徐大勇①1，2 王英海1，2 劉常鵬1，2 袁玲1，2 李衛(wèi)東1，2 孫守斌1，2
（1：海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧鞍山 11400； 2：鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院 遼寧鞍山11400 ）
摘 要：針對(duì)大多數(shù)老鋼鐵企業(yè)廠區(qū)內(nèi)運(yùn)輸鐵水的鐵水罐敞口運(yùn)行存在很大溫度損失的情況，分析了鐵鋼界面鐵水溫降的構(gòu)成和原因。 提出針對(duì)不同情況對(duì)鐵水罐實(shí)施烘烤補(bǔ)熱和加蓋保溫兩種工藝方法，分別開(kāi)發(fā)了鐵水罐烘烤裝置在高爐區(qū)域?qū)嵤┖婵狙a(bǔ)熱和鐵水罐加蓋保溫裝置實(shí)施鐵水運(yùn)輸全程保溫，對(duì)兩種不同的界面技術(shù)裝備都進(jìn)行了系列實(shí)踐，具體介紹了實(shí)際運(yùn)行情況及取得的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：鐵水溫度；鐵水罐烘烤；鐵水罐加蓋；界面技術(shù)
1 前言
大多數(shù)老鋼鐵企業(yè)在鐵水運(yùn)輸過(guò)程中很多采用敞口鐵水罐盛裝，原因是高爐出鐵區(qū)域狹窄、鐵路線布局落后、鐵水罐種類眾多結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一等。 敞口鐵水罐在盛裝和運(yùn)輸鐵水過(guò)程中存在很大熱量和溫度損失，造成能源浪費(fèi)，影響煉鋼生產(chǎn)，增加了煉鋼能耗。 鐵水罐運(yùn)輸過(guò)程中鐵水表面一般用污染比較嚴(yán)重的顆粒保溫劑保溫，空罐期敞口的鐵水罐無(wú)任何保溫措施。 鐵水罐的罐襯溫度在轉(zhuǎn)爐翻鐵時(shí)為1260℃ ，到高爐配罐時(shí)只剩不到 350℃ ，下降了900℃以上，造成鐵水從高爐運(yùn)到轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生比較大的溫降，通常達(dá) 180℃以上，嚴(yán)重時(shí)鐵水罐底還會(huì)結(jié)殼，導(dǎo)致鐵水倒不凈，剩余鐵水再回到高爐時(shí)一部分已經(jīng)凝固，導(dǎo)致鐵水罐容積減少，如此惡性循環(huán)制約了上下生產(chǎn)工序的高效運(yùn)行［1］ 。 在鐵鋼界面減少鐵水運(yùn)輸期間溫度損失，提高鐵水到轉(zhuǎn)爐前的溫度一直是鋼鐵企業(yè)從業(yè)人員的目標(biāo)，也是急需重點(diǎn)解決的技術(shù)和裝備難題。
2 敞口鐵水罐熱損失散熱構(gòu)成和應(yīng)對(duì)措施
高爐鐵水使用敞口鐵水罐盛裝運(yùn)輸過(guò)程中熱量損失有三部分：（1）鐵水通過(guò)罐口的輻射熱損失；（2）鐵水罐外表面散熱損失；（3）鐵水罐內(nèi)襯的蓄熱損失，這三部分熱損失的構(gòu)成如圖 1。 其中鐵水罐口散熱損失和罐襯蓄熱損失占主要部分，達(dá)80％ ，這兩塊熱損失是以對(duì)流和熱輻 射的方式通過(guò)敞開(kāi)的罐口散失的［2］ ，就是說(shuō)轉(zhuǎn)爐翻鐵后紅熱的空鐵水罐本身自然散熱量占鐵水盛裝運(yùn)輸過(guò)程中熱量損失的八成，解決這部分的熱量損失即抓住了鐵水運(yùn)輸環(huán)節(jié)溫度損失的“牛鼻子”，如果控制這部分熱損失，鐵水運(yùn)輸過(guò)程中的溫降將得到有效改善。
解決罐襯材料蓄熱損失的最有效措施一是針對(duì)敞口周轉(zhuǎn)過(guò)程中自身蓄熱量已散失殆盡的冷鐵水罐在高爐前準(zhǔn)備接鐵時(shí)在線烘烤，對(duì)鐵水罐罐襯實(shí)施補(bǔ)熱，可使罐襯在高爐出鐵前重新恢復(fù)或基本恢復(fù)到原來(lái)的蓄熱水平，保證高爐出鐵時(shí)鐵水的熱量不過(guò)多的被罐襯吸收，實(shí)現(xiàn)大幅減少鐵水輸送過(guò)程溫降的目的。 二是對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)爐翻鐵后紅熱的空鐵水罐進(jìn)行加蓋，通過(guò)實(shí)施有效保溫措施使鐵水罐罐襯運(yùn)轉(zhuǎn)到高爐盛裝鐵水時(shí)仍維持在翻鐵后紅熱的蓄熱水平，達(dá)到與鐵水罐烘烤補(bǔ)熱同樣的目的。
3 鐵水罐襯蓄熱過(guò)程分析和對(duì)鐵水溫度的影響
3.1 罐襯蓄熱過(guò)程分析
鐵水罐罐襯由三層耐火材料構(gòu)成，內(nèi)層為粘土襯磚，厚度為 100 ～ 180ｍｍ，中層為粘土標(biāo)準(zhǔn)磚，厚度為 50ｍｍ，外層為輕質(zhì)粘土磚，厚度為 32ｍｍ。 通過(guò)對(duì)敞口鐵水罐熱過(guò)程跟蹤測(cè)試， 鐵水罐在轉(zhuǎn)爐翻鐵后其內(nèi)襯溫度約1260℃ 。 經(jīng)過(guò)鐵路運(yùn)輸和檢查等環(huán)節(jié)，再到高爐前等待出鐵狀態(tài)時(shí)，罐襯的表面溫度沿圓柱內(nèi)襯的平均溫度為260℃ ，罐底的平均溫度為450℃ ，平均溫度 355℃ 。 鐵水罐裝滿鐵水時(shí)罐襯各層溫度分布如圖 １ 所示，翻罐后不同冷卻時(shí)間罐襯各層溫度分布如圖2 所示，根據(jù)鐵水罐維修工藝，如果對(duì)鐵水罐實(shí)施烘烤補(bǔ)熱，不同階段各層溫度分布如圖2 所示，分析認(rèn)為對(duì)平均厚度 150ｍｍ 的工作層烘烤補(bǔ)熱意義非常大，從圖中數(shù)據(jù)分析，只要烘烤措施得當(dāng)，經(jīng)過(guò)30 分鐘的烘烤補(bǔ)熱能夠達(dá)到熱罐時(shí)罐襯的蓄熱水平［３］ 。
如果在轉(zhuǎn)爐翻鐵后對(duì)紅熱的空鐵水罐進(jìn)行加蓋保溫，鐵水罐運(yùn)轉(zhuǎn)到高爐盛裝鐵水時(shí)罐襯仍維持在紅熱狀態(tài)的蓄熱水平。 針對(duì)鐵水罐加蓋保溫的效果，分別對(duì)兩個(gè)同樣狀態(tài)紅熱的鐵水罐進(jìn)行加蓋和不加蓋狀態(tài)下連續(xù)54小時(shí)的溫降測(cè)試［4］ ，比較兩個(gè)鐵水罐的溫度降低過(guò)程，見(jiàn)圖5。
由圖5的溫度測(cè)試曲線看出，中溫狀態(tài)的鐵水罐放置1.5小時(shí)后，加蓋的鐵水罐溫度為 640℃ ，不加蓋的鐵水罐溫度為370℃ ，不加蓋狀態(tài)下的鐵水罐溫度比加蓋鐵水罐的溫度低270℃ ，相當(dāng)于鐵水罐加蓋 7.5 小時(shí)后的溫度水平，在鐵水罐加蓋保溫的有效時(shí)間段內(nèi)，實(shí)施加蓋保溫可以延長(zhǎng)鐵水罐 7 －14 小時(shí)的溫度水平。
3.2 罐襯蓄熱對(duì)鐵水溫度的影響計(jì)算
關(guān)于罐襯蓄熱對(duì)鐵水溫度的影響水平，可將鐵水罐分解為罐壁與罐底分別分析，由于空心圓柱壁厚與其直徑相比都甚小，將罐底與罐壁分別視為無(wú)限大平板和無(wú)限長(zhǎng)空
鐵水罐工作層平均厚度150ｍｍ，重量 10.92ｔ，到高爐配罐時(shí)內(nèi)襯的平均溫度為355℃ ，此時(shí)工作層中心最高溫度 400℃ ，采用幾何平均溫度計(jì)算工作層平均溫度約380℃ ，經(jīng)計(jì)算該層熱焓為 3892325ＫＪ。 當(dāng)鐵水罐烘烤到1000℃時(shí)，工作層平均溫度經(jīng)計(jì)算約為 680℃ ，該層熱焓增加到 7551835ＫＪ，相當(dāng)于比熱為 0.88ＫＪ／ Ｋｇ℃ 的一罐 95噸鐵水43.8℃ 的熱焓，也就是說(shuō)將正常鐵水罐烘烤到1000℃時(shí)與不烘烤的鐵水罐相比，運(yùn)到鋼廠后鐵水溫度可提高 43.8℃ 。 若將鐵水罐烘烤到 1100℃ ，到達(dá)鋼廠鐵水溫度可提高 51.7℃ 。 考慮到鐵水罐在高爐前配罐期間的熱損失以及鐵水溫度提高后運(yùn)輸過(guò)程中罐口的輻射熱損失和外殼表面的散熱損失因素，鐵水罐經(jīng)烘烤后，鐵水運(yùn)到鋼廠的溫度可提高35℃以上。 敞口鐵水罐加蓋保溫的效果與罐蓋結(jié)構(gòu)及罐口縫隙大小有關(guān)，對(duì)鐵水溫度的影響水平可根據(jù)加蓋保溫后運(yùn)輸?shù)礁郀t時(shí)罐襯溫度水平，按照以上過(guò)程計(jì)算。
4 提高鐵水罐襯溫度措施的實(shí)施
4.1 兩種補(bǔ)熱方式烘烤位置和時(shí)機(jī)方式確定
鐵水罐在周轉(zhuǎn)過(guò)程中有兩個(gè)關(guān)鍵工藝位置，其一為轉(zhuǎn)爐翻罐后坐回罐車后等待編組階段，這時(shí)候鐵水罐的狀態(tài)為翻鐵后的紅熱狀態(tài)，停留約0.5 ～ 2.5 小時(shí)后返回高爐，如果在這里實(shí)施烘烤提溫不多，并且返回高爐的運(yùn)輸和配罐過(guò)程長(zhǎng)達(dá)1 ～ 3.5ｈ，到高爐出鐵時(shí)熱量又散失，烘烤效果不會(huì)明顯。 這時(shí)候由于剛翻完鐵鐵水罐襯里外溫度都非常高，空鐵水罐本身自然散熱量占鐵水盛裝運(yùn)輸過(guò)程中熱量損失的八成，所以這里是加蓋保溫維持罐襯溫度的最佳位置。 其二為高爐出鐵前敞口鐵水罐返回高爐等待出鐵的配罐時(shí)間，這段時(shí)間通常為 1 ～ 2.5 小時(shí)，位置在高爐下鐵路線上，敞口的空鐵水罐運(yùn)行到這里時(shí)原來(lái)高溫罐襯的熱量基本損失殆盡，如果直接盛裝鐵水，高爐鐵水的熱量很大一部分被鐵水罐襯吸收，溫度損失非常大。 如果利用等待的這段時(shí)間對(duì)鐵水罐襯在線實(shí)施烘烤補(bǔ)熱，按照上述計(jì)算經(jīng)過(guò) 30ｍｉｎ 的烘烤就可以彌補(bǔ)鐵水罐的蓄熱損失，使罐襯在高爐出鐵前重新恢復(fù)或基本恢復(fù)到原來(lái)紅熱的蓄熱水平，高爐出鐵前鐵水罐可以立即配送到高爐下接鐵，所以如果采取鐵水罐烘烤的辦法，這里的位置是最佳的。
具體位置見(jiàn)圖6中陰影部分。 采用以上兩種方式鐵水運(yùn)輸過(guò)程中的熱損失將得到有效改善，大幅減少鐵水輸 送過(guò)程溫降。
在煉鋼車間對(duì)位于轉(zhuǎn)爐翻鐵后編組階段的鐵水罐立即進(jìn)行加蓋保溫，使鐵水罐罐襯運(yùn)轉(zhuǎn)到高爐盛裝鐵水時(shí)仍 維持紅熱的蓄熱水平，可以達(dá)到與鐵水罐烘烤補(bǔ)熱相同的目的。 據(jù)此提出對(duì)轉(zhuǎn)爐翻鐵后紅熱的空鐵水罐及時(shí)實(shí)施 加蓋保溫的技術(shù)思想，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了安裝在罐車上隨車行走的罐蓋裝置，保證鐵水罐在整個(gè)周轉(zhuǎn)運(yùn)行期間一直被保溫，見(jiàn)圖7，可同時(shí)減少鐵水表面散熱和罐襯蓄熱損失，提高鐵水到轉(zhuǎn)爐前的溫度，根據(jù)計(jì)算和實(shí)踐可減少鐵水運(yùn)輸溫降 30℃以上。
4.2 鐵水罐烘烤補(bǔ)熱裝備的開(kāi)發(fā)和安裝運(yùn)行
鐵水罐配罐時(shí)單長(zhǎng)8.2ｍ 的約10個(gè)鐵水罐車分兩組停在高爐出鐵場(chǎng)下結(jié)構(gòu)框架內(nèi)以及其兩邊各 40 ～ 50ｍ 的兩條鐵路線上，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)除出鐵口下的罐位外，均可以在鐵水罐口上方安裝 2 ～ 3臺(tái)烘烤裝置烘烤配罐期間的鐵水罐，烘烤裝置的布置從出鐵口開(kāi)始按照長(zhǎng)罐車的長(zhǎng)度依次排隊(duì)對(duì)位，各個(gè)烘烤裝置與鐵水罐一一對(duì)應(yīng)，保證幾個(gè)罐位能夠同時(shí)烘烤。 高爐出鐵期間當(dāng)前罐裝滿鐵水后，整個(gè)鐵水罐車隊(duì)向前移動(dòng)一個(gè)罐位，后面的鐵水罐向前推進(jìn)一個(gè)車位自然重新對(duì)位實(shí)施接力式烘烤，使配罐期間的鐵水罐在裝鐵前都可以被烘烤，并且烘烤時(shí)間大于理論需要的烘烤時(shí)間，從而保證烘烤效果。 烘烤裝置包括燒嘴、支架和移動(dòng)小車及其輔助機(jī)構(gòu)，燃燒器設(shè)計(jì)成可以上下前后移動(dòng)并限位，既保障罐口嚴(yán)密又保障鐵路機(jī)車安全通過(guò)，見(jiàn)圖8。
據(jù)此建成了國(guó)內(nèi)第一套鐵水罐在線烘烤裝置并投入運(yùn)行，對(duì)敞口運(yùn)行到高爐前的冷鐵水罐進(jìn)行烘烤補(bǔ)熱。 為適應(yīng)高爐出鐵特殊的生產(chǎn)工藝，烘烤裝備安裝在高爐前采用接力烘烤方式，其中加熱燃燒裝置采用目前國(guó)內(nèi)熱工領(lǐng)域先進(jìn)的蓄熱式燃燒技術(shù)，不僅能利用放散的高爐煤氣，而且可以顯著縮短烘烤時(shí)間、提高烘烤質(zhì)量、增強(qiáng)烘烤適應(yīng)生產(chǎn)變化的能力，即節(jié)約能源又保證了爐前短時(shí)間烘烤工藝要求的效果［5］ 。 經(jīng)測(cè)試表明，鐵水罐經(jīng)20 ～ 30分鐘的烘烤，罐壁溫度可升到 950 ～ 1100℃ ，罐底溫度可升到1100 ～ 1200℃ ，經(jīng)過(guò)烘烤的鐵水溫度比不烘烤的提高30℃以上。 該鐵水罐烘烤裝置設(shè)計(jì)科學(xué)合理，操作靈活可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，使用高爐附產(chǎn)煤氣作為烘烤用燃料可取得顯著的節(jié)能和環(huán)保效益，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和碳減排的目的。
4.3 鐵水罐加蓋保溫裝備的開(kāi)發(fā)和安裝運(yùn)行
根據(jù)鐵水罐的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，研制了鐵水罐罐蓋保溫裝置，該裝置安裝在鐵水罐車上，隨車運(yùn)行，罐蓋在運(yùn)行過(guò)程中，不需要反復(fù)吊上、吊下，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需增加場(chǎng)地和摘蓋機(jī)構(gòu)，不需要增加作業(yè)時(shí)間，利用現(xiàn)有工序時(shí)間、場(chǎng)地的條件就可以快速實(shí)現(xiàn)鐵水罐加裝罐蓋運(yùn)輸全程保溫功能。將保溫罐蓋設(shè)計(jì)成兩瓣式結(jié)構(gòu)，工作時(shí)罐蓋可以水平開(kāi)閉，動(dòng)作范圍下不刮罐口上不妨礙罐車通行，不影響高爐、轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)和鐵水運(yùn)輸工藝實(shí)現(xiàn)鐵水罐加蓋運(yùn)輸全過(guò)程保溫，罐蓋裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。
生產(chǎn)中利用該罐蓋裝置對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)在高爐與轉(zhuǎn)爐之間敞口的重罐和敞口的空罐實(shí)施除受鐵和兌鐵工藝時(shí)間段外全程加蓋。 在轉(zhuǎn)爐前重罐罐蓋裝置受電開(kāi)啟進(jìn)行吊運(yùn)兌鐵作業(yè)，罐體檢查后將高溫紅熱的空鐵水罐吊運(yùn)至原罐車位置立即關(guān)閉罐蓋，待一隊(duì)鐵水全部?jī)锻瓴⒓由w后運(yùn)回高爐區(qū)域進(jìn)入等待階段，實(shí)現(xiàn)空鐵水罐保溫運(yùn)輸。 高爐出鐵前鐵水罐車受電，將罐蓋打開(kāi)受鐵，其他鐵水罐蓋保持關(guān)閉保溫狀態(tài)，當(dāng)高爐出鐵將第一罐裝滿后，給下一個(gè)鐵水罐蓋裝置供電，擺嘴動(dòng)作，其后的鐵水罐按前一罐的模式打開(kāi)罐蓋，鐵路機(jī)車按正常程序移動(dòng)罐車到出鐵口下受鐵，前一個(gè)罐蓋自關(guān)閉開(kāi)始對(duì)鐵水保溫，這樣直至一隊(duì)鐵水罐車全部裝完并全部加蓋后運(yùn)到轉(zhuǎn)爐，在整個(gè)鐵水運(yùn)輸過(guò)程中通過(guò)以上周期循環(huán)方式實(shí)現(xiàn)全程保溫。 實(shí)施加蓋運(yùn)輸可減少鐵水溫度損失30℃ 以上，對(duì)比烘烤的方式有不消耗燃料、降低保溫覆蓋劑消耗、減少污染和排放、不占用場(chǎng)地的特點(diǎn)，具有操作簡(jiǎn)單、節(jié)約能源、投資少、維修方便、運(yùn)行可靠、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。
5 兩種裝備實(shí)際運(yùn)行情況及取得的效果
對(duì)于大多數(shù)老鋼鐵企業(yè)，因高爐出鐵區(qū)域狹窄、鐵路線布局落后、鐵水罐種類眾多結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一等原因，對(duì)鐵水罐加蓋保溫和烘烤補(bǔ)熱的條件和實(shí)施方式需求各不相同。
對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件具備的企業(yè)建議首選鐵水罐加蓋保溫的方式，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件不具備或者沒(méi)有來(lái)得及加蓋保溫的情況應(yīng)該實(shí)施烘烤補(bǔ)熱的方式。 作者對(duì)兩種不同的方式都進(jìn)行了系列實(shí)踐，具體實(shí)際運(yùn)行情況及取得的效果介紹如下。
5.1 鐵水罐烘烤補(bǔ)熱裝置實(shí)際運(yùn)行情況及取得的效果
鐵水罐在線烘烤裝置建成后通過(guò)對(duì)不同狀態(tài)的鐵水罐測(cè)試，結(jié)果表明，鐵水罐經(jīng)20 ～ 30分鐘的烘烤，罐壁溫度可升到 950 ～ 1100℃ ，罐底溫度可升到 1100～1200℃ ，空煤氣蓄熱體溫度均超過(guò) 1060℃ 。 經(jīng)對(duì)15組鐵水罐烘烤對(duì)比測(cè)試表明，鐵水罐烘烤要比不烘烤的鐵水溫度平均高 30℃以上，見(jiàn)表1。
5.2 鐵水罐加蓋保溫裝置實(shí)際運(yùn)行情況及取得的效果
針對(duì)鐵水罐加蓋運(yùn)行效果，通過(guò)對(duì)23組對(duì)比罐連續(xù)周轉(zhuǎn)的結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)施加蓋保溫的鐵水罐鐵水平均溫降為 154℃ ，不加蓋鐵水罐的鐵水平均溫降為 196℃ ，使用 該項(xiàng)技術(shù)裝備實(shí)現(xiàn)減少鐵水溫降 42℃ ，見(jiàn)圖 10。
5.3 鐵水罐加蓋對(duì)結(jié)殼掛渣和殘鐵量的影響
生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，不采用任何保溫、補(bǔ)熱措施的鐵水罐的罐口經(jīng)過(guò)一定周期后經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)殼和掛渣情況，罐底殘鐵量不斷增加，運(yùn)行一定階段后不得不換罐處理結(jié)殼和掛渣。 實(shí)施加蓋保溫或者烘烤補(bǔ)熱的鐵水罐罐口和內(nèi)壁持續(xù)保持光潔狀態(tài)，說(shuō)明采取加蓋保溫或者烘烤補(bǔ)熱措施對(duì)鐵水保溫起到了明顯的效果，對(duì)罐襯壽命也有好處。
6 結(jié)論
綜上所述針對(duì)老鋼鐵企業(yè)不同情況提出對(duì)鐵水罐實(shí)施烘烤補(bǔ)熱和加蓋保溫兩種工藝方法，對(duì)具備加蓋條件的鐵水罐可以采用鐵水罐加蓋保溫裝置，實(shí)施鐵水運(yùn)輸全程保溫，對(duì)不具備加蓋條件的或者未及時(shí)加蓋的鐵水罐可以在高爐區(qū)域采用接力式烘烤裝置，實(shí)施烘烤補(bǔ)熱。 本文對(duì)兩種不同的裝備都進(jìn)行了系列實(shí)踐，生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐表明兩種方式都可以提高鐵水溫度30℃ 以上，結(jié)論說(shuō)明采取加蓋保溫或者烘烤補(bǔ)熱措施對(duì)提高鐵水目標(biāo)溫度效果明顯，顯著提高鐵水到轉(zhuǎn)爐前的溫度，提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和碳減排，并且鐵水罐罐口和罐襯可以持續(xù)保持良好狀態(tài)，提高鐵水罐壽命，有利于設(shè)備穩(wěn)定順行。
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