韓偉剛， 酈秀萍， 張春霞， 周繼程， 石鑫越

（鋼鐵研究總院先進鋼鐵流程及材料國家重點實驗室，北京100081）

摘要：鐵水包空包保溫對鋼鐵企業節能減排和降低成本具有重要意義。對加蓋和不加蓋的鐵水包空包在5 h 內的溫降過程進行了現場測溫，結果表明，鐵水包加蓋對鐵水包空包，特別是中上部包襯具有顯著的保溫作用。鐵水包加蓋保溫應在轉爐兌鐵結束后盡早進行，同時縮短空包時間，以取得最佳的保溫效果。

關鍵詞：鐵水包；周轉；降溫速率；鐵水溫度

鐵水包是目前鋼鐵企業廣泛采用的鐵水承接、輸送和緩沖裝置，也是煉鐵-煉鋼區段“界面技術”的重要載體^[1-3]，其溫度狀態直接影響鐵水包內鐵水的溫度，進而影響鐵水預處理和轉爐煉鋼工序的物料消耗、能源消耗、作業時間、污染物排放等技術經濟指標^[4-6]。因此，鐵水包保溫對鋼鐵企業的降本增效和節能環保具有重要意義。

鐵水包的周轉過程分為重包過程和空包過程。目前對鐵水包溫度狀態的研究主要偏重于重包的鐵水溫度變化及鐵水保溫^[7-8]，而對空包過程的研究較少。現場生產過程中，鐵水包空包的保溫也不被重視，一般都敞開放置，而空包時間的長短因各鋼廠的生產條件不同而有所不同。空包時間過長將導致鐵水包包襯溫度大幅降低，由此造成的結果，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，惡化了后續鐵水預處理和轉爐工序的各項技術經濟指標。

加蓋已被證明是一種有效的空包保溫措施，已經在煉鋼車間鋼包周轉中得到廣泛的應用^[9-11]，而在鐵水包上應用的報道較少，目前國內僅首鋼京唐采用了鐵水包空包加蓋保溫措施，但保溫效果報道較少^[12]。本文通過研究鐵水包加蓋前后對鐵水包空包包襯溫降規律的影響，為鋼鐵企業加強鐵水包空包保溫提供指導。

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1 200 ℃以上，其散熱主要通過傳導、對流和輻射三種方式進行^[13]。三種散熱方式的散熱量由式（1）～式（3）決定。

式中：Φ1 為通過包殼導熱的熱流通量，W/m2；Φ2 為通過包壁對流的熱流通量，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、永久層和包殼的導熱系數，W/ （m2·K）；d1、d2、d3、d4為鐵水包工作層內徑、永久層內徑、包殼內徑和包殼外徑，m；A 為鐵水包內壁表面積，m2；tf 為包襯工作層溫度，℃；tw1 為包殼溫度，℃；tw2 為空氣溫度，℃；ε 為包壁工作層的發射率；h 為表面傳熱系數，W/ （m2 ·K）；σ 為Stefan-Boltzmann 常數，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，而其他兩項僅是溫度的一次函數。對于轉爐兌鐵結束的鐵水包空包，初始溫度一般在1 200 ℃以上，現場對放置5 h 的鐵水包空包測溫結果顯示溫度仍接近600 ℃。因此，敞口放置于溫度約25 ℃的環境中的鐵水包，其散熱方式以通過包口輻射為主。當鐵水包加蓋后，包蓋和鐵水包構成一個近似密閉空腔，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大為降低，表現為鐵水包包壁的保溫作用。

2 現場試驗方案

（1）鐵水包條件。采用現場生產當日正常在線運行的300 t 鐵水包，在轉爐兌完鐵后，立刻運輸至測溫點進行連續測溫。

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

（3）測溫方法。選取鐵水包內壁上、中、下部固定點進行測溫，每次測溫讀取4 個數據，以其平均值代表該處包壁溫度。測溫每隔20 min 進行一次，連續測溫時間約為5 h。

3 測驗結果及分析

3. 1 測溫結果

       鐵水包加蓋前后的內壁溫度變化如圖1所示。

從圖1中可以看出，不加蓋和加蓋的鐵水包空包內壁溫度都隨著空包時間而逐漸降低，但降低的幅度有所不同。不加蓋的鐵水包在5 h 時間內，空包內壁溫度從初始的800～900 ℃降低至400～500 ℃，而加蓋的鐵水包在5 h 時間內，內壁溫度降低至500～600 ℃，比不加蓋時提高約100 ℃，說明鐵水包空包加蓋對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 時間內，內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，內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生的熱應力對包襯的損傷。

3. 2 結果分析

3. 2. 1 加蓋對鐵水包空包內壁降溫速率的影響

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

從圖2 中可見，不加蓋的鐵水包空包內壁溫度在850、700 和550 ℃時的溫降速分別約為2.2、1.53和0.96 ℃/min。而加蓋的鐵水包空包內壁溫度在相同溫度時的溫降速分別減少為0.84、0.68和0.52 ℃/min，分別比不加蓋時下降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，尤其在測溫初期的高溫段時間內，加蓋的保溫效果尤為明顯。因此，對于正常生產中的在線鐵水包空包，加蓋作業應在兌鐵結束后，盡早進行。

3. 2. 2 加蓋對鐵水包空包內壁溫降的影響

對圖1 中鐵水包加蓋和不加蓋時的鐵水包上中下部的降溫過程進行對比，結果如圖3所示。

從圖3 中可以看出，在相同空包時間內，加蓋鐵水包空包內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 時間內，內壁上、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，加蓋對鐵水包空包內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鐵水包耐材的破壞。

3. 2. 3 加蓋時間對鐵水包空包保溫效果的影響

根據圖3 計算鐵水包空包不加蓋和加蓋時內壁溫度差隨時間的變化關系，結果如圖4所示。

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

4 結論

（1）初始溫度為800～900 ℃的鐵水包在5 h 空包時間內，加蓋的鐵水包空包內壁溫度比不加蓋時提高約100 ℃，同時，鐵水包空包內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生的熱應力對包襯的損蝕。

（2）鐵水包空包加蓋在空包高溫階段內的保溫效果尤為顯著，正常生產中的在線鐵水包空包，加蓋作業應在兌鐵結束后，盡早進行。

（3）鐵水包空包加蓋對鐵水包空包內壁上部具有明顯的保溫效果，可以有效緩解鐵水包空包內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間有密切關系，存在一個臨界時間，在臨界時間范圍內，加蓋保溫效果隨著加蓋時間延長而提高，而超過臨界時間后，加蓋保溫效果隨著加蓋時間的延長而降低。正常生產中采用鐵水包空包加蓋保溫應盡量縮短空包時間，才能充分發揮出加蓋的保溫作用。

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