魚雷罐車保溫性能的改善

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化等已經取得了一定的成效，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℃，每噸鋼將產生0.5元的經濟效益［2］。

關于魚雷罐車傳熱與溫降，國內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和紅外探測技術等探索了魚雷罐車內襯溫度隨時間的變化以及內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的應力分析，取得了一定進展；張亞竹等［4］利用鋼廠的生產數據建立了不含鐵水的魚雷罐車二維多層壁面傳熱的鐵水溫降模型，并通過有限元分析計算了魚雷罐車在轉運鐵水過程的溫降；馬學東等［5］對350 t魚雷罐車進行了有限元分析，構建了鐵水和壁面的模型，計算了鐵水溫降；Verdeja-Gonzalez等［6］通過構建二維有限元模型分析了魚雷罐車罐體內的溫度分布，并根據罐體內熱梯度分析了鐵水運輸過程中的熱損失；寶鋼開發了鐵水溫降數學模型；英國韋爾頓公司改進了魚雷罐車內襯的結構，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襯材料的使用壽命。倒出鐵水前后的溫差較大，易導致內襯開裂、剝落和腐蝕等。內襯損壞導致鐵水泄漏，不僅威脅人身安全，也會造成巨大的財產損失［7-8］。魚雷罐車內襯的損壞和殘余厚度的監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襯厚度進行在線監控；宋利明等［10］采用熱電偶檢測魚雷罐車內襯的溫度，建立了罐體傳熱分析模型，并通過鐵水溫降和內襯溫度測試為魚雷罐車的改造提供了基礎；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、數據通訊系統、系統服務器、魚雷罐車侵蝕模型、聲光報警設備、PC顯示器等組成的魚雷罐車監測系統，可監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定運行，避免漏鐵事故發生；Tang等［12］利用紅外線傳感器建立了以熱輻射理論為基礎的監測系統，并在寶鋼煉鋼廠進行了在線測試，結果表明該系統可靠穩定，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應用已經成熟。通常，魚雷罐車鐵水的保溫有3種措施，即采用保溫型內襯結構、加蓋運行和擴容。魚雷罐車加蓋經濟效益不高，容易損壞，使用不便，目前很少采用。魚雷罐車擴容需要相應地減薄內襯，但每減薄10 mm內襯，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，采用保溫型內襯保持鐵水溫度更有效，而且便于實施，是目前國內外鋼鐵企業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襯結構，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。實驗室驗證和上海梅山鋼鐵廠現場試驗證明，新的保溫結構能有效減少鐵水的溫降。

1 魚雷式罐車內襯結構優化

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。魚雷罐車內襯的傳熱是一個較復雜的過程，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等。

圖1 魚雷罐車結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of design of the torpedo car

1.1 魚雷罐車內襯結構的優化方案

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，具體數據如表1和表2所示。如圖2所示，魚雷罐車傳統內襯由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（質量分數）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℃，黏土磚的熱導率為1.17 W/（m·K），而用于內襯結構的PTL-20涂料和NMPTL-0.3納米涂料的熱導率分別為0.3～0.5和0.1～0.3 W/（m·K），采用熱導率低的材料有利于鐵水保溫。

圖2 魚雷罐車傳統的（a）和優化（b）的內襯結構Fig.2 Traditional（a）and optimized （b）lining structure for the torpedo car

表1 魚雷罐車黏土磚內襯的厚度Table 1 Thickness of clay brick lining of the torpedo car mm

表2 魚雷罐車噴涂料內襯的厚度Table 2 Thickness of lining sprayed with the coatings for the torpedo car mm

1.2 優化方案效果

1.2.1 實驗室模擬試驗

采用重燒試驗爐（圖3（a））模擬現場條件下魚雷罐車內襯結構改進前、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襯結構（圖3（b）），圖中左側為改進前的結構，右側為改進后的結構。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襯結構的表面溫度。

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 實驗室模擬結果

內襯結構優化前后和1 400℃保溫期魚雷罐車外殼壁的溫度變化如圖5所示。

圖5 內襯結構優化前后（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，內襯結構優化的魚雷罐車外殼壁溫度降低了。在600℃，兩種爐襯結構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，以噴涂料內襯時熱端溫度比黏土磚內襯低65℃左右，表明改進的內襯結構是有效的。

2 現場試驗

2.1 養護與烘烤

砌筑好的魚雷罐車自然養護48 h后檢驗內襯質量并收集數據，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動90°，然后支承固定桿（穩定車體）。小開燃燒氣，點燃煤氣（或天然氣）。推動烘烤器進入罐內，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），然后轉入正常烘烤狀態。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 試驗結果

保溫內襯結構優化后的魚雷罐車在上海梅山鋼鐵廠進行了生產試驗，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內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℃，表明改進的罐車內襯是有效的。

圖7 內襯優化前（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 結論

（1）內襯結構改進的魚雷罐車對鐵水的保溫效果更好，內襯改進后的罐車外殼壁溫度比傳統爐襯罐車的低65℃左右，改進的罐車內襯是有效的。

（2）內襯結構改進魚雷罐車的外殼平均溫度為231℃，而傳統內襯結構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℃。