畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）鋼包用耐火材料的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

1、摘 要本論文總結(jié)了耐火材料在鋼包中的應(yīng)用及設(shè)計(jì)方法，總結(jié)如下：(1)對于普通不精煉鋼包，工作襯可采用澆注成型，施工時(shí)采用剝皮套澆技術(shù)。如果渣線侵蝕過快可局部加強(qiáng)處理來滿足使用要求；(2)對于精煉鋼包，工作襯可采用磚砌，渣線和包底沖擊區(qū)采用增強(qiáng)設(shè)計(jì)，來滿足生產(chǎn)需要；(3)工作層采用不同磚型混砌時(shí)，通過計(jì)算和推導(dǎo)總結(jié)出采用直型磚與楔形磚配砌和雙楔形磚混砌的磚型數(shù)量計(jì)算通用公式；(4)推導(dǎo)出壁面溫度和包殼外表面溫度的計(jì)算公式；(5)推導(dǎo)出不同容量大小的鋼包與水口孔徑之間的關(guān)系式；(6)總結(jié)了透氣磚、滑動水口系統(tǒng)耐火材料的設(shè)計(jì)方法；(7)總結(jié)了鋼包材料核算量、價(jià)格核算量和維修核算量的計(jì)算參考標(biāo)準(zhǔn)；(8

2、)理論分析了影響鋼包使用壽命的因素，從鋼包使用經(jīng)濟(jì)性和不同材質(zhì)匹配的關(guān)系，探討了耐火材料使用的優(yōu)化模式，為提高包齡來尋找途徑。關(guān)鍵詞：鋼包；設(shè)計(jì)；砌筑；磚型；傳熱abstractthis paper described the application and design methods of refractories in the ladle,which summarized as follows:(1)non-refined steel ladles working lining often uses castables,after required lives,the surface l

3、ining was removed and then recasted.if the slag line got low life which should be consolidated to meet the long life；(2)refining ladles working lining uses bricks,slag lines and impact zone are consolidated;(3)while working lining installation was mixed with different bricks,formulas were deducted a

4、bout straight brick and wedge brick and such with double wedge brick;(4)formula on surface ladle temperature was deducted;(5)deducted the relationship formula between ladle capacity and the nozzles hole diameter;(6)summarized the design of purging plug and slide gate system;(7)ladle refractories wer

5、e summarized with the amount, price and repaired amount;(8)theoretical analysis of factors which affecting the ladles service life was done,with economic and refractories design on the ladle,studied the ways to improve the ladles life.keywords:ladle; design; installation; brick type; thermal conduct

6、ive目 錄摘 要iabstractii第一章 文獻(xiàn)綜述11.1鋼包的作用11.2對鋼包的使用要求11.2.1鋼包用耐火材料的要求11.2.2鋼包盛鋼量的要求11.2.3鋼包凈空高度的要求11.2.4鋼殼表面溫度的要求11.3鋼包用耐火材料的使用現(xiàn)狀11.3.1澆注鋼包的使用現(xiàn)狀21.3.2磚砌鋼包的使用現(xiàn)狀31.3.3鋼包水口系統(tǒng)用耐火材料51.3.4鋼包吹氬系統(tǒng)用耐火材料71.4鋼包用耐火材料的設(shè)計(jì)思路71.4.1精煉用的磚砌鋼包設(shè)計(jì)思路71.4.2普通的澆注鋼包設(shè)計(jì)思路81.5選擇課題的背景8第二章 鋼包用耐火材料的設(shè)計(jì)92.1澆注鋼包的設(shè)計(jì)方法92.1.1包壁絕熱層的設(shè)計(jì)方法92.1.

7、2鋼包工作層的設(shè)計(jì)方法92.1.3澆注鋼包施工方案122.2磚砌鋼包的設(shè)計(jì)132.2.1磚砌鋼包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)132.2.2工作層磚型和數(shù)量的設(shè)計(jì)方法132.3鋼包傳熱模型與壁面溫度計(jì)算推導(dǎo)方法212.3.1鋼包壁的穩(wěn)態(tài)熱模型計(jì)算推導(dǎo)方法212.3.2鋼包底的穩(wěn)態(tài)熱模型計(jì)算推導(dǎo)方法222.4圓柱形鋼包容量與水口最小孔徑關(guān)系式的推導(dǎo)222.5鋼包成本分析計(jì)算232.5.1材料量的核算準(zhǔn)則232.5.2價(jià)格核算準(zhǔn)則242.5.3維修量的計(jì)算準(zhǔn)則242.6鋼包用功能材料的外形設(shè)計(jì)242.6.1透氣磚系統(tǒng)耐火材料的尺寸設(shè)計(jì)242.6.2滑動水口系統(tǒng)耐火材料的尺寸設(shè)計(jì)262.7鋼包用耐火材料使用情況統(tǒng)計(jì)28

8、第三章 鋼包用耐火材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路323.1影響精煉鋼包壽命因素的理論分析323.2鋼包不同部位的耐火材料壽命匹配原則333.3鋼包內(nèi)襯經(jīng)濟(jì)適用性原則33第四章 總結(jié)35參考文獻(xiàn)36致 謝37第一章 文獻(xiàn)綜述1.1鋼包的作用鋼包也叫盛鋼桶是冶金工業(yè)的重要容器件，起著儲存、轉(zhuǎn)運(yùn)鋼水的作用，同時(shí)還要進(jìn)行爐外精煉的雙重任務(wù)，隨著煉鋼技術(shù)的發(fā)展，我國的鋼包用耐火材料也得到了很好的發(fā)展。鋼包使用壽命的長短，不僅關(guān)系到耐火材料的消耗，而且直接影響煉鋼的正常生產(chǎn)。特別是隨著轉(zhuǎn)爐壽命的提高，連鑄比的增加和爐外精煉技術(shù)的進(jìn)步，鋼包處于容量大、鋼種多、溫度高、時(shí)間長等日益苛刻的使用條件，對鋼包用耐火材料的要求也

9、不斷提高，所以世界各國都在積極研究開發(fā)各種新材質(zhì)耐火材料，以提高現(xiàn)有耐火材料的質(zhì)量，延長耐火材料的使用壽命，降低耐火材料的噸耗1。1.2對鋼包的使用要求1.2.1鋼包用耐火材料的要求(1)耐高溫。能經(jīng)受高溫鋼水長時(shí)間作用而不熔融軟化。(2)耐熱沖擊。能反復(fù)承受鋼水的裝、出而不開裂剝落。(3)耐熔渣的侵蝕。能承受熔渣對鋼包內(nèi)襯的侵蝕作用。(4)安全。要求鋼包在使用過程中間不紅包、不漏鋼，保證安全作業(yè)。(5)內(nèi)襯具有一定的膨脹性，在高溫鋼水作用下，內(nèi)襯之間緊密接觸而成為一個(gè)整體。(6)具有足夠的高溫機(jī)械強(qiáng)度，能承受鋼水的攪動和沖刷作用。(7)成本和其它要求。1.2.2鋼包盛鋼量的要求1.2.3鋼包

10、凈空高度的要求vd爐處理時(shí)帶渣操作會發(fā)泡，因此要求鋼包要有一定的凈空，以防止鋼水溢出。rh處理時(shí)要求真空槽能進(jìn)入鋼包內(nèi)，使得rh浸漬管插入鋼水中，由于真空槽不能無限度的下降，綜合這些要求，一般在將凈空控制在300mm左右即可。1.2.4鋼殼表面溫度的要求鋼包在使用時(shí)，鋼殼溫度不能過高，以防止鋼殼變形及保證在鋼包周圍工作的人和設(shè)備的安全，通常要求小于等于300。資料介紹，對于鋼包包殼的溫度要小于包殼材質(zhì)的蠕變溫度，一般應(yīng)小于300-350(碳鋼的蠕變溫度300-350，合金鋼的蠕變溫度為350-400)2。所以通常在設(shè)計(jì)鋼包內(nèi)襯時(shí)要根據(jù)耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)合理計(jì)算出鋼殼表面溫度，從而達(dá)到預(yù)期目的。

11、1.3鋼包用耐火材料的使用現(xiàn)狀根據(jù)目前常見的鋼包可以將鋼包分為以下幾種：a根據(jù)鋼廠冶煉工藝不同可以分為：轉(zhuǎn)爐鋼包、電爐鋼包；b根據(jù)冶金作用可以分為：普通鋼包、精煉鋼包；c根據(jù)材料及施工方法不同可以分為：澆注鋼包、磚砌鋼包；d根據(jù)容量大小不同可以分為：50t以上的為大鋼包、50t以下的為小鋼包；下面就依據(jù)施工方法的分類不同從澆注鋼包和磚砌鋼包分別敘述：1.3.1澆注鋼包的使用現(xiàn)狀在我國一般其公稱容量在50噸以下的不帶精煉的轉(zhuǎn)爐普通鋼包，其工作襯一般采用澆注料整體澆灌成型。工作襯一次性使用壽命一般在50-60次左右，最高在70-80次左右，甚至個(gè)別鋼廠有在100次以上的。為降低噸鋼耐材消耗，許多鋼

12、廠鋼包工作襯在使用一定次數(shù)后，將殘襯表面的殘鋼、殘?jiān)謇淼簦追Q剝皮，然后再坐上胎模澆灌一定厚度的澆注料，待烘烤后繼續(xù)投入使用，可大大降低成本，該過程也叫套澆，其第1次留下的殘襯相當(dāng)于永久襯，能維持2-3個(gè)包役。鋼包工作襯的材質(zhì)有鋁鎂質(zhì)、高鋁尖晶石質(zhì)等，按結(jié)合劑可分為低水泥、超低水泥和無水泥耐火澆注料。1.3.1.1高鋁尖晶石澆注料鋼包內(nèi)襯不定形耐火材料自80年代推廣應(yīng)用以來，已由原來的普通鋁鎂澆注料發(fā)展到鋁鎂尖晶石澆注料，澆注料性能明顯提高。鋁鎂尖晶石澆注料具有密度大、強(qiáng)度高、耐侵蝕、抗剝落、磨損率低等優(yōu)點(diǎn)，能顯著提高包齡，因而被眾多廠家采用。筑襯工藝由搗打、投射、振動發(fā)展到胎模振動，胎模振

13、動降低了鋼包耐火材料消耗。取得良好效果，鋼包包齡平均可達(dá)70-80次。具有振動均勻、操作簡便、勞動效率高等優(yōu)點(diǎn)，并且可實(shí)現(xiàn)鋼包內(nèi)襯連續(xù)套澆3，其理化指標(biāo)如表1-1所示。表1-1 高鋁尖晶石澆注料理化指標(biāo)項(xiàng)目內(nèi)容指標(biāo)化學(xué)成分,%mgo+al2o380-90體積密度,g/cm311016h2.8515503h2.80抗折強(qiáng)度,mpa11016h815503h10線變化率,%11016h0.115503h1.01.3.1.2低水泥耐火澆注料低水泥耐火澆注料是在粘土結(jié)合耐火澆注料的基礎(chǔ)上開發(fā)的，也是在20世紀(jì)80年代得到蓬勃發(fā)展的新一代耐火澆注料。其主要品種有低水泥、超低水泥和無水泥耐火澆注料，它集多

14、種耐火澆注料的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有高密度、低氣孔、高強(qiáng)度、低磨損、耐熱震和抗侵蝕等特點(diǎn)，同時(shí)還具有體積穩(wěn)定性強(qiáng)和施工用水量低等特性因此應(yīng)用廣泛，使用效果較好和社會經(jīng)濟(jì)效益顯著4。表1-2是低水泥、超低水泥、無水泥澆注料的使用性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)5。表1-2 低水泥、超低水泥、無水泥澆注料的使用性能成分abclcalcbulccfacfm氧化鋁,%94949698959910092氧化硅,%-4-8氧化鈣,%553223092.0mgo-6.0sio2300.3顯氣孔率,%11024h17.3-15003h-23.6線變化率,%15003h0-(-0.6)+1.54體積密度,g/cm311024h1.33.

15、0115003h-2.91耐壓強(qiáng)度,mpa11024h337.115003h554.0附著強(qiáng)度,mpa12003h-3.2高溫抗折強(qiáng)度,mpa14000.97.0導(dǎo)熱率,w/m.k7000.35-表1-4 精煉鋼包永久層采用不同材質(zhì)及砌筑工藝的對比項(xiàng)目高鋁t-3磚砌筑輕質(zhì)澆注料打結(jié)自流澆注料無模具打結(jié)施工方法砌筑模具澆注無模具澆注砌筑工藝復(fù)雜比較簡單簡單耐材維護(hù)部分修砌局部修補(bǔ)局部修補(bǔ)烘烤方法單獨(dú)烘烤脫模后單獨(dú)烘烤與工作層一起烘烤，無需單獨(dú)烘烤耐材壽命,爐200-5001000-12001500耐材成本,元/噸鋼0.1750.1060.088允許使用溫度,1300-14001650-17001

16、650-17001.3.2.3工作層(1)熔池用耐火材料精煉鋼包工作襯在使用時(shí)熔池與渣線相比，就不是那么苛刻了。包壁的熔池主要承受負(fù)荷、急冷急熱、鋼水的沖刷等因素。因此，在精煉鋼包熔池部位一般采用al2o3-mgo-c磚砌筑。(2)渣線用耐火材料精煉鋼包渣線一般選用耐侵蝕、抗熱震性能好的優(yōu)質(zhì)mgo-c磚或mgo-cao-c磚砌筑。精煉鋼包一次性或綜合包齡一般在60-80次左右，渣線一次性壽命在30-40次左右，因此中間需要更換1次或2次渣線。表1-5是鎂碳磚的理化指標(biāo)8。表1-5 鎂碳磚的理化指標(biāo)等級殘?zhí)?%鎂砂體積密度,g/cm3氣孔率,%耐壓強(qiáng)度,mpamgo,cao,sio2,低檔694

17、31.53.0330109431.53.0030中檔6962.11.03.04300962.11.03.05404962.11.03.0030高檔69720.73.0840109720.73.0530149720.73.0035特優(yōu)級697.51.20.53.12601097.51.20.53.02351497.51.20.53.021800保溫層采用硅酸鋁纖維，一般情況下貼10mm厚即可。施工時(shí)先用粘結(jié)劑和火泥配制成泥漿，用泥漿將其與包體貼合在一起并合縫壓實(shí)。材料與材料之間必須合縫勾漿，不留任何空隙。保證鋼包均勻受力，不致使鋼包襯局部應(yīng)力集中而破裂。保溫板粘貼牢固且具有一定強(qiáng)度后再進(jìn)行永久襯

18、或工作襯的澆注。2.1.2鋼包工作層的設(shè)計(jì)方法澆注鋼包根據(jù)使用時(shí)的環(huán)境，從普通不精煉鋼包和精煉鋼包來分別闡述在設(shè)計(jì)時(shí)鋼包內(nèi)壁厚度以及材料的體積重量等計(jì)算方法。2.1.2.1普通不精煉鋼包圖2-1是普通不精煉小鋼包的設(shè)計(jì)圖，由圖中所給的數(shù)據(jù)根據(jù)下面的計(jì)算公式(2-2、2-3、2-4)可以推出：包壁的體積、包底的體積和保溫層的面積，從而根據(jù)選用的材質(zhì)體積密度依據(jù)計(jì)算式(2-1)計(jì)算出各種材料的數(shù)量和重量。將鋼包內(nèi)壁工作層看作是圓臺，根據(jù)圓臺的體積計(jì)算方法來計(jì)算包壁工作層所用的耐材的體積。工作層所用材料的質(zhì)量： (2-1)包壁的體積： (2-2)包底的體積： (2-3)保溫層面積： (2-4)d:鋼

19、包殼上部內(nèi)壁直徑 b:鋼包絕熱層厚度d: 鋼包殼底部內(nèi)壁直徑 h:鋼包高度d1:鋼包口工作層內(nèi)徑 h:鋼包底工作層厚度 d2: 鋼包熔池底內(nèi)徑 l:鋼包母線長度:材料的密度 a:鋼包母線與水平面的夾角圖2-1 普通不精煉小鋼包設(shè)計(jì)圖2.1.2.2簡單爐后處理的精煉鋼包精煉鋼包的使用條件比較苛刻，所以使得鋼包內(nèi)部造成了不同程度的損毀，為了使鋼包內(nèi)襯損毀達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，就在損毀嚴(yán)重的部位把工作層加厚或者使用高檔料來達(dá)到要求。圖2-2是某鋼廠澆注精煉鋼包。該精煉鋼包在耐火纖維氈外面又鋪設(shè)了一層粘土磚作為永久層，大多數(shù)澆注鋼包一般不設(shè)永久層，在使用過程中采用剝皮套澆技術(shù)。上渣線部位采用高檔鋁鎂澆注料

20、，下渣線采用加厚的方式，從而加強(qiáng)了渣線的抗侵蝕能力。鋼包在設(shè)計(jì)完成后，通過aotocad直接生成不同材質(zhì)面域的體積，然后根據(jù)不同部位使用的材質(zhì)體積密度，從而求出各種材質(zhì)所用的質(zhì)量和價(jià)格。鋼包內(nèi)所用的各種材料，在技術(shù)方案里要附上材料的理化指標(biāo)和耐材消耗明細(xì)表。表2-2列出了圖2-2鋼包使用耐材消耗情況明細(xì)樣表。圖2-2 某鋼廠澆注精煉鋼包設(shè)計(jì)圖表2-2 鋼包使用耐材消耗情況明細(xì)樣表序號砌筑部位材料名稱牌號pn-數(shù)量單重總重包裝運(yùn)費(fèi)零利潤出廠價(jià)單價(jià)總價(jià)噸鋼零利潤價(jià)塊kgt元/噸元/噸元/噸元/噸元元/噸鋼1絕熱層2永久層3渣線4熔池/包底5整體透氣磚6水口座磚7上水口8上、下滑板9下水口10鉻剛玉

21、火泥11粘土火泥12引流砂2.1.3澆注鋼包施工方案2.1.3.1整體澆注鋼包施工方法(1)包底澆注料完全凝固有足夠強(qiáng)度后才能澆注包壁。(2)首先將胎模上均勻刷上一層黃油或者廢機(jī)油，然后安裝胎模，要求胎模安放平、穩(wěn)、實(shí)，并且要求四周與包壁鋼板的間距盡量保持均勻，才能保證澆注的工作層厚度一致。(3)胎模放置好后，一定要固定牢，必要時(shí)可以焊接。(4)澆注工作層之前，要把必要的準(zhǔn)備工作(攪拌機(jī)、振動棒等)做好，然后按照要求進(jìn)行施工，包括加水量的控制，加料方式位置，要求盡量從鋼包四周均勻加料，防止胎模移位，振動充分，直到完全泛漿為止，才能保證施工后的工作層沒有較多的麻面和氣孔。(5)鋼包工作層要求一次

22、性施工完畢。(6)一般在施工完畢8-16小時(shí)以后可以脫模(視環(huán)境溫度而定)，但是脫模前必須檢查表面澆注料的強(qiáng)度，如果仍有料沒有凝固，要延長脫模時(shí)間，必須等到澆注料有足夠的強(qiáng)度才能脫模。(7)脫模自然干燥24小時(shí)后，可以烘烤。2.1.3.2采用剝皮套澆的澆注鋼包施工方法精煉鋼包在新包使用一段時(shí)間后可采用剝皮套澆來降低噸鋼耐材消耗，其施工方法如下：(1)清除工作面和夾在里面露出的殘鋼殘?jiān)?，不得有任何一點(diǎn)殘鋼。(2)觀察準(zhǔn)備剝皮鋼包包壁澆注料狀況，如沒有大的問題可以決定不剝皮，進(jìn)行鋼包澆注料工作襯套澆。(3)下胎模測試，如胎模能夠落位，周圍平均間隙大于30mm，則提起胎模進(jìn)行直接套澆的準(zhǔn)備。(4)如

23、包壁較厚胎模不能落位，可采取措施修補(bǔ)上部，更換渣線繼續(xù)使用一定次數(shù)后，再作決定是否套澆。(5)決定剝皮的鋼包，拆除凸出的澆注料塊和渣塊，與周圍澆注料厚度相當(dāng)即可。(6)將包底灰渣清理干凈，按要求砌筑好水口等部位后，用鋼包澆注料將包底澆筑平整。(7)將工作襯的上端面剝皮，重新澆注上端面。(8)安放胎具：根據(jù)下壁厚度劃出胎膜下端定位圓圈，放入胎模到所定位置，測量胎模上端與包壁永久層的間距后進(jìn)行調(diào)整，要求間距尺寸公差小于10mm，透氣磚側(cè)可大于對邊20mm。(9)用振動棒振動澆灌，下部振動棒不能插入的地方，澆注料配水比例可適當(dāng)增加以提高澆注料流動性。其余按正常澆注操作，應(yīng)特別注意振動密實(shí)，能下振動棒

24、的地方不得有疏松偏析現(xiàn)象，取出振動棒時(shí)一定要緩慢，以防形成孔洞。(10)澆完后養(yǎng)生24小時(shí)脫模，檢查澆注效果，對缺角和疏松部位用鋼包修補(bǔ)料修補(bǔ)完善。(11)使用中加強(qiáng)檢查，如發(fā)現(xiàn)50mm以上的局部脫落應(yīng)立即停包冷修。(12)中途停包冷修時(shí)要全面檢查套澆層，發(fā)現(xiàn)脫落及裂紋均要用鋼包修補(bǔ)料補(bǔ)好。2.2磚砌鋼包的設(shè)計(jì)磚砌鋼包在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素要比澆注鋼包的多一點(diǎn)，首先要從冶煉工藝和鋼種來考慮，其次要根據(jù)鋼包盛鋼量、凈空高度來滿足鋼廠需要，最后要根據(jù)預(yù)期鋼包使用壽命、渣線使用壽命從而來確定內(nèi)襯各材料的厚度和材質(zhì)的選擇。2.2.1磚砌鋼包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1.1絕熱層的設(shè)計(jì)磚砌鋼包的絕熱層設(shè)計(jì)和澆注鋼包

25、的設(shè)計(jì)思路及施工方法一樣，在前面2.1.1已經(jīng)詳細(xì)介紹過了在這不作過多的介紹。2.2.1.2永久層的設(shè)計(jì)根據(jù)鋼包工作襯及殘襯的特點(diǎn)，要求所設(shè)計(jì)的永久層要適中。太厚，則工作層厚度變薄，影響使用壽命；太薄，則施工強(qiáng)度低。綜合考慮鋼包使用的安全性和施工性，從而來確定永久層的厚度14。在永久層施工時(shí)若采用澆注料，則根據(jù)澆注包整體澆注施工方法一樣。若采用自流澆注料，可以采用永久層和工作層一塊施工來砌筑，先預(yù)留好工作層厚度，然后在砌筑幾層工作層用磚后將自流態(tài)的澆注料注入包壁工作層與耐火纖維氈之間的空隙中，用泥刀插實(shí)，反復(fù)重復(fù)操作，直至鋼包砌筑完畢，這種方法無需振動，取消座模、脫模等繁瑣工作而降低勞動強(qiáng)度，

26、省時(shí)、省力，降低成本。但缺點(diǎn)是在第一次中修時(shí)拆包后可能永久層的表面不是很平整，需要進(jìn)行二次修整后再砌筑工作層。2.2.1.3工作層的設(shè)計(jì)工作層用耐火材料的設(shè)計(jì)主要是厚度和磚型的設(shè)計(jì)，工作層的厚度是根據(jù)鋼廠目前冶煉環(huán)境和工藝，然后選擇能滿足鋼廠要求使用壽命的耐火材料，這就需要根據(jù)耐火材料的侵蝕速率來計(jì)算了。根據(jù)鋼水的液面高度來確定渣線以及渣層厚度。磚型的設(shè)計(jì)在下一節(jié)專門介紹。2.2.2工作層磚型和數(shù)量的設(shè)計(jì)方法鋼包工作層采用磚砌時(shí)，每個(gè)鋼廠的鋼包殼尺寸都不相同且鋼包內(nèi)徑也不相等，所以為了在砌包時(shí)方便砌筑，我們將鋼包內(nèi)的磚型分為直型磚、側(cè)厚楔形磚、豎厚楔形磚、豎寬楔形磚，這樣我們可以根據(jù)鋼包的尺寸

27、半徑來合理選擇不同的磚來搭配砌筑。圖2-3是鋼包常用配砌磚型15。直形磚側(cè)厚楔形磚豎厚楔形磚豎寬楔形轉(zhuǎn)圖2-3 磚砌鋼包所用四種不同的磚型圖下面根據(jù)現(xiàn)有的這幾種磚型從磚型搭配上分別來敘述其磚型各尺寸間的關(guān)系以及數(shù)量的計(jì)算方法：2.2.2.1直型磚與楔形磚系列（1）單楔形磚的半徑及極限塊數(shù)的求法16圖2-4單楔形磚示意圖在一個(gè)磚環(huán)中實(shí)際上是由若干(k)個(gè)梯形磚體砌筑的，圖2-4是單個(gè)楔形磚的放大圖。內(nèi)外圓周長2r0及2r0只能近似等于axk及adk，所以r0和r0只能近似作為楔形磚的內(nèi)半徑和外半徑，所以： 可以推出： (2-5)對于這種寬楔形磚每環(huán)極限塊數(shù)為k0： 所以結(jié)合兩個(gè)式子所得： 即：

28、(2-6)（2）“等大頭尺寸”系列17在直形磚的配砌尺寸與楔形磚的大頭尺寸相等(均取ad)的情況下，即所謂“等大頭尺寸”系列如圖2-5所示，外半徑為r的混合磚環(huán)內(nèi)，楔形磚數(shù)量k楔及直形磚數(shù)量k直可由下面的方程組導(dǎo)出：圖2-5 大頭尺寸相等的直型磚與楔形磚 解之得：由于采取等大頭尺寸系列，混合磚環(huán)的總數(shù)為：將(2-5)式中的代入在上式結(jié)果中由于所以“等大頭尺寸”系列楔形轉(zhuǎn)和直型磚所用磚的數(shù)量結(jié)果計(jì)算式可以寫為： (2-7)（3）“不等大頭尺寸”系列當(dāng)直形磚的配砌尺寸a不等于楔形磚的大頭尺寸a大時(shí)(見圖2-6)，外半徑為r的混合磚環(huán)內(nèi)，磚量配比可由下面的方程組推導(dǎo)：圖2-6大頭不相等的直型楔形磚

29、解之得： 因?yàn)椋运栽凇安坏却箢^尺寸”系列楔形轉(zhuǎn)和直型磚所用磚的數(shù)量結(jié)果計(jì)算式可以寫為下式： (2-8)（4）“等平均尺寸”系列當(dāng)選用楔形磚的大小頭平均尺寸等于所配砌的直型磚a時(shí)如圖2-7，外半徑為r（磚環(huán)中心半徑為）的磚環(huán)內(nèi)，兩種磚所用的數(shù)量可由下面的方程組推導(dǎo)：圖2-7等平均尺寸的楔形磚與直型磚 解之得：鑒于“等平均尺寸”尺寸系列的特點(diǎn)，磚環(huán)總磚數(shù)，將代入，所以直型磚的數(shù)量可寫為：因?yàn)榇颂幍模肷鲜降茫河忠驗(yàn)樗陨鲜娇梢曰癁椋杭矗核浴暗绕骄叽纭毕盗行ㄐ无D(zhuǎn)和直型磚所用磚的數(shù)量結(jié)果計(jì)算式可以寫為： (2-9)由以上(2-7、2-8、2-9)三組結(jié)果不難看出，無論采用直型磚與任意一種楔

30、形磚配砌，其計(jì)算磚型數(shù)量都采用這個(gè)公式來計(jì)算，所以采取這個(gè)通式就很容易計(jì)算出各種轉(zhuǎn)型的數(shù)量。2.2.2.2雙楔形磚系列(1)等大頭尺寸系列當(dāng)兩種楔形磚的大頭尺寸相等均為ad(見圖2-8)時(shí)，外半徑為r的雙楔形磚磚環(huán)內(nèi)，大半徑楔形磚塊數(shù)k大及小半徑楔形磚塊數(shù)k小可由下面的方程組推導(dǎo)：圖2-8 大頭尺寸相等的兩種楔形磚 解之得： (2-10)(2)等小頭尺寸系列當(dāng)兩種楔形磚的小頭尺寸相等（均為ax見圖2-9）時(shí)，內(nèi)半徑為r的雙楔形磚磚環(huán)內(nèi)，兩種楔形磚的數(shù)量可由下面的方程組推導(dǎo)： 解之得： (2-11)圖2-9大頭尺寸相等的兩種楔形磚(3)不等尺寸系列當(dāng)大半徑楔形磚的大頭尺寸ad及小頭尺寸ax與小半

31、徑楔形磚的大頭尺寸a1及小頭尺寸a2都彼此不同時(shí)見圖2-10，雙楔形磚磚環(huán)內(nèi)兩種磚的塊數(shù)可由下面的方程組推導(dǎo)：圖2-10大小頭尺寸都不相等的兩種楔形磚 解之得：因?yàn)樗陨厦娴慕Y(jié)果還可以寫成下式： (2-12)由于ad、ax、a1、a2及b已選定，式(2-12)中k大、k小均為直線方程。k大式中r的系數(shù)為正值，k小式中r的系數(shù)為負(fù)值。在(2-12)式中磚環(huán)外半徑r的應(yīng)用范圍在小半徑楔形磚的彎曲外半徑r小與大半徑楔形磚的彎曲外半徑r大之間。在r小rr大條件下，大半徑楔形磚塊數(shù)k大的增多及小半徑楔形磚塊數(shù)的減小都分別同時(shí)與磚環(huán)外半徑r的增大成直線關(guān)系?？梢娫谥苯亲鴺?biāo)系中(以縱坐標(biāo)表示楔形磚的塊數(shù)，以

32、橫坐標(biāo)表示磚環(huán)外半徑)，相交叉的兩條線段表示兩種楔形磚的塊數(shù)相等。線段端點(diǎn)的橫坐標(biāo)分別表示r小、及r大，將代入(2-12)式中得k大=0及，即在最小半徑磚環(huán)內(nèi)不需要大半徑楔形磚，但最小半徑楔形磚為其極限塊數(shù)。將分別代入(2-12)式中得及k小=0，即在最大半徑磚環(huán)內(nèi)不需要小半徑楔形磚，但大半徑楔形磚為極限塊數(shù)。這樣，按相配砌的兩種楔形磚的主要尺寸參數(shù)(彎曲半徑r小、及r大，極限塊數(shù)k小及k大)劃出三條線段來(見圖2-11)。圖2-11 雙楔形磚磚環(huán)磚量計(jì)算圖圖中若磚環(huán)外半徑為r則線段mn與pq與磚環(huán)外半徑r縱線段ad交點(diǎn)的縱坐標(biāo)，分別表示該外半徑磚環(huán)內(nèi)兩種楔形磚的塊數(shù)；b點(diǎn)縱坐標(biāo)表示k小，c點(diǎn)

33、縱坐標(biāo)表示k大，線段mq表示k總。所以由圖中便可直觀地看出兩種楔形磚塊數(shù)的簡化計(jì)算式為： (2-13)所以，利用(2-13)中的計(jì)算公式就可以計(jì)算出，任意兩種楔形磚在配砌時(shí)各種磚所需要的數(shù)量。2.3鋼包傳熱模型與壁面溫度計(jì)算推導(dǎo)方法在鋼包耐火材料設(shè)計(jì)中，各層壁面的溫度也是必須要考慮的，溫降過快不但降低生產(chǎn)節(jié)奏而且鋼包殼表面溫度過高以致使工人無法近距離操作，所以在設(shè)計(jì)內(nèi)襯耐火材料時(shí)要計(jì)算出各層壁面溫度，從而來合理的選擇合適的耐火材料來滿足鋼廠工藝及生產(chǎn)需要。2.3.1鋼包壁的穩(wěn)態(tài)熱模型計(jì)算推導(dǎo)方法鋼包在冶煉時(shí)，爐體與鋼水及爐殼與周圍環(huán)境的熱交換行為是相當(dāng)復(fù)雜的，為簡化起見，計(jì)算分析時(shí)按以下形式考

34、慮：把工作層、永久層、保溫層、爐殼四層壁看成一維圓筒壁穩(wěn)態(tài)溫度場。在爐內(nèi)，鋼液和爐壁是接觸傳熱，求解時(shí)按第一類邊界條件處理，即工作層內(nèi)表面溫度為鋼液溫度。在爐體外部，即爐殼外面?zhèn)鳠嵋杂袃煞N途徑：一是與周圍空氣的對流散熱；二是通過輻射向周圍環(huán)境散熱。計(jì)算爐殼外面按第三類邊界條件考慮，即已知周圍環(huán)境溫度，將對流換熱和輻射換熱折合成綜合換熱系數(shù)考慮18。計(jì)算包壁向外傳遞的熱通量q時(shí)，必須要求出輻射傳熱系數(shù)為1和對流傳熱系數(shù)2。輻射傳熱系數(shù)1可用下式求出： (2-14)式中：tw為包殼外表面溫度，；tf為包底外表面周圍空氣溫度，；為耐火材料的黑度，取0.8；cb為黑體輻射系數(shù)，5.67w/(m2k4)

35、；對流傳熱系數(shù)2可按垂直圓柱的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算19： (2-15)式中：h為定型尺寸，m，取包壁高度。在計(jì)算時(shí)可假設(shè)tw為某一溫度值后代入式(2-14)和式(2-15)，求出1、2，然后將數(shù)值代入下式中求出q值，計(jì)算熱通量公式如下： (2-16)式中：t1為工作層內(nèi)表面溫度，；ri、ri+1、rn+1分別為第i層、第i+1層、第n+1層包壁半徑及鋼包外半徑，m；i為第i層壁的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m)。根據(jù)上面求出的q值根據(jù)t1的溫度值按照一維圓筒壁的導(dǎo)熱來推算出包殼tw的溫度值，最后與假設(shè)溫度相比較，若誤差超過5%則重新設(shè)包殼溫度tw，最終計(jì)算出包殼的穩(wěn)定溫度，其壁面溫度推算公式為： (2-17)2.

36、3.2鋼包底的穩(wěn)態(tài)熱模型計(jì)算推導(dǎo)方法對于鋼包底來說，計(jì)算傳熱時(shí)唯一與包壁計(jì)算不同的地方是可將鋼包底視為無限大平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱來求。包內(nèi)與包外的傳熱方式一樣，包殼外表面的輻射散熱系數(shù)1與前面公式(2-14)計(jì)算一樣，而對流熱系數(shù)的計(jì)算公式可根據(jù)下面(2-18)式來求20。對流系數(shù)3的計(jì)算方法為： (2-18)式中，l為定型尺寸，m；取包徑的0.9倍。在計(jì)算時(shí)同樣可設(shè)tw為某一溫度值后代入下式(2-19)中求出q值。 (2-19)式中：i為第i層壁的厚度,m；i為第i層壁的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m)。根據(jù)求出的q值，然后通過t1和q的溫度值按照一維平壁的導(dǎo)熱來推算出包殼tw的溫度值，最后與假設(shè)溫度相比較

37、，若誤差超過5%則重新設(shè)包殼溫度tw，最終計(jì)算出包殼的穩(wěn)定溫度，其一維平壁壁面溫度推算公式為21： (2-20)2.4圓柱形鋼包容量與水口最小孔徑關(guān)系式的推導(dǎo)設(shè)鋼包為圓柱形，高為h，直徑為d。水口直徑為d(如圖2-12所示)，鋼水流盡時(shí)間推到如下。通過水口的平均鋼液流速為，這是一個(gè)不穩(wěn)定流動的問題，因鋼液通過水口流出，所以時(shí)間內(nèi)流出的質(zhì)量為：，其中由時(shí)間內(nèi)鋼水液面下降了，其質(zhì)量為：，其中則有：兩邊積分，則有：積分得：鋼水流盡的時(shí)間為：。若已知鋼水出鋼流盡時(shí)間為，則可求出水口的最小直徑： (2-21)圖2-12鋼包示意圖2.5鋼包成本分析計(jì)算2.5.1材料量的核算準(zhǔn)則(1)各部分材料理論重量體積典型密度值，