在炼钢工序生产过程中钢包作为冶炼过程中不可缺少的设备，其主要作用是盛放钢液。不同钢包的热状态会影响出钢过程温降、周转过程温降、浇注过程温降,因此该设备的保温能以及使用寿命的长短与炼钢工艺是否能够顺利稳定地进行有着密切的联系，在一定程度上，可直接影响产品的产量和质量。对比新型纳米隔热材料与现有普通纳米隔热板在钢包应用的温降果，结果表明新型纳米隔热材料保温果显著,起到了节能降耗、低碳环保的作用。

纳米隔热板技术概述

2.1 工作原理

目前行业上的纳米隔热板主要是采用纤维布、纤维砂、金属箔和低热导率材料通过复压制而成的。纳米气凝胶是纳米隔热板内部具有低热导率的材料，与其它类型的材料比较，纳米气凝胶的体积密度明显偏小，大大降低了材料的热导率。纳米隔热板上所使用的铝箔可以使物体的黑度得到有降低，从而降低了材料对于热辐射的吸收率，热辐射带来的热损失大大减少。铝箔的表面具有较强的光反射能力，热辐射主要以电磁波的形式存在，而电磁波的能量属于光的红外部分，通过铝箔的光反射作用，可以使这部分的损失得到有降低。纳米气凝胶在使用过程中，当孔隙的直径比气体平均自由程还小时，孔隙内部的气体分子会保持在静止的状态下，并且被吸附在气孔壁上，使得所有的气体分子无法进行对流，质发生一定变化，丧失布朗运动能力，从而阻止了气体进行对流及传递热量。

2.2 技术指标

钢包钢水的保温果受到保温层的影响较大，因此，对应用在钢包包壁上的纳米隔热材料的能提出了严格的要求，其导热率低、体积密度小、耐压强度高、韧好，则钢水中热量损失减少。保温材料的耐压强度和韧是保证这一功能的重要指标。先，耐压强度高意味着保温材料在受到压力时不易被压扁或破损，从而保持其保温隔热的果。这一点对于减少热量损失至关重要，因为材料的任何破损或变形都可能导致热量的流失增加。其次，韧好则表示保温材料在受到冲击或振动时不易破裂，能够保持其完整的保温层，进一步减少热量损失。韧好的材料在应对外部环境变化时表现更为稳定，从而更好地保持钢包内的温度。综上所述，选择耐压强度高和韧好的保温材料，可以有减少热量损失，提高保温果。纳米隔热板的技术指标如表1所示。

表1 纳米隔热板的技术指标

普通纳米隔热板与新型板烘烤前后对比

先，在室温环境下测量普通纳米隔热板和新型纳米隔热板的热导率，热导率由DRH-ZD-300导热系数测试仪采用护热平板法测得，数据见表2和表3,而后裁切100mm×100mm×5mm规格普通纳米隔热板材料3片以及100mm×100mm×7mm规格新型纳米隔热板3片，依次对上述材料进行称重，并按图1所示的各点位置(标记1~4)测量材料对应的厚度。之后按照示意图2所示，将材料平放于型号为DKHH-HG-MX0512的箱式马弗炉中于950℃下烘烤7h,烘烤结束后降温到200℃以下取出，待各材料放置常温后，再次称量和测量对应的重量及厚度。

图2 马弗炉950℃烘烤7h摆放位置及加热管示意图

表2 普通纳米隔热材料在马弗炉950℃烘烤7h前后数据对比

通过对两种纳米隔热材料烘烤前后实验对比(烘烤参数950℃、7h),得出普通纳米隔热材料经烘烤后，材料的厚度从5.48mm变为5.95mm,变厚了0.47mm,变形率8.58%,这是由于受热后分层结构膨胀且硬化定型导致的。尺寸由101×101mm变为99×99mm,略有收缩，变形率约在2%左右。失重数据为57.32g到51.43g,变化量5.58g,失重率达9.79%。而新型纳米隔热材料经烘烤后，材料的厚度从7.82mm变为7.66mm,变薄了0.16mm,变形率2%,分析由于受热后材料收缩导致。尺寸由101×101mm变为99×99mm,有收缩，变形率约在2%左右。质量数据为18.85g到17.51g,变化量1.34g,失重率7.11%。新型纳米隔热材料的密度仅233~237kg/m³远低于普通纳米隔热材料的密度870~1040kg/m³,表明新型纳米隔热材料的保温能更优。对应的普通纳米隔热板烘烤前后的测量参数如表2所示，新型纳米隔热板烘烤前后的测量参数如表3所示。

表3 新型纳米隔热材料在马弗炉950℃烘烤7h前后数据对比

两种纳米隔热材料在950℃/7h烘烤前后对应的外观形貌如图3所示，普通纳米隔热材料烘烤之后，颜色由土黄色变为红棕色，整体变硬变脆，层间裂开，有缝隙出现，受力即粉化。烘烤后，新型纳米隔热材料稍硬，存在一定强度，结构仍然致密，没有发生分层。说明在高温环境下，新型纳米隔热板的耐高温及韧化等方面更优。

图3 纳米隔热材料950℃灼烧7小时前后形貌

普通纳米隔热板与新型板实际应用对比

4.1 试验方法

为进一步对新型材料的隔热保温能进行工业验证，在某炼钢厂进行了工业试验，试验方法：实验钢包均为全修包，选用2，敷设新型纳米隔热板;7，敷设现有普通纳米隔热板。耐火砖和浇注料选用同厂家的产品，且施工工艺相同。两个钢包在正常生产过程中选取同样的冶炼工序上对钢包包壳的同样测温区域和测温点，采用同一红外测温仪进行在线测温对比。同时分析了钢包对精炼电耗、连铸中包钢水过热度的影响。两钢包进行实验使用的现场照片如图4所示：

图4 新型纳米隔热钢包和普通纳米隔热钢包现场盛钢实物图

4.2 数据分析和果对比

4.2.1钢包包壳温度对比

在正常生产条件下，保证精炼工序后能有相同的上连铸平台钢温度，对敷设新型隔热材料的钢包和普通隔热材料的钢包包壳温度进行了测量。对每个钢包循环使用的不同测温区域进行测量，每个钢包循环50次，铝皮保温测量温度的平均数据见表4。由表4可知，新型隔热材料钢包较普通隔热板钢包的包壳温度低25~60℃,传热与隔热层的热导率密切相关，热导率越低可很大程度降低钢包的散热，从而减少钢水温度在转序和浇铸过程中的温降，减少由于温度大幅度波动给生产带来的各种不利因素。

表4 钢包上连铸平台的包壳温度对比

4.2.2钢包钢水升温对比

在LF精炼工位冶炼同钢种的前提下，对两类保温材料的钢包进行LF升温对比分析，其各自在LF精炼冶炼10炉钢的数据数据对比情况如表5所示，结果表明新型耐材钢包散热慢，精炼升温速率快，同钢种的精炼电耗降低4.42KWh·t⁻¹,则降低吨钢电耗成本约2.21元，同时该钢厂的电消耗(耗比)为10g/kW·h,则吨钢电消耗降低44.2g/t。

表5 LF炉精炼时的升温情况对比

4.2.3连铸中包钢液过程温度对比

对使用两类隔热材料的钢包，在精炼炉上钢温度相同的情况下，对连铸中间包内不同浇注周期的温度进行各15炉次的测量对比分析，试验钢种及对应数据如表6所示，结果表明，浇注20CrMnTi钢时，新型隔热材料钢包较普通材料钢包的平均温降减少了5℃、钢水温度波动由原来的8℃降低至4℃,温降速率由0.30℃·min-1降至0.14℃·min⁻。浇注40Cr钢时，新型隔热材料钢包较普通材料钢包的平均温降减少了4℃、钢水温度波动由原来的9℃降低至4℃,温降速率由0.31℃·min¹降至0.14℃·min⁻¹。因此，新型隔热材料钢包的保温果明显优于普通隔热材料，为连铸低过热度高拉速浇铸创造了条件。

表6 新型钢包和普通钢包在连铸中包浇注过程的温降情况

经济益分析

一般隔热保温材料在钢包内的使用寿命平均为10个月，普通钢包隔热材料吨钢成本为0.42元，新型隔热材料钢包吨钢成本1.14元，使用新型钢包的精炼电耗降低约4.42kWh/t,按电费均价0.5元/kWh计算，则吨钢可节约电费成本2.21元，按某钢厂年产量250万吨，采用新型隔热材料钢包成本增加180万元/年，降低电耗成本约552.5万元/年，综节约生产成本372.5万元/年。

减少碳排放量分析

根据《温室气体排放核算与报告要求第5部分：钢铁生产企业》(GB/T 32151.5-2015),钢铁生产企业分核算碳排放主要为燃料燃烧排放，过程排放，购入的电力、热力产生的排放，输出的电力、热力产生的排放，固碳产品隐含的排放,核算方法如下：

E—二氧化碳排放总量，单位为吨二氧化碳(tCO₂);

E燃烧—燃料燃烧排放量，单位为吨二氧化碳(tCO₂);

E过程——过程排放量，单位为吨二氧化碳(tCO₂);

E购人电——购入的电力消费对应排放量，单位为吨二氧化碳(tCO₂);

E购人热—购入的热力消费对应排放量，单位为吨二氧化碳(tCO₂);

E输出电——输出的电力对应的排放量，单位为吨二氧化碳(tCO₂);

E输出热—输出的热力对应的排放量，单位为吨二氧化碳(tCO₂);

R固碳—输出的热力对应的排放量，单位为吨二氧化碳(tCO₂)。

针对炼钢厂转炉出钢包散热快的问题，通过加强设备隔热和保温等措施，采用新型纳米隔热板可减少散热，提高装置及系统的热回收率，达到有降低电耗。新型纳米隔热保温材料技术运用后，钢包保温果明显提升，在相同的冶炼出钢温度下，对应的LF电耗、电消耗则相应降低;钢包的耐材寿命则相应增加，对应消耗的碳排放量则相应降低，依据钢厂实际冶炼情况对应的碳排放降低量数据如表7所示，吨钢降低环境污染的二氧化碳排放量4.471kg,年产钢250万吨，则年降低二氧化碳排放量1.118万吨，为高品质钢绿色高化生产奠定了夯实的基础。

表7 新型钢包在节能环保降低碳排放量情况

结 语

1)新型纳米隔热材料的常温热导率为0.021W/mK明显低于普通纳米隔热材料的热导率0.043W/mK,对应的高温稳定好，尺寸更稳定，高温灼烧前后形态基本不变。

2)普通纳米隔热材料的密度远高于新型纳米隔热材料的密度，会大大增加导热，同时耐热稳定更差，易变脆粉化。

3)采用新型纳米隔热板的钢包较使用普通隔热板的钢包包壳温度降低25~60℃。

4)新型隔热材料钢包的散热更慢，精炼升温速率快，同钢种的精炼电耗降低4.42kWh/t,则降低吨钢电耗成本约2.21元，综降低年生产成本约385万元。

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5)新型隔热材料钢包较普通材料钢包的平均温降减少4~5℃、钢水温度波动由原来的8~9℃降低至4℃,温降速率由0.30~0.31℃·min⁻¹降至0.14℃·min⁻¹,为连铸的稳定生产创造了条件。

6)新型保温隔热材料的使用可保护生态环境，吨钢降低环境污染的二氧化碳排放量4.471kg,年降低二氧化碳排放量1.118万吨。

文章来源：南方金属