宋 健，孫 波，劉前芝，解養(yǎng)國，牛金印，解文中

(馬鞍山鋼鐵有限公司長材事業(yè)部，安徽馬鞍山 243000)

鋼包作為煉鋼和連鑄的主要銜接設備，其在生產(chǎn)過程中的熱狀態(tài)直接影響鋼水溫度，而鋼水溫度的精確控制對爐外精煉和連鑄生產(chǎn)順行具有重要意義[1]。近年，各鋼廠對鋼包周轉過程的散熱損失[2-3]、溫降速率[4-5]和使用壽命[6-7]越來越重視，國內(nèi)外學者也特別關注鋼包傳熱規(guī)律及絕熱層等對鋼水溫度的影響。Li 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)鋼包相比，新型納米絕熱材料鋼包外殼溫度低114 ℃、外殼應力低114 MPa；Tripathi 等[9]采用建立的160 t鋼包計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)傳熱模型預測鋼包和鋼水溫度，得到了較好的預測結果，預測值與實際值的最大偏差為4%；杜傳明等[10]研究表明，使用導熱系數(shù)較低的保溫材料可顯著降低鋼水溫降速率，工作襯厚度對鋼水溫降速率的影響較??；張利民等[11]采用新型氣凝膠絕熱板代替原保溫板，鋼包在每個周轉期內(nèi)鋼水溫度損失減少9.88 ℃、噸鋼成本降低2.7 元；劉志遠等[12]采用新型WDS 納米級微孔絕熱板來提高鋼包工作層蓄熱量，LF 出站溫度降低了5 ℃，達到了節(jié)能降耗的目的；王浩等[13]研究表明，增加絕熱層厚度可增強鋼包保溫效果。綜上，通過降低絕熱層導熱系數(shù)或增加絕熱厚度可有效改善鋼包的保溫效果。

復合反射絕熱板是一種導熱系數(shù)極低的新型絕熱材料，可有效減少鋼水通過鋼包內(nèi)襯向外傳遞熱量，降低鋼水溫降速率，達到精確控制鋼水溫度、穩(wěn)定生產(chǎn)和降低成本的目的。馬鋼一鋼軋總廠為提高鋼包蓄熱能力和保溫效果，降低鋼水溫度損失和波動，在120 t鋼包上使用15 mm復合反射絕熱板(簡稱絕熱板)代替相同厚度普通纖維保溫板。文中以此絕熱板鋼包為研究對象，建立鋼包穩(wěn)態(tài)傳熱模型，研究復合反射絕熱板鋼包的傳熱行為，實證分析鋼包在精煉和連鑄工序的保溫效果，為其進一步推廣使用和節(jié)能降耗提供依據(jù)。

1 鋼包傳熱模型

鋼包盛鋼量為120 t，上部直徑為3 560 mm、下部直徑為3 360 mm、高度為4 050 mm，內(nèi)襯由內(nèi)至外依次為工作層200 mm、永久層105 mm、絕熱層15 mm 和鋼殼層25 mm；工作層熔池部位為剛玉尖晶石預制塊、渣線部位為鎂碳磚、永久層為高鋁質(zhì)澆注料、包底部位為剛玉質(zhì)澆注料。普通鋼包絕熱層為15 mm的普通纖維保溫板，試驗鋼包為15 mm 絕熱板代替普通纖維保溫板，其他各層耐火材料材質(zhì)相同，耐火材料和鋼包外殼的物性參數(shù)見表1。表中θ為鋼包內(nèi)壁溫度。

表1 鋼包各層耐火材料及外殼物性參數(shù)Tab.1 Physical parameters of refractory materials of each layer and shell of ladle

1.1 模型建立與假設

鋼包為軸對稱結構，建立傳熱模型時將鋼包視為無限長且內(nèi)部為空的圓筒，圓筒壁由n層不同的耐火材料構成；按一維圓筒壁穩(wěn)態(tài)導熱處理，假設工作層、永久層、絕熱層、鋼殼層整體是穩(wěn)態(tài)溫度場，忽略各層耐火材料間及其與鋼殼間的接觸熱阻。其熱通量Q為

式中：θf為外表面周圍空氣溫度；ri，ri+1分別為第i層、第i+1 層鋼包包壁半徑；D為鋼包外徑；α為綜合換熱系數(shù)，為對流給熱系數(shù)與輻射傳熱系數(shù)之和。

鋼包外殼與周圍環(huán)境(空氣)之間以對流和輻射的形式進行散熱。出鋼過程中，鋼包內(nèi)襯蓄存熱量在85%左右、鋼液對流[14]和散熱量在10%左右、渣層表面輻射散熱量在3%左右，靜置和澆鑄過程中鋼水熱量也主要損失于包壁。據(jù)此，僅對鋼包內(nèi)壁保溫層進行優(yōu)化，主要計算包壁熱損失；對包底和渣層散熱進行簡化處理，只計算輻射傳熱。

生產(chǎn)實踐表明[15]，鋼包內(nèi)襯蓄熱主要集中在轉爐出鋼至精煉結束階段，散熱主要集中在連鑄澆鑄結束至熱修結束后等待出鋼階段。因此，模型計算時，取精煉結束時鋼水平均溫度θ1為1 590 ℃、熱修鋼包上線時內(nèi)襯烘烤應達到的溫度θ2為1 000 ℃、鋼包外殼周圍環(huán)境溫度θf為25 ℃。計算所需不同邊界層平均溫度對應的空氣導熱系數(shù)λ、運動黏性系數(shù)μ和普朗特數(shù)Pr等參數(shù)見文獻[15]。

1.2 模型計算結果與分析

根據(jù)式(1)可得試驗鋼包和普通鋼包內(nèi)襯溫度分布，結果如圖1。由圖1(a)可看出：普通鋼包和試驗鋼包內(nèi)襯溫度均由內(nèi)向外逐漸降低，精煉結束θ1為1 590 ℃時，普通鋼包外殼渣線、熔池部位溫度分別為242.64，215.10 ℃，試驗鋼包相應部位外殼溫度分別為203.46，175.83 ℃；熱修結束θ2為1 000 ℃時，普通鋼包渣線、熔池部位外殼溫度分別為219.62，194.95 ℃，試驗鋼包相應部位外殼溫度分別為179.21，156.78 ℃。

圖1 不同狀態(tài)下鋼包內(nèi)襯溫度分布Fig.1 Temperature distribution of ladle lining at different conditions

由圖1(b)可知：精煉結束時，鋼包內(nèi)襯表面溫度θ1與鋼水溫度基本一致，約1 590 ℃，與普通鋼包相比，試驗鋼包渣線部位工作層和永久層外側溫度分別提升了80.97，205.35 ℃，熔池部位的工作層和永久層外側溫度分別提升了100.54，215.34 ℃，渣線和熔池部位的鋼包外殼溫度分別降低了39.18，39.27 ℃；熱修結束時，鋼包內(nèi)襯表面溫度θ2約1 000 ℃，與普通鋼包相比，試驗鋼包渣線部位工作層和永久層外側溫度分別提升了44.14，84.36 ℃，熔池部位的工作層和永久層外側溫度分別提升了60.18，92.21 ℃，渣線和熔池部位的鋼包外殼溫度分別降低了38.41，38.17 ℃。

綜上可看出，復合反射絕熱板的保溫性能優(yōu)于普通纖維保溫板。這是因為絕熱板的導熱系數(shù)僅0.056 W/(m·℃)(600 ℃時)，導熱系數(shù)低、熱阻大，在鋼水通過工作層和永久層向外傳遞熱量的過程中，大部分熱量受到較大的熱阻被阻擋留在絕熱層的內(nèi)側，鋼包內(nèi)熱量不易傳給鋼包外殼，可較大幅度地提升鋼包工作層和永久層的溫度，從而提高鋼包蓄熱效果和保溫性能。

1.3 模型驗證結果與分析

選用現(xiàn)場5#鋼包，將對其絕熱層使用復合反射絕熱板代替普通保溫板，作為試驗鋼包；選取與之包齡相近同時上線的23#鋼包，作為普通鋼包，標識出鋼包外殼表面熱敏感部位。對2種鋼包進行測溫，測溫周期為鋼包一個包役的4個階段，A(0～36次)，B(37～70次)，C(71～106次)，D(107～136次)，共計136次。分別在出鋼結束、精煉開始、精煉結束、澆注結束和熱修結束5 個時刻，對鋼包敏感部位進行多次測溫，取其平均值作為最終結果，測量結果如表2。

由表2 可看出：精煉結束時，普通鋼包外殼渣線、熔池部位平均溫度分別為241.75，213.99 ℃，試驗鋼包相應部位平均溫度為202.11，174.52 ℃，與普通鋼包相比，分別降低了39.64，39.47 ℃；熱修結束時，普通鋼包渣線、熔池部位外殼平均溫度分別為218.31，193.98 ℃，試驗鋼包相應部位平均溫度為178.48，155.21 ℃，與普通鋼包相比，分別降低了39.83，38.77 ℃，外殼溫度平均降低39.43 ℃。由上分析可知，2 種鋼包外殼實測溫度與模型計算值基本接近。通過鋼包穩(wěn)態(tài)傳熱模型計算和實測結果可得出，精煉結束(1 590 ℃)和熱修結束(1 000 ℃)時，試驗鋼包綜合換熱系數(shù)α1，α2分別為15.87，11.58 W/(m2·K)，普通鋼包綜合換熱系數(shù)α′1，α′2分別為17.94，13.41 W/(m2·K)，則2種狀態(tài)下試驗鋼包和普通鋼包外殼傳熱量Φ1=99.14 kW，Φ2=87.50 kW，Φ′1=139.08 kW，Φ′2=124.96 kW，普通鋼包和試驗鋼包包底和渣面?zhèn)鳠崃坎钪郸う礏=3.12 kW，ΔΦS=20.35 kW。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，鋼包平均周轉時間t0為216 min，其中重包時間ta為152 min，空包時間tb為64 min，則1個周期內(nèi)普通鋼包與試驗鋼包外殼散失熱量差值為

表2 不同時刻鋼包外殼平均溫度Tab.2 Average temperature of ladle shell at different times

經(jīng)式(2)計算可得熱量Φ=8.13 MJ，能使120 t鋼水溫度升高84 ℃，折合純電能為225.63 kWh，綜合電能利用效率為55%左右，可節(jié)省精煉電量約3.42 kWh/t。

2 試驗結果與分析

試驗鋼包在馬鋼一鋼軋在線投入共生產(chǎn)104爐SPHC、21爐Q235B和11爐SPA-H，為進一步驗證試驗鋼包在生產(chǎn)使用過程的保溫性能，對試驗鋼包的精煉電耗、升溫速率、鋼水溫降和中包溫度波動等工藝參數(shù)分鋼種進行統(tǒng)計分析，并與普通鋼包進行同步對比。

2.1 LF鋼水精煉效果

2.1.1 精煉電耗

試驗鋼包和普通鋼包精煉SPH，Q235B，SPA-H鋼的電耗結果如圖2。

圖2 試驗鋼包和普通鋼包的精煉電耗Fig.2 Refining power consumption of test ladle and common ladle

由圖2 可知，對于SPHC，Q235B 和SPA-H 鋼，普通鋼包平均精煉電耗比試驗鋼包分別高2.99，3.52，3.68 kWh/t。這是由于試驗鋼包絕熱板存在較大的溫度梯度，較大程度地阻礙鋼水通過工作層、永久層和保溫層向鋼包外殼傳遞熱量，鋼包散熱較慢，鋼包外殼溫度較低，利于降低精煉電耗。理論上來說，LF 精煉過程中消耗的電能E可用質(zhì)量為m的鋼水溫度升高Δθ表示：

其中：c為鋼水比熱容，0.837 kJ/(kg·℃)；η為電能利用率；t為加熱時間；γ為升溫速率；δ為精煉電耗。根據(jù)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用式(3)可得2種鋼包中SPHC，Q235B和SPA-H鋼水的升溫速率與精煉電耗之間的關系，如圖3。

圖3 試驗鋼包和普通鋼包鋼水升溫速率與LF精煉電耗的關系Fig.3 Relationship between the heating rate of molten steel in the test and common ladles and power consumption in LF refining

由圖3 可看出，2 種鋼包精煉過程中升溫速率均隨精煉電耗的升高而降低。與普通鋼包相比，試驗鋼包SPHC，Q235B 和SPA-H 鋼水的平均升溫速率分別高約0.60，0.61，0.59 ℃/min，平均加熱時間少0.73，0.81，0.69 min，平均電能利用效率分別提升9.74%，9.52%，8.52%。對于SPHC，Q235B，SPA-H鋼，理論上試驗鋼包平均精煉電耗比普通鋼包分別降低3.53，3.00，3.67 kWh/t，這與2 種鋼包現(xiàn)場統(tǒng)計的實際平均差值3.52，2.99，3.68 kWh/t較接近。

2.1.2 鋼水溫降

精煉結束時，由于鋼包蓄熱趨于穩(wěn)定，鋼水向外傳熱基本不受其他操作影響，鋼包內(nèi)襯傳熱是影響鋼水溫降的主要因素，統(tǒng)計2 種鋼包精煉結束到連鑄開始澆鑄過程的鋼水溫降速率，結果如圖4。

從圖4可看出：精煉結束時，試驗鋼包的SPHC，Q235B 和SPA-H 鋼水溫度可控制在0～10 ℃范圍內(nèi)，普通鋼包精煉鋼水溫度波動范圍為15～24 ℃，試驗鋼包精煉鋼水終點溫度控制精度優(yōu)于普通鋼包；相同溫度范圍內(nèi)精煉結束至連鑄開澆過程中試驗鋼包鋼水溫降速率和波動也明顯小于普通鋼包，相比于普通鋼包，試驗鋼包的SPHC，Q235B 和SPA-H鋼水平均溫降速率分別降低了0.18，0.20，0.18 ℃/min，且鋼水溫降速率波動大幅減小，有利于精煉鋼水終點溫度的精確控制。

圖4 試驗鋼包和普通鋼包對鋼水溫降速率的影響Fig.4 Influence of test and common ladles on temperature drop rate of molten steel

2.2 中間包鋼水溫度

為進一步檢驗試驗鋼包鋼水在澆鑄過程中的溫度變化趨勢，采集鋼水精煉出站溫度和中間包鋼水溫度。2 種鋼包SPHC，Q235B 和SPA-H 鋼水不同精煉終點溫度對應的連鑄中間包溫度如圖5。

從圖5 可看出：對于試驗鋼包，中間包SPHC，Q235B 和SPA-H 鋼水溫度波動范圍可控制在0～6.00 ℃范圍內(nèi)；對于普通鋼包相應鋼種連鑄溫度波動范圍為0～20.00 ℃，試驗鋼包的鋼水溫度明顯低于普通鋼包。在相同精煉終點溫度范圍(即試驗鋼包鋼水精煉終點溫度范圍)內(nèi)，2種鋼包澆鑄過程中各鋼種對應的中間包溫度分別為1 558.56，1 555.85，1 551.70 ℃和1 553.70，1 552.40，1 545.74 ℃，試驗鋼包鋼水溫度比普通鋼包相應高4.86，3.45，5.96 ℃，有利于提高澆鑄過程中中間包溫度的控制精度；與普通鋼包相比，試驗鋼包澆鑄過程中中間包溫度合格率也得到較大幅度提升，由85.50%提升至98.20%，減少了因中間包溫度不合格造成的非恒定拉速澆鑄、轉鋼水和非計劃停澆次數(shù)，為轉爐低溫出鋼和連鑄低過熱度澆鑄創(chuàng)造了有利條件。

圖5 試驗鋼包和普通鋼包對連鑄中間包溫度的影響Fig.5 Influence of test and common ladles on temperature of continuous casting tundish

3 結論

1)與普通鋼包相比，復合反射絕熱板試驗鋼包的保溫性能顯著提升，外殼溫度平均降低了39.43 ℃。這是因為復合反射絕熱板可有效阻止鋼包包壁內(nèi)襯向外傳遞熱量，減少包襯冷熱面溫差。

2)馬鋼120 t復合反射絕熱板試驗鋼包蓄熱保溫性能良好，與普通鋼包相比，試驗鋼包的SPHC，Q235B，SPA-H 鋼水在LF工序升溫速率提高約0.60 ℃/min，精煉電耗降低2.98～3.67 kWh/t。按LF爐年產(chǎn)量200萬t、電能均價0.58元/kWh計算，精煉電耗年降本350萬元以上。

3)在精煉結束到連鑄開澆階段，與普通鋼包相比，試驗鋼包SPHC，Q235B，SPA-H鋼水的溫降速率降低了0.18～0.20 ℃/min，且波動大幅減小，有利于精煉過程中鋼水溫度的精確控制。

4)在連鑄澆鑄過程中，與普通鋼包相比，復合反射絕熱板試驗鋼包SPHC，Q235B，SPA-H 鋼水的中間包溫度提高了3.45～5.96 ℃，中間包溫度波動也由13.00 ℃降至6.00 ℃，試驗鋼包為轉爐低溫出鋼和連鑄低過熱度澆鑄創(chuàng)造了有利條件。