魚(yú)雷罐車(chē)保溫性能的改善

陳 貴 洪建國(guó)，2 祁文華

（1.上海梅山鋼鐵股份有限公司制造管理部，江蘇 南京 210039；2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444）

魚(yú)雷罐車(chē)是鋼鐵企業(yè)運(yùn)輸鐵水的專(zhuān)用車(chē)，即將鐵水輸送到下道煉鋼工序，鐵水在魚(yú)雷罐車(chē)中的短時(shí)間貯存也有利于調(diào)整煉鐵煉鋼工藝流程［1］。但是，鐵水在運(yùn)輸過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生溫度下降的情況。

目前，為減少鐵水運(yùn)輸程中的溫降，通過(guò)改進(jìn)管理及流程優(yōu)化等已經(jīng)取得了一定的成效，鐵廠用魚(yú)雷罐車(chē)盛鐵水到鋼廠倒罐，這個(gè)過(guò)程中鐵水的溫降已經(jīng)控制在150℃左右，但與要求的低于140℃仍有一定差距。由粗略的計(jì)算可知，鐵水溫降減少1℃，每噸鋼將產(chǎn)生0.5元的經(jīng)濟(jì)效益［2］。

關(guān)于魚(yú)雷罐車(chē)傳熱與溫降，國(guó)內(nèi)外均進(jìn)行了很多研究。楚化強(qiáng)等［1］以某鋼廠320 t魚(yú)雷罐車(chē)為研究對(duì)象，采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和紅外探測(cè)技術(shù)等探索了魚(yú)雷罐車(chē)內(nèi)襯溫度隨時(shí)間的變化以及內(nèi)襯材料厚度對(duì)鐵水溫降的影響；齊暉［3］對(duì)寶鋼魚(yú)雷罐車(chē)進(jìn)行了傳熱和相關(guān)的應(yīng)力分析，取得了一定進(jìn)展；張亞竹等［4］利用鋼廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)建立了不含鐵水的魚(yú)雷罐車(chē)二維多層壁面?zhèn)鳠岬蔫F水溫降模型，并通過(guò)有限元分析計(jì)算了魚(yú)雷罐車(chē)在轉(zhuǎn)運(yùn)鐵水過(guò)程的溫降；馬學(xué)東等［5］對(duì)350 t魚(yú)雷罐車(chē)進(jìn)行了有限元分析，構(gòu)建了鐵水和壁面的模型，計(jì)算了鐵水溫降；Verdeja-Gonzalez等［6］通過(guò)構(gòu)建二維有限元模型分析了魚(yú)雷罐車(chē)罐體內(nèi)的溫度分布，并根據(jù)罐體內(nèi)熱梯度分析了鐵水運(yùn)輸過(guò)程中的熱損失；寶鋼開(kāi)發(fā)了鐵水溫降數(shù)學(xué)模型；英國(guó)韋爾頓公司改進(jìn)了魚(yú)雷罐車(chē)內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)，增添了一層硅鎂絕熱板，對(duì)減少鐵水溫降有一定的效果；中國(guó)臺(tái)灣中鋼公司在添加20 mm厚的保溫層后又進(jìn)一步減少了工作層耐火材料的厚度，不僅有效減少了散熱消耗，還一定程度上擴(kuò)大了魚(yú)雷罐車(chē)的容積［2］。

高爐鐵水溫度也影響魚(yú)雷罐車(chē)內(nèi)襯材料的使用壽命。倒出鐵水前后的溫差較大，易導(dǎo)致內(nèi)襯開(kāi)裂、剝落和腐蝕等。內(nèi)襯損壞導(dǎo)致鐵水泄漏，不僅威脅人身安全，也會(huì)造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失［7-8］。魚(yú)雷罐車(chē)內(nèi)襯的損壞和殘余厚度的監(jiān)測(cè)也是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，已有人進(jìn)行了大量研究。單佳等［9］提出，可采用紅外熱像儀對(duì)罐體內(nèi)襯厚度進(jìn)行在線監(jiān)控；宋利明等［10］采用熱電偶檢測(cè)魚(yú)雷罐車(chē)內(nèi)襯的溫度，建立了罐體傳熱分析模型，并通過(guò)鐵水溫降和內(nèi)襯溫度測(cè)試為魚(yú)雷罐車(chē)的改造提供了基礎(chǔ)；史東磊等［11］提出了建立以紅外熱像儀、魚(yú)雷罐車(chē)罐號(hào)識(shí)別裝置、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、系統(tǒng)服務(wù)器、魚(yú)雷罐車(chē)侵蝕模型、聲光報(bào)警設(shè)備、PC顯示器等組成的魚(yú)雷罐車(chē)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可監(jiān)測(cè)魚(yú)雷罐車(chē)的表皮溫度并通過(guò)侵蝕模型計(jì)算耐火材料的侵蝕狀況，從而保證魚(yú)雷罐車(chē)能安全穩(wěn)定運(yùn)行，避免漏鐵事故發(fā)生；Tang等［12］利用紅外線傳感器建立了以熱輻射理論為基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在寶鋼煉鋼廠進(jìn)行了在線測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，具有較好的抗干擾性能。

為了減小魚(yú)雷罐車(chē)鐵水的溫降，減少熱損耗，新型保溫材料和保溫工藝的工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)成熟。通常，魚(yú)雷罐車(chē)鐵水的保溫有3種措施，即采用保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)、加蓋運(yùn)行和擴(kuò)容。魚(yú)雷罐車(chē)加蓋經(jīng)濟(jì)效益不高，容易損壞，使用不便，目前很少采用。魚(yú)雷罐車(chē)擴(kuò)容需要相應(yīng)地減薄內(nèi)襯，但每減薄10 mm內(nèi)襯，將減少50爐的爐齡，而鐵水裝載量卻僅能增加4 t左右，并且其成本不菲。綜合來(lái)看，采用保溫型內(nèi)襯保持鐵水溫度更有效，而且便于實(shí)施，是目前國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)廣泛采取的控制鐵水溫降、減少散熱損耗的措施［3］。

本文改進(jìn)了魚(yú)雷罐車(chē)的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，即在魚(yú)雷罐車(chē)永久層先噴涂NMPTL-0.3納米涂料，然后再?lài)娨欢ê穸鹊腜TL-20涂料，涂料材質(zhì)為Al2O3微型球珠和鋁硅微粉，以代替原先的黏土磚永久層。涂料由河南海格爾保溫材料有限公司生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和上海梅山鋼鐵廠現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，新的保溫結(jié)構(gòu)能有效減少鐵水的溫降。

1 魚(yú)雷式罐車(chē)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化

魚(yú)雷式罐車(chē)耐火襯一般由工作層、安全層和永久層組成（圖1），不僅可以容納鐵水，也可以對(duì)鐵水保溫。魚(yú)雷罐車(chē)內(nèi)襯的傳熱是一個(gè)較復(fù)雜的過(guò)程，魚(yú)雷罐車(chē)重罐時(shí)（即魚(yú)雷罐車(chē)在高爐裝完鐵水至倒出鐵水的間隔時(shí)間）的傳熱包括罐口的輻射傳熱、罐殼與空氣的對(duì)流輻射傳熱和鐵水與罐襯材料之間的熱傳導(dǎo)等。

圖1 魚(yú)雷罐車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of design of the torpedo car

1.1 魚(yú)雷罐車(chē)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案

在魚(yú)雷罐車(chē)永久層先噴涂NMPTL-0.3剛玉粉納米涂料，然后再?lài)娨欢ê穸鹊腜TL-20涂料，涂料材質(zhì)為Al2O3微型球珠和鋁硅微粉，以代替原先的黏土磚永久層。原先黏土磚的厚度為45 mm，兩層，具體數(shù)據(jù)如表1和表2所示。如圖2所示，魚(yú)雷罐車(chē)傳統(tǒng)內(nèi)襯由ASC（Al2O3-SiC-C）磚、涂料、兩層黏土磚及鋼殼組成。以Al2O3噴涂料代替黏土磚永久層的方案是，保溫內(nèi)襯由ASC磚（磚型簡(jiǎn)化）、噴涂料、1～2 mm厚的納米涂料組成，最外面為鋼殼。納米涂料的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為［13］：輕量化礬土55% ～65%，微珠2% ～4%，純鋁酸鈣水泥13% ～24%，菱苦土4% ～5%，納米Al2O36% ～14%。在900℃，黏土磚的熱導(dǎo)率為1.17 W/（m·K），而用于內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的PTL-20涂料和NMPTL-0.3納米涂料的熱導(dǎo)率分別為0.3～0.5和0.1～0.3 W/（m·K），采用熱導(dǎo)率低的材料有利于鐵水保溫。

圖2 魚(yú)雷罐車(chē)傳統(tǒng)的（a）和優(yōu)化（b）的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)Fig.2 Traditional（a）and optimized （b）lining structure for the torpedo car

表1 魚(yú)雷罐車(chē)黏土磚內(nèi)襯的厚度Table 1 Thickness of clay brick lining of the torpedo car mm

表2 魚(yú)雷罐車(chē)噴涂料內(nèi)襯的厚度Table 2 Thickness of lining sprayed with the coatings for the torpedo car mm

1.2 優(yōu)化方案效果

1.2.1 實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)

采用重?zé)囼?yàn)爐（圖3（a））模擬現(xiàn)場(chǎng)條件下魚(yú)雷罐車(chē)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后的傳熱狀況，進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，重?zé)囼?yàn)爐爐膛溫度與鐵水溫度相同，為1 400℃。重?zé)囼?yàn)爐的爐門(mén)裝有改進(jìn)前后的魚(yú)雷罐車(chē)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)（圖3（b）），圖中左側(cè)為改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)，右側(cè)為改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)。重?zé)囼?yàn)爐的升溫和保溫曲線如圖4所示，用紅外測(cè)溫儀測(cè)量改進(jìn)前后內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的表面溫度。

圖3 重?zé)囼?yàn)爐（a）和受熱后改進(jìn)前后耐火材料試樣（b）Fig.3 Reburning test furnace （a）and refractory sample heated before and after improvement（b）

圖4 重?zé)囼?yàn)爐的升溫（a）和保溫期（b）Fig.4 Heating（a）and soaking（b）periods of the reburning test furnace

1.2.2 實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果

內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后和1 400℃保溫期魚(yú)雷罐車(chē)外殼壁的溫度變化如圖5所示。

圖5 內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后（a）和1 400℃保溫期（b）魚(yú)雷罐車(chē)外殼壁的溫度變化Fig.5 Variation in temperature of shell wall of the torpedo car before and after optimizing lining structure（a）and in sawing period at 1 400 ℃（b）

圖5表明，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化的魚(yú)雷罐車(chē)外殼壁溫度降低了。在600℃，兩種爐襯結(jié)構(gòu)的魚(yú)雷罐車(chē)外殼壁溫差為15℃；在1 400℃，則為64℃，并且溫差隨著爐溫的升高而增大。在1 400℃保溫，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，溫差穩(wěn)定在65℃左右，外殼壁溫度變化不大。

在相同條件下，以噴涂料內(nèi)襯時(shí)熱端溫度比黏土磚內(nèi)襯低65℃左右，表明改進(jìn)的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)是有效的。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 養(yǎng)護(hù)與烘烤

砌筑好的魚(yú)雷罐車(chē)自然養(yǎng)護(hù)48 h后檢驗(yàn)內(nèi)襯質(zhì)量并收集數(shù)據(jù)，包括灰漿飽滿度要大于90%，工作面要大于95%，磚縫為2 mm。魚(yú)雷罐車(chē)投入使用前需進(jìn)行烘烤，以去除砌體中的水分和氣體。烘烤步驟為先傾動(dòng)罐體使受鐵口向操作臺(tái)方向轉(zhuǎn)動(dòng)90°，然后支承固定桿（穩(wěn)定車(chē)體）。小開(kāi)燃燒氣，點(diǎn)燃煤氣（或天然氣）。推動(dòng)烘烤器進(jìn)入罐內(nèi)，使擋板距罐口100 mm，然后固定空氣法蘭。逐步交叉開(kāi)大煤氣（或天然氣）和空氣量到烘烤需要的開(kāi)度（有自動(dòng)控制裝置的按自動(dòng)要求操作），然后轉(zhuǎn)入正常烘烤狀態(tài)。烘烤曲線如圖6所示，烘烤溫度分別為300、600和900℃。

圖6 魚(yú)雷罐車(chē)的烘烤過(guò)程Fig.6 Baking process of the torpedo car

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

保溫內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的魚(yú)雷罐車(chē)在上海梅山鋼鐵廠進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，測(cè)定了魚(yú)雷罐車(chē)外殼壁溫度。在一個(gè)月的試運(yùn)行期間，罐車(chē)外壁溫度與同期使用的傳統(tǒng)內(nèi)襯罐車(chē)外殼壁溫度如圖7所示。試運(yùn)行期間，試驗(yàn)罐外殼壁溫度平均為231℃，其他罐車(chē)外殼壁平均溫度為270℃，前者比后者降低了39℃，鐵水溫度下降了12℃，表明改進(jìn)的罐車(chē)內(nèi)襯是有效的。

圖7 內(nèi)襯優(yōu)化前（a）、后（b）魚(yú)雷罐車(chē)的外殼壁溫度變化Fig.7 Change in shell wall temperature of the torpedo car before（a）and after（b）optimizing lining

3 結(jié)論

（1）內(nèi)襯結(jié)構(gòu)改進(jìn)的魚(yú)雷罐車(chē)對(duì)鐵水的保溫效果更好，內(nèi)襯改進(jìn)后的罐車(chē)外殼壁溫度比傳統(tǒng)爐襯罐車(chē)的低65℃左右，改進(jìn)的罐車(chē)內(nèi)襯是有效的。

（2）內(nèi)襯結(jié)構(gòu)改進(jìn)魚(yú)雷罐車(chē)的外殼平均溫度為231℃，而傳統(tǒng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的魚(yú)雷罐車(chē)外殼平均溫度為270℃，前者比后者下降了39℃，鐵水溫度也下降了12℃。