蔡昌旺1，王落霞2
(1．上海梅山鋼鐵股份有限公司新事業(yè)分公司，江蘇南京210039;2．浙江自立高溫科技有限公司，浙江上虞312300)
摘要:為了減少魚雷罐運輸過程中的鐵水溫降，從耐火材料內(nèi)襯的保溫效果出發(fā)，對內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，增加保溫層，并對優(yōu)化前和優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)的鐵水溫降和保溫效果進(jìn)行理論計算，結(jié)果表明，重罐8 h 的情況下鐵水溫降可降低38 ℃，魚雷罐鋼殼溫度可下降約52 ℃。
關(guān)鍵詞:魚雷罐；保溫層；溫降；優(yōu)化
1 引言
如何在現(xiàn)有的鐵鋼運輸物流路徑下，降低鐵水從高爐到煉鋼倒罐站的溫降，是梅鋼公司乃至所有鋼鐵公司關(guān)注的問題。據(jù)大致計算，鐵水溫降每減少1 ℃，將為噸鋼帶來0．5 元的收益，如果對于年產(chǎn)700 萬t 的中型鋼鐵廠，溫降減少10 ℃，年經(jīng)濟(jì)效益在3 500 萬左右，效益非?？捎^。
關(guān)于魚雷罐傳熱及溫降分析，目前有很多相關(guān)的研究及應(yīng)用［1-7］。寶鋼通過分析鐵水在輸送過程中的溫降，開發(fā)了魚雷罐中鐵水溫降數(shù)學(xué)模型。鞍鋼在不改變罐體外形條件下減薄內(nèi)襯，可以擴(kuò)大罐容，減少鐵水溫降、降低煉鋼成本和能耗。英國的韋爾頓公司通過對魚雷罐車內(nèi)襯耐材結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，新增一層12 mm 厚的硅酸鎂絕熱板，取得良好的效果。臺灣中鋼公司、美國BETHLEHEM 公司及德國MEITINGEN 公司的數(shù)家大型鋼鐵公司都開始在魚雷罐上添加了保溫層，其中臺灣中鋼公司在添加20 mm厚保溫層后，同時再減薄50 mm 厚的工作層耐材，其鋼殼表面溫度下降20 ℃以上，散熱損失降低7%以上，由于減薄了耐材，同時還起到了擴(kuò)容的作用。
總體來看，新型保溫材料和新型保溫措施在工業(yè)爐上運用已十分廣泛，目前的資料表明，魚雷罐鐵水保溫的手段主要有三種:⑴罐車罐口加帽，在國內(nèi)的一些鋼廠已經(jīng)投用，取得一些效果，但也存在操作上的實際問題;⑵內(nèi)襯添加保溫層，采取的廠家較多，方案和方法也最多，相對容易實施;⑶罐車內(nèi)部擴(kuò)容，主要是對耐材的砌筑方式和構(gòu)成進(jìn)行重新設(shè)計。
本文主要考慮從魚雷罐耐火材料內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化來開展工作，在上述三種方法中，內(nèi)襯添加保溫層最為簡便和有效。本文將著重介紹保溫材料的選型、溫降的計算以及理論計算預(yù)計達(dá)到的效果。
2 內(nèi)襯優(yōu)化及計算
魚雷罐耐火襯一般由工作層、安全層及永久層組成，起到容納鐵水以及保溫的作用(圖1)。
魚雷罐襯的傳熱是一個較復(fù)雜的過程，魚雷罐重罐時的傳熱包括罐口處的輻射傳熱、罐殼與空氣的對流輻射傳熱以及鐵水與罐襯材料之間的熱傳導(dǎo)等。國內(nèi)寶鋼以及上海交通大學(xué)一些機(jī)構(gòu)做了研究與計算，認(rèn)為永久層采用蠟石磚較采用黏土磚鐵水溫降減少5 ℃，從保溫性能看，應(yīng)優(yōu)先選擇蠟石磚作為永久層(其它也有高鋁磚的方案);當(dāng)保溫層厚度從0 mm 增加到12 mm 時，鐵水溫降從106 ℃降低到93 ℃，說明添加保溫層后的保溫效果比較明顯，10～15 mm 保溫層為宜［8］。
2．1 方案的選擇
擬設(shè)計在目前魚雷罐砌筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用在緊貼鋼殼內(nèi)側(cè)增加一層保溫板的方式，以期望達(dá)到提高保溫性能，減少溫降，降低鋼殼溫度的目的。保溫板的厚度選擇常規(guī)厚度18 mm，太薄則保溫效果不佳，太厚對魚雷罐的罐容會產(chǎn)生影響。保溫板的選材:目前使用較多的主要有2 種，一種為鎂硅質(zhì)保溫板，另一種為納米保溫板。兩種保溫板性能對比如表1 所示。
同時對以上性能進(jìn)行了實際驗證，分別通過600 ℃×3 h、1 000 ℃×3 h 煅燒以及浸水試驗，見圖2－圖9。
從表1 及圖2－圖9 的結(jié)果可以看出，納米保溫板顯氣孔率極高，因此其熱導(dǎo)率較低，保溫性能較鎂硅質(zhì)保溫板好;鎂硅質(zhì)保溫板則強(qiáng)度高，體積穩(wěn)定性好，耐高溫性能也較好，可滿足1 000 ℃ 內(nèi)使用要求，而納米保溫板在600 ℃左右即會粉化，使用后期可能出現(xiàn)空洞情況，存在較高的安全隱患，鐵水從透氣孔中流出，燒毀鐵路，甚至造成鐵廠和鋼廠的停產(chǎn);另外也可以看出，鎂硅質(zhì)保溫板耐水性優(yōu)于納米保溫板，烘烤過程中的水汽對鎂硅質(zhì)保溫板基本無影響，而納米保溫板則會因大量吸水而軟化，耐壓強(qiáng)度大幅降低，同樣是較大的安全風(fēng)險。
2．2 溫降計算
錐體部位為整罐耐材配置相對較薄的部位，因此取新罐錐體部位作為研究對象，對溫降和鋼殼溫度進(jìn)行研究，錐體部分砌筑如圖10。
錐體部各層材料的厚度及熱導(dǎo)率如表2。
為簡化計算，暫不考慮運行過程中的熱輻射及熱對流，其傳熱過程可以用以下公式計算:
－GCdt =KF(t－tf)dτ ⑴
Ln［(t1－tf) / (t2－tf)］=KFτ /(GC) ⑵
式中:t1、t2 －溫降起始時刻、終了時刻的鐵水溫度，℃;τ－溫降時間，s;tf －魚雷罐周圍介質(zhì)的溫度，℃;K－從罐內(nèi)鐵水到罐外周圍介質(zhì)的總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃);F－魚雷罐的總散熱面積，m2;C－鐵水的比熱容，kJ /( kg·℃);G－重罐時鐵水的質(zhì)量，kg 。
對于總傳熱系數(shù)K 的計算，主要是對罐襯的傳熱系數(shù)的計算(忽略對流換熱及輻射換熱)，則:
K= 1 /Ｒ= 1 /(δ1 /λ1+δ2 /λ2+δ3 /λ3+…) ⑶
式中:λ －包襯磚的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃);δ －包襯的厚度，m 。
根據(jù)目前實際情況，設(shè)定魚雷罐鐵水初溫t1 =1 500 ℃，tf = 25 ℃，由以上相關(guān)公式可計算重罐300 t 時經(jīng)8 h 后，鐵水的溫度t2 為1 353 ℃，即目前砌筑結(jié)構(gòu)下，重罐8 h 后鐵水溫降為147 ℃。( 注:由于以上計算忽略了輻射及對流傳熱，因此實際溫降應(yīng)大于147 ℃。)，溫度場模擬見圖11。
考慮采用在鋼殼與蠟石磚之間增加一層18 mm厚硬質(zhì)鎂硅質(zhì)保溫板的方案，進(jìn)行溫降計算( 過程同上)，溫度場模擬見圖12。
通過理論計算:采用在目前結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加18 mm厚鎂硅質(zhì)保溫板的保溫方案，魚雷罐重罐300 t經(jīng)8 h 后鐵水溫降可明顯降低，比目前結(jié)構(gòu)溫降減少可達(dá)38 ℃，鋼殼溫度可下降約52 ℃，即由目前的最高300 ℃左右可降至最高約250 ℃。增加18 mm 厚鎂硅質(zhì)保溫層后，材料成本的增加導(dǎo)致鐵水成本上升0．17 元/t 鐵;但對比原結(jié)構(gòu)，增加保溫板后運行過程中鐵水溫降可大幅減少，節(jié)能降耗顯著。
增加18 mm 高強(qiáng)度鎂硅質(zhì)保溫層后，對凈空高度影響不大，對于每罐260 t 左右的鐵水裝入量看，鐵水液面僅上升12 cm 左右，因此對工作層耐材的使用安全無影響，且鎂硅質(zhì)保溫板性能優(yōu)良，作為保溫層使用安全可靠。
3 結(jié)語
⑴采用鎂硅質(zhì)保溫板較納米保溫板具有更高的強(qiáng)度，更好的耐高溫性及抗水化性，作為魚雷罐鋼殼與永久層磚之間的保溫層更合適和安全。
⑵魚雷罐鋼殼與永久層間增加18 mm 的硅鎂質(zhì)保溫板后，理論計算鐵水溫降可達(dá)約38 ℃，鋼殼溫度可下降約52 ℃。采用該方案的魚雷罐砌筑上線后，鋼殼表面溫降達(dá)到預(yù)期的效果，待數(shù)據(jù)一定的積累后，再詳細(xì)分析與驗證。
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