韩伟刚， 郦秀萍， 张春霞， 周继程， 石鑫越

（钢铁研究总院先进钢铁流程及材料国家重点实验室，北京100081）

摘要：铁水包空包保温对钢铁企业节能减排和降低成本具有重要意义。对加盖和不加盖的铁水包空包在5 h 内的温降过程进行了现场测温，结果表明，铁水包加盖对铁水包空包，特别是中上部包衬具有显著的保温作用。铁水包加盖保温应在转炉兑铁结束后尽早进行，同时缩短空包时间，以取得最佳的保温效果。

关键词：铁水包；周转；降温速率；铁水温度

铁水包是目前钢铁企业广泛采用的铁水承接、输送和缓冲装置，也是炼铁-炼钢区段“界面技术”的重要载体^[1-3]，其温度状态直接影响铁水包内铁水的温度，进而影响铁水预处理和转炉炼钢工序的物料消耗、能源消耗、作业时间、污染物排放等技术经济指标^[4-6]。因此，铁水包保温对钢铁企业的降本增效和节能环保具有重要意义。

铁水包的周转过程分为重包过程和空包过程。目前对铁水包温度状态的研究主要偏重于重包的铁水温度变化及铁水保温^[7-8]，而对空包过程的研究较少。现场生产过程中，铁水包空包的保温也不被重视，一般都敞开放置，而空包时间的长短因各钢厂的生产条件不同而有所不同。空包时间过长将导致铁水包包衬温度大幅降低，由此造成的结果，一方面，在受铁过程中低温的包衬与高温铁水直接接触，巨大的温差加剧了铁水包耐材的破损；另一方面，低温包衬的蓄热吸收了大量铁水的物理热，降低了铁水温度，恶化了后续铁水预处理和转炉工序的各项技术经济指标。

加盖已被证明是一种有效的空包保温措施，已经在炼钢车间钢包周转中得到广泛的应用^[9-11]，而在铁水包上应用的报道较少，目前国内仅首钢京唐采用了铁水包空包加盖保温措施，但保温效果报道较少^[12]。本文通过研究铁水包加盖前后对铁水包空包包衬温降规律的影响，为钢铁企业加强铁水包空包保温提供指导。

1 铁水包空包散热方式

铁水包一般分为工作层、永久层和包壳三部分。兑完铁水的铁水包工作层温度很高，可高达1 200 ℃以上，其散热主要通过传导、对流和辐射三种方式进行^[13]。三种散热方式的散热量由式（1）～式（3）决定。

式中：Φ1 为通过包壳导热的热流通量，W/m2；Φ2 为通过包壁对流的热流通量，W/m2；Φ3 为通过包壁辐射的热流通量，W/m2；λ1、λ2、λ3 为铁水包工作层、永久层和包壳的导热系数，W/ （m2·K）；d1、d2、d3、d4为铁水包工作层内径、永久层内径、包壳内径和包壳外径，m；A 为铁水包内壁表面积，m2；tf 为包衬工作层温度，℃；tw1 为包壳温度，℃；tw2 为空气温度，℃；ε 为包壁工作层的发射率；h 为表面传热系数，W/ （m2 ·K）；σ 为Stefan-Boltzmann 常数，5.67×10－8 W/ （m2·K）。

从式（1）～式（3）中可见，辐射散热的散热量是温度的四次函数，而其他两项仅是温度的一次函数。对于转炉兑铁结束的铁水包空包，初始温度一般在1 200 ℃以上，现场对放置5 h 的铁水包空包测温结果显示温度仍接近600 ℃。因此，敞口放置于温度约25 ℃的环境中的铁水包，其散热方式以通过包口辐射为主。当铁水包加盖后，包盖和铁水包构成一个近似密闭空腔，铁水包包衬通过包口辐射出的热量一部分被包盖吸收，使包盖耐材温度升高，其余部分又被包盖反射回包衬，使包衬的有效辐射散热量相比敞口时大为降低，表现为铁水包包壁的保温作用。

2 现场试验方案

（1）铁水包条件。采用现场生产当日正常在线运行的300 t 铁水包，在转炉兑完铁后，立刻运输至测温点进行连续测温。

（2）测温设备。测温装置采用手持式红外测温枪，测温范围为300～1 500 ℃。

（3）测温方法。选取铁水包内壁上、中、下部固定点进行测温，每次测温读取4 个数据，以其平均值代表该处包壁温度。测温每隔20 min 进行一次，连续测温时间约为5 h。

3 测验结果及分析

3. 1 测温结果

       铁水包加盖前后的内壁温度变化如图1所示。

从图1中可以看出，不加盖和加盖的铁水包空包内壁温度都随着空包时间而逐渐降低，但降低的幅度有所不同。不加盖的铁水包在5 h 时间内，空包内壁温度从初始的800～900 ℃降低至400～500 ℃，而加盖的铁水包在5 h 时间内，内壁温度降低至500～600 ℃，比不加盖时提高约100 ℃，说明铁水包空包加盖对减少空包起到了明显的保温效果。

此外，值得注意的是，未加盖的铁水包空包在300 min 时间内，内壁下部与上部温度基本始终保持约150 ℃的温度差，而加盖的铁水包空包在5 h 内，内壁上部和下部的温度差缩小到约80 ℃，即铁水包加盖可以使铁水包内壁上、下部的温度更加均匀，这可以缓解因上下部温度不均产生的热应力对包衬的损伤。

3. 2 结果分析

3. 2. 1 加盖对铁水包空包内壁降温速率的影响

从图1 中可见，铁水包内壁温度在高温时的降温过程十分明显，而在测温后期曲线逐渐平坦，说明铁水包空包内壁的降温速率与铁水包空包内壁温度密切相关，温度越高时，温降速率也越大。以铁水包空包内壁中部为例，计算得加盖和不加盖时降温速率与温度的关系，结果如图2所示。

从图2 中可见，不加盖的铁水包空包内壁温度在850、700 和550 ℃时的温降速分别约为2.2、1.53和0.96 ℃/min。而加盖的铁水包空包内壁温度在相同温度时的温降速分别减少为0.84、0.68和0.52 ℃/min，分别比不加盖时下降62%、55%和46%。可见，铁水包空包加盖在减少铁水包辐射散热及降低空包过程铁水包温降方面取得显著的效果，尤其在测温初期的高温段时间内，加盖的保温效果尤为明显。因此，对于正常生产中的在线铁水包空包，加盖作业应在兑铁结束后，尽早进行。

3. 2. 2 加盖对铁水包空包内壁温降的影响

对图1 中铁水包加盖和不加盖时的铁水包上中下部的降温过程进行对比，结果如图3所示。

从图3 中可以看出，在相同空包时间内，加盖铁水包空包内壁温度明显高于不加盖的铁水包空包。不加盖铁水包在300 min 时间内，内壁上、中、下部温度分别降低到442、484 和554 ℃，而加盖铁水包在同等条件下，内壁上、中、下部温度降低为540、565 和618 ℃，分别比不加盖铁水包高出98、81 和64 ℃。可见，加盖对铁水包空包内壁上部的保温效果最为明显，这可以有效缓解铁水包上部低温耐材在出铁过程中接触高温铁水，以及过大的温度差造成的热震对铁水包耐材的破坏。

3. 2. 3 加盖时间对铁水包空包保温效果的影响

根据图3 计算铁水包空包不加盖和加盖时内壁温度差随时间的变化关系，结果如图4所示。

从图4 可以看出，加盖和不加盖的铁水包空包内壁温度差随着时间的延长而逐渐增加；当加盖时间达到一定时间时，温差达到最高值；随着时间的继续延长，温差有降低的趋势。这说明铁水包加盖存在一个临界时间，在临界时间范围内，加盖保温效果随着加盖时间延长而提高，而超过临界时间后，加盖保温效果随着加盖时间的延长而降低。因此，正常生产中采用铁水包空包加盖保温应尽量缩短空包时间，才能充分发挥出加盖的保温作用。

4 结论

（1）初始温度为800～900 ℃的铁水包在5 h 空包时间内，加盖的铁水包空包内壁温度比不加盖时提高约100 ℃，同时，铁水包空包内壁上部和下部的温度差从约150 ℃缩小为约80 ℃，从而减轻铁水包包衬因上下部温度差产生的热应力对包衬的损蚀。

（2）铁水包空包加盖在空包高温阶段内的保温效果尤为显著，正常生产中的在线铁水包空包，加盖作业应在兑铁结束后，尽早进行。

（3）铁水包空包加盖对铁水包空包内壁上部具有明显的保温效果，可以有效缓解铁水包空包内壁上部低温耐材在出铁过程中接触高温铁水，过大的温度差使铁水包上部耐材受到破坏。

（4）铁水包空包加盖保温效果与加盖时间有密切关系，存在一个临界时间，在临界时间范围内，加盖保温效果随着加盖时间延长而提高，而超过临界时间后，加盖保温效果随着加盖时间的延长而降低。正常生产中采用铁水包空包加盖保温应尽量缩短空包时间，才能充分发挥出加盖的保温作用。

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