多(duo)功能(neng)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)包技(ji)術是(shi)指(zhi)近些年在(zai)(zai)(zai)高(gao)(gao)爐(lu)-轉(zhuan)爐(lu)區(qu)段(duan)使用的(de)一(yi)種新型鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)運輸(shu)(shu)模(mo)式，即“一(yi)包到底”（也稱為“一(yi)罐到底”）技(ji)術。多(duo)功能(neng)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)包與傳(chuan)統(tong)運輸(shu)(shu)模(mo)式最大(da)的(de)不同之處在(zai)(zai)(zai)于，從高(gao)(gao)爐(lu)出鐵(tie)(tie)(tie)到轉(zhuan)爐(lu)兌鐵(tie)(tie)(tie)全程(cheng)(cheng)的(de)運輸(shu)(shu)、預(yu)處理(li)等(deng)操(cao)作都在(zai)(zai)(zai)是(shi)在(zai)(zai)(zai)一(yi)個鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)包中(zhong)進行(xing)，實現(xian)了(le)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)的(de)承接、運輸(shu)(shu)、存(cun)貯、預(yu)處理(li)以及兌鐵(tie)(tie)(tie)等(deng)多(duo)項功能(neng)[1]。而在(zai)(zai)(zai)現(xian)有(you)的(de)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)運輸(shu)(shu)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)全程(cheng)(cheng)存(cun)在(zai)(zai)(zai)相對較(jiao)大(da)的(de)溫(wen)降，導致鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)在(zai)(zai)(zai)脫硫(liu)處理(li)或轉(zhuan)爐(lu)冶煉時溫(wen)度(du)偏低(di)(di)。溫(wen)度(du)過(guo)低(di)(di)不僅(jin)對運輸(shu)(shu)使用的(de)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)包易造成結殼(ke)結瘤，使得鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)包周轉(zhuan)率和壽(shou)命降低(di)(di)，還會造成鋼(gang)鐵(tie)(tie)(tie)料消(xiao)耗高(gao)(gao)、波動大(da)及鋼(gang)水(shui)(shui)質量無法保障等(deng)后果(guo)[2]。高(gao)(gao)爐(lu)-轉(zhuan)爐(lu)區(qu)段(duan)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)的(de)溫(wen)度(du)一(yi)直是(shi)普遍(bian)關注的(de)焦點，盡管近年來鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)溫(wen)降有(you)所減少，但如何提(ti)高(gao)(gao)鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)運輸(shu)(shu)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)的(de)保溫(wen)效果(guo)、進一(yi)步(bu)減少溫(wen)降仍(reng)然是(shi)熱(re)點問題。

近(jin)些年來，相關學者曾(ceng)對高爐-轉爐區段鐵(tie)水(shui)(shui)溫(wen)(wen)(wen)降(jiang)研究進(jin)行(xing)了(le)大量工(gong)作[3-6]，但多是針(zhen)對傳(chuan)統運輸模(mo)式(shi)中(zhong)的(de)魚雷罐的(de)保溫(wen)(wen)(wen)及(ji)溫(wen)(wen)(wen)降(jiang)研究。對于(yu)新型多功能(neng)鐵(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)運行(xing)過程(cheng)的(de)鐵(tie)水(shui)(shui)溫(wen)(wen)(wen)降(jiang)問題(ti)，相繼(ji)有(you)(you)項寶勝[7]、韓(han)偉剛(gang)[8]等(deng)對現場加蓋改造及(ji)保溫(wen)(wen)(wen)效果進(jin)行(xing)測(ce)溫(wen)(wen)(wen)試驗；劉(liu)成[9]利用Ansys 有(you)(you)限(xian)元分析(xi)法，對鐵(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)空包(bao)(bao)、重(zhong)包(bao)(bao)加蓋的(de)情況進(jin)行(xing)了(le)數值模(mo)擬(ni)，得出保溫(wen)(wen)(wen)蓋對空包(bao)(bao)熱狀態(tai)的(de)改變(bian)和減少(shao)鐵(tie)水(shui)(shui)溫(wen)(wen)(wen)降(jiang)值的(de)相關結論。

相比于(yu)鋼水溫(wen)降(jiang)(jiang)分(fen)析[10]、溫(wen)度補償模型[11]和鋼包熱狀態分(fen)級(ji)[12]等已有研究(jiu)成果，鐵(tie)水及鐵(tie)水包的(de)數值(zhi)模擬研究(jiu)有價(jia)值(zhi)結(jie)論較少(shao)，對于(yu)加蓋(gai)保溫(wen)效果的(de)合理時間段(duan)、最(zui)佳保溫(wen)效果部位(wei)及鐵(tie)水減(jian)少(shao)溫(wen)降(jiang)(jiang)等仍缺乏更(geng)準確的(de)研究(jiu)。

本文(wen)以(yi)某廠230 t 多(duo)(duo)功能鐵水(shui)包為研究對(dui)象，構建求解(jie)模型并利用(yong)fluent 有限體積法進行(xing)運輸(shu)過(guo)程的(de)傳熱計(ji)算(suan)。分別分析了保(bao)溫(wen)(wen)蓋對(dui)多(duo)(duo)功能鐵水(shui)空包返回(hui)5 h 過(guo)程中以(yi)及重包運輸(shu)1 h 過(guo)程的(de)溫(wen)(wen)降規律(lv)影響(xiang)，將加(jia)蓋前后鐵水(shui)包包殼溫(wen)(wen)度場的(de)變化進行(xing)對(dui)比討論，并進行(xing)了現場實測驗證。對(dui)多(duo)(duo)功能鐵水(shui)包加(jia)蓋設備的(de)保(bao)溫(wen)(wen)效(xiao)果進行(xing)量(liang)化，為減少鐵水(shui)溫(wen)(wen)降、進一(yi)步完善“一(yi)包到(dao)底”模式提供參(can)考(kao)和理論支持。

1 鐵水包的模型處理

1. 1 鐵(tie)水包結(jie)構分析

多(duo)功能鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)兩側分(fen)(fen)別有一(yi)個耳(er)軸，用于鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)的吊運。規(gui)格為(wei)230 t的鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)高度(du)約為(wei)6.2 m，包(bao)(bao)底呈近似的橢圓形(xing)寬(kuan)度(du)約為(wei)3.9 m，部分(fen)(fen)鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)下方(fang)設有一(yi)個專供鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)機車牽引的牽引架。鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)包(bao)(bao)壁(bi)一(yi)般是(shi)由工作層、永(yong)久層、保(bao)溫(wen)層和(he)包(bao)(bao)殼(ke)組成，而包(bao)(bao)底一(yi)般沒有保(bao)溫(wen)層，其他層在包(bao)(bao)壁(bi)和(he)包(bao)(bao)底上的砌筑厚度(du)各不(bu)一(yi)樣(yang)。

根(gen)據查閱材料手冊[13]，鐵水(shui)包各(ge)層耐火材料種(zhong)類及厚度見表1，圖(tu)1 是以(yi)某廠230 t 鐵水(shui)包為(wei)對象所建(jian)立的(de)三維鐵水(shui)包模型示意圖(tu)。該廠鐵包運輸方式為(wei)起重(zhong)機＋過跨車，模型中(zhong)省(sheng)略了(le)機車牽(qian)引架(jia)，以(yi)及左右兩側的(de)耳軸。

1. 2 鐵(tie)水包熱(re)損(sun)分析

鐵(tie)水(shui)從(cong)高爐(lu)出(chu)鐵(tie)后，經歷出(chu)鐵(tie)、運輸(shu)、扒渣、脫(tuo)硫處理(li)、轉爐(lu)兌鐵(tie)以及過程中(zhong)可(ke)能(neng)的(de)(de)等待時間(jian)，鐵(tie)水(shui)在各個環節(jie)都有(you)不同程度的(de)(de)溫降(jiang)。本次試(shi)驗不考慮人為操作等影響所(suo)導致的(de)(de)鐵(tie)水(shui)溫降(jiang)，僅對鐵(tie)水(shui)在運輸(shu)或(huo)等待過程中(zhong)的(de)(de)溫降(jiang)進行計算分(fen)析。

在(zai)這種(zhong)情況下，鐵(tie)(tie)水熱量損失主要(yao)包(bao)(bao)(bao)括3 個方面：（1）鐵(tie)(tie)水與(yu)鐵(tie)(tie)水包(bao)(bao)(bao)耐火材料之間的(de)(de)對(dui)流換熱，導致耐材及包(bao)(bao)(bao)殼溫度的(de)(de)升高，即材料蓄熱造成的(de)(de)熱損；（2）鐵(tie)(tie)水包(bao)(bao)(bao)包(bao)(bao)(bao)殼以輻(fu)射換熱和(he)對(dui)流換熱的(de)(de)方式對(dui)外(wai)界進(jin)行散熱；（3）若(ruo)無(wu)包(bao)(bao)(bao)蓋，則(ze)有(you)渣層(ceng)與(yu)包(bao)(bao)(bao)內壁(bi)對(dui)外(wai)進(jin)行散熱，若(ruo)有(you)包(bao)(bao)(bao)蓋則(ze)為渣層(ceng)與(yu)內壁(bi)對(dui)包(bao)(bao)(bao)蓋進(jin)行輻(fu)射換熱和(he)對(dui)流換熱。

1. 3 鐵水包熱(re)物性(xing)參數(shu)

根據查閱(yue)手冊(ce)鐵水包各(ge)(ge)部分(fen)(fen)耐材不同溫度(du)(du)點的導(dao)(dao)熱(re)系(xi)數，分(fen)(fen)別繪制導(dao)(dao)熱(re)系(xi)數與溫度(du)(du)、比(bi)熱(re)容與溫度(du)(du)的曲線(xian)，得到各(ge)(ge)部分(fen)(fen)導(dao)(dao)熱(re)系(xi)數、比(bi)熱(re)容與溫度(du)(du)的對(dui)應關(guan)系(xi)，見表2。由于隨(sui)溫度(du)(du)變(bian)化(hua)的物(wu)性(xing)(xing)參數與溫度(du)(du)均為線(xian)性(xing)(xing)關(guan)系(xi)，在進行數值模擬過程(cheng)中這(zhe)部分(fen)(fen)物(wu)性(xing)(xing)參數設置選擇為逐(zhu)段線(xian)性(xing)(xing)（piecewise-linear），即分(fen)(fen)別選取6個溫度(du)(du)點所對(dui)應的熱(re)物(wu)性(xing)(xing)參數輸入。

2 計算模型及加載初始條件

2. 1 鐵水包有限(xian)元(yuan)模型

根據某廠提供230 t 鐵(tie)(tie)水包數(shu)據，以及建模假(jia)設的簡化處理。忽略耳(er)軸、牽引架等額外(wai)(wai)部件，由于鐵(tie)(tie)水包基本呈軸對稱(cheng)，同時為減(jian)少計算量，取鐵(tie)(tie)水包二維(wei)(wei)軸對稱(cheng)模型為研(yan)究對象，二維(wei)(wei)幾何模型如(ru)圖1 所示，使用ANSYS ICEM 建立230 t 二維(wei)(wei)鐵(tie)(tie)水包模型，劃(hua)分網(wang)格并選擇fluent 求解器(qi)導出。進行瞬態溫度(du)場分析，各工況(kuang)鐵(tie)(tie)水包模型如(ru)圖2 所示。模型包體由外(wai)(wai)到里依次是(shi)：包殼(ke)、永(yong)久(jiu)層、工作層，圖2 中(zhong)（a）、（c）鐵(tie)(tie)水包內下層為鐵(tie)(tie)水、上層為空氣，圖2 中(zhong)（a）、（b）最頂層為保(bao)溫蓋(gai)，其厚度(du)為320 mm，材質內層為納米材料(liao)外(wai)(wai)層為鋼板(ban)。為盡可能貼近實際(ji)情況(kuang)，模型包蓋(gai)與包體之間留有120 mm空隙(xi)。

圖3 所(suo)(suo)示(shi)為所(suo)(suo)劃分(fen)的(de)結構化(hua)網(wang)格(ge)包底(di)細節及相(xiang)關尺寸(cun)，由于尺寸(cun)比(bi)例(li)原因，已將(jiang)中(zhong)間部分(fen)截去省(sheng)略，其(qi)中(zhong)加蓋(gai)鐵(tie)水包二維模(mo)(mo)型(xing)包含了23 680 個網(wang)格(ge)單元(yuan)和(he)22 176 個節點數(shu)，表3 為模(mo)(mo)型(xing)網(wang)格(ge)單元(yuan)的(de)部分(fen)重要質量參(can)數(shu)比(bi)例(li)，基(ji)本(ben)滿足(zu)計(ji)算(suan)所(suo)(suo)需精度。其(qi)他工(gong)況的(de)鐵(tie)水包模(mo)(mo)型(xing)是(shi)在加蓋(gai)模(mo)(mo)型(xing)基(ji)礎上修改(gai)或刪除多余單元(yuan)，其(qi)余部分(fen)節點數(shu)不(bu)變，同樣滿足(zu)本(ben)次計(ji)算(suan)要求[14]。

多功(gong)能鐵水包為不完全規則(ze)容器(qi)，在進行(xing)傳熱計(ji)算模擬前，將對傳熱計(ji)算影響較小的單元做簡化處理，并為了簡化數學模型作出(chu)如下假設(she)條件：

（1）不考慮耳軸(zhou)、牽引架等部分(fen)，并(bing)將鐵包包口簡化(hua)處(chu)理成在(zai)同(tong)一水平面高度。

（2）由于鐵水表(biao)面(mian)基本無流(liu)動，且由于表(biao)面(mian)渣層和覆蓋保溫劑的作用(yong)，將(jiang)鐵水表(biao)面(mian)視為(wei)壁面(mian)，鐵水表(biao)面(mian)無流(liu)動。

（3）忽(hu)略各(ge)層(ceng)耐火材料之(zhi)間(jian)的接觸(chu)熱阻及外表面熱阻。

（4）鐵水包耐材的(de)(de)參數(shu)只考慮(lv)導熱系數(shu)λ 和比熱容c 及(ji)密(mi)度ρ，忽略熱膨脹系數(shu)和其(qi)他導熱參數(shu)對鐵水包的(de)(de)影響。

（5）不考慮實際環(huan)境天氣的變化，假設鐵水(shui)包始終(zhong)處于300 K的自(zi)然環(huan)境中。

2. 2 模(mo)擬試驗內容及步驟

模擬(ni)試驗的(de)內(nei)容(rong)(rong)主(zhu)要包(bao)括3 個方(fang)面：鐵(tie)水包(bao)加蓋前后的(de)空包(bao)熱狀態模擬(ni)研究；保溫(wen)(wen)(wen)蓋對重包(bao)運輸鐵(tie)水溫(wen)(wen)(wen)降影響研究；保溫(wen)(wen)(wen)蓋的(de)綜合(he)保溫(wen)(wen)(wen)效果(guo)分析(xi)。根據試驗內(nei)容(rong)(rong)計劃本次試驗模擬(ni)的(de)主(zhu)要步驟如下(xia)：

（1）先對鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)空包(bao)進行(xing)5 h（空包(bao)平(ping)均周(zhou)轉(zhuan)時間）自然冷卻模(mo)擬，再向鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)內(nei)加載(zai)1 783 K的鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)模(mo)擬1 h（重包(bao)平(ping)均運行(xing)時間），這樣反復3 次(ci)模(mo)擬鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)3 次(ci)運行(xing)周(zhou)期，使得整個鐵(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)包(bao)體(ti)各個部分的溫度達到周(zhou)轉(zhuan)過程中的實際溫度。

（2）在反復(fu)模擬(ni)3 次后，在空包中倒入1 783 K的鐵(tie)水(shui)，并選(xuan)取鐵(tie)水(shui)中部的一點(dian)進行溫度監(jian)控，模擬(ni)得出1 h 內鐵(tie)水(shui)溫降(jiang)速率和溫降(jiang)曲線(xian)。

（3）然后對加蓋鐵水包(bao)重復第(di)一(yi)、二步(bu)驟，模擬得(de)出加蓋鐵水包(bao)的鐵水溫降(jiang)速率和溫降(jiang)曲線。

（4）比(bi)較保(bao)溫蓋(gai)在空(kong)包(bao)運(yun)行過程中(zhong)對包(bao)體溫降(jiang)的(de)改善，以及鐵(tie)水包(bao)包(bao)體溫度的(de)改善對下次周轉鐵(tie)水溫降(jiang)的(de)影響。

2. 3 主(zhu)要邊界條件設置

因為假設條(tiao)件(jian)（5）中認定(ding)鐵水(shui)包始終處在(zai)300 K的恒溫環境(jing)中，而在(zai)工程計算中，壁溫tw 恒定(ding)時大空間對(dui)流換熱采(cai)用試(shi)驗(yan)關聯式(shi)[15]見式(shi)（1）。

平(ping)板對流(liu)換熱中格拉(la)曉夫數計(ji)算(suan)公式見式（2）：

式中：Nu 為(wei)(wei)(wei)(wei)努塞爾(er)總(zong)準數(shu)；下(xia)角(jiao)標“m”表示選取邊界層平(ping)均溫度(du)為(wei)(wei)(wei)(wei)定(ding)性(xing)溫度(du)，Gr 為(wei)(wei)(wei)(wei)格(ge)拉曉(xiao)夫數(shu)；β 為(wei)(wei)(wei)(wei)體積膨脹(zhang)系數(shu)；L 為(wei)(wei)(wei)(wei)定(ding)形尺寸；Δt 為(wei)(wei)(wei)(wei)壁面(mian)溫度(du)與流(liu)體的(de)平(ping)均溫度(du)差；v 為(wei)(wei)(wei)(wei)流(liu)體的(de)運動黏度(du)；C、n 為(wei)(wei)(wei)(wei)試驗常數(shu)；Pr 為(wei)(wei)(wei)(wei)普朗物常數(shu)。

根(gen)據(ju)(ju)查(cha)(cha)表以及經驗公式(shi)計算(suan)(suan)[16]得(de)到鐵水包包殼外表面、包蓋以及包底與環境的對流換熱系數，發射率等(deng)其他傳熱參數根(gen)據(ju)(ju)經驗以及查(cha)(cha)閱相關材料文獻(xian)進行設定。求(qiu)解(jie)器選擇的是二維單精度求(qiu)解(jie)器，即可滿足計算(suan)(suan)要求(qiu)。迭代運算(suan)(suan)時(shi)間步長(chang)（TimeStep Size）設置為1 s，每步長(chang)計算(suan)(suan)次數（Max Iterations/Time Step）為20次。

在(zai)加(jia)蓋(gai)模擬(ni)階段，因為考慮鐵水包內氣體受熱(re)膨脹(zhang)且密度減小，包蓋(gai)與(yu)鐵水包之間縫隙的邊界(jie)(jie)條(tiao)件設(she)置(zhi)為壓力出口(kou)（pressure outlet），根據(ju)第(di)二條(tiao)假設(she)條(tiao)件，在(zai)重包傳(chuan)熱(re)計算(suan)時鐵水表面(mian)邊界(jie)(jie)條(tiao)件設(she)置(zhi)為壁面(mian)傳(chuan)熱(re)（wall）。在(zai)不加(jia)蓋(gai)模擬(ni)階段，鐵水包包口(kou)處邊界(jie)(jie)條(tiao)件設(she)置(zhi)為壓力出口(kou)。

2. 4 控制方(fang)程

由于(yu)本(ben)次數值計算中(zhong)流(liu)(liu)體(ti)(ti)流(liu)(liu)動較(jiao)為緩(huan)慢，同時鐵水(shui)為不可壓縮流(liu)(liu)體(ti)(ti)，所以(yi)fluent 計算中(zhong)選擇(ze)適用于(yu)低(di)速、不可壓縮流(liu)(liu)體(ti)(ti)的基于(yu)壓力求解器（Pressure-Based）。Fluent 軟件中(zhong)流(liu)(liu)體(ti)(ti)運動及換熱(re)的控制方(fang)程(cheng)主要有以(yi)下3個：

連續方程：

式中：ρ 為流(liu)(liu)體密度(du)，ui 為流(liu)(liu)體速(su)度(du)沿i 方向的分量；xi 為微(wei)元體沿i 方向的邊(bian)長；t 為時間(jian)。連續方程又稱質(zhi)量守恒方程。

動量守恒方程(cheng)：

式中：p 為(wei)靜壓力；τij 為(wei)應力矢量；gi 為(wei)i 方(fang)向的(de)重(zhong)力分量；Fi 為(wei)由于阻力和能源而引起的(de)其他能源項；ui 為(wei)流(liu)體速(su)度沿j 方(fang)向的(de)分量；xj 為(wei)應力沿j方(fang)向的(de)距離。

能(neng)量守(shou)恒方程：

式中(zhong)：h 為熵；k 為分子(zi)傳導(dao)率；kt 為由于湍流傳遞(di)而引(yin)起的傳導(dao)率；Sh 為定義的體積源(yuan)；T 為溫度。

3 試驗結果分析及驗證

在(zai)所有(you)模(mo)擬試驗中(zhong)，檢(jian)測(ce)點(dian)位(wei)置(zhi)始終保持不變，無論加蓋(gai)與否(fou)，均選(xuan)擇3 個(ge)溫(wen)度(du)(du)檢(jian)測(ce)點(dian)B、C、D，如圖4 所示。鐵(tie)水包內襯上部溫(wen)度(du)(du)檢(jian)測(ce)點(dian)選(xuan)在(zai)B點(dian)位(wei)置(zhi)，內襯中(zhong)、下部溫(wen)度(du)(du)監測(ce)點(dian)分別在(zai)點(dian)C、點(dian)D處(chu)。在(zai)模(mo)擬重包鐵(tie)水溫(wen)降規律時，無論加蓋(gai)與否(fou)，鐵(tie)水溫(wen)度(du)(du)檢(jian)測(ce)點(dian)均選(xuan)擇在(zai)A點(dian)處(chu)。

4 模型驗證及空包加蓋效果分析

在完成初步(bu)模擬計算后，為了驗(yan)證模型建立的準確性以(yi)及假設條件與實際工況的符合程度(du)，本文對某廠230 t 鐵水(shui)包(bao)（36 號）進行多(duo)點(dian)跟蹤測(ce)溫，調研測(ce)溫數據包(bao)括鐵水(shui)包(bao)無蓋空包(bao)內襯中(zhong)部(bu)溫降(jiang)(jiang)和鐵水(shui)包(bao)加(jia)蓋空包(bao)內襯中(zhong)部(bu)溫降(jiang)(jiang)。

圖(tu)5 和圖(tu)6 所示(shi)分(fen)別為(wei)鐵(tie)水(shui)包(bao)空包(bao)加蓋前后內壁中部溫(wen)降(jiang)曲(qu)(qu)線(xian)，同(tong)時將(jiang)該廠調研測溫(wen)數據點(dian)擬(ni)(ni)(ni)合(he)成溫(wen)降(jiang)曲(qu)(qu)線(xian)，并與模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)結果(guo)比較(jiao)，發現(xian)模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)溫(wen)降(jiang)趨(qu)(qu)(qu)勢(shi)與實(shi)際測溫(wen)情況(kuang)最大誤(wu)(wu)差值為(wei)36 K，相對誤(wu)(wu)差值小于(yu)5%，驗證(zheng)了無蓋模(mo)(mo)型的準確性。從模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)結果(guo)可以看出(chu)，在不加蓋情況(kuang)下鐵(tie)水(shui)包(bao)初始溫(wen)降(jiang)速(su)率相對較(jiao)大，在經過幾小時自然冷卻后，溫(wen)降(jiang)趨(qu)(qu)(qu)于(yu)平(ping)緩。整體變(bian)化趨(qu)(qu)(qu)勢(shi)與實(shi)際溫(wen)降(jiang)趨(qu)(qu)(qu)勢(shi)相近，表明假設條件不影響模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)計(ji)算，與實(shi)際工況(kuang)符合(he)程度較(jiao)高。

根據鐵(tie)水(shui)包(bao)(bao)(bao)加(jia)蓋前后5 h 內(nei)的(de)包(bao)(bao)(bao)壁溫降速率對(dui)比(bi)圖，如圖7 所示，再(zai)次證明(ming)(ming)了保溫蓋在轉(zhuan)爐兌(dui)完鐵(tie)的(de)一(yi)段時間內(nei)，加(jia)蓋鐵(tie)水(shui)包(bao)(bao)(bao)包(bao)(bao)(bao)壁溫降速率相對(dui)更(geng)低，該段時間內(nei)保溫效(xiao)果更(geng)為明(ming)(ming)顯。在空(kong)包(bao)(bao)(bao)加(jia)蓋超過3 h 后，加(jia)蓋前后鐵(tie)水(shui)包(bao)(bao)(bao)內(nei)壁中部(bu)溫降速率基本相同(tong)，空(kong)包(bao)(bao)(bao)加(jia)蓋的(de)保溫效(xiao)果不再(zai)明(ming)(ming)顯。

將加(jia)蓋(gai)前后5 h 末(mo)內壁上、中、下各點溫(wen)(wen)(wen)度值(zhi)(zhi)列出，見表4，并計算(suan)各部(bu)加(jia)蓋(gai)前后溫(wen)(wen)(wen)差值(zhi)(zhi)。可以發現，靠(kao)近包(bao)(bao)(bao)沿處的(de)內壁上部(bu)在(zai)不(bu)加(jia)蓋(gai)情況下溫(wen)(wen)(wen)度最(zui)低為(wei)(wei)655 K、熱量損失(shi)最(zui)多，加(jia)蓋(gai)前后溫(wen)(wen)(wen)差為(wei)(wei)194 K，靠(kao)近包(bao)(bao)(bao)底(di)的(de)內壁下部(bu)溫(wen)(wen)(wen)度值(zhi)(zhi)在(zai)加(jia)蓋(gai)前后溫(wen)(wen)(wen)差為(wei)(wei)54 K。由此可見，在(zai)空包(bao)(bao)(bao)運行過程中添加(jia)保(bao)溫(wen)(wen)(wen)蓋(gai)，對(dui)鐵(tie)水包(bao)(bao)(bao)各部(bu)位都有一定(ding)程度的(de)保(bao)溫(wen)(wen)(wen)效果，且靠(kao)近鐵(tie)水包(bao)(bao)(bao)包(bao)(bao)(bao)沿處的(de)保(bao)溫(wen)(wen)(wen)效果最(zui)佳。

4. 1 重(zhong)包加(jia)蓋結果與分析

在鐵(tie)水(shui)(shui)包反復模(mo)擬3 個運行(xing)周(zhou)期(qi)之后，鐵(tie)水(shui)(shui)包各部(bu)分溫(wen)度(du)基本達到(dao)實際(ji)運行(xing)周(zhou)轉時的溫(wen)度(du)，再繼(ji)續模(mo)擬計算該鐵(tie)水(shui)(shui)包下一周(zhou)期(qi)中(zhong)的傳(chuan)熱過程(cheng)，并對鐵(tie)水(shui)(shui)中(zhong)部(bu)一點(dian)（圖(tu)4 中(zhong)點(dian)A）選取為溫(wen)度(du)監測點(dian)，溫(wen)度(du)變化曲(qu)線如圖(tu)8和圖(tu)9所示。

未加蓋(gai)(gai)情況下，鐵(tie)水(shui)1 h 內溫(wen)(wen)度(du)由(you)(you)(you)1 783 K降至1 737 K；加蓋(gai)(gai)情況下，鐵(tie)水(shui)1 h 內溫(wen)(wen)度(du)由(you)(you)(you)1 783 K降至1 750 K。重包(bao)加蓋(gai)(gai)結果表(biao)(biao)明：鐵(tie)水(shui)包(bao)增(zeng)設保(bao)(bao)溫(wen)(wen)蓋(gai)(gai)后，鐵(tie)水(shui)60 min 溫(wen)(wen)降由(you)(you)(you)46 變為(wei)33 K，減(jian)小鐵(tie)水(shui)溫(wen)(wen)降13 K。由(you)(you)(you)于在(zai)鐵(tie)水(shui)運輸(shu)過程中(zhong)，鐵(tie)水(shui)物理熱(re)損(sun)失主要分(fen)為(wei)3 個部分(fen)：50%鐵(tie)水(shui)表(biao)(biao)面散熱(re)；30%鐵(tie)水(shui)包(bao)蓄(xu)熱(re)；20%外(wai)殼散熱(re)[2]。重包(bao)過程中(zhong)加蓋(gai)(gai)極大的(de)減(jian)少了鐵(tie)水(shui)表(biao)(biao)面對外(wai)的(de)輻射和(he)對流換熱(re)量，保(bao)(bao)溫(wen)(wen)蓋(gai)(gai)效(xiao)果體(ti)現在(zai)鐵(tie)水(shui)溫(wen)(wen)降上大小為(wei)13 K/h。

根據加蓋(gai)(gai)前后鐵(tie)(tie)水(shui)1 h 內(nei)的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)降速率對(dui)比如圖10 所示，剛接鐵(tie)(tie)水(shui)時加蓋(gai)(gai)與不(bu)加蓋(gai)(gai)情況下(xia)鐵(tie)(tie)水(shui)初(chu)始溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)降速率相差較大，最主要的(de)(de)(de)原因是無蓋(gai)(gai)鐵(tie)(tie)水(shui)包溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)度較低、接鐵(tie)(tie)后第一(yi)時間(jian)(jian)的(de)(de)(de)蓄熱量較大，導致初(chu)始溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)降速率偏大。同(tong)時說明了(le)保(bao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)蓋(gai)(gai)不(bu)僅在(zai)重包運(yun)(yun)行階段(duan)的(de)(de)(de)重要性，在(zai)空包返回過程(cheng)中(zhong)保(bao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)蓋(gai)(gai)在(zai)一(yi)定時間(jian)(jian)內(nei)同(tong)樣具有(you)(you)較好的(de)(de)(de)保(bao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)的(de)(de)(de)效果，確保(bao)下(xia)一(yi)周(zhou)期的(de)(de)(de)鐵(tie)(tie)水(shui)運(yun)(yun)輸過程(cheng)中(zhong)鐵(tie)(tie)水(shui)包具有(you)(you)更高的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)(wen)(wen)度。

4. 2 保溫效果綜合分析

根(gen)據(ju)5 h 鐵水(shui)包空包運行溫降曲線可以直觀地發現(xian)，加(jia)蓋前后5 h 末(mo)的鐵水(shui)包溫度實際相差(cha)不(bu)大僅為100 K左右(you)，根(gen)據(ju)加(jia)蓋前后鐵水(shui)包壁中(zhong)部溫度差(cha)繪出保溫蓋效果(guo)圖(tu)如圖(tu)11所示。

從(cong)保(bao)溫(wen)效果圖（圖11）可(ke)以看出，在(zai)空包運行的(de)3 h 之內，加蓋(gai)(gai)前后(hou)包壁中部即監測點B位置的(de)溫(wen)差最高可(ke)達(da)150 K。在(zai)相(xiang)同空包時間(jian)內，鐵(tie)(tie)水包耐材(cai)溫(wen)降(jiang)的(de)減小(xiao)，使得(de)后(hou)續裝載鐵(tie)(tie)水過程中，因(yin)包襯(chen)(chen)蓄熱而(er)從(cong)鐵(tie)(tie)水傳遞至包襯(chen)(chen)的(de)熱量減小(xiao)，因(yin)而(er)鐵(tie)(tie)水溫(wen)降(jiang)減小(xiao)。空包運行時間(jian)達(da)到(dao)3 h，能使保(bao)溫(wen)蓋(gai)(gai)發揮最好(hao)的(de)保(bao)溫(wen)效果。

針對(dui)加蓋前后包(bao)(bao)壁上(shang)(shang)下(xia)部(bu)(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)進行(xing)對(dui)比，對(dui)比如(ru)圖12 所(suo)示。圖12 為(wei)不加蓋和加蓋情況下(xia)，鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)空包(bao)(bao)返回接(jie)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)口的5 h 末(mo)包(bao)(bao)壁上(shang)(shang)下(xia)部(bu)(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)圖。如(ru)表4 中所(suo)示，在鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)返回接(jie)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)口的5 h 運(yun)輸時間末(mo)，未(wei)加蓋鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)上(shang)(shang)下(xia)部(bu)(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)差(cha)(cha)(cha)205 K，加蓋鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)上(shang)(shang)下(xia)部(bu)(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)差(cha)(cha)(cha)為(wei)65 K，減小鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)上(shang)(shang)下(xia)部(bu)(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)差(cha)(cha)(cha)140 K。由鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)耐(nai)材壽命(ming)研究(jiu)的相關文獻[17]指出，熱(re)(re)應(ying)力(li)(li)是耐(nai)材損壞的重(zhong)要因(yin)(yin)(yin)素之一，而產(chan)生(sheng)(sheng)熱(re)(re)應(ying)力(li)(li)的主要原因(yin)(yin)(yin)就是溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)梯度(du)(du)。鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)包(bao)(bao)不同部(bu)(bu)位(wei)耐(nai)材的溫(wen)(wen)(wen)(wen)差(cha)(cha)(cha)較大(da)，產(chan)生(sheng)(sheng)熱(re)(re)應(ying)力(li)(li)會損害包(bao)(bao)襯(chen)耐(nai)材，且低溫(wen)(wen)(wen)(wen)部(bu)(bu)分在接(jie)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)時由于與鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)溫(wen)(wen)(wen)(wen)差(cha)(cha)(cha)大(da)爐襯(chen)易被鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)水(shui)(shui)侵蝕。保溫(wen)(wen)(wen)(wen)蓋則極大(da)地提高了(le)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)上(shang)(shang)部(bu)(bu)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)194 K，同時減小鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)上(shang)(shang)下(xia)部(bu)(bu)內(nei)襯(chen)溫(wen)(wen)(wen)(wen)差(cha)(cha)(cha)140 K，有效減小了(le)因(yin)(yin)(yin)熱(re)(re)應(ying)力(li)(li)所(suo)導致的包(bao)(bao)襯(chen)耐(nai)火(huo)材料損傷。延長鐵(tie)(tie)(tie)(tie)(tie)包(bao)(bao)耐(nai)材使用壽命(ming)，對(dui)減少修包(bao)(bao)頻率(lv)、提高包(bao)(bao)齡有著重(zhong)要作用。

4. 3 實測驗(yan)證

為了(le)對(dui)模擬結(jie)果進(jin)行驗(yan)證，選(xuan)定(ding)某(mou)廠230 （t 36號）鐵水(shui)包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)進(jin)行滿包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)鐵水(shui)溫(wen)(wen)度測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)定(ding)。制定(ding)了(le)簡要的(de)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)溫(wen)(wen)方案(an)：滿包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)定(ding)間隔時(shi)間為20 min，總時(shi)長為2 h；空包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)定(ding)間隔時(shi)間為20 min，總時(shi)長為5 h。測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)溫(wen)(wen)內(nei)容(rong)(rong)(rong)主要包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)括：（1）空包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)不(bu)(bu)加(jia)蓋(gai)(gai)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態下(xia)包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)襯溫(wen)(wen)度；（2）空包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)加(jia)蓋(gai)(gai)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態下(xia)包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)襯溫(wen)(wen)度；（3）滿包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)不(bu)(bu)加(jia)蓋(gai)(gai)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態下(xia)鐵水(shui)溫(wen)(wen)度；（4）滿包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)加(jia)蓋(gai)(gai)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態下(xia)鐵水(shui)溫(wen)(wen)度。測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)溫(wen)(wen)內(nei)容(rong)(rong)(rong)中（1）、（2）空包(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)部分已經在圖(tu)5 和(he)圖(tu)6中與(yu)模擬結(jie)果共同繪出(chu)，以(yi)進(jin)行比較。圖(tu)13 所示(shi)為測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)溫(wen)(wen)內(nei)容(rong)(rong)(rong)第(di)（3）、（4）部分內(nei)容(rong)(rong)(rong)鐵水(shui)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)溫(wen)(wen)。由于出(chu)鐵過程溫(wen)(wen)度無(wu)法精(jing)確控(kong)制，以(yi)及(ji)加(jia)蓋(gai)(gai)設備等操(cao)作影響(xiang)，導致實測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)起始點溫(wen)(wen)度并不(bu)(bu)完(wan)全相同，但在誤差可(ke)接受范圍內(nei)可(ke)以(yi)進(jin)行驗(yan)證。

保(bao)(bao)溫效果(guo)(guo)驗(yan)證結果(guo)(guo)見表5。由表5 中可以(yi)看出，模(mo)(mo)擬(ni)結果(guo)(guo)與實(shi)際驗(yan)證情況存在(zai)一定誤差。分析原因主要是(shi)由于(yu)模(mo)(mo)擬(ni)與實(shi)測鐵水起(qi)始溫度不同，模(mo)(mo)擬(ni)過程(cheng)鐵水溫度比實(shi)際略高、溫降速率更大，所以(yi)保(bao)(bao)溫效果(guo)(guo)更為明顯。但相對誤差值在(zai)允許范(fan)圍之內(nei)，驗(yan)證了整個試驗(yan)的準確性(xing)。

5 結論

（1）通過對某(mou)廠多功能(neng)鐵(tie)水包進行實(shi)際(ji)測(ce)溫，并與模(mo)擬計(ji)算結果進行比較，計(ji)算結果與實(shi)測(ce)數據(ju)相對誤(wu)差值(zhi)小于5%，驗證(zheng)本(ben)次數值(zhi)模(mo)擬假設(she)條件的可行性(xing)及模(mo)型(xing)的準確(que)性(xing)。

（2）鐵(tie)(tie)水包(bao)在空包(bao)運行階段(duan)加(jia)蓋，能有效提高(gao)下(xia)次接鐵(tie)(tie)時(shi)的鐵(tie)(tie)包(bao)整體溫度(du)。鐵(tie)(tie)包(bao)加(jia)蓋后上、中(zhong)、下(xia)部(bu)溫度(du)分別提高(gao)194、126、54 K，有效改善空包(bao)熱狀態，減少(shao)下(xia)次承接鐵(tie)(tie)水時(shi)鐵(tie)(tie)包(bao)的耐(nai)材蓄(xu)熱量。

（3）鐵水(shui)(shui)包(bao)(bao)在(zai)空包(bao)(bao)運行階段加蓋，能有效(xiao)降(jiang)(jiang)低(di)(di)鐵水(shui)(shui)包(bao)(bao)包(bao)(bao)襯(chen)上下(xia)部溫差(cha)140 K，減小鐵水(shui)(shui)包(bao)(bao)包(bao)(bao)襯(chen)由于溫度(du)梯度(du)所產生的(de)熱(re)應(ying)力，從而降(jiang)(jiang)低(di)(di)熱(re)應(ying)力所導(dao)致(zhi)的(de)耐材(cai)損耗(hao)，有效(xiao)保護(hu)鐵水(shui)(shui)包(bao)(bao)耐火材(cai)料、降(jiang)(jiang)低(di)(di)修(xiu)包(bao)(bao)頻率(lv)。

（4）根據鐵水包(bao)(bao)空(kong)(kong)(kong)包(bao)(bao)加蓋(gai)(gai)前后，包(bao)(bao)壁中部B 點溫差ΔTB 隨時(shi)(shi)間(jian)變(bian)化(hua)規律(lv)可知(zhi)：ΔTB 隨時(shi)(shi)間(jian)變(bian)化(hua)呈現先增(zeng)大(da)后減小(xiao)的趨勢，且(qie)在空(kong)(kong)(kong)包(bao)(bao)3 h 時(shi)(shi)達到最大(da)值(zhi)ΔTB max＝150 K 。即空(kong)(kong)(kong)包(bao)(bao)加蓋(gai)(gai)運(yun)行3 h 左(zuo)右(you)，包(bao)(bao)蓋(gai)(gai)保溫效(xiao)果得到最大(da)化(hua)，空(kong)(kong)(kong)包(bao)(bao)運(yun)輸時(shi)(shi)間(jian)應(ying)盡(jin)可能控制3 h以內最為合理。

（5）空(kong)包(bao)(bao)在(zai)返(fan)回過程中增設保(bao)溫(wen)蓋，能有效提高接鐵時的鐵包(bao)(bao)溫(wen)度，減(jian)少耐(nai)材蓄熱；且同時在(zai)重(zhong)包(bao)(bao)運行過程中加蓋，每小時能減(jian)少鐵水溫(wen)降約13 K，全程加蓋保(bao)溫(wen)效果(guo)顯(xian)著。