多(duo)功(gong)能(neng)鐵(tie)(tie)(tie)水包技(ji)術是指(zhi)近些年在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)高(gao)爐(lu)(lu)-轉爐(lu)(lu)區(qu)段(duan)使用的(de)(de)一(yi)種新型鐵(tie)(tie)(tie)水運(yun)(yun)輸(shu)模式，即“一(yi)包到(dao)(dao)底”（也稱為(wei)“一(yi)罐到(dao)(dao)底”）技(ji)術。多(duo)功(gong)能(neng)鐵(tie)(tie)(tie)水包與傳統運(yun)(yun)輸(shu)模式最大(da)(da)的(de)(de)不同之處(chu)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)于，從高(gao)爐(lu)(lu)出鐵(tie)(tie)(tie)到(dao)(dao)轉爐(lu)(lu)兌鐵(tie)(tie)(tie)全(quan)程的(de)(de)運(yun)(yun)輸(shu)、預(yu)處(chu)理(li)等操作都在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)是在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)一(yi)個鐵(tie)(tie)(tie)水包中進(jin)行，實(shi)現了(le)鐵(tie)(tie)(tie)水的(de)(de)承接、運(yun)(yun)輸(shu)、存貯、預(yu)處(chu)理(li)以及兌鐵(tie)(tie)(tie)等多(duo)項功(gong)能(neng)[1]。而(er)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)現有(you)的(de)(de)鐵(tie)(tie)(tie)水運(yun)(yun)輸(shu)過(guo)程中，鐵(tie)(tie)(tie)水全(quan)程存在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)相(xiang)對較大(da)(da)的(de)(de)溫(wen)(wen)降，導(dao)致鐵(tie)(tie)(tie)水在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)脫(tuo)硫處(chu)理(li)或(huo)轉爐(lu)(lu)冶煉時溫(wen)(wen)度偏(pian)低(di)(di)。溫(wen)(wen)度過(guo)低(di)(di)不僅對運(yun)(yun)輸(shu)使用的(de)(de)鐵(tie)(tie)(tie)水包易造成(cheng)結殼(ke)結瘤，使得鐵(tie)(tie)(tie)水包周轉率和壽命降低(di)(di)，還(huan)會(hui)造成(cheng)鋼(gang)鐵(tie)(tie)(tie)料消耗(hao)高(gao)、波動(dong)大(da)(da)及鋼(gang)水質(zhi)量無(wu)法(fa)保障等后果(guo)[2]。高(gao)爐(lu)(lu)-轉爐(lu)(lu)區(qu)段(duan)鐵(tie)(tie)(tie)水的(de)(de)溫(wen)(wen)度一(yi)直(zhi)是普遍關注的(de)(de)焦點，盡管近年來鐵(tie)(tie)(tie)水溫(wen)(wen)降有(you)所減少(shao)(shao)，但(dan)如何提高(gao)鐵(tie)(tie)(tie)水運(yun)(yun)輸(shu)過(guo)程中的(de)(de)保溫(wen)(wen)效果(guo)、進(jin)一(yi)步減少(shao)(shao)溫(wen)(wen)降仍(reng)然是熱點問題。

近些年來，相(xiang)關學者曾對高爐(lu)-轉爐(lu)區段鐵(tie)水溫(wen)(wen)(wen)降研(yan)究(jiu)(jiu)進(jin)行(xing)了(le)大量工作(zuo)[3-6]，但多(duo)是(shi)針(zhen)對傳統運(yun)輸模(mo)式中(zhong)的(de)魚雷罐的(de)保(bao)溫(wen)(wen)(wen)及溫(wen)(wen)(wen)降研(yan)究(jiu)(jiu)。對于(yu)新型(xing)多(duo)功能鐵(tie)水包(bao)運(yun)行(xing)過程的(de)鐵(tie)水溫(wen)(wen)(wen)降問題，相(xiang)繼(ji)有項寶勝(sheng)[7]、韓偉剛[8]等對現場(chang)加蓋改造及保(bao)溫(wen)(wen)(wen)效果進(jin)行(xing)測溫(wen)(wen)(wen)試驗(yan)；劉成(cheng)[9]利用Ansys 有限元分(fen)析(xi)法(fa)，對鐵(tie)水包(bao)空(kong)包(bao)、重(zhong)包(bao)加蓋的(de)情況(kuang)進(jin)行(xing)了(le)數值(zhi)模(mo)擬，得出保(bao)溫(wen)(wen)(wen)蓋對空(kong)包(bao)熱狀態的(de)改變和(he)減少(shao)鐵(tie)水溫(wen)(wen)(wen)降值(zhi)的(de)相(xiang)關結(jie)論(lun)。

相比于鋼(gang)水(shui)溫降分(fen)析(xi)[10]、溫度補償模型[11]和鋼(gang)包熱狀態分(fen)級(ji)[12]等(deng)已有(you)研究(jiu)(jiu)成(cheng)果，鐵水(shui)及鐵水(shui)包的(de)數(shu)值模擬研究(jiu)(jiu)有(you)價(jia)值結論較(jiao)少，對于加蓋保溫效(xiao)果的(de)合理時間段、最佳保溫效(xiao)果部位及鐵水(shui)減(jian)少溫降等(deng)仍缺乏(fa)更準確的(de)研究(jiu)(jiu)。

本文以某廠230 t 多功能(neng)鐵水(shui)(shui)包(bao)為研究(jiu)對(dui)象，構(gou)建求(qiu)解模(mo)型并(bing)利(li)用fluent 有(you)限體積法進(jin)行運(yun)輸過程的(de)傳熱計算。分別(bie)分析(xi)了保(bao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)蓋對(dui)多功能(neng)鐵水(shui)(shui)空包(bao)返回(hui)5 h 過程中以及重包(bao)運(yun)輸1 h 過程的(de)溫(wen)(wen)(wen)(wen)降(jiang)規律(lv)影(ying)響(xiang)，將(jiang)加蓋前后鐵水(shui)(shui)包(bao)包(bao)殼溫(wen)(wen)(wen)(wen)度場(chang)的(de)變化進(jin)行對(dui)比討(tao)論，并(bing)進(jin)行了現場(chang)實測驗證。對(dui)多功能(neng)鐵水(shui)(shui)包(bao)加蓋設備的(de)保(bao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)效(xiao)果進(jin)行量化，為減少鐵水(shui)(shui)溫(wen)(wen)(wen)(wen)降(jiang)、進(jin)一(yi)步(bu)完(wan)善(shan)“一(yi)包(bao)到(dao)底”模(mo)式提(ti)供參考和理論支(zhi)持(chi)。

1 鐵水包的模型處理

1. 1 鐵水(shui)包結構分析(xi)

多功能鐵(tie)(tie)水(shui)包(bao)(bao)(bao)兩(liang)側分別(bie)有一(yi)個(ge)耳軸，用于鐵(tie)(tie)水(shui)包(bao)(bao)(bao)的(de)(de)吊運(yun)。規格為(wei)230 t的(de)(de)鐵(tie)(tie)水(shui)包(bao)(bao)(bao)高度(du)(du)(du)約(yue)為(wei)6.2 m，包(bao)(bao)(bao)底呈(cheng)近(jin)似的(de)(de)橢圓形寬度(du)(du)(du)約(yue)為(wei)3.9 m，部分鐵(tie)(tie)水(shui)包(bao)(bao)(bao)下方設有一(yi)個(ge)專供鐵(tie)(tie)水(shui)包(bao)(bao)(bao)機車牽引(yin)的(de)(de)牽引(yin)架。鐵(tie)(tie)水(shui)包(bao)(bao)(bao)包(bao)(bao)(bao)壁一(yi)般是由工作層、永久層、保溫層和(he)包(bao)(bao)(bao)殼(ke)組成(cheng)，而包(bao)(bao)(bao)底一(yi)般沒有保溫層，其他層在包(bao)(bao)(bao)壁和(he)包(bao)(bao)(bao)底上的(de)(de)砌(qi)筑(zhu)厚度(du)(du)(du)各不一(yi)樣。

根據查閱材料手冊[13]，鐵水包(bao)各(ge)層耐火材料種類及厚度見表1，圖(tu)1 是(shi)以(yi)某廠230 t 鐵水包(bao)為對(dui)象所(suo)建立的三(san)維鐵水包(bao)模型示意圖(tu)。該廠鐵包(bao)運輸(shu)方式為起重機＋過(guo)跨車，模型中省略(lve)了機車牽引架，以(yi)及左右(you)兩側的耳軸。

1. 2 鐵(tie)水包熱損分(fen)析

鐵(tie)(tie)水(shui)從高(gao)爐出鐵(tie)(tie)后(hou)，經歷出鐵(tie)(tie)、運輸、扒渣、脫硫處(chu)理、轉爐兌鐵(tie)(tie)以及過程中(zhong)可能的等(deng)(deng)待時間，鐵(tie)(tie)水(shui)在各個(ge)環(huan)節都(dou)有不同程度的溫(wen)降(jiang)。本次試驗不考(kao)慮人為(wei)操作等(deng)(deng)影響所(suo)導致的鐵(tie)(tie)水(shui)溫(wen)降(jiang)，僅對鐵(tie)(tie)水(shui)在運輸或等(deng)(deng)待過程中(zhong)的溫(wen)降(jiang)進行計算分析(xi)。

在(zai)這(zhe)種情(qing)況下，鐵水(shui)熱(re)(re)量損(sun)(sun)失主要包(bao)括3 個方面：（1）鐵水(shui)與(yu)鐵水(shui)包(bao)耐火材(cai)料(liao)之(zhi)間的對(dui)流換熱(re)(re)，導致耐材(cai)及(ji)包(bao)殼溫度的升高，即材(cai)料(liao)蓄熱(re)(re)造成的熱(re)(re)損(sun)(sun)；（2）鐵水(shui)包(bao)包(bao)殼以輻(fu)(fu)射換熱(re)(re)和對(dui)流換熱(re)(re)的方式對(dui)外界進(jin)行散熱(re)(re)；（3）若無(wu)包(bao)蓋(gai)，則有渣層與(yu)包(bao)內(nei)壁對(dui)外進(jin)行散熱(re)(re)，若有包(bao)蓋(gai)則為渣層與(yu)內(nei)壁對(dui)包(bao)蓋(gai)進(jin)行輻(fu)(fu)射換熱(re)(re)和對(dui)流換熱(re)(re)。

1. 3 鐵水包熱物(wu)性參數(shu)

根據查閱手冊鐵水包各(ge)部分耐材不同溫(wen)(wen)度(du)點的(de)導熱(re)(re)系(xi)(xi)數(shu)(shu)，分別繪制導熱(re)(re)系(xi)(xi)數(shu)(shu)與溫(wen)(wen)度(du)、比熱(re)(re)容與溫(wen)(wen)度(du)的(de)曲線(xian)，得到各(ge)部分導熱(re)(re)系(xi)(xi)數(shu)(shu)、比熱(re)(re)容與溫(wen)(wen)度(du)的(de)對應關(guan)系(xi)(xi)，見表2。由(you)于隨溫(wen)(wen)度(du)變化的(de)物性參數(shu)(shu)與溫(wen)(wen)度(du)均(jun)為線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)，在進行數(shu)(shu)值模擬過程中這部分物性參數(shu)(shu)設(she)置選(xuan)擇為逐段線(xian)性（piecewise-linear），即分別選(xuan)取6個溫(wen)(wen)度(du)點所對應的(de)熱(re)(re)物性參數(shu)(shu)輸入。

2 計算模型及加載初始條件

2. 1 鐵水包有限元模型(xing)

根據某廠提供230 t 鐵(tie)水(shui)(shui)包(bao)數據，以(yi)及建(jian)模(mo)假(jia)設的簡(jian)化處理。忽略耳軸(zhou)、牽引架等額外(wai)部件，由(you)于鐵(tie)水(shui)(shui)包(bao)基本(ben)呈軸(zhou)對稱，同時為(wei)(wei)減(jian)少計算量，取(qu)鐵(tie)水(shui)(shui)包(bao)二維軸(zhou)對稱模(mo)型(xing)(xing)為(wei)(wei)研究對象，二維幾何模(mo)型(xing)(xing)如圖(tu)1 所示(shi)，使(shi)用ANSYS ICEM 建(jian)立230 t 二維鐵(tie)水(shui)(shui)包(bao)模(mo)型(xing)(xing)，劃分網格并選擇fluent 求解器導出。進行瞬(shun)態溫度(du)(du)場分析，各工(gong)況鐵(tie)水(shui)(shui)包(bao)模(mo)型(xing)(xing)如圖(tu)2 所示(shi)。模(mo)型(xing)(xing)包(bao)體由(you)外(wai)到里依次是：包(bao)殼、永久層(ceng)(ceng)、工(gong)作層(ceng)(ceng)，圖(tu)2 中（a）、（c）鐵(tie)水(shui)(shui)包(bao)內下層(ceng)(ceng)為(wei)(wei)鐵(tie)水(shui)(shui)、上層(ceng)(ceng)為(wei)(wei)空氣，圖(tu)2 中（a）、（b）最頂層(ceng)(ceng)為(wei)(wei)保溫蓋，其厚度(du)(du)為(wei)(wei)320 mm，材(cai)質內層(ceng)(ceng)為(wei)(wei)納米材(cai)料外(wai)層(ceng)(ceng)為(wei)(wei)鋼板。為(wei)(wei)盡可(ke)能貼近實(shi)際(ji)情(qing)況，模(mo)型(xing)(xing)包(bao)蓋與包(bao)體之間留有120 mm空隙。

圖3 所(suo)示為所(suo)劃分的結(jie)構化網(wang)(wang)格包底細節及相(xiang)關尺(chi)寸，由(you)于(yu)尺(chi)寸比例原因，已將中間部(bu)分截去省略，其中加蓋(gai)鐵(tie)水包二維(wei)模型(xing)包含了(le)23 680 個網(wang)(wang)格單(dan)元和(he)22 176 個節點數，表3 為模型(xing)網(wang)(wang)格單(dan)元的部(bu)分重要(yao)質量參數比例，基(ji)本滿足(zu)計(ji)算(suan)所(suo)需精(jing)度(du)。其他工(gong)況的鐵(tie)水包模型(xing)是在加蓋(gai)模型(xing)基(ji)礎上(shang)修改或刪除多余(yu)單(dan)元，其余(yu)部(bu)分節點數不變(bian)，同(tong)樣滿足(zu)本次計(ji)算(suan)要(yao)求[14]。

多功能鐵水包為不完(wan)全規(gui)則容器，在進(jin)行傳(chuan)(chuan)熱計(ji)算(suan)(suan)模擬(ni)前，將(jiang)對傳(chuan)(chuan)熱計(ji)算(suan)(suan)影(ying)響較小的單(dan)元做簡(jian)化(hua)處理，并為了簡(jian)化(hua)數學模型作出如下假(jia)設條件：

（1）不考慮耳軸(zhou)、牽引架(jia)等部分，并將鐵包包口簡化處理成在同一水平面高度。

（2）由于(yu)鐵水表面基本無流(liu)動(dong)，且由于(yu)表面渣層和(he)覆蓋(gai)保溫劑的作用，將鐵水表面視為壁面，鐵水表面無流(liu)動(dong)。

（3）忽略各層(ceng)耐火材料之間的接(jie)觸熱(re)阻(zu)(zu)及(ji)外表(biao)面(mian)熱(re)阻(zu)(zu)。

（4）鐵水包耐材的參數(shu)只考慮(lv)導熱(re)系數(shu)λ 和(he)比熱(re)容c 及密度ρ，忽略熱(re)膨脹系數(shu)和(he)其他導熱(re)參數(shu)對鐵水包的影響。

（5）不考慮實際(ji)環境(jing)天氣的變化，假設(she)鐵(tie)水包始終處于300 K的自然環境(jing)中。

2. 2 模擬試驗(yan)內容及(ji)步驟

模(mo)擬(ni)(ni)試驗的內(nei)容主要包(bao)括(kuo)3 個方(fang)面：鐵水(shui)包(bao)加蓋(gai)前(qian)后的空包(bao)熱(re)狀態模(mo)擬(ni)(ni)研(yan)究；保溫蓋(gai)對重包(bao)運輸(shu)鐵水(shui)溫降影(ying)響研(yan)究；保溫蓋(gai)的綜合保溫效果分析。根據試驗內(nei)容計劃本次試驗模(mo)擬(ni)(ni)的主要步驟如下：

（1）先對鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包空包進行5 h（空包平均周轉時(shi)間(jian)）自(zi)然冷(leng)卻模(mo)擬，再向鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包內加載1 783 K的(de)鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)模(mo)擬1 h（重包平均運行時(shi)間(jian)），這樣反復3 次(ci)模(mo)擬鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包3 次(ci)運行周期，使得整(zheng)個(ge)(ge)鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包包體各個(ge)(ge)部(bu)分的(de)溫(wen)度達(da)到周轉過程中的(de)實際(ji)溫(wen)度。

（2）在反復模(mo)擬3 次(ci)后，在空包中倒(dao)入1 783 K的鐵水，并(bing)選取(qu)鐵水中部的一點進行(xing)溫(wen)度監控，模(mo)擬得出(chu)1 h 內鐵水溫(wen)降(jiang)速率和溫(wen)降(jiang)曲線。

（3）然(ran)后對加(jia)蓋(gai)鐵水包重復第一(yi)、二步驟，模擬得(de)出(chu)加(jia)蓋(gai)鐵水包的鐵水溫(wen)(wen)降(jiang)(jiang)速率(lv)和溫(wen)(wen)降(jiang)(jiang)曲(qu)線。

（4）比較保溫蓋在空包(bao)(bao)運行過程中(zhong)對包(bao)(bao)體溫降的(de)(de)改善，以及(ji)鐵(tie)水(shui)包(bao)(bao)包(bao)(bao)體溫度的(de)(de)改善對下次周轉鐵(tie)水(shui)溫降的(de)(de)影響。

2. 3 主(zhu)要(yao)邊界條件設置

因為假(jia)設條件（5）中(zhong)認定鐵水(shui)包始終處(chu)在300 K的恒溫(wen)(wen)環境中(zhong)，而(er)在工程計算(suan)中(zhong)，壁溫(wen)(wen)tw 恒定時大空間對(dui)流換熱(re)采(cai)用(yong)試驗(yan)關聯式(shi)[15]見(jian)式(shi)（1）。

平板(ban)對流換熱中格拉曉(xiao)夫數(shu)計算(suan)公式見式（2）：

式中：Nu 為(wei)(wei)(wei)(wei)努塞爾(er)總準(zhun)數；下角標“m”表示選取邊界層(ceng)平(ping)均溫(wen)度(du)(du)(du)為(wei)(wei)(wei)(wei)定性溫(wen)度(du)(du)(du)，Gr 為(wei)(wei)(wei)(wei)格拉(la)曉夫數；β 為(wei)(wei)(wei)(wei)體積膨脹(zhang)系(xi)數；L 為(wei)(wei)(wei)(wei)定形尺寸；Δt 為(wei)(wei)(wei)(wei)壁(bi)面(mian)溫(wen)度(du)(du)(du)與流體的(de)(de)平(ping)均溫(wen)度(du)(du)(du)差；v 為(wei)(wei)(wei)(wei)流體的(de)(de)運動黏度(du)(du)(du)；C、n 為(wei)(wei)(wei)(wei)試驗常數；Pr 為(wei)(wei)(wei)(wei)普朗物常數。

根據查(cha)表以(yi)及(ji)經驗(yan)公式計算(suan)[16]得到鐵水(shui)包(bao)(bao)包(bao)(bao)殼外表面(mian)、包(bao)(bao)蓋以(yi)及(ji)包(bao)(bao)底與環境的對流換熱(re)(re)系(xi)數(shu)，發射(she)率(lv)等其他傳熱(re)(re)參數(shu)根據經驗(yan)以(yi)及(ji)查(cha)閱相(xiang)關(guan)材料文獻進行設(she)定。求解器(qi)選擇的是二維單(dan)精(jing)度求解器(qi)，即可滿足計算(suan)要求。迭代(dai)運算(suan)時(shi)間(jian)步長（TimeStep Size）設(she)置為1 s，每步長計算(suan)次數(shu)（Max Iterations/Time Step）為20次。

在(zai)加蓋模擬(ni)(ni)階段(duan)，因(yin)為考慮鐵(tie)(tie)水(shui)包(bao)內氣體(ti)受熱(re)(re)膨脹且密度減小，包(bao)蓋與鐵(tie)(tie)水(shui)包(bao)之間縫隙的邊界(jie)條件設置為壓力出口（pressure outlet），根據第二(er)條假設條件，在(zai)重包(bao)傳(chuan)熱(re)(re)計算時鐵(tie)(tie)水(shui)表面邊界(jie)條件設置為壁(bi)面傳(chuan)熱(re)(re)（wall）。在(zai)不加蓋模擬(ni)(ni)階段(duan)，鐵(tie)(tie)水(shui)包(bao)包(bao)口處邊界(jie)條件設置為壓力出口。

2. 4 控(kong)制方(fang)程

由于(yu)本次數值(zhi)計算中流體流動較(jiao)為緩慢，同時鐵水為不可壓(ya)縮(suo)流體，所(suo)以fluent 計算中選擇適用于(yu)低速、不可壓(ya)縮(suo)流體的(de)基于(yu)壓(ya)力求解器（Pressure-Based）。Fluent 軟(ruan)件中流體運動及換熱的(de)控制(zhi)方(fang)程主要有以下3個：

連續方程：

式(shi)中：ρ 為流體密度(du)，ui 為流體速(su)度(du)沿i 方(fang)(fang)(fang)向(xiang)的(de)(de)分量；xi 為微(wei)元體沿i 方(fang)(fang)(fang)向(xiang)的(de)(de)邊長；t 為時間。連續方(fang)(fang)(fang)程(cheng)又稱(cheng)質量守(shou)恒方(fang)(fang)(fang)程(cheng)。

動量守恒方程(cheng)：

式(shi)中：p 為(wei)靜(jing)壓力；τij 為(wei)應力矢量；gi 為(wei)i 方向的重力分量；Fi 為(wei)由(you)于(yu)阻力和能源而引起的其他(ta)能源項；ui 為(wei)流(liu)體(ti)速(su)度(du)沿(yan)j 方向的分量；xj 為(wei)應力沿(yan)j方向的距(ju)離(li)。

能(neng)量守恒方程：

式中：h 為(wei)熵；k 為(wei)分子(zi)傳(chuan)導率；kt 為(wei)由于湍流(liu)傳(chuan)遞而引起的(de)傳(chuan)導率；Sh 為(wei)定義的(de)體積源；T 為(wei)溫度。

3 試驗結果分析及驗證

在(zai)(zai)(zai)所有模擬試驗中，檢(jian)測(ce)(ce)點(dian)(dian)位置(zhi)(zhi)始終保持(chi)不(bu)變，無論(lun)加(jia)蓋與否，均(jun)選(xuan)擇3 個(ge)溫度(du)檢(jian)測(ce)(ce)點(dian)(dian)B、C、D，如(ru)圖4 所示。鐵水(shui)包內襯上部(bu)溫度(du)檢(jian)測(ce)(ce)點(dian)(dian)選(xuan)在(zai)(zai)(zai)B點(dian)(dian)位置(zhi)(zhi)，內襯中、下(xia)部(bu)溫度(du)監測(ce)(ce)點(dian)(dian)分(fen)別在(zai)(zai)(zai)點(dian)(dian)C、點(dian)(dian)D處。在(zai)(zai)(zai)模擬重包鐵水(shui)溫降規律時，無論(lun)加(jia)蓋與否，鐵水(shui)溫度(du)檢(jian)測(ce)(ce)點(dian)(dian)均(jun)選(xuan)擇在(zai)(zai)(zai)A點(dian)(dian)處。

4 模型驗證及空包加蓋效果分析

在(zai)完成初(chu)步模擬計算后，為了驗證模型建立的準確性以及假設條(tiao)件與實際工況的符合程度(du)，本文對某(mou)廠(chang)230 t 鐵水包(bao)（36 號）進(jin)行多(duo)點跟(gen)蹤測溫，調研測溫數據(ju)包(bao)括鐵水包(bao)無(wu)蓋(gai)空包(bao)內(nei)襯中部溫降(jiang)和鐵水包(bao)加蓋(gai)空包(bao)內(nei)襯中部溫降(jiang)。

圖(tu)5 和(he)圖(tu)6 所示分(fen)別為鐵(tie)(tie)水包(bao)空包(bao)加蓋前后內(nei)壁(bi)中(zhong)部(bu)溫降(jiang)(jiang)曲線(xian)，同(tong)時將該廠調研測溫數據(ju)點(dian)擬(ni)(ni)(ni)合成溫降(jiang)(jiang)曲線(xian)，并(bing)與模擬(ni)(ni)(ni)結果(guo)比(bi)較，發現模擬(ni)(ni)(ni)溫降(jiang)(jiang)趨(qu)勢(shi)與實(shi)際測溫情(qing)況(kuang)最(zui)大(da)(da)誤差值為36 K，相對誤差值小(xiao)(xiao)于(yu)5%，驗證了(le)無(wu)蓋模型的準確性。從(cong)模擬(ni)(ni)(ni)結果(guo)可以看出(chu)，在不(bu)加蓋情(qing)況(kuang)下鐵(tie)(tie)水包(bao)初始溫降(jiang)(jiang)速率相對較大(da)(da)，在經過幾小(xiao)(xiao)時自然(ran)冷卻后，溫降(jiang)(jiang)趨(qu)于(yu)平緩。整體變化趨(qu)勢(shi)與實(shi)際溫降(jiang)(jiang)趨(qu)勢(shi)相近，表明假設條件不(bu)影響模擬(ni)(ni)(ni)計(ji)算，與實(shi)際工況(kuang)符(fu)合程度較高。

根據鐵水(shui)包(bao)(bao)加蓋(gai)前(qian)后5 h 內的(de)包(bao)(bao)壁(bi)溫(wen)降速率(lv)對比(bi)圖，如圖7 所(suo)示，再次證明(ming)了(le)保(bao)溫(wen)蓋(gai)在轉爐(lu)兌(dui)完鐵的(de)一段時間內，加蓋(gai)鐵水(shui)包(bao)(bao)包(bao)(bao)壁(bi)溫(wen)降速率(lv)相(xiang)對更低，該段時間內保(bao)溫(wen)效果更為(wei)明(ming)顯(xian)。在空(kong)包(bao)(bao)加蓋(gai)超過3 h 后，加蓋(gai)前(qian)后鐵水(shui)包(bao)(bao)內壁(bi)中(zhong)部溫(wen)降速率(lv)基本相(xiang)同，空(kong)包(bao)(bao)加蓋(gai)的(de)保(bao)溫(wen)效果不再明(ming)顯(xian)。

將加(jia)(jia)蓋前(qian)后5 h 末內壁上(shang)、中(zhong)(zhong)、下(xia)各點溫度(du)值(zhi)列出(chu)，見表4，并計(ji)算各部加(jia)(jia)蓋前(qian)后溫差(cha)值(zhi)。可(ke)以發現，靠(kao)近(jin)包(bao)沿(yan)處的(de)內壁上(shang)部在(zai)(zai)不加(jia)(jia)蓋情況(kuang)下(xia)溫度(du)最低為(wei)655 K、熱量損失(shi)最多，加(jia)(jia)蓋前(qian)后溫差(cha)為(wei)194 K，靠(kao)近(jin)包(bao)底(di)的(de)內壁下(xia)部溫度(du)值(zhi)在(zai)(zai)加(jia)(jia)蓋前(qian)后溫差(cha)為(wei)54 K。由此可(ke)見，在(zai)(zai)空包(bao)運(yun)行過程(cheng)中(zhong)(zhong)添加(jia)(jia)保(bao)溫蓋，對鐵水包(bao)各部位都有一定程(cheng)度(du)的(de)保(bao)溫效(xiao)果(guo)(guo)，且靠(kao)近(jin)鐵水包(bao)包(bao)沿(yan)處的(de)保(bao)溫效(xiao)果(guo)(guo)最佳。

4. 1 重包加蓋結(jie)果與分析

在鐵(tie)(tie)水(shui)包(bao)反復模(mo)擬3 個運(yun)行周期之后，鐵(tie)(tie)水(shui)包(bao)各(ge)部分溫(wen)度(du)基本達到實際(ji)運(yun)行周轉時(shi)的溫(wen)度(du)，再繼續模(mo)擬計算該鐵(tie)(tie)水(shui)包(bao)下一周期中(zhong)的傳熱(re)過程，并對鐵(tie)(tie)水(shui)中(zhong)部一點(dian)(dian)（圖4 中(zhong)點(dian)(dian)A）選取為溫(wen)度(du)監測點(dian)(dian)，溫(wen)度(du)變化曲線(xian)如圖8和(he)圖9所示。

未加(jia)蓋(gai)(gai)情(qing)況(kuang)下，鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)1 h 內溫(wen)度由1 783 K降(jiang)(jiang)至(zhi)1 737 K；加(jia)蓋(gai)(gai)情(qing)況(kuang)下，鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)1 h 內溫(wen)度由1 783 K降(jiang)(jiang)至(zhi)1 750 K。重包(bao)加(jia)蓋(gai)(gai)結果表(biao)明(ming)：鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包(bao)增(zeng)設保溫(wen)蓋(gai)(gai)后，鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)60 min 溫(wen)降(jiang)(jiang)由46 變為33 K，減(jian)(jian)小鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)溫(wen)降(jiang)(jiang)13 K。由于在鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)運(yun)輸過程(cheng)中，鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)物(wu)理熱(re)(re)(re)損失(shi)主要分(fen)為3 個部分(fen)：50%鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)表(biao)面散熱(re)(re)(re)；30%鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包(bao)蓄(xu)熱(re)(re)(re)；20%外殼散熱(re)(re)(re)[2]。重包(bao)過程(cheng)中加(jia)蓋(gai)(gai)極大的減(jian)(jian)少了鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)表(biao)面對(dui)(dui)外的輻射和對(dui)(dui)流(liu)換熱(re)(re)(re)量，保溫(wen)蓋(gai)(gai)效果體(ti)現在鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)溫(wen)降(jiang)(jiang)上大小為13 K/h。

根據加(jia)蓋(gai)(gai)前(qian)后鐵(tie)水1 h 內(nei)的(de)溫(wen)降速率對比如圖(tu)10 所示，剛接鐵(tie)水時(shi)加(jia)蓋(gai)(gai)與(yu)不加(jia)蓋(gai)(gai)情況下鐵(tie)水初(chu)始溫(wen)降速率相差較(jiao)大(da)(da)，最(zui)主要的(de)原因(yin)是無蓋(gai)(gai)鐵(tie)水包(bao)(bao)溫(wen)度較(jiao)低、接鐵(tie)后第(di)一(yi)(yi)時(shi)間(jian)的(de)蓄熱量較(jiao)大(da)(da)，導(dao)致初(chu)始溫(wen)降速率偏大(da)(da)。同時(shi)說明了保(bao)溫(wen)蓋(gai)(gai)不僅在重包(bao)(bao)運行階段(duan)的(de)重要性，在空包(bao)(bao)返回過程中保(bao)溫(wen)蓋(gai)(gai)在一(yi)(yi)定時(shi)間(jian)內(nei)同樣具(ju)有(you)較(jiao)好的(de)保(bao)溫(wen)的(de)效果(guo)，確保(bao)下一(yi)(yi)周期的(de)鐵(tie)水運輸過程中鐵(tie)水包(bao)(bao)具(ju)有(you)更高(gao)的(de)溫(wen)度。

4. 2 保溫(wen)效果(guo)綜合分析

根據(ju)5 h 鐵(tie)水包(bao)(bao)空包(bao)(bao)運行(xing)溫降曲線可以直觀地發現(xian)，加(jia)蓋前后(hou)(hou)5 h 末的鐵(tie)水包(bao)(bao)溫度實際相差不(bu)大僅為100 K左右(you)，根據(ju)加(jia)蓋前后(hou)(hou)鐵(tie)水包(bao)(bao)壁中部(bu)溫度差繪出保溫蓋效果圖(tu)如圖(tu)11所(suo)示(shi)。

從保(bao)溫(wen)效果圖(tu)(tu)（圖(tu)(tu)11）可以(yi)看出，在空包(bao)運(yun)行(xing)的(de)(de)(de)3 h 之內(nei)，加蓋前(qian)后(hou)包(bao)壁中(zhong)部(bu)即監測(ce)點B位置(zhi)的(de)(de)(de)溫(wen)差最高(gao)可達(da)(da)150 K。在相(xiang)同空包(bao)時間內(nei)，鐵水包(bao)耐材(cai)溫(wen)降(jiang)的(de)(de)(de)減(jian)小，使(shi)得后(hou)續裝載鐵水過程中(zhong)，因包(bao)襯蓄熱(re)而(er)從鐵水傳遞至包(bao)襯的(de)(de)(de)熱(re)量(liang)減(jian)小，因而(er)鐵水溫(wen)降(jiang)減(jian)小。空包(bao)運(yun)行(xing)時間達(da)(da)到3 h，能使(shi)保(bao)溫(wen)蓋發揮最好的(de)(de)(de)保(bao)溫(wen)效果。

針對加蓋(gai)前后包(bao)(bao)(bao)壁上(shang)(shang)(shang)下(xia)(xia)部(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)進行對比(bi)，對比(bi)如圖(tu)12 所示。圖(tu)12 為不(bu)加蓋(gai)和加蓋(gai)情況下(xia)(xia)，鐵(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)包(bao)(bao)(bao)空包(bao)(bao)(bao)返(fan)回接鐵(tie)(tie)(tie)(tie)口的(de)5 h 末(mo)包(bao)(bao)(bao)壁上(shang)(shang)(shang)下(xia)(xia)部(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)圖(tu)。如表(biao)4 中所示，在(zai)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)返(fan)回接鐵(tie)(tie)(tie)(tie)口的(de)5 h 運輸(shu)時(shi)間末(mo)，未加蓋(gai)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)上(shang)(shang)(shang)下(xia)(xia)部(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)差205 K，加蓋(gai)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)上(shang)(shang)(shang)下(xia)(xia)部(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)差為65 K，減小(xiao)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)上(shang)(shang)(shang)下(xia)(xia)部(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)差140 K。由鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)耐(nai)(nai)材(cai)(cai)(cai)壽(shou)命研究的(de)相關文(wen)獻[17]指出，熱應力是耐(nai)(nai)材(cai)(cai)(cai)損(sun)(sun)壞(huai)的(de)重要因素之一，而產生熱應力的(de)主要原因就是溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)梯度(du)(du)。鐵(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)包(bao)(bao)(bao)不(bu)同(tong)部(bu)位(wei)耐(nai)(nai)材(cai)(cai)(cai)的(de)溫(wen)(wen)(wen)(wen)差較大(da)，產生熱應力會損(sun)(sun)害包(bao)(bao)(bao)襯(chen)耐(nai)(nai)材(cai)(cai)(cai)，且低溫(wen)(wen)(wen)(wen)部(bu)分(fen)在(zai)接鐵(tie)(tie)(tie)(tie)時(shi)由于與鐵(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)溫(wen)(wen)(wen)(wen)差大(da)爐襯(chen)易被鐵(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)侵蝕。保溫(wen)(wen)(wen)(wen)蓋(gai)則(ze)極大(da)地提高(gao)了鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)上(shang)(shang)(shang)部(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)194 K，同(tong)時(shi)減小(xiao)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)上(shang)(shang)(shang)下(xia)(xia)部(bu)內襯(chen)溫(wen)(wen)(wen)(wen)差140 K，有效減小(xiao)了因熱應力所導(dao)致(zhi)的(de)包(bao)(bao)(bao)襯(chen)耐(nai)(nai)火(huo)材(cai)(cai)(cai)料損(sun)(sun)傷。延長鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)(bao)耐(nai)(nai)材(cai)(cai)(cai)使(shi)用壽(shou)命，對減少修包(bao)(bao)(bao)頻率(lv)、提高(gao)包(bao)(bao)(bao)齡有著重要作用。

4. 3 實(shi)測驗證

為了(le)對模(mo)(mo)擬(ni)結(jie)果進(jin)行(xing)驗證(zheng)，選(xuan)定(ding)某廠230 （t 36號）鐵水(shui)(shui)包(bao)進(jin)行(xing)滿包(bao)鐵水(shui)(shui)溫(wen)(wen)度(du)測(ce)(ce)定(ding)。制(zhi)定(ding)了(le)簡要(yao)的測(ce)(ce)溫(wen)(wen)方案(an)：滿包(bao)測(ce)(ce)定(ding)間隔(ge)時(shi)間為20 min，總時(shi)長(chang)為2 h；空(kong)(kong)包(bao)測(ce)(ce)定(ding)間隔(ge)時(shi)間為20 min，總時(shi)長(chang)為5 h。測(ce)(ce)溫(wen)(wen)內(nei)容主要(yao)包(bao)括(kuo)：（1）空(kong)(kong)包(bao)不加(jia)蓋(gai)(gai)(gai)狀(zhuang)態下(xia)(xia)包(bao)襯溫(wen)(wen)度(du)；（2）空(kong)(kong)包(bao)加(jia)蓋(gai)(gai)(gai)狀(zhuang)態下(xia)(xia)包(bao)襯溫(wen)(wen)度(du)；（3）滿包(bao)不加(jia)蓋(gai)(gai)(gai)狀(zhuang)態下(xia)(xia)鐵水(shui)(shui)溫(wen)(wen)度(du)；（4）滿包(bao)加(jia)蓋(gai)(gai)(gai)狀(zhuang)態下(xia)(xia)鐵水(shui)(shui)溫(wen)(wen)度(du)。測(ce)(ce)溫(wen)(wen)內(nei)容中(zhong)（1）、（2）空(kong)(kong)包(bao)部分(fen)已經在(zai)圖(tu)5 和圖(tu)6中(zhong)與模(mo)(mo)擬(ni)結(jie)果共(gong)同繪出(chu)，以進(jin)行(xing)比較。圖(tu)13 所示為測(ce)(ce)溫(wen)(wen)內(nei)容第（3）、（4）部分(fen)內(nei)容鐵水(shui)(shui)測(ce)(ce)溫(wen)(wen)。由于出(chu)鐵過程(cheng)溫(wen)(wen)度(du)無法精(jing)確控制(zhi)，以及加(jia)蓋(gai)(gai)(gai)設備(bei)等操作影(ying)響(xiang)，導致實測(ce)(ce)起始(shi)點(dian)溫(wen)(wen)度(du)并不完(wan)全(quan)相同，但在(zai)誤差可接(jie)受范圍(wei)內(nei)可以進(jin)行(xing)驗證(zheng)。

保溫(wen)效果驗(yan)證結果見表5。由(you)表5 中(zhong)可(ke)以看出，模(mo)擬(ni)結果與(yu)(yu)實(shi)際(ji)驗(yan)證情(qing)況存在一(yi)定誤差。分析原因主要是由(you)于模(mo)擬(ni)與(yu)(yu)實(shi)測鐵水起始溫(wen)度(du)不同，模(mo)擬(ni)過(guo)程鐵水溫(wen)度(du)比實(shi)際(ji)略高、溫(wen)降速率更大，所以保溫(wen)效果更為明顯(xian)。但相對誤差值(zhi)在允許范圍之(zhi)內，驗(yan)證了整個(ge)試驗(yan)的準(zhun)確性。

5 結論

（1）通(tong)過對(dui)(dui)某廠多功能(neng)鐵水包進行(xing)實際測溫(wen)，并與(yu)(yu)模(mo)擬(ni)(ni)計算結果進行(xing)比(bi)較，計算結果與(yu)(yu)實測數(shu)據相對(dui)(dui)誤差值小于(yu)5%，驗證本次(ci)數(shu)值模(mo)擬(ni)(ni)假設條件的(de)可(ke)行(xing)性及模(mo)型的(de)準(zhun)確(que)性。

（2）鐵(tie)(tie)(tie)(tie)水包(bao)在空包(bao)運行階段加蓋，能(neng)有(you)效(xiao)提高下次接(jie)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)時(shi)的(de)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)整體(ti)溫(wen)(wen)度(du)。鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)加蓋后上、中、下部溫(wen)(wen)度(du)分別提高194、126、54 K，有(you)效(xiao)改善空包(bao)熱(re)狀態，減少下次承接(jie)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)水時(shi)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)的(de)耐(nai)材蓄熱(re)量。

（3）鐵(tie)水(shui)包在空(kong)包運(yun)行階段加蓋，能有(you)效降(jiang)(jiang)低(di)鐵(tie)水(shui)包包襯上(shang)下部(bu)溫差140 K，減小鐵(tie)水(shui)包包襯由于溫度梯度所(suo)產(chan)生的(de)(de)熱應(ying)(ying)力，從而降(jiang)(jiang)低(di)熱應(ying)(ying)力所(suo)導致(zhi)的(de)(de)耐(nai)材損耗，有(you)效保護鐵(tie)水(shui)包耐(nai)火材料、降(jiang)(jiang)低(di)修包頻率(lv)。

（4）根據鐵水包(bao)空(kong)包(bao)加蓋前后，包(bao)壁(bi)中部B 點溫差ΔTB 隨時(shi)(shi)間(jian)變化(hua)規(gui)律可(ke)知：ΔTB 隨時(shi)(shi)間(jian)變化(hua)呈(cheng)現(xian)先增大(da)后減小的趨勢，且在空(kong)包(bao)3 h 時(shi)(shi)達到最大(da)值ΔTB max＝150 K 。即空(kong)包(bao)加蓋運行3 h 左(zuo)右，包(bao)蓋保溫效果(guo)得到最大(da)化(hua)，空(kong)包(bao)運輸時(shi)(shi)間(jian)應盡可(ke)能控制(zhi)3 h以內最為合理。

（5）空包(bao)在返回過程(cheng)中增設保溫蓋，能(neng)(neng)有(you)效提(ti)高接鐵(tie)時的(de)鐵(tie)包(bao)溫度，減(jian)少耐材蓄(xu)熱(re)；且同時在重包(bao)運行過程(cheng)中加蓋，每小時能(neng)(neng)減(jian)少鐵(tie)水溫降(jiang)約13 K，全程(cheng)加蓋保溫效果顯著。