陳 貴 洪建國，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.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444）

魚雷罐車是鋼鐵企業(yè)運輸鐵水的專用車，即將鐵水輸送到下道煉鋼工序，鐵水在魚雷罐車中的短時間貯存也有利于調(diào)整煉鐵煉鋼工藝流程［1］。但是，鐵水在運輸過程中不可避免地會發(fā)生溫度下降的情況。

目前，為減少鐵水運輸程中的溫降，通過改進管理及流程優(yōu)化等已經(jīng)取得了一定的成效，鐵廠用魚雷罐車盛鐵水到鋼廠倒罐，這個過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。由粗略的計算可知，鐵水溫降減少1℃，每噸鋼將產(chǎn)生0.5元的經(jīng)濟效益［2］。

關(guān)于魚雷罐車傳熱與溫降，國內(nèi)外均進行了很多研究。楚化強等［1］以某鋼廠320 t魚雷罐車為研究對象，采用計算機模擬技術(shù)和紅外探測技術(shù)等探索了魚雷罐車內(nèi)襯溫度隨時間的變化以及內(nèi)襯材料厚度對鐵水溫降的影響；齊暉［3］對寶鋼魚雷罐車進行了傳熱和相關(guān)的應(yīng)力分析，取得了一定進展；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雷罐車二維多層壁面?zhèn)鳠岬蔫F水溫降模型，并通過有限元分析計算了魚雷罐車在轉(zhuǎn)運鐵水過程的溫降；馬學東等［5］對350 t魚雷罐車進行了有限元分析，構(gòu)建了鐵水和壁面的模型，計算了鐵水溫降；Verdeja-Gonzalez等［6］通過構(gòu)建二維有限元模型分析了魚雷罐車罐體內(nèi)的溫度分布，并根據(jù)罐體內(nèi)熱梯度分析了鐵水運輸過程中的熱損失；寶鋼開發(fā)了鐵水溫降數(shù)學模型；英國韋爾頓公司改進了魚雷罐車內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)，增添了一層硅鎂絕熱板，對減少鐵水溫降有一定的效果；中國臺灣中鋼公司在添加20 mm厚的保溫層后又進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，還一定程度上擴大了魚雷罐車的容積［2］。

高爐鐵水溫度也影響魚雷罐車內(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，也會造成巨大的財產(chǎn)損失［7-8］。魚雷罐車內(nèi)襯的損壞和殘余厚度的監(jiān)測也是一個非常重要的問題，已有人進行了大量研究。單佳等［9］提出，可采用紅外熱像儀對罐體內(nèi)襯厚度進行在線監(jiān)控；宋利明等［10］采用熱電偶檢測魚雷罐車內(nèi)襯的溫度，建立了罐體傳熱分析模型，并通過鐵水溫降和內(nèi)襯溫度測試為魚雷罐車的改造提供了基礎(chǔ)；史東磊等［11］提出了建立以紅外熱像儀、魚雷罐車罐號識別裝置、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、系統(tǒng)服務(wù)器、魚雷罐車侵蝕模型、聲光報警設(shè)備、PC顯示器等組成的魚雷罐車監(jiān)測系統(tǒng)，可監(jiān)測魚雷罐車的表皮溫度并通過侵蝕模型計算耐火材料的侵蝕狀況，從而保證魚雷罐車能安全穩(wěn)定運行，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)測系統(tǒng)，并在寶鋼煉鋼廠進行了在線測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，具有較好的抗干擾性能。

為了減小魚雷罐車鐵水的溫降，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，魚雷罐車鐵水的保溫有3種措施，即采用保溫型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)、加蓋運行和擴容。魚雷罐車加蓋經(jīng)濟效益不高，容易損壞，使用不便，目前很少采用。魚雷罐車擴容需要相應(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。綜合來看，采用保溫型內(nèi)襯保持鐵水溫度更有效，而且便于實施，是目前國內(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］。

本文改進了魚雷罐車的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，即在魚雷罐車永久層先噴涂NMPTL-0.3納米涂料，然后再噴一定厚度的PTL-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)。實驗室驗證和上海梅山鋼鐵廠現(xiàn)場試驗證明，新的保溫結(jié)構(gòu)能有效減少鐵水的溫降。

1 魚雷式罐車內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化

魚雷式罐車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，也可以對鐵水保溫。魚雷罐車內(nèi)襯的傳熱是一個較復(fù)雜的過程，魚雷罐車重罐時（即魚雷罐車在高爐裝完鐵水至倒出鐵水的間隔時間）的傳熱包括罐口的輻射傳熱、罐殼與空氣的對流輻射傳熱和鐵水與罐襯材料之間的熱傳導(dǎo)等。

圖1 魚雷罐車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of design of the torpedo car

1.1 魚雷罐車內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案

在魚雷罐車永久層先噴涂NMPTL-0.3剛玉粉納米涂料，然后再噴一定厚度的PTL-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，魚雷罐車傳統(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)量分數(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 魚雷罐車傳統(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 魚雷罐車黏土磚內(nèi)襯的厚度Table 1 Thickness of clay brick lining of the torpedo car mm

表2 魚雷罐車噴涂料內(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 實驗室模擬試驗

采用重燒試驗爐（圖3（a））模擬現(xiàn)場條件下魚雷罐車內(nèi)襯結(jié)構(gòu)改進前、后的傳熱狀況，進行比對試驗，重燒試驗爐爐膛溫度與鐵水溫度相同，為1 400℃。重燒試驗爐的爐門裝有改進前后的魚雷罐車內(nèi)襯結(jié)構(gòu)（圖3（b）），圖中左側(cè)為改進前的結(jié)構(gòu)，右側(cè)為改進后的結(jié)構(gòu)。重燒試驗爐的升溫和保溫曲線如圖4所示，用紅外測溫儀測量改進前后內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的表面溫度。

圖3 重燒試驗爐（a）和受熱后改進前后耐火材料試樣（b）Fig.3 Reburning test furnace （a）and refractory sample heated before and after improvement（b）

圖4 重燒試驗爐的升溫（a）和保溫期（b）Fig.4 Heating（a）and soaking（b）periods of the reburning test furnace

1.2.2 實驗室模擬結(jié)果

內(nèi)襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后和1 400℃保溫期魚雷罐車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）魚雷罐車外殼壁的溫度變化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)化的魚雷罐車外殼壁溫度降低了。在600℃，兩種爐襯結(jié)構(gòu)的魚雷罐車外殼壁溫差為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，隨著保溫時間的延長，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)襯時熱端溫度比黏土磚內(nèi)襯低65℃左右，表明改進的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)是有效的。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 養(yǎng)護與烘烤

砌筑好的魚雷罐車自然養(yǎng)護48 h后檢驗內(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。魚雷罐車投入使用前需進行烘烤，以去除砌體中的水分和氣體。烘烤步驟為先傾動罐體使受鐵口向操作臺方向轉(zhuǎn)動90°，然后支承固定桿（穩(wěn)定車體）。小開燃燒氣，點燃煤氣（或天然氣）。推動烘烤器進入罐內(nèi)，使擋板距罐口100 mm，然后固定空氣法蘭。逐步交叉開大煤氣（或天然氣）和空氣量到烘烤需要的開度（有自動控制裝置的按自動要求操作），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 魚雷罐車的烘烤過程Fig.6 Baking process of the torpedo car

2.2 試驗結(jié)果

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

圖7 內(nèi)襯優(yōu)化前（a）、后（b）魚雷罐車的外殼壁溫度變化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)改進的魚雷罐車對鐵水的保溫效果更好，內(nèi)襯改進后的罐車外殼壁溫度比傳統(tǒng)爐襯罐車的低65℃左右，改進的罐車內(nèi)襯是有效的。

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