一种连铸钢包空间辐射热流分布的数值确定方法技术

本发明专利技术提出一种连铸钢包空间辐射热流分布的数值确定方法，属于钢铁冶金领域，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于钢铁冶金领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术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 = t w + t f 2 - - - ( 1 ) ]]>其中，tm表示定性温度；tw为壁面温度，初始值的取值范围为200～400℃；tf为环境温度；步骤3-2、获得努赛尔准数； N u = C ( βgd 3 Δ t v 2 · Pr ) n - - - ( 2 ) ]]>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： α a = N u λ d - - - ( 3 ) ]]>其中，αa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。本专利技术优点：本专利技术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为本专利技术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为本专利技术一种实施方式的钢包1/2三维物理模型示意图；图3为本专利技术一种实施方式的自然对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种连铸钢包空间辐射热流分布的数值确定方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种连铸钢包空间辐射热流分布的数值确定方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的连铸钢包空间辐射热流分布的数值确定方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的连铸钢包空间辐射热流分布的数值确定方法，其特征在于，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 = t w + t f 2 - - - ( 1 ) ]]>其中，tm表示定性温度；tw为壁面温度，初始值的取值范围为200～400℃；tf为环境温度；步骤3-2、获得努赛尔准数； N u = C ( βgd 3 Δ t v 2 · Pr ) n - - - ( 2 ) ]]>其中，Nu表示努赛尔准数...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥宁，朱苗勇，卢百意，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21