多(duo)功能鐵(tie)水(shui)包(bao)技術是指近些(xie)年(nian)在高爐(lu)-轉(zhuan)爐(lu)區段使用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)種新型鐵(tie)水(shui)運(yun)(yun)輸模式，即“一(yi)包(bao)到底”（也(ye)稱(cheng)為“一(yi)罐到底”）技術。多(duo)功能鐵(tie)水(shui)包(bao)與傳統(tong)運(yun)(yun)輸模式最大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)同(tong)之(zhi)處(chu)在于，從高爐(lu)出鐵(tie)到轉(zhuan)爐(lu)兌鐵(tie)全(quan)程的(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)(yun)輸、預處(chu)理(li)等(deng)操作都(dou)在是在一(yi)個鐵(tie)水(shui)包(bao)中(zhong)進行，實現(xian)(xian)了鐵(tie)水(shui)的(de)(de)(de)(de)(de)承接、運(yun)(yun)輸、存(cun)貯、預處(chu)理(li)以及兌鐵(tie)等(deng)多(duo)項功能[1]。而在現(xian)(xian)有的(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)水(shui)運(yun)(yun)輸過(guo)程中(zhong)，鐵(tie)水(shui)全(quan)程存(cun)在相對較大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)降，導致鐵(tie)水(shui)在脫硫(liu)處(chu)理(li)或轉(zhuan)爐(lu)冶煉時溫(wen)度(du)偏低。溫(wen)度(du)過(guo)低不(bu)僅對運(yun)(yun)輸使用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)水(shui)包(bao)易(yi)造(zao)成結殼結瘤，使得鐵(tie)水(shui)包(bao)周轉(zhuan)率和壽命降低，還會造(zao)成鋼鐵(tie)料消耗高、波(bo)動(dong)大(da)及鋼水(shui)質量無法保(bao)障等(deng)后果[2]。高爐(lu)-轉(zhuan)爐(lu)區段鐵(tie)水(shui)的(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)一(yi)直是普遍關注的(de)(de)(de)(de)(de)焦點(dian)，盡管(guan)近年(nian)來鐵(tie)水(shui)溫(wen)降有所(suo)減少(shao)，但(dan)如何提高鐵(tie)水(shui)運(yun)(yun)輸過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)保(bao)溫(wen)效(xiao)果、進一(yi)步減少(shao)溫(wen)降仍然是熱點(dian)問題。

近(jin)些年來，相(xiang)關(guan)(guan)學者曾對(dui)高(gao)爐(lu)(lu)-轉爐(lu)(lu)區(qu)段鐵水(shui)溫(wen)(wen)降(jiang)研(yan)究進行(xing)了(le)大量(liang)工作[3-6]，但(dan)多(duo)是針對(dui)傳統運輸模式(shi)中的(de)魚雷罐的(de)保(bao)溫(wen)(wen)及溫(wen)(wen)降(jiang)研(yan)究。對(dui)于新型多(duo)功(gong)能鐵水(shui)包(bao)(bao)運行(xing)過程的(de)鐵水(shui)溫(wen)(wen)降(jiang)問題，相(xiang)繼有(you)項寶勝[7]、韓偉(wei)剛[8]等對(dui)現場加蓋改造及保(bao)溫(wen)(wen)效果進行(xing)測(ce)溫(wen)(wen)試(shi)驗；劉成(cheng)[9]利用Ansys 有(you)限元分析法，對(dui)鐵水(shui)包(bao)(bao)空包(bao)(bao)、重(zhong)包(bao)(bao)加蓋的(de)情況進行(xing)了(le)數值(zhi)(zhi)模擬，得出(chu)保(bao)溫(wen)(wen)蓋對(dui)空包(bao)(bao)熱狀態的(de)改變(bian)和減少鐵水(shui)溫(wen)(wen)降(jiang)值(zhi)(zhi)的(de)相(xiang)關(guan)(guan)結(jie)論。

相比于(yu)(yu)鋼水(shui)溫(wen)(wen)降分(fen)析(xi)[10]、溫(wen)(wen)度補償模(mo)型(xing)[11]和鋼包熱(re)狀態(tai)分(fen)級[12]等(deng)(deng)已有(you)研(yan)究成果，鐵水(shui)及鐵水(shui)包的數值模(mo)擬研(yan)究有(you)價值結論較少，對于(yu)(yu)加(jia)蓋保溫(wen)(wen)效果的合理時(shi)間段、最(zui)佳保溫(wen)(wen)效果部位及鐵水(shui)減(jian)少溫(wen)(wen)降等(deng)(deng)仍缺乏更準確的研(yan)究。

本文(wen)以某廠230 t 多功(gong)能(neng)鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)為(wei)研究(jiu)對象(xiang)，構建求(qiu)解模型并利用fluent 有(you)限體積法進行運輸過(guo)(guo)程(cheng)的(de)(de)傳熱(re)計算。分別分析(xi)了保(bao)溫蓋對多功(gong)能(neng)鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)空包(bao)(bao)返回5 h 過(guo)(guo)程(cheng)中以及重包(bao)(bao)運輸1 h 過(guo)(guo)程(cheng)的(de)(de)溫降(jiang)規律(lv)影響(xiang)，將加蓋前后(hou)鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)包(bao)(bao)殼溫度場的(de)(de)變化進行對比討(tao)論(lun)，并進行了現場實測驗(yan)證。對多功(gong)能(neng)鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)加蓋設備的(de)(de)保(bao)溫效果進行量化，為(wei)減(jian)少鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)溫降(jiang)、進一步完善“一包(bao)(bao)到(dao)底”模式提(ti)供參考和理論(lun)支持。

1 鐵水包的模型處理

1. 1 鐵水包結構分析

多功(gong)能鐵(tie)(tie)水(shui)包兩(liang)側分別有一(yi)(yi)個耳軸，用(yong)于鐵(tie)(tie)水(shui)包的(de)吊運。規(gui)格為(wei)230 t的(de)鐵(tie)(tie)水(shui)包高(gao)度約為(wei)6.2 m，包底(di)呈近似的(de)橢圓形寬度約為(wei)3.9 m，部(bu)分鐵(tie)(tie)水(shui)包下方設有一(yi)(yi)個專(zhuan)供鐵(tie)(tie)水(shui)包機車牽引的(de)牽引架。鐵(tie)(tie)水(shui)包包壁一(yi)(yi)般是(shi)由工作(zuo)層(ceng)(ceng)、永久層(ceng)(ceng)、保(bao)溫(wen)層(ceng)(ceng)和包殼(ke)組成(cheng)，而包底(di)一(yi)(yi)般沒(mei)有保(bao)溫(wen)層(ceng)(ceng)，其他層(ceng)(ceng)在包壁和包底(di)上的(de)砌(qi)筑厚(hou)度各不一(yi)(yi)樣。

根據查閱材(cai)(cai)料(liao)手(shou)冊[13]，鐵(tie)水包(bao)(bao)各層耐火材(cai)(cai)料(liao)種類(lei)及厚度見表1，圖1 是(shi)以某(mou)廠230 t 鐵(tie)水包(bao)(bao)為(wei)對象所建立的三維鐵(tie)水包(bao)(bao)模型示意(yi)圖。該廠鐵(tie)包(bao)(bao)運輸方式為(wei)起(qi)重機＋過跨車(che)，模型中(zhong)省(sheng)略(lve)了機車(che)牽引架，以及左右兩側的耳軸。

1. 2 鐵水(shui)包熱(re)損(sun)分析

鐵(tie)水(shui)從高爐出鐵(tie)后，經(jing)歷出鐵(tie)、運(yun)輸(shu)、扒渣、脫硫處(chu)理、轉爐兌鐵(tie)以及過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)可能(neng)的(de)等(deng)待時間，鐵(tie)水(shui)在(zai)(zai)各個環節(jie)都有不同程(cheng)度(du)的(de)溫(wen)(wen)降(jiang)(jiang)。本次試驗(yan)不考慮人為操作等(deng)影響所導致的(de)鐵(tie)水(shui)溫(wen)(wen)降(jiang)(jiang)，僅對鐵(tie)水(shui)在(zai)(zai)運(yun)輸(shu)或等(deng)待過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)溫(wen)(wen)降(jiang)(jiang)進行(xing)計算分析。

在這種情(qing)況下，鐵(tie)(tie)水(shui)熱(re)(re)(re)量損失主要(yao)包(bao)括3 個方面：（1）鐵(tie)(tie)水(shui)與(yu)鐵(tie)(tie)水(shui)包(bao)耐火材料(liao)(liao)之間的對(dui)(dui)流換熱(re)(re)(re)，導(dao)致耐材及(ji)包(bao)殼溫度的升高，即(ji)材料(liao)(liao)蓄熱(re)(re)(re)造成的熱(re)(re)(re)損；（2）鐵(tie)(tie)水(shui)包(bao)包(bao)殼以(yi)輻射換熱(re)(re)(re)和對(dui)(dui)流換熱(re)(re)(re)的方式對(dui)(dui)外(wai)界進行(xing)散(san)熱(re)(re)(re)；（3）若(ruo)無包(bao)蓋(gai)，則(ze)有(you)渣(zha)層(ceng)與(yu)包(bao)內壁(bi)對(dui)(dui)外(wai)進行(xing)散(san)熱(re)(re)(re)，若(ruo)有(you)包(bao)蓋(gai)則(ze)為渣(zha)層(ceng)與(yu)內壁(bi)對(dui)(dui)包(bao)蓋(gai)進行(xing)輻射換熱(re)(re)(re)和對(dui)(dui)流換熱(re)(re)(re)。

1. 3 鐵水(shui)包熱物性(xing)參數

根據(ju)查閱手冊鐵水(shui)包各部(bu)分(fen)(fen)耐材不同溫(wen)度點(dian)的(de)導熱(re)系(xi)數(shu)，分(fen)(fen)別繪制導熱(re)系(xi)數(shu)與溫(wen)度、比熱(re)容(rong)(rong)與溫(wen)度的(de)曲線，得到各部(bu)分(fen)(fen)導熱(re)系(xi)數(shu)、比熱(re)容(rong)(rong)與溫(wen)度的(de)對應(ying)關系(xi)，見表2。由于(yu)隨溫(wen)度變化的(de)物(wu)性參數(shu)與溫(wen)度均為線性關系(xi)，在(zai)進行數(shu)值模擬過程中這部(bu)分(fen)(fen)物(wu)性參數(shu)設置選擇為逐段(duan)線性（piecewise-linear），即分(fen)(fen)別選取(qu)6個溫(wen)度點(dian)所(suo)對應(ying)的(de)熱(re)物(wu)性參數(shu)輸(shu)入。

2 計算模型及加載初始條件

2. 1 鐵(tie)水包有限元模型

根據某廠提供(gong)230 t 鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包數據，以及(ji)建模(mo)(mo)(mo)假設(she)的簡化處(chu)理。忽略耳(er)軸(zhou)、牽引架等額外部件，由于鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包基本呈軸(zhou)對(dui)稱，同時為(wei)減少(shao)計算量，取鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包二維軸(zhou)對(dui)稱模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)為(wei)研究(jiu)對(dui)象，二維幾何模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)如圖1 所示，使用ANSYS ICEM 建立(li)230 t 二維鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)，劃分(fen)網格并選擇fluent 求解(jie)器導(dao)出(chu)。進行瞬(shun)態溫(wen)度場分(fen)析，各工況鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)如圖2 所示。模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)包體(ti)由外到里依次是：包殼、永(yong)久層(ceng)(ceng)(ceng)、工作層(ceng)(ceng)(ceng)，圖2 中(zhong)（a）、（c）鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包內(nei)(nei)下層(ceng)(ceng)(ceng)為(wei)鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)、上層(ceng)(ceng)(ceng)為(wei)空(kong)氣，圖2 中(zhong)（a）、（b）最頂層(ceng)(ceng)(ceng)為(wei)保(bao)溫(wen)蓋(gai)，其(qi)厚(hou)度為(wei)320 mm，材質內(nei)(nei)層(ceng)(ceng)(ceng)為(wei)納米材料外層(ceng)(ceng)(ceng)為(wei)鋼(gang)板。為(wei)盡可能貼近(jin)實際(ji)情況，模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)包蓋(gai)與包體(ti)之間留有120 mm空(kong)隙。

圖3 所示為(wei)所劃分的結構化網(wang)格包底細節(jie)及相(xiang)關尺寸，由(you)于(yu)尺寸比(bi)例原因，已(yi)將中間部(bu)分截去省略，其(qi)中加(jia)蓋(gai)(gai)鐵水包二維模型(xing)(xing)包含了23 680 個(ge)網(wang)格單(dan)元和(he)22 176 個(ge)節(jie)點(dian)(dian)數(shu)，表3 為(wei)模型(xing)(xing)網(wang)格單(dan)元的部(bu)分重要(yao)質量參數(shu)比(bi)例，基本滿足(zu)(zu)計(ji)算所需精度。其(qi)他工況的鐵水包模型(xing)(xing)是在加(jia)蓋(gai)(gai)模型(xing)(xing)基礎(chu)上修改或刪除多余單(dan)元，其(qi)余部(bu)分節(jie)點(dian)(dian)數(shu)不變(bian)，同樣滿足(zu)(zu)本次(ci)計(ji)算要(yao)求(qiu)[14]。

多功能鐵水包為不(bu)完全規(gui)則容器(qi)，在(zai)進行傳熱計算模擬前，將對傳熱計算影響較小的單元(yuan)做簡化處理(li)，并為了簡化數學模型(xing)作(zuo)出如下假設條(tiao)件：

（1）不考慮耳軸、牽(qian)引架等(deng)部分，并將鐵包(bao)包(bao)口簡化處理成(cheng)在(zai)同一水平面高(gao)度。

（2）由于(yu)鐵(tie)水表面基(ji)本(ben)無流(liu)動(dong)，且由于(yu)表面渣層和覆蓋保溫(wen)劑的作用，將鐵(tie)水表面視為壁面，鐵(tie)水表面無流(liu)動(dong)。

（3）忽(hu)略各層耐(nai)火(huo)材料之間(jian)的接觸(chu)熱阻及外表面熱阻。

（4）鐵(tie)水包耐材的參數(shu)只考慮導(dao)熱系(xi)數(shu)λ 和(he)比熱容c 及密(mi)度ρ，忽略熱膨脹系(xi)數(shu)和(he)其(qi)他導(dao)熱參數(shu)對鐵(tie)水包的影(ying)響。

（5）不考慮實際(ji)環境天氣的變化，假設(she)鐵水包始終處于300 K的自然環境中。

2. 2 模擬試(shi)驗內容(rong)及步(bu)驟

模(mo)擬試(shi)驗(yan)(yan)的(de)內(nei)容(rong)主(zhu)要(yao)包括3 個方面：鐵水(shui)包加蓋前后的(de)空包熱狀(zhuang)態(tai)模(mo)擬研究；保(bao)溫(wen)(wen)蓋對重包運輸鐵水(shui)溫(wen)(wen)降影響研究；保(bao)溫(wen)(wen)蓋的(de)綜合保(bao)溫(wen)(wen)效果分析(xi)。根據試(shi)驗(yan)(yan)內(nei)容(rong)計劃本次試(shi)驗(yan)(yan)模(mo)擬的(de)主(zhu)要(yao)步(bu)驟如下：

（1）先對鐵(tie)水(shui)(shui)包空(kong)包進行5 h（空(kong)包平均(jun)周(zhou)(zhou)轉時(shi)間(jian)）自(zi)然冷卻模(mo)擬(ni)，再(zai)向鐵(tie)水(shui)(shui)包內加(jia)載1 783 K的鐵(tie)水(shui)(shui)模(mo)擬(ni)1 h（重(zhong)包平均(jun)運行時(shi)間(jian)），這樣反復3 次(ci)模(mo)擬(ni)鐵(tie)水(shui)(shui)包3 次(ci)運行周(zhou)(zhou)期(qi)，使得整個鐵(tie)水(shui)(shui)包包體各個部分的溫度達到周(zhou)(zhou)轉過程中的實際溫度。

（2）在(zai)反復模擬3 次后(hou)，在(zai)空包中(zhong)倒(dao)入1 783 K的(de)鐵水(shui)，并選取鐵水(shui)中(zhong)部的(de)一點進行溫度監控(kong)，模擬得出1 h 內鐵水(shui)溫降(jiang)速率(lv)和(he)溫降(jiang)曲線。

（3）然(ran)后對加蓋鐵(tie)水包(bao)重復第(di)一、二(er)步驟，模擬得出加蓋鐵(tie)水包(bao)的鐵(tie)水溫降速率和溫降曲線。

（4）比較保溫(wen)蓋在空(kong)包運行(xing)過程中對包體溫(wen)降的(de)改善，以及鐵(tie)(tie)水包包體溫(wen)度的(de)改善對下(xia)次周轉鐵(tie)(tie)水溫(wen)降的(de)影響。

2. 3 主要邊界條(tiao)件設置

因為假設條件(jian)（5）中認定鐵水包(bao)始終處(chu)在300 K的恒溫環境中，而在工程(cheng)計算中，壁溫tw 恒定時大空間對流換熱采用試驗關聯式(shi)[15]見式(shi)（1）。

平板對流換(huan)熱(re)中格拉曉夫數計(ji)算公式見式（2）：

式中：Nu 為(wei)努塞爾(er)總(zong)準(zhun)數(shu)；下角標“m”表示(shi)選(xuan)取邊界層平均溫度(du)(du)(du)為(wei)定性(xing)溫度(du)(du)(du)，Gr 為(wei)格拉曉夫(fu)數(shu)；β 為(wei)體積膨(peng)脹(zhang)系(xi)數(shu)；L 為(wei)定形(xing)尺寸；Δt 為(wei)壁面溫度(du)(du)(du)與(yu)流(liu)體的平均溫度(du)(du)(du)差；v 為(wei)流(liu)體的運動(dong)黏度(du)(du)(du)；C、n 為(wei)試(shi)驗常數(shu)；Pr 為(wei)普朗物常數(shu)。

根(gen)據查(cha)表以及經(jing)驗公式計(ji)(ji)算[16]得到鐵水包(bao)包(bao)殼外表面、包(bao)蓋以及包(bao)底與環境的對流換(huan)熱系(xi)數，發射率等其他傳熱參數根(gen)據經(jing)驗以及查(cha)閱相(xiang)關材料文獻進行設(she)定。求解(jie)器選擇的是二維(wei)單精(jing)度(du)求解(jie)器，即可(ke)滿足計(ji)(ji)算要求。迭代運算時間步長(chang)（TimeStep Size）設(she)置(zhi)為1 s，每步長(chang)計(ji)(ji)算次數（Max Iterations/Time Step）為20次。

在加蓋模(mo)擬階段，因(yin)為考(kao)慮鐵水(shui)包內氣體受熱膨脹(zhang)且密度減(jian)小，包蓋與(yu)鐵水(shui)包之間縫隙的邊(bian)界(jie)條(tiao)(tiao)件(jian)(jian)設置為壓力(li)出口(kou)（pressure outlet），根據第二條(tiao)(tiao)假設條(tiao)(tiao)件(jian)(jian)，在重(zhong)包傳(chuan)熱計(ji)算時鐵水(shui)表面邊(bian)界(jie)條(tiao)(tiao)件(jian)(jian)設置為壁(bi)面傳(chuan)熱（wall）。在不加蓋模(mo)擬階段，鐵水(shui)包包口(kou)處邊(bian)界(jie)條(tiao)(tiao)件(jian)(jian)設置為壓力(li)出口(kou)。

2. 4 控制(zhi)方程

由(you)于(yu)本(ben)次數值計(ji)算(suan)中(zhong)流(liu)體(ti)流(liu)動較為緩慢，同時鐵(tie)水(shui)為不(bu)可(ke)(ke)壓縮流(liu)體(ti)，所以(yi)fluent 計(ji)算(suan)中(zhong)選(xuan)擇適(shi)用于(yu)低(di)速、不(bu)可(ke)(ke)壓縮流(liu)體(ti)的基于(yu)壓力求解(jie)器（Pressure-Based）。Fluent 軟件中(zhong)流(liu)體(ti)運動及換熱的控制方程主要有以(yi)下(xia)3個：

連續方程：

式(shi)中：ρ 為流體密度，ui 為流體速度沿(yan)i 方(fang)向的(de)(de)分量；xi 為微元體沿(yan)i 方(fang)向的(de)(de)邊長；t 為時間。連續方(fang)程(cheng)又(you)稱(cheng)質量守恒(heng)方(fang)程(cheng)。

動量守(shou)恒方程(cheng)：

式(shi)中：p 為(wei)(wei)靜壓力(li)；τij 為(wei)(wei)應(ying)力(li)矢量；gi 為(wei)(wei)i 方向的(de)重力(li)分量；Fi 為(wei)(wei)由于阻(zu)力(li)和能源(yuan)而引(yin)起(qi)的(de)其他(ta)能源(yuan)項；ui 為(wei)(wei)流體(ti)速度沿(yan)j 方向的(de)分量；xj 為(wei)(wei)應(ying)力(li)沿(yan)j方向的(de)距離(li)。

能量守恒方程：

式中：h 為熵(shang)；k 為分子傳(chuan)導(dao)率；kt 為由于湍流傳(chuan)遞而引(yin)起的傳(chuan)導(dao)率；Sh 為定義的體積源；T 為溫度(du)。

3 試驗結果分析及驗證

在所有模擬試驗中(zhong)(zhong)，檢(jian)測(ce)點位置(zhi)(zhi)始終保持不變，無論加蓋與否，均(jun)選擇3 個溫(wen)度(du)(du)檢(jian)測(ce)點B、C、D，如圖4 所示。鐵水包(bao)內襯(chen)上部(bu)溫(wen)度(du)(du)檢(jian)測(ce)點選在B點位置(zhi)(zhi)，內襯(chen)中(zhong)(zhong)、下部(bu)溫(wen)度(du)(du)監測(ce)點分別在點C、點D處。在模擬重包(bao)鐵水溫(wen)降規律時，無論加蓋與否，鐵水溫(wen)度(du)(du)檢(jian)測(ce)點均(jun)選擇在A點處。

4 模型驗證及空包加蓋效果分析

在完成初步模擬(ni)計算后，為了驗證模型建立的(de)準確性以及假設(she)條件與實際工況的(de)符合(he)程度，本文對某廠230 t 鐵(tie)水包（36 號）進行多點跟蹤測溫(wen)，調研測溫(wen)數據(ju)包括鐵(tie)水包無蓋(gai)空(kong)包內(nei)襯中(zhong)部溫(wen)降和鐵(tie)水包加蓋(gai)空(kong)包內(nei)襯中(zhong)部溫(wen)降。

圖5 和圖6 所示分別(bie)為鐵水包空包加(jia)蓋前后內壁中部溫(wen)(wen)(wen)(wen)降(jiang)曲(qu)線(xian)，同時將該廠(chang)調研測溫(wen)(wen)(wen)(wen)數據點擬(ni)(ni)合(he)成溫(wen)(wen)(wen)(wen)降(jiang)曲(qu)線(xian)，并與模(mo)擬(ni)(ni)結果比較，發現模(mo)擬(ni)(ni)溫(wen)(wen)(wen)(wen)降(jiang)趨勢與實際(ji)測溫(wen)(wen)(wen)(wen)情(qing)況(kuang)(kuang)最大(da)誤(wu)差值為36 K，相(xiang)(xiang)對(dui)誤(wu)差值小于5%，驗證了(le)無蓋模(mo)型的準確性。從模(mo)擬(ni)(ni)結果可以看出，在(zai)不加(jia)蓋情(qing)況(kuang)(kuang)下鐵水包初始溫(wen)(wen)(wen)(wen)降(jiang)速率(lv)相(xiang)(xiang)對(dui)較大(da)，在(zai)經過幾小時自(zi)然冷卻后，溫(wen)(wen)(wen)(wen)降(jiang)趨于平(ping)緩。整體變(bian)化(hua)趨勢與實際(ji)溫(wen)(wen)(wen)(wen)降(jiang)趨勢相(xiang)(xiang)近，表明假(jia)設條(tiao)件不影響(xiang)模(mo)擬(ni)(ni)計算，與實際(ji)工況(kuang)(kuang)符合(he)程度較高。

根據鐵(tie)(tie)水包加(jia)(jia)蓋前后(hou)5 h 內的(de)包壁(bi)溫降(jiang)速率(lv)(lv)對比(bi)圖(tu)，如圖(tu)7 所示(shi)，再(zai)次證明了(le)保溫蓋在轉爐兌完鐵(tie)(tie)的(de)一(yi)段(duan)時(shi)間內，加(jia)(jia)蓋鐵(tie)(tie)水包包壁(bi)溫降(jiang)速率(lv)(lv)相(xiang)對更(geng)低(di)，該段(duan)時(shi)間內保溫效果(guo)(guo)更(geng)為明顯。在空(kong)(kong)包加(jia)(jia)蓋超過3 h 后(hou)，加(jia)(jia)蓋前后(hou)鐵(tie)(tie)水包內壁(bi)中部溫降(jiang)速率(lv)(lv)基本相(xiang)同，空(kong)(kong)包加(jia)(jia)蓋的(de)保溫效果(guo)(guo)不再(zai)明顯。

將加(jia)蓋(gai)前后5 h 末(mo)內壁上(shang)、中、下各(ge)點溫(wen)(wen)(wen)度(du)值(zhi)(zhi)列出(chu)，見表4，并(bing)計算(suan)各(ge)部(bu)加(jia)蓋(gai)前后溫(wen)(wen)(wen)差值(zhi)(zhi)。可(ke)以發現，靠(kao)近(jin)包(bao)沿處(chu)的(de)內壁上(shang)部(bu)在(zai)不加(jia)蓋(gai)情況下溫(wen)(wen)(wen)度(du)最(zui)低為(wei)655 K、熱量損失最(zui)多(duo)，加(jia)蓋(gai)前后溫(wen)(wen)(wen)差為(wei)194 K，靠(kao)近(jin)包(bao)底(di)的(de)內壁下部(bu)溫(wen)(wen)(wen)度(du)值(zhi)(zhi)在(zai)加(jia)蓋(gai)前后溫(wen)(wen)(wen)差為(wei)54 K。由(you)此可(ke)見，在(zai)空包(bao)運(yun)行過程(cheng)中添加(jia)保溫(wen)(wen)(wen)蓋(gai)，對鐵(tie)水(shui)包(bao)各(ge)部(bu)位都有一(yi)定程(cheng)度(du)的(de)保溫(wen)(wen)(wen)效果，且靠(kao)近(jin)鐵(tie)水(shui)包(bao)包(bao)沿處(chu)的(de)保溫(wen)(wen)(wen)效果最(zui)佳。

4. 1 重包加(jia)蓋結果(guo)與分析

在鐵(tie)水包反(fan)復模擬(ni)(ni)3 個運(yun)行(xing)周期之(zhi)后，鐵(tie)水包各部分(fen)溫(wen)(wen)度基本達到實際運(yun)行(xing)周轉時的溫(wen)(wen)度，再繼續(xu)模擬(ni)(ni)計算該鐵(tie)水包下一周期中的傳熱(re)過程，并對鐵(tie)水中部一點(dian)（圖4 中點(dian)A）選取為(wei)溫(wen)(wen)度監測(ce)點(dian)，溫(wen)(wen)度變化曲線如(ru)圖8和(he)圖9所(suo)示。

未加(jia)蓋(gai)情況(kuang)下(xia)，鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)1 h 內溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)由(you)1 783 K降至1 737 K；加(jia)蓋(gai)情況(kuang)下(xia)，鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)1 h 內溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)由(you)1 783 K降至1 750 K。重(zhong)包(bao)(bao)加(jia)蓋(gai)結(jie)果表明：鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包(bao)(bao)增(zeng)設保(bao)溫(wen)(wen)(wen)蓋(gai)后(hou)，鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)60 min 溫(wen)(wen)(wen)降由(you)46 變為(wei)33 K，減小鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)溫(wen)(wen)(wen)降13 K。由(you)于在鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)運輸過程(cheng)中，鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)物理熱(re)損(sun)失主要分為(wei)3 個部分：50%鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)表面(mian)散熱(re)；30%鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)包(bao)(bao)蓄熱(re)；20%外殼散熱(re)[2]。重(zhong)包(bao)(bao)過程(cheng)中加(jia)蓋(gai)極大的減少了鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)表面(mian)對外的輻射(she)和對流換熱(re)量(liang)，保(bao)溫(wen)(wen)(wen)蓋(gai)效果體現在鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)(shui)溫(wen)(wen)(wen)降上大小為(wei)13 K/h。

根據加蓋(gai)前(qian)后(hou)鐵水1 h 內(nei)的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)(wen)降速(su)率對比如圖10 所示，剛(gang)接(jie)鐵水時(shi)加蓋(gai)與不加蓋(gai)情況下鐵水初始溫(wen)(wen)(wen)(wen)降速(su)率相(xiang)差較(jiao)大(da)，最主(zhu)要的(de)(de)(de)原因是無(wu)蓋(gai)鐵水包(bao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度較(jiao)低、接(jie)鐵后(hou)第一時(shi)間(jian)的(de)(de)(de)蓄熱(re)量(liang)較(jiao)大(da)，導致(zhi)初始溫(wen)(wen)(wen)(wen)降速(su)率偏大(da)。同(tong)時(shi)說明了保溫(wen)(wen)(wen)(wen)蓋(gai)不僅(jin)在重包(bao)運(yun)行階段的(de)(de)(de)重要性(xing)，在空(kong)包(bao)返回過程中(zhong)保溫(wen)(wen)(wen)(wen)蓋(gai)在一定時(shi)間(jian)內(nei)同(tong)樣具有較(jiao)好的(de)(de)(de)保溫(wen)(wen)(wen)(wen)的(de)(de)(de)效果，確(que)保下一周期的(de)(de)(de)鐵水運(yun)輸過程中(zhong)鐵水包(bao)具有更(geng)高的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度。

4. 2 保溫效果綜合分(fen)析(xi)

根據(ju)5 h 鐵水(shui)包空包運行溫(wen)(wen)(wen)降曲線可以(yi)直觀地發現，加蓋前(qian)后5 h 末的鐵水(shui)包溫(wen)(wen)(wen)度(du)實際(ji)相差不大僅為100 K左右，根據(ju)加蓋前(qian)后鐵水(shui)包壁中部(bu)溫(wen)(wen)(wen)度(du)差繪(hui)出保(bao)溫(wen)(wen)(wen)蓋效果圖如圖11所示。

從保(bao)溫(wen)效果(guo)圖(tu)（圖(tu)11）可(ke)以(yi)看出，在空包(bao)運行的3 h 之內(nei)，加(jia)蓋前(qian)后(hou)包(bao)壁中部即監測點B位置的溫(wen)差最(zui)高可(ke)達150 K。在相同(tong)空包(bao)時(shi)間內(nei)，鐵水(shui)包(bao)耐(nai)材溫(wen)降的減小，使得(de)后(hou)續裝載鐵水(shui)過(guo)程中，因包(bao)襯蓄熱而(er)(er)從鐵水(shui)傳(chuan)遞至包(bao)襯的熱量減小，因而(er)(er)鐵水(shui)溫(wen)降減小。空包(bao)運行時(shi)間達到3 h，能使保(bao)溫(wen)蓋發揮最(zui)好(hao)的保(bao)溫(wen)效果(guo)。

針對加(jia)(jia)蓋(gai)前后(hou)包(bao)壁上(shang)(shang)(shang)下(xia)部(bu)(bu)溫度(du)進行對比，對比如圖12 所示(shi)。圖12 為不加(jia)(jia)蓋(gai)和加(jia)(jia)蓋(gai)情況下(xia)，鐵(tie)(tie)(tie)水包(bao)空包(bao)返回接鐵(tie)(tie)(tie)口(kou)的(de)(de)(de)5 h 末(mo)包(bao)壁上(shang)(shang)(shang)下(xia)部(bu)(bu)溫度(du)圖。如表(biao)4 中所示(shi)，在鐵(tie)(tie)(tie)包(bao)返回接鐵(tie)(tie)(tie)口(kou)的(de)(de)(de)5 h 運輸時間末(mo)，未(wei)加(jia)(jia)蓋(gai)鐵(tie)(tie)(tie)包(bao)上(shang)(shang)(shang)下(xia)部(bu)(bu)溫差(cha)(cha)205 K，加(jia)(jia)蓋(gai)鐵(tie)(tie)(tie)包(bao)上(shang)(shang)(shang)下(xia)部(bu)(bu)溫差(cha)(cha)為65 K，減小(xiao)(xiao)鐵(tie)(tie)(tie)包(bao)上(shang)(shang)(shang)下(xia)部(bu)(bu)溫差(cha)(cha)140 K。由鐵(tie)(tie)(tie)包(bao)耐材壽(shou)命研究的(de)(de)(de)相(xiang)關文獻(xian)[17]指出(chu)，熱應力是耐材損壞(huai)的(de)(de)(de)重要因素之(zhi)一，而產生熱應力的(de)(de)(de)主要原因就(jiu)是溫度(du)梯(ti)度(du)。鐵(tie)(tie)(tie)水包(bao)不同(tong)部(bu)(bu)位耐材的(de)(de)(de)溫差(cha)(cha)較大(da)，產生熱應力會(hui)損害(hai)包(bao)襯(chen)耐材，且(qie)低(di)溫部(bu)(bu)分在接鐵(tie)(tie)(tie)時由于與(yu)鐵(tie)(tie)(tie)水溫差(cha)(cha)大(da)爐(lu)襯(chen)易被(bei)鐵(tie)(tie)(tie)水侵蝕。保溫蓋(gai)則(ze)極大(da)地(di)提高了鐵(tie)(tie)(tie)包(bao)上(shang)(shang)(shang)部(bu)(bu)溫度(du)194 K，同(tong)時減小(xiao)(xiao)鐵(tie)(tie)(tie)包(bao)上(shang)(shang)(shang)下(xia)部(bu)(bu)內襯(chen)溫差(cha)(cha)140 K，有效減小(xiao)(xiao)了因熱應力所導致的(de)(de)(de)包(bao)襯(chen)耐火(huo)材料損傷(shang)。延長(chang)鐵(tie)(tie)(tie)包(bao)耐材使(shi)用(yong)壽(shou)命，對減少修包(bao)頻率、提高包(bao)齡有著重要作(zuo)用(yong)。

4. 3 實測(ce)驗證(zheng)

為(wei)(wei)(wei)了對模擬結(jie)(jie)果進(jin)行(xing)(xing)(xing)驗證，選定某廠230 （t 36號）鐵(tie)(tie)水包(bao)進(jin)行(xing)(xing)(xing)滿包(bao)鐵(tie)(tie)水溫(wen)度(du)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)定。制(zhi)定了簡要的(de)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)溫(wen)方(fang)案：滿包(bao)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)定間(jian)隔(ge)(ge)時(shi)(shi)間(jian)為(wei)(wei)(wei)20 min，總時(shi)(shi)長(chang)為(wei)(wei)(wei)2 h；空包(bao)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)定間(jian)隔(ge)(ge)時(shi)(shi)間(jian)為(wei)(wei)(wei)20 min，總時(shi)(shi)長(chang)為(wei)(wei)(wei)5 h。測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)溫(wen)內(nei)(nei)容(rong)主要包(bao)括：（1）空包(bao)不加(jia)蓋(gai)狀(zhuang)態(tai)下(xia)(xia)包(bao)襯溫(wen)度(du)；（2）空包(bao)加(jia)蓋(gai)狀(zhuang)態(tai)下(xia)(xia)包(bao)襯溫(wen)度(du)；（3）滿包(bao)不加(jia)蓋(gai)狀(zhuang)態(tai)下(xia)(xia)鐵(tie)(tie)水溫(wen)度(du)；（4）滿包(bao)加(jia)蓋(gai)狀(zhuang)態(tai)下(xia)(xia)鐵(tie)(tie)水溫(wen)度(du)。測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)溫(wen)內(nei)(nei)容(rong)中（1）、（2）空包(bao)部分(fen)已經在圖(tu)(tu)(tu)5 和圖(tu)(tu)(tu)6中與模擬結(jie)(jie)果共(gong)同繪出，以(yi)進(jin)行(xing)(xing)(xing)比較。圖(tu)(tu)(tu)13 所示(shi)為(wei)(wei)(wei)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)溫(wen)內(nei)(nei)容(rong)第(di)（3）、（4）部分(fen)內(nei)(nei)容(rong)鐵(tie)(tie)水測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)溫(wen)。由(you)于出鐵(tie)(tie)過程溫(wen)度(du)無法精確控制(zhi)，以(yi)及加(jia)蓋(gai)設(she)備等(deng)操(cao)作(zuo)影響，導致實(shi)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)起始點(dian)溫(wen)度(du)并不完(wan)全相同，但在誤差可接受范圍內(nei)(nei)可以(yi)進(jin)行(xing)(xing)(xing)驗證。

保溫效果(guo)驗(yan)證(zheng)結(jie)(jie)果(guo)見表5。由表5 中可以看出，模擬結(jie)(jie)果(guo)與實(shi)際驗(yan)證(zheng)情況存(cun)在一定誤差。分析原因主要是由于模擬與實(shi)測鐵(tie)水(shui)起始溫度(du)(du)不同，模擬過程鐵(tie)水(shui)溫度(du)(du)比實(shi)際略高、溫降(jiang)速率更大，所以保溫效果(guo)更為(wei)明顯。但相對誤差值(zhi)在允許范圍之內，驗(yan)證(zheng)了整個試驗(yan)的準確性。

5 結論

（1）通過對某廠多功能(neng)鐵水包進行實際(ji)測溫，并與模(mo)擬計算(suan)結果進行比較，計算(suan)結果與實測數據(ju)相對誤差值小于5%，驗證本次數值模(mo)擬假設條件的(de)可行性及模(mo)型的(de)準確(que)性。

（2）鐵(tie)水包在空(kong)包運行階段加蓋，能有(you)效(xiao)提高下(xia)次接(jie)鐵(tie)時的鐵(tie)包整體溫(wen)度。鐵(tie)包加蓋后(hou)上、中、下(xia)部溫(wen)度分(fen)別提高194、126、54 K，有(you)效(xiao)改善(shan)空(kong)包熱狀態，減(jian)少下(xia)次承接(jie)鐵(tie)水時鐵(tie)包的耐材(cai)蓄(xu)熱量。

（3）鐵水(shui)包(bao)在(zai)空包(bao)運行(xing)階段加蓋，能(neng)有效降(jiang)(jiang)低鐵水(shui)包(bao)包(bao)襯上下部溫差140 K，減(jian)小鐵水(shui)包(bao)包(bao)襯由于溫度梯(ti)度所(suo)產生(sheng)的(de)熱應(ying)力，從(cong)而降(jiang)(jiang)低熱應(ying)力所(suo)導致的(de)耐材(cai)損耗，有效保護鐵水(shui)包(bao)耐火材(cai)料(liao)、降(jiang)(jiang)低修(xiu)包(bao)頻率。

（4）根(gen)據鐵水包空包加(jia)蓋前后，包壁中部B 點(dian)溫差ΔTB 隨時(shi)間(jian)變化規律可知：ΔTB 隨時(shi)間(jian)變化呈現先增大后減小的趨勢，且在(zai)空包3 h 時(shi)達到(dao)最(zui)(zui)大值ΔTB max＝150 K 。即空包加(jia)蓋運(yun)行3 h 左右，包蓋保溫效果得到(dao)最(zui)(zui)大化，空包運(yun)輸時(shi)間(jian)應(ying)盡可能(neng)控制3 h以內最(zui)(zui)為合理。

（5）空(kong)包在返回過(guo)程(cheng)中增設保溫(wen)(wen)蓋(gai)，能有效提高接鐵(tie)(tie)時的(de)鐵(tie)(tie)包溫(wen)(wen)度，減(jian)(jian)少(shao)耐材蓄(xu)熱；且(qie)同時在重包運行過(guo)程(cheng)中加蓋(gai)，每小時能減(jian)(jian)少(shao)鐵(tie)(tie)水(shui)溫(wen)(wen)降約(yue)13 K，全程(cheng)加蓋(gai)保溫(wen)(wen)效果顯著。