摘要：通过建立钢包传热数学模型，计算了重钢炼钢厂80 t钢包热损失与外表面温度，计算结果与实测值基本符合。利用此模型，分析了钢包壁、包底、覆盖剂材质及厚度对热损失的影响，提出了降低钢包热损失的主要途径，为重钢炼钢厂减少钢水温降提供了依据。
关键词：钢包；热分析；钢水；温降
钢包作为炼钢工序与连铸工序之间的盛钢容器，其在生产周转过程的热状态，直接影响着出钢和盛钢过程钢水温度的变化。钢水从转炉出钢到浇注结束的全过程可分为以下几个阶段：转炉出钢至钢包，钢包静置调运至LF处理，处理完毕调运待浇，钢包开浇至浇注完毕。钢包在各阶段的热状态不尽相同，影响钢水温度变化的因素也就有所不同。出钢完毕，钢水运送到精炼站，期间存在1个静置调运阶段，此刻炉渣上浮至钢水表面形成渣层，并在渣面加碳化稻壳等作为保温剂。钢水通过包壁、包底、渣层向外传热。王明林等的研究发现：当钢液面裸露、80t钢水运输5 min时，钢水温度从1 598℃降到1 577．89℃；而钢水表面覆盖有80 mm厚液渣和40 mm厚碳化稻壳时，80 t钢水5 min内温度降低仅为2．3℃。鲁开疑对连铸钢液温度变化规律及控制的研究认为：从出钢到浇注前的过程中，钢液镇静时间虽然很短，但在全过程中其热损失最大。对数炉钢液在钢包中温度变化的统计结果表明，出钢后镇静期间钢液温降最大，镇静过程约降温30～40℃。因此，对镇静期间钢包的热状态进行定量分析，可为降低静置调运过程中钢水的温降提供依据。
1 钢包结构及其特性参数
重庆钢铁(集团)有限责任公司炼钢厂(以下简称重钢炼钢厂)80 t钢包结构参数见表1，钢包结构如图1所示。钢包结构尺寸为：钢包深度(H)3．290 m，内径(D内)2．599 m，按实际盛钢量折算，钢包有效容积(V)为11．96 m3。钢包圆周面积35．144 m2，上口表面积6．304 m2，下底面积5．302 5 m2。
2钢包传热数学模型与计算
建立钢包传热数学模型时，根据钢包结构特点作如下假设：
(1)钢包壁视为无限长圆筒壁，钢包底和渣层视为无限大平壁；
(2)钢包壁、包底、渣层的导热按一维稳态导热计算；
(3)忽略钢包各层耐火材料间及耐火材料与钢壳间的接触热阻；
(4)钢包所用耐火材料、渣层的物性参数不随温度变化；
(5)不考虑钢水热分层现象，假设钢水温度分布均匀。
模型计算中的各材料物性参数见文献。
2．1钢包底及渣层的稳态热模型与计算
2．1．1钢包底及渣层的稳态热模型
钢包底和渣层可视为无限大平壁一维稳态导热过程，对于n层不同材料构成的平壁，其热通量为：
式中，q为热通量，W／m2；t1为包底、渣层内表面温度，℃；tf1为包底、渣层外表面周围空气温度，℃；δi为第i层壁的厚度，m；λi为第i层壁的导热系数，W／(m·℃)；αΣ为辐射传热系数α1与对流传热系数α2之和，W／(m2·℃)。
辐射传热系数：
式中，ε为包底、覆盖剂外表面黑度；t2为包底、覆盖剂外表面温度，℃；Cb为黑体辐射系数，5．67 W／(m2·K4)。
对钢包底，对流传热系数α2按水平板热面朝下的经验公式计算：
α2=0．59[(t2一tf1)／L]1/5。 (3)
式中，L为定型尺寸，m；取包径的0．9倍。
对渣层而言，对流传热系数α2按水平板热面朝上的经验公式计算：
α2=1．36[(t2一tf1)／L]1/4。 (4)
式中，L为定型尺寸，m；取包径的0．9倍。
2．1．2钢包底计算结果
当设定钢液温度为1 560℃，工作层、永久层、钢壳的导热系数分别为1．693 8、0．778、43W／(m·℃)，包底周围空气温度为35℃时，经计算，包底表面温度达到336℃时基本稳定，此时的热量损失为12 704．58 W，热通量为2 395．96 W／m2。当改变其工作层、永久层的导热系数时的热量损失如图2和图3所示。由图2可以看出，在其它条件不变的情况下，随着工作层导热系数的减小，包底热损失减少，工作层的导热系数由5 W／(m·℃)降低到0．8 w／(m·℃)，可以使包底热损失减少40％左右。由图3可以看出，在其它条件不变的情况下，随着永久层导热系数的减小，包底热损失也减少，永久层的导热系数由3 W／(m·℃)降低到0．5W／(m·℃)，可使包底热损失减少60％左右。计算还发现，在其它条件完全相同时，仅改变工作层或永久层的厚度对包底热损失影响不大。
2．1．3钢包渣层计算结果
当设定钢液温度为1 560℃，覆盖剂导热系数为0．035 W／(m·℃)，渣层周围空气温度为35℃时，经计算，渣层表面温度达到322℃时基本稳定，此时的热量损失为5 650．1 W，热通量为1065．6 W／m2。当覆盖剂导热系数由0．2W／(m·℃)降至0．035 w／(m·℃)时，通过渣层的热量损失将减少75％左右，当覆盖剂的厚度由0．02 m增加到0．08 m时，通过渣层的热量损失将减少60％左右。
2．2钢包壁的稳态热模型与计算
2．2．1钢包壁的稳态热模型
将钢包壁按一维圆筒壁稳态导热处理，包壳的热传递主要以对流和辐射向外散热。对于n层不同材料构成的圆筒壁，其热通量为：
式中，q1为热通量，W／m；t1、tf1分别为包壁内表面温度和外表面周围空气温度，℃;ri、ri+1、rn+1。分别为第i层、第i+1层包壁半径及钢包外半径，m；λi为第i层包壁的导热系数，W／(m·℃)；αΣ为辐射传热系数α1与对流传热系数α2之和，W／(m2·℃)。
辐射传热系数α1的计算同公式(2)，其中ε为包壁外表面黑度，t2为包壁外表面温度，℃。对流传热系数α2按垂直圆柱的经验公式计算：
式中，H为定型尺寸，m，取包壁高度。
2．2．2钢包壁计算结果
当设定钢液温度为1 560℃，工作层、永久层、绝热层、钢壳的导热系数分别为1．698 3、0．778、0．1、43 W／(m·℃)，包壁周围空气温度为35℃时，经计算，包壁表面温度达到292℃时基本稳定，此时的热量损失为109762 W，热通量为28 809．16W／m。当绝热层厚度为0．2 m，仅改变绝热层导热系数时，其包壁热损失如图4所示。由图4可以看出，随着绝热层导热系数的减小，包壁热损失减少，导热系数由0．1 W／(m·℃)降低至0．01 W／(m·℃)时，包壁热损失减少80％左右。当绝热层导热系数为0．1 W／(m·℃)，仅改变其厚度时，包壁热损失如图5所示。由图5可以看出，随着绝热层厚度的增大，包壁热损失减少，厚度由0．01 m增加至0．04m时，包壁热损失将减少45％左右。在其它条件不变的情况下，仅改变包壁工作层、永久层的导热系数时，包壁的热损失情况如图6和图7所示。由图6可以看出，随着工作层导热系数的减小，包壁热损失减少，导热系数由5 W／(m·℃)降低至0．8W／(m·℃)时，包壁热损失减少30％左右。由图7可以看出，随着永久层导热系数的减小，包壁热损失也减少，导热系数由3 W／(m·℃)降低至0．5W／(m·℃)时，包壁热损失将减少15％左右。另外，经计算在其它条件相同时，改变工作层或永久层的厚度对包壁热损失的影响不大。
3计算结果分析
经现场测试，不同包役钢包开浇5 min的外表面温度，包壁表面平均温度为272℃，包底表面平均温度为302℃。通过对钢包表面温度计算结果和实测结果进行对比分析可知，计算结果比实测值偏高，相差10％。这主要是由于在计算过程中作了些简化处理的缘故，但模型用于分析钢包热状态还是可行的。计算结果表明：重钢80 t钢包热量损失主要是通过包壁的热损失，它占整个热量损失的85．67％，包底热损失占9．92％，渣层热损失非常小，仅为4．41％。由此可见，通过渣层的热量损失是微不足道的，但是钢液表面加覆盖剂对降低钢液的热损失起着极为重要的作用，尤其是在钢液的运输过程中钢液上面的覆盖剂给钢水表面提供1个隔热层，可以防止钢水表面的辐射散热，且覆盖剂的厚度和导热系数对热量损失也有一定影响。
从计算结果可知，重钢80 t钢包热量损失包壁占了近86％，而包壁导热系数由0．1 W／(m·℃)降低至0．01W/(m·℃)时，包壁热损失减少80％左右；包壁绝热层厚度由0．01 m增加至0．04 m时，包壁热损失减少45％左右；工作层导热系数由5W／(m·℃)降低至0．8 W／(m·℃)时，包壁热损失减少30％左右；永久层导热系数由3 W／(m·℃)降低至0．5W／(m·℃)时，包壁热损失减少15％左右。因此，通过改变绝热层的材质和厚度，对减少包壁热量损失和降低包壁外表面温度起着最重要的作用，而减小绝热层导热系数的效果最明显。在绝热层材质和厚度不变时，改变工作层或永久层的厚度对热损失的影响不大，造成这种现象的原因主要是由于工作层或永久层的导热系数偏高所致，但改变其导热系数时，对热量损失也有一定程度的影响。钢包加与不加隔热层，如包壁和包底，其外表面温度相差近40℃，必然会对钢包热损失产生较大影响，进而也会对钢包内钢水的温降产生较大影响，绝热层导热系数越小对减轻钢水的温降越有利。
4 结论
由上述分析可知：
(1)钢包的热损失主要是通过包壁，而影响包壁热损失的主要因素是绝热层的材质和厚度，通过改善绝热层的材质和厚度可以大幅度降低钢包热量损失和降低钢包外表面温度。
(2)钢包工作层、永久层材质对热损失有一定影响，但其厚度对热损失的影响不大。
(3)覆盖剂对降低渣层的热损失有着重要作用，但其比例仅为钢包总热损失的4．41％。
因此，为减少重钢80 t钢包热损失，可重点从改善绝热层的材质和厚度着手，以降低钢包静置调运过程中钢水的温降。
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