在渣包的主体部分, 由内向外温度逐层降低。 图2显示夏冬两季渣包空冷4 h后的温度场分布云图, 从图2中可以看出渣包在冬夏两季的空冷条件下, 温度场分布大致相同, 在渣包主体至渣包筋板过度处存在最大温度梯度, 夏季时从1300 ℃降低至约1183.3 ℃, 冬季时从1300 ℃降低至约1159.3 ℃, 沿着筋板边缘线方向向外降低。 在渣包的上沿处出现了较之于渣包整体温度较低区域, 由中间的780.6 ℃降低至倒渣口的329.2 ℃, 这是因为渣包在装渣时候并没有全部装满, 在耳轴水平线处与渣包上沿处留有一部分直接与空气接触, 这一部分并没有直接与铜渣直接接触, 所以冷却较为较慢。

图3分别显示了冷却水流量大小为0.95 m³·h^-1时, 渣包在冬夏两季冷却1 h后的温度场分布云图。 在渣包水冷的第1 h内, 此时的渣包处于急冷条件下, 结构最容易出现开裂等失效情况。 夏季水冷1 h之后, 渣包主体的温度为1059.3 ℃, 渣包内铜渣与外界交界处的温度梯度最大, 沿着渣包轴线方向, 从1059.3 ℃降低到480.8 ℃, 上筋板处的温度梯度沿着各筋板的中间面轴线处,由内向外逐层降低, 从1059.3～365.0 ℃。 底部挂钩处由于有挂孔的存在, 使得在此处的温度梯度沿着与水平线成45°角的方向向下降低。 冬季水冷1 h之后,最高温度依旧分布在渣包的主体部分, 由内向外逐层降低, 渣包的最高温度为960.9 ℃。 与夏天冷却相比, 冷却1 h后的最高温度降低了约100 ℃。

表1 渣包设计参数

Table 1 Parameters of slag ladle

Parameters of design	Material of ladle	Full load weight/t	Gross volume/m3	Effective volume/m3	Yield strength of 25#/MPa	Material of trunnion/A
Value	ZG230-450	71.18	12	10.2	230	20

表2 炉渣成分

Table 2 Slag composition

Slag composition	Cu	S	Fe	SiO2	CaO+MgO	Others
Mass fraction/%	2.3	0.7	39.77	28.01	4.64	24.58

表3 ZG230-450在不同温度下的比热及热导率

Table 3 Specific heat and thermal conductivity at different temperatures of ZG230-450

Temperature/K	150	250	300	600	800	1000	1200
Specificheat/(kJ·kg-1·K-1)	0.366	0.422	0.442	0.566	0.686	1.03	0.600
Thermal conductivity/(W·m-1·K-1)	104	86.5	80.3	54.7	43.3	32.6	28.2

表4 其他相关影响因素

Table 4 Other relative factors

Time of water cooling/h	Airhumidity/ %	Ground temperature (summer)/℃	Ground temperature (winter)/℃
≈50	≈45	≈40	≈-3

图4分别显示了冷却水流量大小为0.95 m³·h^-1时, 渣包在冬夏两季冷却5 h后的温度场分布云图。 此时渣包耳轴连接处开始出现较大的温度梯度, 方向从耳轴中间面处向四周扩展至耳轴处的加强筋板中心面处, 且冬季时更为明显。 这是由于耳轴处的形状不易散热, 且形状较为复杂。 在计算中设置的冬天气候温度较低, 在高温散热情况下, 对流换热系数很容易受到形状与外界温度的影响 ^[15] 。 因为在设计上耳轴上下筋板的厚度不一, 传热不够均匀导致。 而温度梯度是产生应力的原因之一, 所以设计者设置了多道加强筋来提高渣包强度, 延长渣包使用寿命。 从图中可看出渣包与地面接触处的温度基本都一直都处于较低的温度, 夏季时最高只达到591.9 ℃, 冬季时最高达到516.2 ℃。 这是因为在建立渣包温度场模型时考虑到冷却水的满溢, 导致地面始终有满溢的冷却水。 渣包底部与有流动的冷却水的地面结合, 所以设置了有较大的对流换热系数。 在冷却过程中, 渣包的倾倒口处的温度也一直较低, 这是因为在渣包设计中, 渣包倾倒口处有一定的倾斜, 在冷却水满溢的条件下, 冷却水会部分聚集在此, 使得在此处的散热较快, 从而导致渣包倾倒口处的温度较之于其他部位较低。

图5分别显示了冷却水流量大小为0.95 m³·h^-1时, 渣包在冬夏两季冷却50 h后的温度场分布云图。 夏季时渣包最高温度为61.8 ℃, 冬季为20.8 ℃, 均出现在渣包耳轴和挂钩处, 且在渣包耳轴与挂钩处出现了温度梯度反向的情况。 这是由于耳轴和挂钩处结构较为紧凑, 导致散热不及时而留有高温。 夏冬两季的渣包主体的温度分别为52.1 ℃和18.8 ℃, 此时已完全符合渣包倾倒条件。 在夏天的水冷条件中, 使用的冷却水温度为18 ℃, 冬天使用的是5 ℃冷却水。 之所以选用这两种冷却水温度, 是因为在实际生产过程中, 如果冷却水温度较低, 则冷却速度较快, 而且还可能会出现“渣包放炮”的现象 ^[16] , 对人身和财产安全造成严重的威胁。 如果冷却水温度较高, 在水冷条件下, 炉渣中的铜矿物结晶粒度细而分散, 形成玻璃状的非晶质结构, 不利于铜和铁相粒子的迁移、 聚集、 长大, 致使铜渣难磨, 影响渣中铜的可浮性, 同时炉渣中磁铁矿相难以长大 ^[17,18] , 影响后续对铜渣的再次回收利用。

工业上一般使用0.95 m³·h^-1流量冷却水, 图6显示了在0.95 m³·h^-1冷却水流量下, 夏冬两季渣包的最高温度的变化情况, 从图中可知, 在冷却的前5 h内, 冬季渣包的温度大约是夏季温度的80%, 随着冷却时间的延长, 两季温差在逐渐减小, 在冷却约50 h之后满足倒渣条件。 在装渣之后冷却的前5 h内, 渣包处于急冷急热的状态。 夏季时, 渣包主体很快从室温升高到约1300 ℃左右, 渣包主体在第1 h内冷却至约1059.3 ℃; 冬季时,渣包主体很快从室温升高到1150 ℃, 渣包主体在1 h内冷却至约960.9 ℃。

图6 0.95 m3·h-1流量, 渣包冬夏最高温度分布图

Fig.6 Maximum temperature distribution in winter and in summer (0.95 m³·h^-1 flow)

取渣包上3处区域温度梯度较大的区域(区域A处取渣包与铜渣交界处, 区域B处取渣包上筋板与渣包交界处, 区域C处取渣包挂钩处), 各自的冷却速度如图7。 夏冬季的空冷速度较为平稳, 夏季约1.5 ℃·min^-1左右, 冬季在2.5 ℃·min^-1左右。 水冷的第1 h, 渣包冷却速度最快, 夏季时渣包与铜渣连接处的冷却速度达到约7 ℃·min^-1, 冬季达到约10 ℃·min^-1。 水冷的前10 h内, 渣包的冷却速度较快, 在冷却10 h后, 冷却速度较为平缓。 在冷却54 h后, 夏冬两季的冷却速度仅有0.2 ℃·min^-1左右, 此时渣包均已达到倒渣温度。

2.2 大流量冷却水对渣包的温度场分布影响

图8分别显示了冷却水流量大小为2 m³·h^-1时, 渣包在夏冬两季冷却1 h后的温度场分布云图。 在冷却过程中, 最高温度依旧主要分布在渣包的主体部分, 由内向外温度逐层降低。 冷却1 h之后, 夏季渣包主体的温度为874.2 ℃, 冬季渣包主体温度达到797.9 ℃, 与0.95 m³·h^-1流量冷却相比, 夏季降低约180 ℃, 冬季降低约160 ℃。 渣包内铜渣与外界交界处的温度梯度方向没有变化, 依旧沿着渣包轴线方向。 与0.95 m³·h^-1流量冷却相比, 夏季时在耳轴处很快出现了较大的温度梯度, 但是随着冷却时间的延长, 耳轴处的温度梯度会短暂的消失。 冬季时在渣包靠近耳轴上沿处依旧留有了温度过冷区, 温度达到约220 ℃。 在生产过程中, 渣包上沿的温度过冷区很难消除。 较大的温度过冷可能会导致“渣包放炮”的现象。 一旦出现这种现象, 工厂往往会将此渣包的外壁进行冷却水喷淋, 同时对渣包的全局温度进行红外监控, 以此来降低过冷区。 但是加入外壁的冷却水喷淋装置会大大增加生产成本, 所以留有适当的过冷区域有利于实际生产。

图9分别显示了冷却水流量大小为2 m³·h^-1时, 渣包在夏冬两季冷却5 h后的温度场分布云图。 与0.95 m³·h^-1相比, 夏季时渣包耳轴处的温度梯度较为平缓, 且渣包耳轴与渣包主体连接处的温度梯度也较为平缓, 这是说明渣包已经度过了较为危险的急冷散热过程, 此时的散热较情况较为平均; 冬季时渣包上沿的温度过冷区仍然存在, 区域面积有所减小, 仅存在于靠近耳轴与上沿连接处, 温度约125.7 ℃。 渣包与地面接触处的温度依旧较低, 夏季时最高达到369.6 ℃, 冬季时最高达到288.5 ℃。

图10显示了冷却水流量大小为2 m³·h^-1时, 渣包在夏冬两季冷却50 h后的温度场分布云图。 与0.95 m³·h^-1流量冷却相比, 冷却50 h之后, 渣包耳轴处也均出现了温度梯度反向的情况, 但是温度梯度较小, 梯度以耳轴中心为原点, 向四周降低, 夏季耳轴处最高温度约为45 ℃, 最低约33.3 ℃; 冬季耳轴处最高温度约为11 ℃, 最低为6.6 ℃。 冬季时渣包最高温度出现在上筋板和挂钩外沿处, 约为12.58 ℃, 挂钩处温度梯度沿渣包上沿平行方向, 由外向内降低。 夏季时最高温度出现在耳轴, 上筋板和挂钩处, 温度梯度方向与冬季时一致。

图11显示了工业上使用2 m³·h^-1流量冷却水, 夏冬两季渣包的最高温度的变化情况。 在冷却的前5 h内, 温度变化较大, 且温差较为不均匀。 水冷1 h后, 夏季渣包最高温度降为874.2 ℃, 冬季渣包最高温度降为797.8 ℃, 两种冷却制度最大温差相差约为185 ℃和163 ℃; 冷却5 h后, 夏季最高温度降为490.03 ℃, 冬季为369.9 ℃, 两种冷却制度最大温差相差约为230 ℃和233 ℃。 可见使用2 m³·h^-1冷却水可以较快的达到冷却条件, 但是过大的冷却速率会影响铜渣的回收利用率。 渣包耳轴等处温度梯度与0.95 m³·h^-1相比之下较大。

图11 2 m3·h-1流量, 渣包冬夏最高温度分布图

Fig.11 Maximum temperature distribution in winter and in summer (2 m³·h^-1 flow)

依旧取渣包上3处温度梯度较大的区域(1处取渣包与铜渣交界处, 2处取渣包上筋板与渣包交界处, 3处取渣包挂钩处), 各自的冷却速度如图12。 水冷的第1 h, 渣包急冷情况严重, 夏季渣包与铜渣连接处的冷却速度达到约12.5 ℃·min^-1, 冬季达到约14.5 ℃·min^-1。 水冷的前10 h内, 渣包的冷却速度很快, 冷却10 h后冷却速度放缓。 冷却54 h后, 夏冬两季的冷却速度约为0.1 ℃·min^-1, 此时渣包已符合倒渣条件。 较为平稳且较小的冷却速度是铜渣回收的重要影响因素 ^[18] , 因此要跟根据实际情况选择相应的冷却水制度。

图12 2 m3·h-1流量, 渣包冬夏冷却速度分布图

Fig.12 Distribution diagram of cooling rate of slag ladle in winter and in summer(2 m³·h^-1flow)

(a)Summer;(b)Winter

3 结 论

1. 在0.95 m³·h^-1流量的冷却水制度下, 最大温度梯度均出现在铜渣与渣包交界处。 在冷却的第1 h内, 渣包处于严重的急冷状态中, 夏冬最大冷却速度分别为为7 ℃·min^-1和10 ℃·min^-1。 在冷却前5 h内, 渣包上筋板处也出现较大的温度梯度。 50 h之后, 均基本满足倒渣条件。

2. 与较小冷却水流量相比, 渣包在2 m³·h^-1冷却水流量下急冷速度更快, 且冷却较为不平缓。 在冷却的第1 h内, 夏冬两季最大冷却速度分别为12.5 ℃·min^-1和14.5 ℃·min^-1, 且在渣包上沿会出现较大的温度过冷区, 有一定的安全隐患。 而较为平稳的冷却速度对渣包寿命的延长以及对铜渣的再次回收较为重要, 故应根据工厂实际要求选择相应的冷却水制度。

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