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文檔簡介
1、·34· 鋼 鐵 技 術(shù) 2005 年第6 期LF 鋼包精煉爐煙氣參數(shù)的理論分析與計算馬世立(中冶賽迪公司熱力通風(fēng)設(shè)計室, 重慶 400013)摘 要對LF 鋼包精煉爐爐氣量、爐蓋煙氣量、爐蓋煙氣溫度等參數(shù)結(jié)合冶煉工藝及爐蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析,總結(jié)出確定以上參數(shù)的計算公式,以此可指導(dǎo)LF 爐的工藝設(shè)計、爐蓋設(shè)備設(shè)計以及除塵系統(tǒng)的設(shè)計與實踐。關(guān)鍵詞LF 爐 煙氣除塵2 前言目前國內(nèi)外對LF 爐鋼包精煉爐的爐氣量、煙氣量和煙氣溫度等參數(shù)的確定基本上是靠估計和參考類似工程的實踐,帶有很大的盲目性和不確定性。而且設(shè)計者不可能有全部各種噸位的LF 爐的設(shè)計和工程實踐經(jīng)驗,在工程實踐中
2、的成功與失敗也未能或沒有條件進(jìn)行系統(tǒng)的分析和總結(jié)。LF 爐的爐氣量、煙氣量、煙氣溫度本應(yīng)指導(dǎo)爐蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計,現(xiàn)爐蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計基本上沒有考慮與煙氣量和煙氣溫度的關(guān)系。其后果就是除塵系統(tǒng)運行煙氣溫度與估計溫度差別很大,甚至是成倍的差距,給除塵系統(tǒng)的正常運行造成很大影響,影響除塵系統(tǒng)的除塵效果和投資。有時LF 爐爐內(nèi)氣氛保證了,但環(huán)保效果很難保證,甚至保證不了;或者保證了環(huán)保效果,但LF 爐爐內(nèi)工藝氣氛不能保證,影響精煉處理效果。本文就LF 爐爐氣量、爐蓋煙氣量、爐蓋煙氣溫度等參數(shù)結(jié)合冶煉工藝及爐蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析,總結(jié)出確定以上參數(shù)的計算公式。以此指導(dǎo)LF爐爐工藝設(shè)計、爐蓋設(shè)備設(shè)計以及除塵系統(tǒng)的設(shè)
3、計與實踐。3 LF 爐爐氣量的確定LF 爐冶煉時由爐蓋處插入電極進(jìn)行升溫冶煉,同時對鋼包內(nèi)的鋼水進(jìn)行攪拌。底部吹氣攪拌和電磁攪拌是LF 爐精煉采用最多的兩種攪拌方法,對于電磁攪拌方法LF 爐無原始爐氣量。吹氣攪拌普遍采用鋼包底部通過透氣磚向鋼液吹氬氣,吹氬攪拌可以使鋼液的成份和溫度均勻,加速反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的傳輸,控制冶金反應(yīng),同時促進(jìn)鋼中雜質(zhì)的聚集和上浮。吹入鋼包中的Ar 在鋼液中溫度迅速升高并上浮,由于出鋼液面處與吹入的Ar 標(biāo)況量相等,LF爐原始爐氣量就是吹入鋼包中的Ar 標(biāo)況量,工況下的量由下式確定:+= ×011 0 273 t273 tL L (1)式中,L1 為鋼液面處
4、的爐氣量(m3/h); L0 為吹入鋼包中的Ar 氣量(m3/h);t1 為鋼液面處的煙氣溫度(),可采用鋼液的溫度;t0 為吹入鋼包的Ar溫度()。實際上吹入鋼包的氬氣量是非常少的,如某150 t 鋼包吹氬量僅為24 Nm3/h。因此,LF 爐在吹氣攪拌時產(chǎn)生的原始爐氣量非常小。3 LF 爐能量平衡3.1 LF 爐的能量守恒吹氬攪拌時鋼包內(nèi)的鋼水被Ar 帶動上流到鋼液面后向四周流動,沿包壁附近向下流動而形成環(huán)流。此時氬氣將帶走一部分熱量,同時鋼液的強(qiáng)烈攪動,增加了液面的熱輻射,鋼液會加速降溫。因2005 年第6 期 鋼 鐵 技 術(shù) ·35·此LF 爐必須設(shè)置加熱裝置,目前
5、主要采用的是電弧加熱,電弧加熱的升溫速率一般為2/min4.6/min。從開始加熱的時刻c 到加熱結(jié)束的時刻m 這加熱周期內(nèi),能量遵守以下守恒。= + = nj 1m c2j m cW m cQ ( ) 3I R( )P d U U MC(2)式中,PW 為電網(wǎng)輸入鋼包爐的有效功率(kW);Um-Uc 為加熱期始末體系內(nèi)能的變化,包括鋼液、合金、渣、爐襯等的溫升蓄熱(kW);Qj 為單位時間內(nèi)冷卻水、煙氣帶走的熱量和爐體表面的散熱損失等(kW);I 為加熱期平均工作電流(A);R 為鋼包爐供電回路一相的電阻()。3.2 LF 爐鋼液的得熱量LF 爐鋼液的得熱量按式(2)計算時比較復(fù)雜,在工程計
6、算時可按以下公式確定。LF 爐所配變壓器的額定單位容量一般為120kVA/t,熱效率一般為3045,LF 爐加熱時鋼液得到的熱量可由式(3)估算或(4)計算確定,QD = 120V (3)式中,QD 為鋼液得到的熱量(kW);120 為常數(shù)(kVA/t);為電弧加熱的熱效率,一般為3045;V 為LF 爐容量(t)。QD = (Cmt + S%WS + A%WA )V (4)式中, QD 為鋼液得到的熱量(kW);Cm 為每噸鋼液升溫1所需要的熱量(kW/(t.); t 為鋼液的溫升,一般為3050;S 渣量,造渣材料量與鋼液總量的百分比;WS 為熔化10 kg 渣料所需的熱量,一般為5.8
7、kW/(1.t);A合金進(jìn)入量占鋼液總量的百分比;WA 為熔化10 kg 合金所需的熱量,一般為7 kW/(1.t);V 為LF 爐容量(t)。3.3 LF 爐的失熱量LF 爐的失熱量包括鋼液、渣、合金、爐體等的溫升蓄熱,爐蓋冷卻水(主要是鋼液的熱輻射)、煙氣(煙塵)帶走的熱量、氬氣帶走的熱量以及爐體的散熱。3.3.1 鋼液、渣、合金、爐體等的溫升蓄熱鋼液的溫升蓄熱由下式計算確定:QS1 = mgcg (Tg2 Tg1 ) (5)式中,QS1 為鋼液在加熱時的吸熱量(kW);mg 為鋼液的質(zhì)量(kg) ; Cg 為鋼液的質(zhì)量比熱(kJ/(kg.K);Tg1 為鋼液的初始溫度(K);Tg2 為鋼
8、液的終點溫度(K)。爐渣的溫升蓄熱QS2、合金的蓄熱QS3、爐體耐火材料的蓄熱QS4 等均可參照式(5)計算確定。其中耐火材料可根據(jù)不同部位所用的不同耐火材料分別計算確定。3.3.2 爐體的散熱損失鋼包爐精煉時鋼液溫度一般在1750以上,爐體表面溫度在200左右,由爐體表面向工作場所散失熱量。由于受爐襯的蝕損影響,隨著LF 爐爐疫的增加散熱量會增大,爐襯的蝕損一般為0.4mm/h0.6 mm/h。爐體散熱損失由下式確定:) (T T ) F100T) (100TQ k ( d b 0b 4 0 4LT + = (6)式中,QLT 為爐體的散熱量(kW);k 為系數(shù),k4.88; 為爐體表面黑度
9、;Tb 為爐體外表面溫度(),一般為200;T0 為車間環(huán)境溫度(),通常可取25;d 為 爐體外表面與車間環(huán)境的對流換熱系數(shù),(kW/(m2.h.);F 為爐體外表面積(m2)。當(dāng)車間內(nèi)無橫向氣流流動時,d 可按下式計算:0.25d = A(Tb T0 ) (7)式中,A 為系數(shù),散熱面向上時,A2.8;垂直時,A2.2;向下時,A1.5。當(dāng)車間內(nèi)有橫向氣流流動時,d 按以下公式計算:若車間內(nèi)風(fēng)速VF5 m/s, d = 5.3 + 3.6VF (8)若車間內(nèi)風(fēng)速VF5 m/s, 0.73d = 6.47VF (9)3.3.3 冷卻水帶走的熱量LF 爐爐蓋冷卻水系統(tǒng)采用水冷排管,可能有多條回
10、路,特別是進(jìn)出水溫差也可能不同,計算冷卻·36· 鋼 鐵 技 術(shù) 2005 年第6 期水帶走的熱量時應(yīng)分別計算各回路,計算公式如下。QW = Gi CW (TC TR )i (10)式中,QW 為冷卻水帶走的熱量(kW);Gi 為第i條冷卻水回路中冷卻水的流量(kg/h);CW 為水的比熱(kJ/(kg.K);(TC-TR)為第i 條冷卻水回路的進(jìn)出水溫差(K)。3.3.4 煙氣(煙塵)帶走的熱量由公式(1)可得到LF 爐的原始爐氣量,由于原始爐氣量很小,其工況煙氣量也很小。但事實上由于爐蓋與爐體的縫隙以及電極與爐蓋縫隙的存在,在不考慮除塵風(fēng)機(jī)的影響時在熱壓力的影響下將誘導(dǎo)
11、卷吸大量冷空氣進(jìn)入爐蓋冷卻通道(也是煙氣通道)內(nèi),這樣將大大增加LF 爐的煙氣量。3.3.4.1 Ar 帶走的熱量Ar 在鋼液中吸入的熱量由下式表示:Q1L1·C1·(t1t2) (11)式中,Q1 為Ar 在鋼液中吸收的熱量(kW);L1 為吹入鋼液中的Ar 量(kg/s),Ar 的密度為1.785kg/m3;C1 為Ar 的質(zhì)量比熱(kJ/(kg.K),可取常數(shù)0.5234;t1 為Ar 的初始溫度(K);t2 為鋼液的溫度(K)。需要說明的是Ar 帶走的熱量也將進(jìn)入爐蓋煙氣通道。由于Ar 量很小,為設(shè)計安全起見,Ar 帶走的熱量可忽略不計。3.3.4.2 煙氣帶走的熱
12、量由于電極加熱產(chǎn)生的強(qiáng)烈電弧和底吹氬的影響,鋼液液滴的飛濺氧化等,LF 爐爐將產(chǎn)生大量煙塵;又由于鋼包及鋼液為高溫源,必然會誘導(dǎo)大量冷空氣進(jìn)入鋼包爐上部并與爐子產(chǎn)生的煙氣和煙塵混合從而加大煙氣量。煙氣(包括煙塵)的散發(fā)帶走的熱量在有無強(qiáng)制抽風(fēng)時或強(qiáng)制抽風(fēng)量不一樣時是不同的。煙氣(包括煙塵)的散發(fā)帶走的熱量可用下式計算:QYCLY ·CY·(t1t2) +LC·CC·(t1t2) (12)式中,QYC 為煙氣和煙塵帶走的熱量(kW);LY 為原始煙氣量(Nm3/h);CY 為煙氣的定壓容積比熱(kJ/( Nm3.K),可采用以下公式近似計算結(jié)果:CY1.2
13、950.000112t1 ;t1 為煙氣或煙塵的溫度(K);t2 為熱平衡時的基準(zhǔn)溫度,通常取313K,或車間溫度(K);LC 為煙塵的產(chǎn)生量(kg/h);CC 為煙塵的比熱(kJ/(kg.K)。實際上煙塵的產(chǎn)生量很難確定,而且其帶走的熱量在爐子總熱量損失中的比例很小,在工程計算中可略而不計。4 煙氣量的計算4.1 原始煙氣量計算為了探討最佳抽風(fēng)量或換句話說為了確定爐子產(chǎn)生的原始煙氣量,本節(jié)不考慮強(qiáng)制抽風(fēng)的情況。根據(jù)熱平衡,公式(3)(12)有如下關(guān)系:QD(QS1QS2QS3QS4)QLTQWQ1QYCQYCQD(QS1QS2QS3QS4)QLTQWQ1根據(jù)公式(14)和公式(12)得到:L
14、Y·CY·(t1t2)QD(QS1QS2QS3QS4)QLTQWQ1C (t t )Q (Q Q Q Q ) Q Q QLY 1 2D S1 S2 S3 S4 LT W 1Y + + + =(15)式中,LY 為原始煙氣量(Nm3/h)。式(12)的t1 可取為鋼水終點平均溫度。根據(jù)公式(15)得出的結(jié)果即是LF 爐在冶煉狀態(tài)下產(chǎn)生的原始煙氣量。4.2 爐蓋煙氣量計算本節(jié)討論在有強(qiáng)制抽風(fēng)時并能滿足除塵系統(tǒng)要求溫度下的煙氣量,簡稱為爐蓋煙氣量。根據(jù)公式(15)得出的原始煙氣量溫度很高,煙氣不能直接進(jìn)入除塵系統(tǒng),需要采用水冷、間接空冷、直接空冷或其它冷卻方式,將煙氣冷卻到120
15、后才能進(jìn)入除塵系統(tǒng)進(jìn)行凈化處理。根據(jù)經(jīng)驗采用爐蓋混風(fēng)方式是比較經(jīng)濟(jì)合理的方式。圖1 是目前比較典型的LF 爐爐蓋示意圖,圖中LF 爐內(nèi)的鋼液面至爐體上沿處的腔體內(nèi)冶煉要求微正壓,這樣在保證冶煉煙氣不外溢又能保證煙氣溫度達(dá)到除塵系統(tǒng)要求的前提下,可加大吸風(fēng)環(huán)管的抽風(fēng)量,也即增大環(huán)形吸風(fēng)口A 的面積,圖中(13)(14)2005 年第6 期 鋼 鐵 技 術(shù) ·37·1 為LF 爐爐體與爐蓋罩之間的環(huán)形混風(fēng)口,從冶煉角度講該混風(fēng)口的大小只要滿足爐蓋能安全下降到位即可,但從通風(fēng)除塵角度看該混風(fēng)口需通過計算確定。本文講的爐蓋煙氣量指的是圖中抽風(fēng)口處的煙氣量。圖1 LF 爐爐蓋示意圖爐
16、蓋煙氣量可由式(12)演化得出,詳見下式:LLG·C120·t120LY·CY·t1(LLGLY)·C40·t40 (16)由公式(16)不難推導(dǎo)得出:120 120 40 40Y Y 1 Y 40 40LG C t C tL C t L C tL= (17)式中,LLG 為爐蓋煙氣量(Nm3/h),溫度120;LY 為_原始煙氣量(Nm3/h),溫度可取為1650;CY、C120、C40 為分別為1650、120和40時煙氣的定壓容積比熱(kJ/( Nm3.)),可根據(jù)式C1.2950.000112t 計算得出,分別為1.4798、
17、1.3084 和1.2995。t1、t120、t40 為分別為原始煙氣、爐蓋煙氣和車間環(huán)境溫度,其數(shù)值可分別按1650、120和40取值。通過以上數(shù)值簡單計算后得到:LLG22.75LY (18)5 爐蓋結(jié)構(gòu)部分參數(shù)的設(shè)想1)環(huán)形混風(fēng)口1 處的進(jìn)風(fēng)速度宜小于25 m/s;2)吸風(fēng)口A 處的速度宜在15 m/s25 m/s 之間;3)吸風(fēng)環(huán)管內(nèi)的風(fēng)速宜在20 m/s25 m/s 之間;4)為保證冶煉微正壓,并同時滿足煙氣溫度小于130的要求,抽風(fēng)口處上下吸風(fēng)管道的面積比為3.5:6.5,同時應(yīng)設(shè)置現(xiàn)場調(diào)節(jié)裝置;5)h1 根據(jù)爐容可在100 mm250 mm 之間;h2可為500 mm800 mm。值得注意的是在計算時要把標(biāo)況風(fēng)量換算為工況風(fēng)量。參考文獻(xiàn)1 張
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