泡沫精煉渣脫硫動力學的實驗研究

1、·34· 鋼 鐵 技 術 2005 年第6 期LF 鋼包精煉爐煙氣參數的理論分析與計算馬世立(中冶賽迪公司熱力通風設計室, 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結合冶煉工藝及爐蓋結構進行了理論分析，總結出確定以上參數的計算公式，以此可指導LF 爐的工藝設計、爐蓋設備設計以及除塵系統的設計與實踐。關鍵詞LF 爐 煙氣除塵2 前言目前國內外對LF 爐鋼包精煉爐的爐氣量、煙氣量和煙氣溫度等參數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。而且設計者不可能有全部各種噸位的LF 爐的設計和工程實踐經驗，在工程實踐中

2、的成功與失敗也未能或沒有條件進行系統的分析和總結。LF 爐的爐氣量、煙氣量、煙氣溫度本應指導爐蓋的結構設計，現爐蓋結構的設計基本上沒有考慮與煙氣量和煙氣溫度的關系。其后果就是除塵系統運行煙氣溫度與估計溫度差別很大，甚至是成倍的差距，給除塵系統的正常運行造成很大影響，影響除塵系統的除塵效果和投資。有時LF 爐爐內氣氛保證了，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結合冶煉工藝及爐蓋結構進行理論分析，總結出確定以上參數的計算公式。以此指導LF爐爐工藝設計、爐蓋設備設計以及除塵系統的設

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行升溫冶煉，同時對鋼包內的鋼水進行攪拌。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，加速反應物和反應產物的傳輸，控制冶金反應，同時促進鋼中雜質的聚集和上浮。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 標況量相等，LF爐原始爐氣量就是吹入鋼包中的Ar 標況量，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 ·35·此LF 爐必須設置加熱裝置，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 到加熱結束的時刻m 這加熱周期內，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 為電網輸入鋼包爐的有效功率(kW)；Um-Uc 為加熱期始末體系內能的變化，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(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 為鋼液的質量(kg) ； Cg 為鋼液的質量比熱(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，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?？扇?5；d 為 爐體外表面與車間環(huán)境的對流換熱系數，(kW/(m2.h.)；F 為爐體外表面積(m2)。當車間內無橫向氣流流動時，d 可按下式計算：0.25d = A(Tb T0 ) (7）式中,A 為系數，散熱面向上時，A2.8；垂直時，A2.2；向下時，A1.5。當車間內有橫向氣流流動時，d 按以下公式計算：若車間內風速VF5 m/s， d = 5.3 + 3.6VF （8）若車間內風速VF5 m/s， 0.73d = 6.47VF （9）3.3.3 冷卻水帶走的熱量LF 爐爐蓋冷卻水系統采用水冷排管，可能有多條回

10、路，特別是進出水溫差也可能不同，計算冷卻·36· 鋼 鐵 技 術 2005 年第6 期水帶走的熱量時應分別計算各回路，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，在不考慮除塵風機的影響時在熱壓力的影響下將誘導

11、卷吸大量冷空氣進入爐蓋冷卻通道(也是煙氣通道)內，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 的質量比熱(kJ/(kg.K)，可取常數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 帶走的熱量也將進入爐蓋煙氣通道。由于Ar 量很小，為設計安全起見，Ar 帶走的熱量可忽略不計。3.3.4.2 煙氣帶走的熱

12、量由于電極加熱產生的強烈電弧和底吹氬的影響，鋼液液滴的飛濺氧化等，LF 爐爐將產生大量煙塵；又由于鋼包及鋼液為高溫源，必然會誘導大量冷空氣進入鋼包爐上部并與爐子產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制抽風時或強制抽風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 為熱平衡時的基準溫度，通常取313K，或車間溫度(K)；LC 為煙塵的產生量(kg/h)；CC 為煙塵的比熱(kJ/(kg.K)。實際上煙塵的產生量很難確定，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量或換句話說為了確定爐子產生的原始煙氣量，本節(jié)不考慮強制抽風的情況。根據熱平衡，公式(3)(12)有如下關系：QD(QS1QS2QS3QS4)QLTQWQ1QYCQYCQD(QS1QS2QS3QS4)QLTQWQ1根據公式(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。根據公式(15)得出的結果即是LF 爐在冶煉狀態(tài)下產生的原始煙氣量。4.2 爐蓋煙氣量計算本節(jié)討論在有強制抽風時并能滿足除塵系統要求溫度下的煙氣量，簡稱為爐蓋煙氣量。根據公式(15)得出的原始煙氣量溫度很高，煙氣不能直接進入除塵系統，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、后才能進入除塵系統進行凈化處理。根據經驗采用爐蓋混風方式是比較經濟合理的方式。圖1 是目前比較典型的LF 爐爐蓋示意圖，圖中LF 爐內的鋼液面至爐體上沿處的腔體內冶煉要求微正壓，這樣在保證冶煉煙氣不外溢又能保證煙氣溫度達到除塵系統要求的前提下，可加大吸風環(huán)管的抽風量，也即增大環(huán)形吸風口A 的面積，圖中（13）（14）2005 年第6 期 鋼 鐵 技 術 ·37·1 為LF 爐爐體與爐蓋罩之間的環(huán)形混風口，從冶煉角度講該混風口的大小只要滿足爐蓋能安全下降到位即可，但從通風除塵角度看該混風口需通過計算確定。本文講的爐蓋煙氣量指的是圖中抽風口處的煙氣量。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，其數值可分別按1650、120和40取值。通過以上數值簡單計算后得到：LLG22.75LY （18）5 爐蓋結構部分參數的設想1)環(huán)形混風口1 處的進風速度宜小于25 m/s；2)吸風口A 處的速度宜在15 m/s25 m/s 之間；3)吸風環(huán)管內的風速宜在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，抽風口處上下吸風管道的面積比為3.5:6.5，同時應設置現場調節(jié)裝置；5)h1 根據爐容可在100 mm250 mm 之間；h2可為500 mm800 mm。值得注意的是在計算時要把標況風量換算為工況風量。參考文獻1 張