泡沫精煉渣脫硫動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究

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(jì)算馬世立(中冶賽迪公司熱力通風(fēng)設(shè)計(jì)室, 重慶 400013)摘 要對(duì)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(jì)算公式，以此可指導(dǎo)LF 爐的工藝設(shè)計(jì)、爐蓋設(shè)備設(shè)計(jì)以及除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐。關(guān)鍵詞LF 爐 煙氣除塵2 前言目前國(guó)內(nèi)外對(duì)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(jì)和參考類(lèi)似工程的實(shí)踐，帶有很大的盲目性和不確定性。而且設(shè)計(jì)者不可能有全部各種噸位的LF 爐的設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在工程實(shí)踐中

2、的成功與失敗也未能或沒(méi)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(jì)，現(xiàn)爐蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基本上沒(méi)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(yùn)行煙氣溫度與估計(jì)溫度差別很大，甚至是成倍的差距，給除塵系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成很大影響，影響除塵系統(tǒng)的除塵效果和投資。有時(shí)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(jì)算公式。以此指導(dǎo)LF爐爐工藝設(shè)計(jì)、爐蓋設(shè)備設(shè)計(jì)以及除塵系統(tǒng)的設(shè)

3、計(jì)與實(shí)踐。3 LF 爐爐氣量的確定LF 爐冶煉時(shí)由爐蓋處插入電極進(jìn)行升溫冶煉，同時(shí)對(duì)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(duì)于電磁攪拌方法LF 爐無(wú)原始爐氣量。吹氣攪拌普遍采用鋼包底部通過(guò)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(shí)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(shí)際上吹入鋼包的氬氣量是非常少的，如某150 t 鋼包吹氬量?jī)H為24 Nm3/h。因此，LF 爐在吹氣攪拌時(shí)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(shí)鋼包內(nèi)的鋼水被Ar 帶動(dòng)上流到鋼液面后向四周流動(dòng)，沿包壁附近向下流動(dòng)而形成環(huán)流。此時(shí)氬氣將帶走一部分熱量，同時(shí)鋼液的強(qiáng)烈攪動(dòng)，增加了液面的熱輻射，鋼液會(huì)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(kāi)始加熱的時(shí)刻c 到加熱結(jié)束的時(shí)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(shí)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(jì)算時(shí)比較復(fù)雜，在工程計(jì)

6、算時(shí)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(shí)鋼液得到的熱量可由式(3)估算或(4)計(jì)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L(zhǎng)F 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L(zhǎng)F 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(jì)算確定：QS1 = mgcg (Tg2 Tg1 ) （5）式中,QS1 為鋼液在加熱時(shí)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(diǎn)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(jì)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(jì)算確定。3.3.2 爐體的散熱損失鋼包爐精煉時(shí)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(chǎng)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(huì)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(chē)間環(huán)境溫度()，通?？扇?5；d 為 爐體外表面與車(chē)間環(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù)，(kW/(m2.h.)；F 為爐體外表面積(m2)。當(dāng)車(chē)間內(nèi)無(wú)橫向氣流流動(dòng)時(shí)，d 可按下式計(jì)算：0.25d = A(Tb T0 ) (7）式中,A 為系數(shù)，散熱面向上時(shí)，A2.8；垂直時(shí)，A2.2；向下時(shí)，A1.5。當(dāng)車(chē)間內(nèi)有橫向氣流流動(dòng)時(shí)，d 按以下公式計(jì)算：若車(chē)間內(nèi)風(fēng)速VF5 m/s， d = 5.3 + 3.6VF （8）若車(chē)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(jì)算冷卻·36· 鋼 鐵 技 術(shù) 2005 年第6 期水帶走的熱量時(shí)應(yīng)分別計(jì)算各回路，計(jì)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(shí)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(shí)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(shuō)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(jì)安全起見(jiàn)，Ar 帶走的熱量可忽略不計(jì)。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(huì)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(wú)強(qiáng)制抽風(fēng)時(shí)或強(qiáng)制抽風(fēng)量不一樣時(shí)是不同的。煙氣（包括煙塵）的散發(fā)帶走的熱量可用下式計(jì)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(jì)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(shí)的基準(zhǔn)溫度，通常取313K，或車(chē)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(shí)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(jì)算中可略而不計(jì)。4 煙氣量的計(jì)算4.1 原始煙氣量計(jì)算為了探討最佳抽風(fēng)量或換句話(huà)說(shuō)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(diǎn)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(jì)算本節(jié)討論在有強(qiáng)制抽風(fēng)時(shí)并能滿(mǎn)足除塵系統(tǒng)要求溫度下的煙氣量，簡(jiǎn)稱(chēng)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(yàn)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L(zhǎng)F 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(mǎn)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(guò)計(jì)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(jiàn)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_(kāi)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(shí)煙氣的定壓容積比熱（kJ/( Nm3.)），可根據(jù)式C1.2950.000112t 計(jì)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(chē)間環(huán)境溫度，其數(shù)值可分別按1650、120和40取值。通過(guò)以上數(shù)值簡(jiǎn)單計(jì)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(shí)滿(mǎn)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(shí)應(yīng)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算時(shí)要把標(biāo)況風(fēng)量換算為工況風(fēng)量。參考文獻(xiàn)1 張