CN107243623B - 一种带有真空层的钢包 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带有真空层的钢包，所述钢包由外向内依次同轴设有：钢包包壳(1)和钢包内衬；所述钢包内衬设置于所述钢包包壳(1)内；所述钢包内衬以渣线位置(14)为界，将其分为两个部分；所述钢包内衬的下半部分由外向内依次同轴设有：永久层(12)，真空层(3)和耐火材料浇注料层(11)；所述钢包内衬的上半部分由外向内依次同轴设有：永久层(12)，真空层(3)和镁碳砖层(13)；所述真空层(3)上开有真空层排气孔(7)，用于与抽真空设备(6)连通；本发明中的真空层的桶状钢板很难变形，在钢包吊运过程中和盛贮钢水过程中不会有安全隐患；采用在所述永久层与所述钢包包壳之间设置所述真空层后，钢包能减少散热80％～93％。

Description

一种带有真空层的钢包

技术领域

本发明涉及钢铁冶金的技术领域，特别涉及一种带有真空层的钢包。

背景技术

钢包是一种承接高温钢水的容器。在目前的钢铁冶炼流程中，烘烤后的钢包先承接转炉或电炉放出的钢水，然后被运到精炼区域进行钢水的成份、温度、纯净度的调整，钢水的各项指标都满足质量要求之后，钢包再被运到连铸区域进行钢水的浇注。钢水浇注结束后，将钢包中的炉渣倒净后，钢包被运往水口维护区域，进行钢包水口的更换。水口更换后，钢包重新被运往转炉或电炉区域去承接转炉或电炉放出的钢水，如此循环往复使用钢包。其中，钢包在精炼、连铸区域承接高温钢水的时间约为2～3小时，维修更换水口和等待承接钢水的时间约为0.5～1.5小时，在承接钢水的2～3小时内，钢水的自然散热损失约为0.5～1℃/min；钢水在倒入钢包后，其运输、精炼和浇铸过程中，要损失大量热量；其热量损失大致分为三部分：第一部分为钢水上表面的辐射热损失，即钢包口的辐射热损失；第二部分为钢包外壳表面的综合散热损失；第三部分为钢包内衬的蓄热损失。钢水在钢包中的热损失比例大概是：包衬蓄热45～50％，包壁散热20％，钢水上表面辐射20～30％。目前主要采取提高出钢温度的方法来补偿钢水的温度损失，这种做法是不经济的。过高的提高炼钢温度不仅延长了炼钢时间，降低钢产量，增加原材料，即耐火材料，和动力能源消耗，缩短熔炼炉的检修周期，而且容易造成连铸生产的波动和铸坯的质量缺陷。

目前，减少钢包温降的方法主要是在提高包衬耐材的质量和厚度方面做工作，通过将钢包内衬结构由外到内依次包括：钢包壁—绝热层—永久层—耐火材料浇注料层；这样的结构虽然能减少钢包温降，但即使采用了这样的结构设计，钢包壁的温度仍然为200～300℃，仍然会有较多的热量从钢包壁散失掉，造成了能源的浪费，且钢包散失的热量烘烤炼钢工人，给炼钢工人的操作带了诸多不便，并损害炼钢工人的健康。

目前，现有技术提出了一种带有真空外壳的冶金包装置，这种冶金包装置是来自于一篇专利《一种带有真空外壳的冶金包装置》(申请号：201110054782；申请人：周建安)，这篇专利公布了冶金包壳外壁上设有真空外壳，真空外壳的顶端与冶金包壳顶端固定连接，真空外壳内壁与冶金包壳外壁之间的空隙构成外壳真空室，真空室内的气压为1～5Pa，运用真空绝热原理来减少钢包的温度散失。但是，该专利技术提供的真空外壳位于冶金包壳的外部，冶金包壳与冶金包内衬直接接触，钢水的热量通过钢包内衬传递给冶金包壳，由于真空层的存在，冶金包壳上的热量无法传递到真空包壳，也无法散失到空气中，所以冶金包壳上的热量无法散失，冶金包壳会逐渐蓄积钢包内衬传递来的热量，造成冶金包壳的温度逐渐升高，造成冶金包壳的强度下降，而在冶金钢包的吊运过程中，冶金包壳承载着冶金包内耐材和钢液的重力，需要冶金包壳保持足够的强度来保证冶金钢包在吊运过程中的安全。因此，将真空外壳焊接在冶金包壳的外部，造成了安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于，为了解决现有的钢包结构存在上述缺陷，本发明提供一种带有真空层的钢包，所述钢包由外向内依次同轴设有：钢包包壳和钢包内衬；所述钢包内衬设置于所述钢包包壳内，所述钢包内衬以渣线位置为界，将其分为两个部分；所述钢包内衬的其中下半部分由外向内依次同轴设有：永久层，真空层和耐火材料浇注料层；所述钢包内衬的上半部分由外向内依次同轴设有：永久层，真空层和镁碳砖层；所述真空层的一侧开有真空层排气孔，所述真空层排气孔贯穿并连通至钢包包壳外，且所述真空层排气孔上安装真空层排气管，所述真空层排气管上安装阀门，用于控制进气量；所述真空层排气管再与抽真空设备连通。

所述真空层采用钢质材料制成，所述真空层紧贴在所述钢包包壳内壁上；

所述真空层包括：第一桶状钢板，第二桶状钢板，第一圆环状钢板和第二圆环状钢板；所述第一桶状钢板和所述第二桶状钢板构成了所述真空层的桶壁，即内、外壁；所述第一圆环状钢板和所述第二圆环状钢板构成了所述真空层的顶板和底板。

所述第一桶状钢板与所述第二桶状钢板之间的厚度为20～40mm，所述第一桶状钢板的厚度为2～10mm，所述第二桶状钢板的厚度为2～10mm。

所述第一圆环状钢板的厚度为1～3mm，所述第二圆环状钢板的厚度为1～3mm。

在真空度较高的情况下,所述真空层内传递的热量是和所述真空层内的压强成正比的，因此，在保持所述真空层内部的气体压力小于10pa的状态下，所述真空层内的气体基本不传递热量，所述真空层主要通过所述真空层的所述第一圆环状钢板和所述第二圆环状钢板传递热量，但由于所述真空层的所述第一圆环状钢板和所述第二圆环状钢板很薄，仅为1～3mm，其所述第一圆环状钢板和所述第二圆环状钢板的厚度之和占钢包高度的1/500～1/1500，而钢材的导热系数约为耐火材料的100倍，经计算，采用在所述永久层与所述钢包包壳之间设置所述真空层后，钢包能减少散热80％～93％。

钢包吊运过程中，所述钢包包壳受到的拉应力计算式为如下(1)式所示：

σ＝(M_耐材+M_钢水)g/S_{钢包壳截面}＝(M_耐材+ρ_钢水hS_{钢水液面截面})g/S_{钢包壳截面}(1)

式中，σ为钢包壳受到的拉应力，M_耐材为钢包耐材的重量，M_钢水为钢包内钢水的重量，g为重力单位，S_{钢包壳截面}为钢包包壳的水平截面面积，ρ_钢水为钢水的密度，h为钢水液面高度，S_{钢水液面截面}为钢水液面的水平截面面积。

所述真空层内层的第一桶状钢板受到的压强为计算式为如下(2)式所示：：

P＝P_大气+ρ_钢水gh (2)

式中，P为真空层内层第一桶状钢板受到的压强，P_大气为大气压强，g为重力单位，ρ_钢水为钢水的密度，h为钢水液面高度。

比较(1)式和(2)式，基于生产中的实际数据，(1)式中的M_耐材值约为M_钢水值的1/2，(2)式中的P_大气值约为ρ_钢水gh值的1/2。因此，比较(ρ_钢水hS_{钢水液面截面})g/S_{钢包壳截面}与ρ_钢水hg的大小就可以确定σ与P的大小，由于实际钢包参数中的S_{钢水液面截面}值远大于S_{钢包壳截面}值，钢包中的S_{钢水液面截面}/S_{钢包壳截面}值约为50～100，所以σ约为P的50～100倍。

因此，所述钢包包壳受到的拉应力远大于所述真空层内第一桶状钢板受到的压强，在钢水压力作用下，所述真空层内的第一钢板受到的压强较小，所述真空层内的第一桶状钢板很难变形，在钢包的吊运过程中和盛贮钢水过程中不会有安全隐患。

本发明的优点在于：在钢包内衬中设置一个真空层，由于真空层内导热性差，可以极大的减少钢包的散热损失。另外，所述真空层设置在钢包包壳的内侧，在钢包吊运过程中，钢包包壳承载着钢水重力，而所述真空层不需承担钢水的重力，真空层和钢包内衬联合承担钢水的水平压力，由于真空层内的桶状钢板受到的水平压强较小，真空层内的桶状钢板很难变形，在钢包的吊运过程中和盛贮钢水过程中不会有安全隐患。

附图说明

图1是本发明的一种带有真空层的钢包的结构示意图；

图2是本发明的一种带有真空层的钢包的真空层的结构示意图。

附图标识：

1、钢包包壳 2、钢包耳轴

3、真空层 4、阀门

5、真空层排气管 6、抽真空设备

7、真空层排气孔 8、绝热层

9、透气砖 10、钢包水口

11、耐火材料浇注料层 12、永久层

13、镁碳砖层 14、渣线位置

15、第一桶状钢板 16、第二桶状钢板

17、第一圆环状钢板 18、第二圆环状钢板

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供一种带有真空层的钢包，所述钢包由外向内依次同轴设有：钢包包壳1和钢包内衬；所述钢包内衬设置于所述钢包包壳1内，所述钢包内衬以渣线位置14为界，将其分为上、下两个部分；所述钢包内衬的下半部分由外向内依次同轴设有：永久层12，真空层3和耐火材料浇注料层11；所述钢包内衬的上半部分由外向内依次同轴设有：永久层12，真空层3和镁碳砖层13；所述真空层3的左侧开有真空层排气孔7，所述真空层排气孔7贯穿并连通至所述钢包包壳1外，且所述真空层排气孔7上安装真空层排气管5，所述真空层排气管5上安装阀门4，用于控制进气量；所述真空层排气管5再与抽真空设备6连通。

所述真空层3采用钢质材料制成，所述真空层3紧贴在所述钢包包壳1的内壁上；

真空层的结构如图2所示，所述真空层3包括：第一桶状钢板15，第二桶状钢板16，第一圆环状钢板17和第二圆环状钢板18；所述第一桶状钢板15和所述第二桶状钢板16构成了所述真空层3的桶壁，即内、外壁；所述第一圆环状钢板17和所述第二圆环状钢板18构成了所述真空层3的顶板和底板。

所述第一桶状钢板15与所述第二桶状钢板16之间的厚度为20～40mm，所述第一桶状钢板15的厚度为2～10mm，所述第二桶状钢板16的厚度为2～10mm。

所述第一圆环状钢板17的厚度为1～3mm，所述第二圆环状钢板18的厚度为1～3mm。

在真空度较高的情况下,所述真空层内传递的热量是和所述真空层内的压强成正比的，因此，在保持所述真空层内部的气体压力小于10pa的状态下，所述真空层内的气体基本不传递热量，所述真空层主要通过所述真空层的所述第一圆环状钢板17和所述第二圆环状钢板18传递热量，但由于所述真空层的所述第一圆环状钢板17和所述第二圆环状钢板18很薄，仅为1～3mm，其所述第一圆环状钢板17和所述第二圆环状钢板18的厚度之和占钢包高度的1/500～1/1500，而钢材的导热系数约为耐火材料的100倍，经计算，采用在所述永久层与所述钢包包壳之间设置所述真空层后，钢包能减少散热80％～93％。

钢包吊运过程中，所述钢包包壳受到的拉应力计算式为如下(1)式所示：

σ＝(M_耐材+M_钢水)g/S_{钢包壳截面}＝(M_耐材+ρ_钢水hS_{钢水液面截面})g/S_{钢包壳截面}(1)

式中，σ为钢包壳受到的拉应力，M_耐材为钢包耐材的重量，M_钢水为钢包内钢水的重量，g为重力单位，S_{钢包壳截面}为钢包包壳的水平截面面积，ρ_钢水为钢水的密度，h为钢水液面高度，S_{钢水液面截面}为钢水液面的水平截面面积。

所述真空层的第一桶状钢板15受到的压强为计算式为如下(2)式所示：：

P＝P_大气+ρ_钢水gh (2)

式中，P为真空层第一桶状钢板受到的压强，P_大气为大气压强，g为重力单位，ρ_钢水为钢水的密度，h为钢水液面高度。

比较(1)式和(2)式，基于生产中的实际数据，(1)式中的M_耐材值约为M_钢水值的1/2，(2)式中的P_大气值约为ρ_钢水gh值的1/2。因此，比较(ρ_钢水hS_{钢水液面截面})g/S_{钢包壳截面}与ρ_钢水hg的大小就可以确定σ与P的大小，由于实际钢包参数中的S_{钢水液面截面}值远大于S_{钢包壳截面}值，钢包中的S_{钢水液面截面}/S_{钢包壳截面}值约为50～100，所以σ约为P的50～100倍。

因此，所述钢包包壳受到的拉应力远大于所述真空层第一桶状钢板15受到的压强，在钢水压力作用下，所述真空层内的桶状钢板受到的压强较小，所述真空层内的桶状钢板很难变形，在钢包的吊运过程中和盛贮钢水过程中不会有安全隐患。

钢包被用于盛储钢水前，预先使用所述抽真空设备6对所述真空层3抽真空，将所述真空层3内的真空度抽至5～10pa，然后关闭所述阀门4，并断开所述真空层排气孔7与所述真空层排气孔道5的连接，将钢包运至转炉或电炉区域去盛接钢水。

所述永久层12的厚度为120～150mm，所述耐材材料浇注料层11的厚度为250～400mm，钢包包底的所述绝热层8的厚度为30～50mm，钢包包底处安装有透气砖9和钢包水口10。

在真空度较高的情况下,真空层内传递的热量是和真空层内的压强成正比的，所以在保持真空层内部的气体压力小于10pa的状态下，真空层内的气体基本不传递热量，真空层主要通过真空层的顶板和底板传递热量，但由于顶板和底板很薄，仅为1～3mm，顶板和底板的厚度之和占钢包高度的1/333～1/1000，而钢材的导热系数约为耐火材料的100倍，经计算，采用真空层后，钢包能减少散热66％～90％，在整个精炼－连铸过程中，能减少钢水温降3～10℃，降低生产成本1.5～5元/吨钢。

根据生产上的实际数据进行计算，真空层内的桶状钢板受到的压强较小，真空层内桶状钢板受到的压强约为钢包壳受到的拉应力的1/50～1/100,在钢水压力作用下，真空层内的桶状钢板受到的压强较小，真空层内的桶状钢板很难变形，在钢包的吊运过程中和盛贮钢水过程中不会有安全隐患。

钢包运行过程中，钢包在精炼、连铸区域盛储钢水的时间约为2～3小时，维修更换水口和等待接钢水的时间约为0.5～1.5小时，在精炼、连铸区域盛储钢水的过程中，受钢水传热作用的影响，钢包耐材的温度逐渐升高，真空层3的内侧的第一桶状钢板15的温度也逐渐升高，在维修更换水口和等待接钢水的过程中，由于钢包内没有钢水，钢包耐材的温度逐渐下降，真空层的内侧的第一桶状钢板15的温度也逐渐下降。真空层的内侧的第一桶状钢板15的温度随时间的变化规律为：升高－下降－升高－下降，如此循环往复，所以真空层的内侧第一桶状钢板15的温度不会一直升高，根据生产经验，真空层的内侧第一桶状钢板15的最高温度为500～600℃，在此温度下，真空层的内侧第一桶状钢板15仍有较高强度，可以轻松抵御住钢水施加向真空层的压强，真空层的内侧第一桶状钢板15基本不会变形，没有安全隐患。

具体实施例1

如图1所示，本发明提供一种带有真空层的钢包，所述钢包由外向内依次同轴设有：钢包包壳1和钢包内衬；所述钢包内衬设置于所述钢包包壳1内，所述钢包内衬以渣线位置14为界，将其分为上、下两个部分；所述钢包内衬的下半部分由外向内依次同轴设有：永久层12，真空层3和耐火材料浇注料层11；所述钢包内衬的上半部分由外向内依次同轴设有：永久层12，真空层3和镁碳砖层13；所述真空层3的左侧开有真空层排气孔7，所述真空层排气孔7贯穿并连通至所述钢包包壳1外，且所述真空层排气孔7上安装真空层排气管5，所述真空层排气管5上安装阀门4，用于控制进气量；所述真空层排气管5再与抽真空设备6连通。

所述真空层3采用钢质材料制成，所述真空层3紧贴在所述钢包包壳1的内壁上；

真空层的结构如图2所示，所述真空层3包括：第一桶状钢板15，第二桶状钢板16，第一圆环状钢板17和第二圆环状钢板18；所述第一桶状钢板15和所述第二桶状钢板16构成了所述真空层3的桶壁，即内、外壁；所述第一圆环状钢板17和所述第二圆环状钢板18构成了所述真空层3的顶板和底板。

所述第一桶状钢板15与所述第二桶状钢板16之间的厚度为30mm，所述第一桶状钢板14的厚度为6mm，所述第二桶状钢板16的厚度为6mm。

所述第一圆环状钢板17的厚度为2mm，所述第二圆环状钢板18的厚度为2mm。

在真空度较高的情况下,所述真空层内传递的热量是和所述真空层内的压强成正比的，因此，在保持所述真空层内部的气体压力小于10pa的状态下，所述真空层内的气体基本不传递热量，所述真空层主要通过所述真空层的所述第一圆环状钢板17和所述第二圆环状钢板18传递热量，但由于所述真空层的所述第一圆环状钢板17和所述第二圆环状钢板18很薄，仅为2mm，其所述第一圆环状钢板17和所述第二圆环状钢板18的厚度之和占钢包高度的2/1000，而钢材的导热系数约为耐火材料的100倍，经计算，采用在所述永久层与所述钢包包壳之间设置所述真空层后，钢包能减少散热80％。

钢包吊运过程中，所述钢包包壳受到的拉应力计算式为如下(1)式所示：

σ＝(M_耐材+M_钢水)g/S_{钢包壳截面}＝(M_耐材+ρ_钢水hS_{钢水液面截面})g/S_{钢包壳截面}(1)

式中，σ为钢包壳受到的拉应力，M_耐材为钢包耐材的重量，M_钢水为钢包内钢水的重量，g为重力单位，S_{钢包壳截面}为钢包包壳的水平截面面积，ρ_钢水为钢水的密度，h为钢水液面高度，S_{钢水液面截面}为钢水液面的水平截面面积。

所述真空层内层第一桶状钢板15受到的压强为计算式为如下(2)式所示：：

P＝P_大气+ρ_钢水gh (2)

式中，P为真空层内层第一钢板受到的压强，P_大气为大气压强，g为重力单位，ρ_钢水为钢水的密度，h为钢水液面高度。

比较(1)式和(2)式，基于生产中的实际数据，(1)式中的M_耐材值约为M_钢水值的1/2，(2)式中的P_大气值约为ρ_钢水gh值的1/2。因此，比较(ρ_钢水hS_{钢水液面截面})g/S_{钢包壳截面}与ρ_钢水hg的大小就可以确定σ与P的大小，由于实际钢包参数中的S_{钢水液面截面}值远大于S_{钢包壳截面}值，钢包中的S_{钢水液面截面}/S_{钢包壳截面}值约为50～100，所以σ约为P的50～100倍。

因此，所述钢包包壳受到的拉应力远大于所述真空层内第一桶状钢板受到的压强，在钢水压力作用下，所述真空层内的第一桶状钢板受到的压强较小，所述真空层内的第一桶状钢板很难变形，在钢包的吊运过程中和盛贮钢水过程中不会有安全隐患。

钢包被用于盛储钢水前，预先使用所述抽真空设备6对所述真空层3抽真空，将所述真空层3内的真空度抽至5pa，然后关闭所述阀门4，并断开所述真空层排气孔7与所述真空层排气孔管5的连接，将钢包运至转炉或电炉区域去盛接钢水。

所述永久层12的厚度为120mm，所述耐材材料浇注料层11的厚度为400mm，钢包包底的所述绝热层8的厚度为30mm，钢包包底处安装有透气砖9和钢包水口10。

经计算，采用真空层后，钢包能减少散热80，在整个精炼－连铸过程中，能减少钢水温降7℃，降低生产成本3元/吨钢。

根据生产上的实际数据进行计算，真空层内的桶状钢板受到的压强较小，真空层内桶状钢板受到的压强约为钢包壳受到的拉应力的1/50～1/100,在钢水压力作用下，真空层内的桶状钢板受到的压强较小，真空层内的桶状钢板很难变形，在钢包的吊运过程中和盛贮钢水过程中不会有安全隐患。

钢包运行过程中，钢包在精炼、连铸区域盛储钢水的时间约为2～3小时，维修更换水口和等待接钢水的时间约为0.5～1.5小时，在精炼、连铸区域盛储钢水的过程中，受钢水传热作用的影响，钢包耐材的温度逐渐升高，真空层的内侧第一桶状钢板的温度也逐渐升高，在维修更换水口和等待接钢水的过程中，由于钢包内没有钢水，钢包耐材的温度逐渐下降，真空层的内侧第一桶状钢板的温度也逐渐下降。真空层的内侧第一桶状钢板的温度随时间的变化规律为:升高－下降－升高－下降，如此循环往复，所以真空层的内侧第一桶状钢板的温度不会一直升高，根据生产经验，真空层的内侧第一桶状钢板的最高温度为500～600℃，在此温度下，真空层的内侧第一桶状钢板仍有较高强度，可以轻松抵御住钢水施加向真空层的压强，真空层的内侧钢板基本不会变形，没有安全隐患。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种带有真空层的钢包，所述钢包由外向内依次同轴设有：钢包包壳（1）和钢包内衬；所述钢包内衬设置于所述钢包包壳（1）内；

其特征在于，所述钢包内衬以渣线位置（14）为界，将其分为两个部分；所述钢包内衬的下半部分由外向内依次同轴设有：真空层（3）、永久层（12）和耐火材料浇注料层（11）；所述钢包内衬的上半部分由外向内依次同轴设有：真空层（3）、永久层（12）和镁碳砖层（13）；所述真空层（3）上开有真空层排气孔（7），用于与抽真空设备（6）连通；

所述真空层（3）包括：第一桶状钢板（15）、第二桶状钢板（16）、第一圆环状钢板（17）和第二圆环状钢板（18）；所述真空层为一个封闭结构；所述第一桶状钢板（15）和所述第二桶状钢板（16）构成了所述真空层的桶壁；所述第一圆环状钢板（17）和所述第二圆环状钢板（18）构成了所述真空层（3）的顶板和底板。

2.根据权利要求1所述的一种带有真空层的钢包，其特征在于，所述真空层排气孔（7）贯穿并连通至所述钢包包壳（1）外；所述真空层排气孔（7）上安装真空层排气管（5），所述真空层排气管（5）再与抽真空设备（6）连通。

3.根据权利要求2所述的一种带有真空层的钢包，其特征在于，所述真空层排气管（5）上安装阀门（4）。

4.根据权利要求1所述的一种带有真空层的钢包，其特征在于，所述第一桶状钢板（15）与所述第二桶状钢板（16）之间的厚度为20～40mm。

5.根据权利要求1所述的一种带有真空层的钢包，其特征在于，所述第一桶状钢板（15）的厚度为2～10mm，所述第二桶状钢板（16）的厚度为2～10mm。

6.根据权利要求1所述的一种带有真空层的钢包，其特征在于，所述第一圆环状钢板（17）的厚度为1～3mm，所述第二圆环状钢板（18）的厚度为1～3mm。

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