蔡昌旺1，王落霞2

(1．上海梅山钢铁股份有限公司新事业分公司，江苏南京210039;2．浙江自立高温科技有限公司，浙江上虞312300)

摘要:为了减少鱼雷罐运输过程中的铁水温降，从耐火材料内衬的保温效果出发，对内衬结构进行了优化，增加保温层，并对优化前和优化后的结构的铁水温降和保温效果进行理论计算，结果表明，重罐8 h 的情况下铁水温降可降低38 ℃，鱼雷罐钢壳温度可下降约52 ℃。

关键词:鱼雷罐；保温层；温降；优化

1 引言

如何在现有的铁钢运输物流路径下，降低铁水从高炉到炼钢倒罐站的温降，是梅钢公司乃至所有钢铁公司关注的问题。据大致计算，铁水温降每减少1 ℃，将为吨钢带来0．5 元的收益，如果对于年产700 万t 的中型钢铁厂，温降减少10 ℃，年经济效益在3 500 万左右，效益非常可观。

关于鱼雷罐传热及温降分析，目前有很多相关的研究及应用^［1-7］。宝钢通过分析铁水在输送过程中的温降，开发了鱼雷罐中铁水温降数学模型。鞍钢在不改变罐体外形条件下减薄内衬，可以扩大罐容，减少铁水温降、降低炼钢成本和能耗。英国的韦尔顿公司通过对鱼雷罐车内衬耐材结构上的改进，新增一层12 mm 厚的硅酸镁绝热板，取得良好的效果。台湾中钢公司、美国BETHLEHEM 公司及德国MEITINGEN 公司的数家大型钢铁公司都开始在鱼雷罐上添加了保温层，其中台湾中钢公司在添加20 mm厚保温层后，同时再减薄50 mm 厚的工作层耐材，其钢壳表面温度下降20 ℃以上，散热损失降低7%以上，由于减薄了耐材，同时还起到了扩容的作用。

总体来看，新型保温材料和新型保温措施在工业炉上运用已十分广泛，目前的资料表明，鱼雷罐铁水保温的手段主要有三种:⑴罐车罐口加帽，在国内的一些钢厂已经投用，取得一些效果，但也存在操作上的实际问题;⑵内衬添加保温层，采取的厂家较多，方案和方法也最多，相对容易实施;⑶罐车内部扩容，主要是对耐材的砌筑方式和构成进行重新设计。

本文主要考虑从鱼雷罐耐火材料内衬的结构设计优化来开展工作，在上述三种方法中，内衬添加保温层最为简便和有效。本文将着重介绍保温材料的选型、温降的计算以及理论计算预计达到的效果。

2 内衬优化及计算

鱼雷罐耐火衬一般由工作层、安全层及永久层组成，起到容纳铁水以及保温的作用(图1)。

鱼雷罐衬的传热是一个较复杂的过程，鱼雷罐重罐时的传热包括罐口处的辐射传热、罐壳与空气的对流辐射传热以及铁水与罐衬材料之间的热传导等。国内宝钢以及上海交通大学一些机构做了研究与计算，认为永久层采用蜡石砖较采用黏土砖铁水温降减少5 ℃，从保温性能看，应优先选择蜡石砖作为永久层(其它也有高铝砖的方案);当保温层厚度从0 mm 增加到12 mm 时，铁水温降从106 ℃降低到93 ℃，说明添加保温层后的保温效果比较明显，10～15 mm 保温层为宜^［8］。

2．1 方案的选择

拟设计在目前鱼雷罐砌筑结构的基础上，采用在紧贴钢壳内侧增加一层保温板的方式，以期望达到提高保温性能，减少温降，降低钢壳温度的目的。保温板的厚度选择常规厚度18 mm，太薄则保温效果不佳，太厚对鱼雷罐的罐容会产生影响。保温板的选材:目前使用较多的主要有2 种，一种为镁硅质保温板，另一种为纳米保温板。两种保温板性能对比如表1 所示。

同时对以上性能进行了实际验证，分别通过600 ℃×3 h、1 000 ℃×3 h 煅烧以及浸水试验，见图2－图9。

从表1 及图2－图9 的结果可以看出，纳米保温板显气孔率极高，因此其热导率较低，保温性能较镁硅质保温板好;镁硅质保温板则强度高，体积稳定性好，耐高温性能也较好，可满足1 000 ℃ 内使用要求，而纳米保温板在600 ℃左右即会粉化，使用后期可能出现空洞情况，存在较高的安全隐患，铁水从透气孔中流出，烧毁铁路，甚至造成铁厂和钢厂的停产;另外也可以看出，镁硅质保温板耐水性优于纳米保温板，烘烤过程中的水汽对镁硅质保温板基本无影响，而纳米保温板则会因大量吸水而软化，耐压强度大幅降低，同样是较大的安全风险。

2．2 温降计算

锥体部位为整罐耐材配置相对较薄的部位，因此取新罐锥体部位作为研究对象，对温降和钢壳温度进行研究，锥体部分砌筑如图10。

锥体部各层材料的厚度及热导率如表2。

为简化计算，暂不考虑运行过程中的热辐射及热对流，其传热过程可以用以下公式计算:

－GCdt =KF(t－tf)dτ      ⑴

Ln［(t1－tf) / (t2－tf)］=KFτ /(GC) ⑵

式中:t1、t2 －温降起始时刻、终了时刻的铁水温度，℃;τ－温降时间，s;tf －鱼雷罐周围介质的温度，℃;K－从罐内铁水到罐外周围介质的总传热系数，W/(m²·℃);F－鱼雷罐的总散热面积，m²;C－铁水的比热容，kJ /( kg·℃);G－重罐时铁水的质量，kg 。

对于总传热系数K 的计算，主要是对罐衬的传热系数的计算(忽略对流换热及辐射换热)，则:

K= 1 /Ｒ= 1 /(δ1 /λ1+δ2 /λ2+δ3 /λ3+…)      ⑶

式中:λ －包衬砖的导热系数，W/(m·℃);δ －包衬的厚度，m 。

根据目前实际情况，设定鱼雷罐铁水初温t1 =1 500 ℃，tf = 25 ℃，由以上相关公式可计算重罐300 t 时经8 h 后，铁水的温度t2 为1 353 ℃，即目前砌筑结构下，重罐8 h 后铁水温降为147 ℃。( 注:由于以上计算忽略了辐射及对流传热，因此实际温降应大于147 ℃。)，温度场模拟见图11。

考虑采用在钢壳与蜡石砖之间增加一层18 mm厚硬质镁硅质保温板的方案，进行温降计算( 过程同上)，温度场模拟见图12。

通过理论计算:采用在目前结构基础上增加18 mm厚镁硅质保温板的保温方案，鱼雷罐重罐300 t经8 h 后铁水温降可明显降低，比目前结构温降减少可达38 ℃，钢壳温度可下降约52 ℃，即由目前的最高300 ℃左右可降至最高约250 ℃。增加18 mm 厚镁硅质保温层后，材料成本的增加导致铁水成本上升0．17 元/t 铁;但对比原结构，增加保温板后运行过程中铁水温降可大幅减少，节能降耗显著。

增加18 mm 高强度镁硅质保温层后，对净空高度影响不大，对于每罐260 t 左右的铁水装入量看，铁水液面仅上升12 cm 左右，因此对工作层耐材的使用安全无影响，且镁硅质保温板性能优良，作为保温层使用安全可靠。

3 结语

⑴采用镁硅质保温板较纳米保温板具有更高的强度，更好的耐高温性及抗水化性，作为鱼雷罐钢壳与永久层砖之间的保温层更合适和安全。

⑵鱼雷罐钢壳与永久层间增加18 mm 的硅镁质保温板后，理论计算铁水温降可达约38 ℃，钢壳温度可下降约52 ℃。采用该方案的鱼雷罐砌筑上线后，钢壳表面温降达到预期的效果，待数据一定的积累后，再详细分析与验证。

参考文献:

［1］ 吴懋林．鱼雷罐铁水温降分析［J］．钢铁，2002，37(04):12-15．

［2］ 王学敏． 混铁车罐体温降过程的有限元模拟［D］． 沈阳:东北大学硕士论文，2002．

［3］ 齐晖． 混铁车罐体传热与应力的有限元计算［D］．沈阳:东北大学硕士论文，2004．

［4］ Steven G Jansto． Hot Metal and Refractories Temperature Study of Torpedo Cars at Interlake INC［J］．Ironmaking Conference Proceedings，1980，39:43-48．

［5］ Kaufman D J，Shockley L W． Torpedo Car Ｒefractories and Scheduling Improvements at ACME Steel［J］． Steelmaking Conference Proceedings，1994，77:571-575．

［6］ 李宏鸣．宝钢铁水预处理实践［J］． 钢铁，1988 (09):16-22．

［7］ 关宗山．高炉铁水保温输送［J］．钢铁，1993，(08): 12-16．

［8］ 李玲玲，马学东． 320 t 鱼雷罐铁水温降的有限元分析［J］．耐火材料，2015，49(01):52-55．