（化学工艺专业论文）矿热炉无水冷骨架矮烟罩的设计与研究.pdf

蛐川大学硕j j 学位论文 y7 7 8 9 3 矿热炉无水冷骨架矮烟罩的设计与研究 化学工艺专业 研究生曹建指导教师袁熙志 针对我国矿热炉金属水冷骨架式矮烟罩破裂漏水的问题，提出一种新的解 决方法一设计一种新型的组合式无水冷骨架的矮烟罩装置。 本文从矿热炉烟罩发展的历程出发，说明了烟罩的作用功能，指出了传统 的矮烟罩可分为耐火混凝土、全金属水冷和金属水冷骨架与涮火混凝土等三种 结构形式，目前以金属水冷骨架与耐火混凝土结构应用最多。 分析了金属水冷骨架的矮烟罩由于其结构复杂，焊缝过多，工作环境恶劣， 因此常出现骨架结构破裂漏水的现象，造成频繁的热停炉事故。调查了解决一胃 架破裂漏水的多种方法，如：改进冷却水路线、采用软水冷却、减少焊缝数量、 提高焊接工艺水平等，这些方法对解决问题起到了一定的作用。为从根本上解 决骨架漏水的问题，设计了一种无水冷骨架的矮烟罩装置。 根据矿热炉形状和电极分布情况，将炉盖设计成三块1 2 0 。扇形板拼接而 成的形式，通过重心计算和静力分析得出炉盖可稳定支承于盖板支架上。重新 设计了冷却水路，使水冷隔板同时也是盖板的加劲筋板，增强了结构稳定性。 在炉盖热面预先焊接锚刺，再喷涂耐火混凝土，减少其脱落现象。对炉盖制作 材料的选择条件和焊接工艺作了说明和改进，以提高焊接的质量。 剥矮烟罩内的传热情况进行了数值计算。高温条件下，辐射传热将占主导。 本文比较了计算辐射传热的三种数值计算方法：区域法、假想面法和热流法， 提出了用假想面法进行矮烟罩内辐剩传热计算。在对计算区域进行合理简化和 假设后，建立起计算模型；结合辐射基本理论，推导出本模型下假想面方法的 计算通式和直接辐射交换面积的计算式。利用q b ( q u i c k b a s i c ) 和m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 两种计算机语言编写了计算程序并运行成功。 计算结果表明：矮烟罩内烟气温度和壁面温度随高度升高而降低，烟气温 度略高于壁面温度：侧墙黑度增大将有利于传热的进行：污垢热阻的增大会削 四j 1 1 人学帧卜学位论文 弱矮烟罩的辐射传热；而烟气中烟尘的增多和烟尘粒径的增大会造成辐射介质 减弱系数的增大，使得热流密度减小。同时得到了冷却水的出口水温和耐火混 凝层厚度。计算结果对矮烟罩的设计和应用都有着非常重要的参考价值。 利用a u t o c a d 绘制了6 3 0 0 k v a 矿热炉矮烟罩系统的设备施工图，包括图 纸目录、矮烟罩总图、水冷盖板装配图、水冷圈梁、烟道、炉门、水冷盖板、 圈梁、门柱等。可直接供工程施工用图。 本次设计的矿热炉矮烟罩系统已经在多家企业得到实际应用，效果良好， 并未出现因炉盖破裂漏水造成的热停炉事故，直接或间接地为企业创造了经济 效益。 关键词：铁合会 矿热炉矮烟罩无水冷骨架辐射传热假想面法 圳川人学坝士学位论文 d e s i g na n dr e s e a r c ho n al o wh o o dw i t h o u tw a t e r - c o o l i n g f r a m e w o r ka ts u b m e r g e d a r cf u r n a c e m a j o r ：c h e m i c a lp r o c e s s g r a d u a t es t u d e n t ：c a oj i a ns u p e r v i s o r ：y u a nx i z h i t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dar e s o l v e n t ，w h i c hi st od e s i g nan e wt y p eo fal o w h o o dt h a tw i t h o u tw a t e r - c o o l i n gf r a m e w o r k t h en e we q u i p m e n tm a ys o l v et h e p r o b l e m so f d i l a p i d a t i o na n dl e a ko f t r a d i t i o n a ll o wh o o d 。 s u b m e r g e d a r cf u m a c ei sak i n do fp r i m a r ye q u i p m e n tf o rf e r r o a l l o ys m e l t i n g ， a n dt h eh o o ds y s t e mi su s e df o rt a k i n ga w a yt h es m o k eg a s t h r o u 曲t h e a d v a n c e m e n to ft e c h n o l o g y , al o wh o o di sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r e ，a l o wh o o dc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ek i n d s ：w h i c hi sm a d ea l lb yf i r e r e s i s t a n t c o n c r e t e ，o rw h i c hi sm a d ea l lb ys t e e lw i t hw a t e r - c o o l i n gf r a m e w o r k ，o rt h em i x e d s t r u c t u r eo f t h et w oa b o v e a n dt h el a s tk i n do f l o wh o o di s1 1 2 0 s t l yu s e d n es t r u c t u r eo fal o wh o o dw i t hw a t e r - c o o l i n gf r a m e w o r ki sv e r yc o m p l e x i t h a sal a r g ea m o u n to fw e l d i n gl i n e t h ew o r k i n gc o n d i t i o no fal o wh o o di sb a d d i l a p i d a t i o na n dl e a ko fw a t e r - c o o l i n gf r a m e w o r ka r ee x i s t e di nm a n yl o wh o o d so f s u b m e r g e d a r cf u r n a c e si nc h i n a al o to f m e a s u r e sw e r ep u tf o r w a r dt os o l v et h e s e p r o b l e m s ，f o ri n s t a n c e ，a m e l i o r a t et h ec h a n n e l so fc o o l i n gw a t e ra n du s es o f tw a t e r , r e d u c et h eq u a n t i t i e so fw e l d i n gl i n e ，i m p r o v et h ej o i n t i n gp r o c e s s ，a n ds oo n t h e s e m e a s u r e sh a v em a d ed e f i n i t ee f f e c t ak i n do fl o wh o o dw i t h o u tw a t e r - c o o l i n g f r a m e w o r kh a sb e e nd e s i g n e dt os o l v et h ep r o b l e m so fd i l a p i d a t i o na n dl e a k r a d i c a l l y t h em e t h o do fd e s i g nc a nb ed e s c r i b e da sb e l o w a c c o r d i n gt ot h es h a p eo f s u b m e r g e d a r cf u r n a c ea n dt h ed i s t r i b u t i n go f t h r e ee l e c t r o d e s ，t h ef u r n a c ec o v e rc a i l b ej o i n t e db yt h r e e1 2 0 。f a n s h a p ec o v e r t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o no fb a r y c e n t e r a n dt h es t a t i ca n a l y s i s ，t h ef u r n a c ec o v e rc a l lb es u p p o r t e do nb r a c k e t ss t e a d i l y a n e ws y s t e mo fc o o l i n gw a t e rc h a n n e l sh a sb e e nd e s i g n e dt om a k et h ec l a p b o a r d s i i i 四川大学砸上学位论文 p a r t so ft h es t e a d yc o m p o n e n t s b e f o r et a m p i n go ft h ef i r e r e s i s t a n tc o n c r e t e ，s o m e o f t h e t o r y s h a p ef i r m w a r e sc o u l db e j o i n t e do nt h eh o t t e rs u r f a c eo f t h ec o v e r o t h e r w i s e ，t h et h e o r i e so fc h o o s i n gm a t e r i a l sa n dj o i n tp r o c e s sh a v e b e e np u t f o r w a r dt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f j o i n t ， a n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nh a sb e e nu s e dt oc a l c u l a t et h eh e a tt r a n s f e rt h a ti n s i d e t h el o wh o o d t h et e m p e r a t u r eo fs m o k eg a si n s i d et h el o wh o o di sv e r yh i 曲，s ot h e r a d i a t i v eh e a tt r a n s f e ri st h em a i nt y p eo fh e a tt r a n s f e r c o m p a r e dw i t hz o n em e t h o d a n dh e a t f l u xm e t h o d ，i m a g i n a r yp l a n em e t h o di sab e t t e rw a yt oc a l c u l a t et h e r a d i a t i v eh e a tt r a n s f e r a f t e rr e a s o n a b l ep r e d i g e s t i o na n dh y p o t h e s i s ，am o d e lo ft h e l o wh o o dw a sf o u n d e da n dt h ee q u a t i o n st ot h i sm o d e lo fi m a g i n a r yp l a n em e t h o d h a db e e nw r o t eo u t t h ec o m p u t a t i o n a lp r o g r a m sh a db e e nw r i t t e na n dr u nb yq b ( q u i c k b a s i c ) a n dm a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o 忉 t h er e s u l to fb e a tt r a n s f e ri n d i c a t et h ef o l l o w i n g ，7 t h et e m p e r a t u r eo ls m o l ( eg a s a n dw a l lt h a ti n s i d et h el o wh o o dw i l ld r o pa l o n gw i t ht h er i s eo f t h ea l t i t u d ea n dt h e t e m p e r a t u r eo fs m o k eg a si sh i g h e rt h a nt h a to fw a l l t h er i s eo fb l a c k n e s so fw a l l w i l lb ep r o p i t i o u st ot h eh e a tt r a n s f e r , b u tt h er i s eo f d i r t st h e r m a lr e s i s t a n c ew i j ln o t b e t h em a i n f o l do fs o o ta n dt h ea c c r e t i o no fs o o t sg r a n u l a r i t yw i l lm a k et h ek l a r g e rt h a nb e f o r e ，t h a tw i l lm i n i s ht h eh e a tf l u x a tt h es a l n et i m et h ee x i t t e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e ra n dt h et h i c k n e s so ff i r e - r e s i s t a n tc o n c r e t ew e r eg o t t e n t h er e s u l t sa r ei m p o r t a n tt ot h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fal o wh o o d t h ed r a w i n g so fal o wh o o da t6 3 0 0 k v as u b m e r g e d a r cf u r n a c eh a db e e n f i n i s h e db yu s i n ga u t o c a d t h ed r a w i n g sc a nb eu s e dt op r o j e c tc o n s t r u c t i o n d i r e c t l y t h ed e s i g no fal o wh o o da ts u b m e r g e d a r cf u r n a c eh a sb e e na p p l i e di nm a n y c o r p o r a t i o n sa n df a c t o r i e s t h e r ea r en od i l a p i d a t i o na n dl e a ko fc o v e rr e p o r t e dt i l l n o w i th a sm a d eg r e a tb e n e f i tt ot h ec o r p o r a t i o n sa n df a c t o r i e s k e y w o r d s ：f e r r o a l l o y , s u b m e r g e d a r cf u m a c e ，l o wh o o d ， w a t e r - c o o l i n gf r a m e w o r k ，r a d i a t i v eh e a tt r a n s f e r , i m a g i n a r yp l a n em e t h o d v 。型业查兰堡主竺篁堡兰 1 综述 1 1 论文的研究目的和意义 1 1 1 我国铁会金生产概况 铁合金是由一种或两种以上的金属或非金属元素与铁元素组成的合金，它 不是可以直接使用的金属材料，而是主要用作钢铁生产的脱氧剂和合金元素的 添加剂。因此，铁合金是钢铁工业和机械铸造行业必不可少的重要原料之一， 许多工业发达的国家都十分重视铁合金的生产，把铁合金作为战略物资来对待。 在我国，近些年来经济的飞速发展，使得钢铁工业的发展十分迅速，也由此带 动了铁合金工业的迅猛发展。目前我国已成为世界铁合金第一大生产国吧2 0 0 4 年铁合金总产量达到了8 5 0 万吨p ”，其中，锰系、硅系、铬系铁合金产量占到 铁合金总产量的8 5 以上。 1 1 2 铁合金冶炼设备简述 根据生产使用的冶炼设备分类，铁合余生产方法主要有高炉法、电炉法、 炉外法、转炉法和真空炉法。其中，电炉法是最主要的方法，用电炉法生产铁 合金的产量约占全部铁合金产量的7 0 以上1 2 1 。电炉冶炼的特点主要有1 3 1 ： ( 1 ) 电炉使用电这种最清洁的能源。其它能源如煤、焦炭、原油、天然气 等都不可避免地将伴生的杂质元素带入冶余过程。只有采用电炉才能生产最清 洁的合金。 ( 2 ) 电是唯一能获得任意高温条件的能源。 ( 3 ) 电炉中容易实现还原、精炼、氮化等各种冶金反应要求的氧分压、氮 分压等热力学条件。 电炉又可以分为矿热炉和精炼炉，因此亦可将电炉法分为矿热炉法和精炼 炉法两大类。精炼炉法是用硅作还原剂生产铁合金的方法，由于其生产原理的 限制，可生产的品种不多。矿热炉法又称埋弧电炉，是以碳为还原剂在炉内还 原矿石中的氧化物来生产铁合金的方法，冶炼过程中热量的来源为电能。矿热 炉可冶炼硅铁、硅钙合金、工业硅、高碳锰铁、高碳铬铁、硅锰合金等铁合金 品种，因此，在我国及世界其它国家的铁台金生产中都获碍了最广泛的应用。 矿热炉主要由炉体、供电系统、电极系统、加料系统、冷却水系统、检测 和控为系统、排烟系统等组成。矿热炉容量多用电炉变压器的功率来表示， 2 0 0 0 k v a 的为小电炉，9 0 0 0 k v a 的为大电炉，介于二者之间的为中等电炉。 堕型叁兰堕主兰堡篓奎 矿热炉的炉口形状可制作成圆形、矩形、多边形或椭圆形，炉口大小根据容量 的不同而异。电极形式有单相电极和三相电极等，目前使用最多的电极形式为 三相电极。根据三相电极的特点，以及从炉壳强度、相对冷却表面、短网的布 置等方面综合考虑，三相矿热炉的炉型一般采用圆型结构。矿热炉设备的基本 结构如图1 1 所示。 图1 1 矿热炉设备剖面图 1 炉壳2 炉衬3 变压器4 电极系统5 矮烟罩6 ，出铁口 1 1 3 本文的研究目的及意义 对铁合金生产来讲，冶炼设备是非常重要的环。企业要提高效益，首先 要保证冶炼设备的正常运行。国内外对设备的设计与研究较多，也取得了比较 好的成果。本文将在此基础上，对铁合金的生产设备矿热炉进行研究，主 要是针对冶炼烟气的捕集和处理装置之的烟罩和炉盖系统( 以下统称为矮烟 罩) 进行设计和研究m ，探讨如何对烟罩系统进行设计和优化改造。而课题的 成果若应用到实际生产中，必然会给铁合金生产企业带来巨大的经济效益和社 会效应，推动铁合金生产技术的不断向前发展。 1 2 矿热炉烟罩的发展历史 矿热炉按照其结构形式，一般可以分为敞口式、封闭式和半封闭式三种i5 1 。 早期使用的敞口式电炉，炉口直接暴露在空气中，机械化程度低，对环境污染 2 婴型奎堂婴一! 堂垡丝苎 很大，工人的劳动条件差嘲。最直接的改进方法就是在炉口正上方悬吊一个高 烟罩。高烟罩为吊挂式钢制结构，其直径与电炉炉壳直径相当。高烟罩底端与 炉口操作平面之间留有一定空间，供工人操作用。高烟罩的使用在一定程度上 抑制了生产过程对环境的污染，在捕集烟气和改善操作条件等方面也起到了一 定的效果【7 1 。但是，随着矿热炉技术的不断发展，以及人们对生产能力要求的 不断提高和环境保护意识的日益加强，铁合金生产厂家普遍通过技术改造或更 新换代等方式，将炉型改为封闭或半封闭矮烟罩形式。矮烟罩是铁合金电炉的 重要组成部分。与高烟罩相比，矮烟罩具有非常明显的优点：引入水冷系统， 极大地降低了矮烟罩的外部温度，减少了对周围的热辐射，提高了设备的使用 寿命；短网母线直接装在水冷炉盖上，缩短了母线长度，有利于降低电耗f 8 】； 烟气量减少，温度提高，有利于净化处理和余热利用1 9 l ；对半封闭矮烟罩炉型 来讲，设置了炉门，既可以供加料、拨料和捣炉操作，又可以控制冷空气进入 量，调控炉内温度等。 1 3 矮烟罩的结构分类 矮烟罩可以设计成圆形、六边形、八边形、十边形或多边形。按照其结构 形式，大致分为耐火混凝土结构、全金属水冷结构以及金属水冷骨架与耐火混 凝土混合结构三类。 1 3 1 耐火混凝土结构 这种结构的矮烟罩采用适当颗粒大小的耐火骨料，与适当配比的胶结材料 及掺和料严格混合，经浇注和捣固于模型中养护而成。整个矮烟罩支撑在操作 平台上。由于不使用金属构件，因此不用考虑绝缘和隔磁的问题。优点是制作 简易，成本低廉，耐热性能好，能量损失小。但是，这种矮烟罩自重大，结构 强度低，抗温度急变及物理冲刷性能差，检修和维护困难，使用寿命短，目前 己基本被淘汰。 1 3 2 全金属水冷结构 该结构的矮烟罩多用于封闭和连续运行的矿热炉。烟罩炉盖采用金属水冷 骨架作为炉盖的承载支架，骨架之间放置水冷盖板，盖板内部固定隔水挡板。 在连接处等关键部位采用不锈钢制作，用以防磁。优点是结构强度高，检修方 3 婴! ! ! 查兰堡主堂堡堡苎 便，水冷盖板损坏后容易更换，使用寿命长。但是，这种结构的缺点也是明显 的：全部使用金属材料使得制作成本大大增加，同时对电绝缘提出了更高的要 求；过多的焊缝加上直接暴露在高温烟气中，使得骨架漏水情况严重等。 1 3 3 金属水冷骨架与耐火混凝土混合结构 同全金属水冷结构类似，混合结构的矮烟罩也采用金属水冷骨架作为炉盖 的承载支架，骨架之间放置水冷盏板，盖板的内部固定隔水挡板。与之不同的 是，盖板内侧喷涂或捣打了耐火混凝土材料。这样，金属骨架就支承起了耐火 混凝土材料和水冷盖扳的重量，同时承受电极把持器带来的附加作用力，构成 一个刚性整体炉盖。为了减少涡流损失，炉盖靠近电极的区域采用防磁金属材 料制作，也可采用水冷骨架整体混凝土形式。炉盖上方则根据实际情况，开设 烟道孔和加料管。矮烟罩的四周设置若干炉门，炉门以外的其它部位可由钢制 侧壁构成，也可由砖砌成侧墙组成，并且内衬一定厚度的耐火混凝土材料。整 个矮烟罩可以吊挂在顶部平台上，也可以支撑在炉口操作平台上。应该特别注 意的是，矮烟罩整体对地应该有良好的绝缘。优点是金属材料用量减少，节省 了成本：焊缝等经耐火混凝土层保护，漏水现象减少；烟罩的寿命得到进一步 提高。缺点在于骨架漏水仍存在：耐火混凝土层长期使用后会脱落等。 1 4 国内外应用情况 1 4 1 国外应用情况 国外的冶金工业发展相对较早，矿热炉的设计水平已经相当成熟。其中， 德马克( d a m a g ) 、克虏伯、埃肯等公司的技术体现了当今世界铁舍金电炉技 术的最高水平【l o , 2 4 。德马克公司的矮烟罩炉盖结构采用管式骨架，管间打结耐 火混凝土，炉内表面吊挂许多紫铜盘管以提高炉盖寿命；其在绝缘、隔磁等方 面的设计也有独到之处】。日本的铁合金生产企业则采用多边形全金属矮烟罩 炉盖，呈组合活动水冷盖板式，便于检修和更换。 1 4 2 国内应用情况 上个世纪5 0 年代我国铁合金企业从前苏联弓l 进3 5 0 0 k 、强、9 0 0 0 0 k l 、 1 2 5 0 0 k v a 高烟罩敞口式铁合金电炉并建成投产，填补了我国铁合金电炉设计 的空白开始，通过与国外主要矿热炉设计制造厂家的交流，也通过我们自身的 4 婴业查兰堡主堂焦垒苎 一 学习、研究和试验，我国的矿热电炉设计和制造水平不断提高。1 9 6 5 年首次在 国内使用了矮烟罩形式，此后至今，很多厂家的矿热炉均采用了矮烟罩形式。 1 4 2 1 整体结构矮烟罩1 2 , 1 3 湖南铁合金厂子1 9 7 6 年起将水冷金属粱+ 混凝土预制块式矮烟罩炉盖改 进为以水冷盒属梁为骨架，耐火混凝土为保护层，包括支架、侧墙、操作门、 排烟孔等部分的新型整体结构混合式矮烟罩炉盖，见图1 - - 2 。 ，“：，。1 一 簟趟掣荔上诮一 峨沪卜、支蚓 1 | u 、涿了、。，| ? 也 遗乡、j 、。阐。r “ 圈卜一2 湖南铁含金厂整体结构矮烟罩 1 顶盖骨架2 进水分配管3 支架4 回水管5 i i | 火混凝土层 6 小炉门7 侧墙8 大炉门9 排烟7 l1 0 电极孔1 1 中心料管孔 金属骨架起固定成型、冷却水通道、作为工作平台等作用。为消除电极导 电部分产生强磁场的涡流效应，一般采用防磁钢部件及不锈钢管组成。耐火混 凝土层采用高耐火度的铝铬渣为骨料、整体浇灌方式皋4 作而成，将整个顶盖骨 架包裹保护起来，起着隔热、绝缘、密封、提供设备安装和维护平台等作用， 其寿命就是矮烟罩炉盖的使用寿命。支架由空心钢柱和回水管组成，不仅支承 起矮烟罩炉盏的重量，同时构成操作门及侧墙的框架。侧墙般采用耐火砖砌 5 四川大学硕士学位论文 成。依据工艺要求，可在电极的大面开设能自由开闭的水冷钢结构门。排烟孔 则依炉盖和侧墙的位置情况开设，分别与烟囱或炉气除尘回收设备相连接。 这种结构代表了当今电炉矮烟罩设计中比较成熟的结构形式。它具有怠好 的耐火度、抗形变、承载强度大、电耗小、设备损耗少、投资省、使用寿命长 等优点。 1 ，4 2 26 3 0 0 k v a 工业硅电炉矮烟罩i ”1 南京铁合金厂于1 9 8 5 年2 月首次将铁合金电炉矮烟罩炉型移植于1 8 0 0 k v a 工业硅电炉获得成功。而贵州遵义钛厂在1 9 8 6 年扩建两台工业硅电炉时，也选 用了矮烟罩炉型。在矮烟罩净空高度的设计上，考虑到布料、捣炉等炉外操作， 以及炉内排烟、设备检修等问题，采用1 8 m 的净空高度。在炉盖形式的选择 上，采用了水冷活动盏扳式，其容让性大，利于热胀冷缩，且能做成配件，更 换方便。盖板上层水冷，下层喷涂一定厚度的耐火混凝土层。中心电极孔部分 考虑到温度高，烟气量大，以及密封件的绝缘和调整极一心圆的需要，设计仍选 用水冷骨架整体混凝土式。 在四年多的生产实践中，这种矮烟罩设计在结构上无重大改动，取得了明 显的经济效益，而且还大大降低了生产过程中石墨电极的消耗，对输电短网等 电气设备有明显的保护作用。同时，改用矮烟罩后，可用液压锥体电极把持器 替代波纹管把持器并应用在生产中，实践表明其耐用性更好，铜瓦不易损坏。 1 4 2 3 1 2 5 0 0 k y h 半封闭式硅铁电炉矮烟罩【”1 北京钢铁设计研究总院设计并于1 9 8 9 年1 2 月在丹江口水利枢纽管理局铁 合金厂建成投产了1 2 5 0 0 k v a 半封闭式硅铁矿热炉。矮烟罩设计为圆形，由侧 壁、永冷骨架、水冷盖板和上下升降的炉门组成。水冷骨架坐在铡壁上，异j 石 棉水泥板隔开。侧壁为钢板与耐火混凝土的混合结构；靠近三相电极处的骨架 采用不锈钢制作；盖板内部通水冷却，下部用耐火混凝士隔热：炉门设置为6 个，最大开启高度1 3 0 0 m m 。矮烟军装有独立的水冷却系统，冷却水由总进水 管直接进入水冷骨架，再通过水冷骨架分别进入各自的冷却水回路，水量和水 再 四川大学硕士学位论文 温均可调节。 从1 9 9 5 年3 月开始，对矮烟罩系统又进行了部分改进：取消烟罩顶部的水 冷盖板；更换骨架中心部分，新换骨架电极孑l 上部的密封尺寸加大，以便增大 耐火混凝土的厚度；立模现浇耐火混凝土，使矮烟罩顶部形成一个整体件，对 现浇不到的地方喷涂修补；改造水冷系统，将水冷骨架、铜瓦、水冷大套、锥 形环四大部件全部采用软水冷却闭路循环。改进措施的优点有：耐火度高、隔 热性能好；不锈钢钢架能得到充分的操作，不易发身龟裂漏水；增大耐热混凝 土厚度可有效防止水冷大套和骨架之间的打弧。实践证明，改进后的矮烟罩结 构运行效果更好。 1 5 存在问题 金属水冷骨架结构的矮烟罩在使用过程中会出现以下的常见问题。 1 5 1 骨架漏水 i 6 , 1 7 】 现令使用的矮烟罩骨架普遍采用“u ”型钢组成水冷环形和放射钢粱i 侣j ， 它采用的是两块钢板和无缝管焊接丽成的形式，其结构如图1 3 所示。 1 r 。1 产2 ；。了1 f f 净呈 l l i 靶一j j l l ，1 匕= = 二二二_ 二：l 二= 二二二二j 图1 3“u ，型钢骨架 1 钢板2 无缝管 除此以外，骨架还可以采用钢板焊接而成的形式，也可以是由槽钢对焊而 成的形式，如图l 一4 和图l - - 5 所示，也有全钢管做成的骨架。一般的骨架结 构整体形状见图1 6 。 四川大学硕士学位论文 图1 4 矩形钢骨架 1 钢板 1 2 图1 5 槽钢对焊骨架 1 槽钢2 钢板 图1 6 骨架结构整体形状 实践表明，无论是哪种骨架结构，在生产过程中都存在着严重的漏水问题。 据统计，因骨架漏水造成的热停炉时间约占全部热停炉时间的5 0 ，有的高达 8 6 ，给企业带来了极大的经济损失。造成骨架漏水的原因主要有以下几点： 上 ，r 1 rri；_1_ _ _ 、吣a， ： 、 乇 婴型查兰堡生堂堡笙苎 1 5 1 1 冷水水路设计不合理 炉盖骨架的结构一般较大，且曾辐射状，冷却水的循环路线有太多的变径 和变向，使得骨架的某些部位容易产生死区，拐角的地方容易沉积水垢，造成 热量不能及时带走而使骨架因高温变形受损。此外，冷却水路设计得过长，冷 却水因阻损大而流动不畅，也可造成骨架因受热不均而破裂。 1 5 1 2 选材及焊接工艺不合理 为了防磁，矮烟罩的骨架以及中心部分常选用耐蚀性和韧性好、强度较高 的1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢制作。奥氏体不锈钢是不锈钢的一种，在加热和冷 却过程中一般不发生组织转变，仅有碳化物的溶解和析出，在室温下主要为奥 氏体组织，故此得名。研究表明，i c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢在4 5 0 8 0 0 内容 易产生晶问腐蚀。晶间腐蚀是出于在晶界析出铬的碳化物从而在晶界形成薄的 贫铬层引起的，会使其结构强度大为降低。而在制作骨架时，工艺要求的焊接 加热温度正好处于这个温度范围内。同时，炉内烟气的温度大多处于5 0 0 8 0 0 之间。因此，用1 c r l8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢制作的骨架结构在制造和使用过程 中都有可能产生晶间腐蚀，遭受晶间腐蚀的部位在受外力作用时容易产生断裂 现象。另外，1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢的导热系数比普碳钢低，若受热受力不 均，容易造成焊口裂缝。 除晶间腐蚀外，由于奥氏体不锈钢的导热系数小，线膨胀系数大，在焊接 不均匀加热的情况下，接头处很容易产生较大的焊接残余拉律应力，因而在与 钢材匹配的介质共同作用下容易产生应力腐蚀。 以上两种情况都可以造成骨架破损漏水。 1 5 】3 受外力作用变形或腐蚀 对于混合结构的矮烟罩，当骨架受外力作用时，由于耐火混凝土的固定作 用，骨架的变形不能随载荷消失而消失，以至造成骨架焊缝和薄弱处开裂漏水。 在高温环境下，金属和耐火混凝土材料膨胀系数不同，加上不均匀的温度场导 致骨架产生的膨胀变形也不同，导致骨架因局部应力集中而产生裂纹。此外， 骨架是一个大的承载体，在高温区内，其底部将承受非均匀性拉应力，拉应力 是产生应力腐蚀的一个重要条件( ，可以造成骨架在腐蚀作用下裂纹增大，造 成漏水。 q 四川i 大学硕士学位论文 1 5 2 耐火混凝土的脱落 矮烟罩炉盖内侧的耐火混凝土层是和金属构件粘结在一起的。由于金属与 耐火混凝土材料之间的热膨胀系数差异很大，加之耐火混凝土层长期暴露在高 温烟气的恶劣环境中，使得i i ! l 火混凝土容易脱落，暴露在高温烟气中的炉盖裂 缝漏水，造成频繁的热停炉 2 6 】。 1 5 3 冷却水结垢 电炉矮烟罩冷却系统主要使用工业水作为冷却介质。由于工业水只是经过 了沉淀和过滤等简单处理的自然水，其含有的钙镁离子的重碳酸盐和杂质等不 稳定因素使得工业水在流过冷却通道的过程中容易随温度的变化而产生水垢 1 2 0 l 。水垢的导热系数远小于钢的导热系数，水垢的存在就相当于在冷却水和冷 却盖板之间增加了一绝热层，并且水垢和盖板间的接触间隙也可能产生热阻， 最终导致炉内一侧的炉盖温度升高。厚度为1 m m 的水垢就可以使炉盖炉内一 侧温度升高达1 0 0 c 以上1 2 l 】。因此，水垢的产生会使热交换效率大大降低，严 重时还会造成设备破损。 1 6 常规解决方法 针对骨架漏水、耐火混凝土脱落、冷却水结垢等问题，设计人员提出了许 多解决方法。 ( 1 ) 适当改进冷却水循环路线，减少拐弯和死区；取消骨架水路之间的串 联，缩短冷却水走过的路程1 2 甜。 ( 2 ) 尽可能减少除关键部位以外1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢的使用，防止因 晶间腐蚀导致的骨架漏水。炉盖和侧壁内可喷涂或捣打耐火混凝土层，避免金 属材料及其焊缝直接暴露在高温烟气中；耐火混凝土层的存在也使热交换量减 少，节约了冷却水的用量。 ( 3 ) 从图l 一3 到图l 一6 中可以看到，焊接而成的骨架结构存在太多的焊 缝，而焊缝是骨架漏水的主要部位之一。为了减少焊缝，可以采用无缝钢管来 制作骨架，在实际应用中已经取得了良好的效果。 ( 4 ) 目前解决冷却水结垢问题的方法中，普遍采用的是改进冷却水的水质 和稳定性，即采用经过软化处理的软水。与工业水相比，软水中含有的钙镁离 子的重碳酸盐浓度较低，其稳定性也优于工业水，在一定程度上减少了结垢现 1 d 婴型查堂堡主堂焦丝苎 象的发生2 扪。但是，由于软水的使用方式为密闭循环方式，有大量的溶解氧存 在，随着温度的升高，溶解氧无法析出，将会使冷却系统的腐蚀速率增大。而 无论是工业水还是软水，在温度高于5 0 c 的情况下，其所含的钙赫容易形成沉 淀1 2 3 1 。因此，还需要严格控制冷却水的温度来保证它的稳定性，这可以通过加 大冷却水量等方法来实现。 1 7 本文研究的主要内容 目前针对矿热炉矮烟罩系统的研究和改造，其内容大多都是对工作构件缺 陷的描述和提出在工程上的常规改进措施，理论分析上却是一片空自。本文将 本着解决铁合金实际生产中矮烟罩系统容易出现的问题，设计一种新型的组合 式无水冷骨架的矮烟罩炉盖结构，并对新设计的矮烟罩系统作传热学的分析计 算，得出一些新的改进措旌。具体内容有： ( 1 ) 提出矿热炉矮烟罩无水冷骨架结构的设计思路，通过分析计算得出其 结构稳定性，对炉盖内的冷却水路进行重新设计，并对一些重要结构进行设计 说明，同时在制造选材和焊接工艺上提出新的措施和改进方法。 ( 2 ) 矮烟罩的作用是捕集并导出烟气，。提高矿热炉的热效率，在条件允许 的前提下回收利用烟气余热。因此，知道矮烟罩空间内的传热情况和热流密度 尤为熏要。本文将根据矮烟罩系统的实际形状和传热情况建立合理的计算模型， 并对模型进行数值计算求解。在对计算结果进行分析讨论后，得出此研究计算 对矿热炉矮烟罩系统设计的指导作用和意义。 ( 3 1 将本次设计的相关设备用a u t o c a d 绘制成一套工程用图，达到能应用 于实际使用的目的，同时对新型无水冷骨架矮烟罩的应用情况和使用效果进行 简单的介绍和说明。 1 8 本章小节 本章主要针对本课题的背景、选择原因和意义进行了说明，介绍了目前国 内外矿热炉烟罩及矮烟罩系统的应用和研究现状，以及生产过程中常出现的问 题和针对问题所作的一些改进措施。最后对本文所要进行的工作进行了说明并 预期它的应用效果。 四川大学硕士学位论文 参考文献 袁熙志加入w t o 后的中国铁合金： 业辫分金，2 0 0 2 ，( 4 ) ：4 2 4 6 许传才编铁台金冶炼工艺学西安：两北大学出版社。1 9 9 3 ：5 戴维，等铁合金冶金工程北京：冶金j ：业出版社，1 9 9 9 ：1 金晓明1 8 0 0 k v a 硅铁炉除尘系统若干问题讨论唐镑i 七，1 9 9 2 ，( 3 ) ：l o 1 2 张显鹏。等编铁台金辞典，沈阳：辽宁科学技术出版社，1 9 9 6 ：3 8 7 朱建军，等铁台金电炉设备发展简述丑旁带盈，2 0 0 3 ，v 0 1 3 4 ( 5 ) ：6 1 6 2 赵乃成，等编铁合金生产实用技术手册北京；冶金工业出版社，1 9 9 8 ：6 5 5 斯特隆斯基矿热熔炼炉北京：冶金，j ：业出版社，1 9 8 0 ：1 6 0 s a n z a l e j a n d r o ，l a v a r o n ig i a n c a r l o a d v a n c e da p p r o a c h e st oe l e c t r i ca r cf u r n a c eo f f - g a s m a n a g e m e n t ，m p tm e t a l l u r g i c a lp l a n ta n dt e c h n o l o g yi n t e r n a t i o n a l , 2 0 0 0 ，v 2 3 ， n 4 ：7 2 - - 8 2 s h k r a b o k a n a e s i d o r o v , o s i p o v e x p e r i e n c ei nm o d e r n i z a t i o no ff e r r o a t l o yf a m a e e s 【j 】曰甜：2 0 0 2 ，6 ：3 卜3 4 董维德我国铁台金电炉设备的发展辨箍，1 9 9 9 ，v 0 1 3 0 ( 5 ) ：3 3 3 7 付义华矮烟罩电炉设计中若干问题的探讨钴兮金，1 9 8 2 ( 4 ) ：2 1 2 5 薛裕杰新型铁合金电炉炉盖的制作与使用工业觑热1 9 9 1 ( 2 ) ：3 8 4 0 李远西6 3 0 0 k v a 矮烟罩工业硅电炉介绍贷毋舞j1 9 9 3 ( 5 ) ：3 0 3 2 张启轩1 2 5 0 0 k v a 半封闭式硅铁电炉的设计与运行6 v 莞y - 哥# 1 9 9 7 ( 4 ) ：1 0 1 4 冯智祥1 2 5 0 0 k v a 、f 封闭矿热炉水冷炉盖骨架的合理选材与设计篑夸釜。1 9 9 4 ( 6 ) ：1 7 1 9 李世静目前我国半封闭电炉烟罩水冷骨架的问题及解决办法钟 争金，1 9 9 6 ( 4 ) ： 4 6 4 9 王竟存，等封闭矿热炉金属炉盖的改进铭分金，1 9 9 6 ( 1 ) ：4 2 4 3 刘中明矮烟罩电炉炉盖腐蚀变形的原因及防护措施群兮金，2 0 0 3 ( 4 ) ：3 7 4 0 冯超，等，我国高炉冷却系统软水质量现状及改进措施煮糟毛2 0 0 2 ，v 0 1 2 1 ( 5 ) ： 1 4 1 6 程素森，等高炉冷却壁的传热学分析钾锘，1 9 9 9 ，v 0 1 3 4 ( 5 ) ：1 1 1 3 李洪新6 3 m v a 工业硅车间的改造与设计群分金，1 9 9 8 ( 5 ) ：3 3 3 5 顾飞，等我国高炉冷却水水质调查及评价媒+ g 托1 9 9 6 ，v 0 1 1 5 ( 4 ) ：2 7 2 9 12 晒吲嘲旧哪嘲纠 呻 m 兰| 郾 m 旧 洲 四川大学硕士学位论文 2 4 】p e t e rh e i n r i c h ，m a n f r e ds c h u b e r t m i n i m i l l sa n dm o r er e c e n td e v e l o p m e n t sr e l a t i n gt od c e l e c t r i c a r c f u r n a c e s 嘲s t a h lu n d e i s e n ，1 9 9 5 ，v 1 1 5 ，n 5 ：4 7 - 5 3 2 5 杨善让t 等换热设备污垢与对策( 第二版) 北京：科学出版社，2 0 0 4 ：4 1 6 4 4 8 【2 6 】高旭东轻质耐火混凝土喷涂技术在铁合金电炉烟罩上的应用辨船，1 9 9 5 ( 2 ) ： 2 9 3 l 1 2 7 高海亮2 0 0 4 年铁合金市场回顾与2 0 0 5 年展望辨兮全2 0 0 5 ( 1 ) ：3 9 4 7 心川大学硕士学位论文 2 矿热炉无水冷骨架矮烟罩的设计 2 1无水冷骨架矮烟罩提出的背景 烟罩是捕集并导出烟气的笼形装置，最早的类型是使用于敞口炉上的高烟 罩。随着矿热炉技术的发展，现代矿热炉普遍采用矮烟罩或半封闭烟罩。目前 采用的高温矮烟罩为混合式结构，它采用水冷