韓偉剛， 酈秀萍， 張春霞， 周繼程， 石鑫越

（鋼鐵研究總院先進(jìn)鋼鐵流程及材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

摘要：鐵水包空包保溫對(duì)鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排和降低成本具有重要意義。對(duì)加蓋和不加蓋的鐵水包空包在5 h 內(nèi)的溫降過程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫，結(jié)果表明，鐵水包加蓋對(duì)鐵水包空包，特別是中上部包襯具有顯著的保溫作用。鐵水包加蓋保溫應(yīng)在轉(zhuǎn)爐兌鐵結(jié)束后盡早進(jìn)行，同時(shí)縮短空包時(shí)間，以取得最佳的保溫效果。

關(guān)鍵詞：鐵水包；周轉(zhuǎn)；降溫速率；鐵水溫度

鐵水包是目前鋼鐵企業(yè)廣泛采用的鐵水承接、輸送和緩沖裝置，也是煉鐵-煉鋼區(qū)段“界面技術(shù)”的重要載體^[1-3]，其溫度狀態(tài)直接影響鐵水包內(nèi)鐵水的溫度，進(jìn)而影響鐵水預(yù)處理和轉(zhuǎn)爐煉鋼工序的物料消耗、能源消耗、作業(yè)時(shí)間、污染物排放等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)^[4-6]。因此，鐵水包保溫對(duì)鋼鐵企業(yè)的降本增效和節(jié)能環(huán)保具有重要意義。

鐵水包的周轉(zhuǎn)過程分為重包過程和空包過程。目前對(duì)鐵水包溫度狀態(tài)的研究主要偏重于重包的鐵水溫度變化及鐵水保溫^[7-8]，而對(duì)空包過程的研究較少。現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程中，鐵水包空包的保溫也不被重視，一般都敞開放置，而空包時(shí)間的長(zhǎng)短因各鋼廠的生產(chǎn)條件不同而有所不同。空包時(shí)間過長(zhǎng)將導(dǎo)致鐵水包包襯溫度大幅降低，由此造成的結(jié)果，一方面，在受鐵過程中低溫的包襯與高溫鐵水直接接觸，巨大的溫差加劇了鐵水包耐材的破損；另一方面，低溫包襯的蓄熱吸收了大量鐵水的物理熱，降低了鐵水溫度，惡化了后續(xù)鐵水預(yù)處理和轉(zhuǎn)爐工序的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

加蓋已被證明是一種有效的空包保溫措施，已經(jīng)在煉鋼車間鋼包周轉(zhuǎn)中得到廣泛的應(yīng)用^[9-11]，而在鐵水包上應(yīng)用的報(bào)道較少，目前國(guó)內(nèi)僅首鋼京唐采用了鐵水包空包加蓋保溫措施，但保溫效果報(bào)道較少^[12]。本文通過研究鐵水包加蓋前后對(duì)鐵水包空包包襯溫降規(guī)律的影響，為鋼鐵企業(yè)加強(qiáng)鐵水包空包保溫提供指導(dǎo)。

1 鐵水包空包散熱方式

鐵水包一般分為工作層、永久層和包殼三部分。兌完鐵水的鐵水包工作層溫度很高，可高達(dá)1 200 ℃以上，其散熱主要通過傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式進(jìn)行^[13]。三種散熱方式的散熱量由式（1）～式（3）決定。

式中：Φ1 為通過包殼導(dǎo)熱的熱流通量，W/m2；Φ2 為通過包壁對(duì)流的熱流通量，W/m2；Φ3 為通過包壁輻射的熱流通量，W/m2；λ1、λ2、λ3 為鐵水包工作層、永久層和包殼的導(dǎo)熱系數(shù)，W/ （m2·K）；d1、d2、d3、d4為鐵水包工作層內(nèi)徑、永久層內(nèi)徑、包殼內(nèi)徑和包殼外徑，m；A 為鐵水包內(nèi)壁表面積，m2；tf 為包襯工作層溫度，℃；tw1 為包殼溫度，℃；tw2 為空氣溫度，℃；ε 為包壁工作層的發(fā)射率；h 為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/ （m2 ·K）；σ 為Stefan-Boltzmann 常數(shù)，5.67×10－8 W/ （m2·K）。

從式（1）～式（3）中可見，輻射散熱的散熱量是溫度的四次函數(shù)，而其他兩項(xiàng)僅是溫度的一次函數(shù)。對(duì)于轉(zhuǎn)爐兌鐵結(jié)束的鐵水包空包，初始溫度一般在1 200 ℃以上，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)放置5 h 的鐵水包空包測(cè)溫結(jié)果顯示溫度仍接近600 ℃。因此，敞口放置于溫度約25 ℃的環(huán)境中的鐵水包，其散熱方式以通過包口輻射為主。當(dāng)鐵水包加蓋后，包蓋和鐵水包構(gòu)成一個(gè)近似密閉空腔，鐵水包包襯通過包口輻射出的熱量一部分被包蓋吸收，使包蓋耐材溫度升高，其余部分又被包蓋反射回包襯，使包襯的有效輻射散熱量相比敞口時(shí)大為降低，表現(xiàn)為鐵水包包壁的保溫作用。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

（1）鐵水包條件。采用現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)當(dāng)日正常在線運(yùn)行的300 t 鐵水包，在轉(zhuǎn)爐兌完鐵后，立刻運(yùn)輸至測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)測(cè)溫。

（2）測(cè)溫設(shè)備。測(cè)溫裝置采用手持式紅外測(cè)溫槍，測(cè)溫范圍為300～1 500 ℃。

（3）測(cè)溫方法。選取鐵水包內(nèi)壁上、中、下部固定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫，每次測(cè)溫讀取4 個(gè)數(shù)據(jù)，以其平均值代表該處包壁溫度。測(cè)溫每隔20 min 進(jìn)行一次，連續(xù)測(cè)溫時(shí)間約為5 h。

3 測(cè)驗(yàn)結(jié)果及分析

3. 1 測(cè)溫結(jié)果

       鐵水包加蓋前后的內(nèi)壁溫度變化如圖1所示。

從圖1中可以看出，不加蓋和加蓋的鐵水包空包內(nèi)壁溫度都隨著空包時(shí)間而逐漸降低，但降低的幅度有所不同。不加蓋的鐵水包在5 h 時(shí)間內(nèi)，空包內(nèi)壁溫度從初始的800～900 ℃降低至400～500 ℃，而加蓋的鐵水包在5 h 時(shí)間內(nèi)，內(nèi)壁溫度降低至500～600 ℃，比不加蓋時(shí)提高約100 ℃，說明鐵水包空包加蓋對(duì)減少空包起到了明顯的保溫效果。

此外，值得注意的是，未加蓋的鐵水包空包在300 min 時(shí)間內(nèi)，內(nèi)壁下部與上部溫度基本始終保持約150 ℃的溫度差，而加蓋的鐵水包空包在5 h 內(nèi)，內(nèi)壁上部和下部的溫度差縮小到約80 ℃，即鐵水包加蓋可以使鐵水包內(nèi)壁上、下部的溫度更加均勻，這可以緩解因上下部溫度不均產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)包襯的損傷。

3. 2 結(jié)果分析

3. 2. 1 加蓋對(duì)鐵水包空包內(nèi)壁降溫速率的影響

從圖1 中可見，鐵水包內(nèi)壁溫度在高溫時(shí)的降溫過程十分明顯，而在測(cè)溫后期曲線逐漸平坦，說明鐵水包空包內(nèi)壁的降溫速率與鐵水包空包內(nèi)壁溫度密切相關(guān)，溫度越高時(shí)，溫降速率也越大。以鐵水包空包內(nèi)壁中部為例，計(jì)算得加蓋和不加蓋時(shí)降溫速率與溫度的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。

從圖2 中可見，不加蓋的鐵水包空包內(nèi)壁溫度在850、700 和550 ℃時(shí)的溫降速分別約為2.2、1.53和0.96 ℃/min。而加蓋的鐵水包空包內(nèi)壁溫度在相同溫度時(shí)的溫降速分別減少為0.84、0.68和0.52 ℃/min，分別比不加蓋時(shí)下降62%、55%和46%。可見，鐵水包空包加蓋在減少鐵水包輻射散熱及降低空包過程鐵水包溫降方面取得顯著的效果，尤其在測(cè)溫初期的高溫段時(shí)間內(nèi)，加蓋的保溫效果尤為明顯。因此，對(duì)于正常生產(chǎn)中的在線鐵水包空包，加蓋作業(yè)應(yīng)在兌鐵結(jié)束后，盡早進(jìn)行。

3. 2. 2 加蓋對(duì)鐵水包空包內(nèi)壁溫降的影響

對(duì)圖1 中鐵水包加蓋和不加蓋時(shí)的鐵水包上中下部的降溫過程進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

從圖3 中可以看出，在相同空包時(shí)間內(nèi)，加蓋鐵水包空包內(nèi)壁溫度明顯高于不加蓋的鐵水包空包。不加蓋鐵水包在300 min 時(shí)間內(nèi)，內(nèi)壁上、中、下部溫度分別降低到442、484 和554 ℃，而加蓋鐵水包在同等條件下，內(nèi)壁上、中、下部溫度降低為540、565 和618 ℃，分別比不加蓋鐵水包高出98、81 和64 ℃。可見，加蓋對(duì)鐵水包空包內(nèi)壁上部的保溫效果最為明顯，這可以有效緩解鐵水包上部低溫耐材在出鐵過程中接觸高溫鐵水，以及過大的溫度差造成的熱震對(duì)鐵水包耐材的破壞。

3. 2. 3 加蓋時(shí)間對(duì)鐵水包空包保溫效果的影響

根據(jù)圖3 計(jì)算鐵水包空包不加蓋和加蓋時(shí)內(nèi)壁溫度差隨時(shí)間的變化關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

從圖4 可以看出，加蓋和不加蓋的鐵水包空包內(nèi)壁溫度差隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加；當(dāng)加蓋時(shí)間達(dá)到一定時(shí)間時(shí)，溫差達(dá)到最高值；隨著時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，溫差有降低的趨勢(shì)。這說明鐵水包加蓋存在一個(gè)臨界時(shí)間，在臨界時(shí)間范圍內(nèi)，加蓋保溫效果隨著加蓋時(shí)間延長(zhǎng)而提高，而超過臨界時(shí)間后，加蓋保溫效果隨著加蓋時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。因此，正常生產(chǎn)中采用鐵水包空包加蓋保溫應(yīng)盡量縮短空包時(shí)間，才能充分發(fā)揮出加蓋的保溫作用。

4 結(jié)論

（1）初始溫度為800～900 ℃的鐵水包在5 h 空包時(shí)間內(nèi)，加蓋的鐵水包空包內(nèi)壁溫度比不加蓋時(shí)提高約100 ℃，同時(shí)，鐵水包空包內(nèi)壁上部和下部的溫度差從約150 ℃縮小為約80 ℃，從而減輕鐵水包包襯因上下部溫度差產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)包襯的損蝕。

（2）鐵水包空包加蓋在空包高溫階段內(nèi)的保溫效果尤為顯著，正常生產(chǎn)中的在線鐵水包空包，加蓋作業(yè)應(yīng)在兌鐵結(jié)束后，盡早進(jìn)行。

（3）鐵水包空包加蓋對(duì)鐵水包空包內(nèi)壁上部具有明顯的保溫效果，可以有效緩解鐵水包空包內(nèi)壁上部低溫耐材在出鐵過程中接觸高溫鐵水，過大的溫度差使鐵水包上部耐材受到破壞。

（4）鐵水包空包加蓋保溫效果與加蓋時(shí)間有密切關(guān)系，存在一個(gè)臨界時(shí)間，在臨界時(shí)間范圍內(nèi)，加蓋保溫效果隨著加蓋時(shí)間延長(zhǎng)而提高，而超過臨界時(shí)間后，加蓋保溫效果隨著加蓋時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。正常生產(chǎn)中采用鐵水包空包加蓋保溫應(yīng)盡量縮短空包時(shí)間，才能充分發(fā)揮出加蓋的保溫作用。

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