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鱼雷罐内衬材料结构的保温优化设计

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-05-09  作者:蔡昌旺1,王落霞2  浏览次数:483
 
核心提示: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
 鱼雷罐内衬材料结构的保温优化设计

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)。

图片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。

图片2 

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。

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图片6 

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。

图片7 

锥体部各层材料的厚度及热导率如表2。

图片8 

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。

图片9 

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。

图片10 

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.

 
 
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