（机械工程专业论文）转炉炼钢系统的能量流模型及节能改造.pdf

重庆大学工程硕士学位论文 中文摘要 摘要 本文根据系统论和机械加工系统能量流理论的基本思想，把转炉炼 钢系统分为熔池( 热能) 系统、机械( 电能) 系统，分别讨论了其能量流 程及能量利用率，提出了转炉炼钢系统的节能方向。最后就攀钢炼钢厂转 炉氧枪冷却水泵站的节能改造叙述了转炉炼钢系统节能改造的实施方法。 0 本文提出了与炼钢行业现行的“热效率”不同含义的转炉炼钢系统 的“能量利用率”，又提出了因系统内部不协调，主要是系统内某个局部 的工作制度不能实现以较低的能耗代价满足工艺要求，而引起的无用能耗 一能量的“制式损耗”概念，立首次建立了转炉炼钢系统的能量流模型。 对转炉炼钢的能量特性和节能途径等内容作了一些有益的探索。0 关键词：转炉系统，能量流，节能改造 里墨奎兰三堡堡主兰些堡奎 茎窒塑鐾 a bs t r a c t t h ec o n v e r t e rs t e e l s m e l t i n gs y s t e m i sd i v i d e di n t o s m e l t i n g s u m p ( t h e r m a le n e r g y ) s y s t e m a n d m a c h i n a r y ( e l e c t r i ce n e r g y ) s y s t e ma c c o r d i n gt o t h ep r i m a r yt h o u g h t so fs y s t e mt h e o r ya n dt h e e n e r g y s t r e a m t h e o r y o fm a c h i n e p r o c e s s i n g i n t h i st h e s i s t h e u t i l i z a t i o nr a t ea n de n e r g yp r o c e s sa r ed i s c u s s e da n dt h ed i r e c t i o no f e c o n o m i z i n g o ne n e r g yi sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h es a m et h o u g h t s i nt h ee n d ，a c c o r d i n gt or e f o r m a t i o no fs a v i n ge n e r g yo fc o n v e r t e r o x y g e nf i r e a r m sc o o l i n gw a t e rp u m ps t a t i o no fp a n g a n gf a c t o r y ，t h e m e a n so f a p p l i c a t i o n o fc o n v e r t e rs t e e l s m e l t i n gs y s t e m i s e x p o u n d e d t h ea r t i c l e p r e s e n t s t h e c o n c e p t o f e n e r g yu s ee f f i c i e n c y o ft h ec o n v e r t e rs t e e l m a k i n gs y s t e mw h i c hh a sd i f f e r e n t m e a n i n g w i t ht h et h e r m a l e f f i c i e n c y o ft h e p r e s e n ts t e e l - m a k i n g i n d u s t r i e s ，a n da l s op r e s e n t st h ec o n c e p to f i n s t i t u t i o n a lw a s t a g et h a t e n e r g yw i l lb ew a s t e di ft h ei n t e r n a ls y s t e mc a n tm e e tt h en e e do f l o we n e r g yw a s t a g e a c c o r d i n gt ot h i s c o n c e p t ，t h ee n e r g y s t r e a m m o d e lo ft h ec o n v e r t e rs t e e l - m a k i n gs y s t e mi sb u i l ti nt h ea r t i c l e a t l a s t ，t h ee n e r g ys p e c i a l i t y a n dt h em e t h o do fs a v i n g e n e r g y a r e s e e k e da f t e ri nt h ea r t i c l e k e y w o r d s ：c o n v e r t e rs y s t e m ，e n e r g ys t r e a m ，r e f o r m a t i o no f e n e r g ye c o n o m y 重庆大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 我国钢铁工业能耗现状及本文的目的 钢铁工业是高能耗行业，其能耗占我国国民经济总耗量1 0 左右。 1 9 9 5 年我国钢铁工业消耗能原1 2 8 亿吨标准煤，1 9 9 6 年其消耗量增至1 3 4 亿吨标准煤，同期钢、铁、材的产量也有了相应的增加。钢铁生产消耗大 量能源，导致成本中能源费用占有相当大的比重，钢铁联合企、l k 中这一比 重已达到3 0 ，甚至更高。因此，降低单位产品能耗是增加钢铁企业经 济效益、提高钢铁产品竞争力的重要途径。在当前钢铁产品已接近国际市 场价格，能源价格逐步向国际市场靠拢、不断上调的形势下，节能降耗的 作用和意义更加突出。 在1 9 8 0 年一1 9 9 6 年间，我国在加强能源管理的同时，推广了一系列 节能技术，取得了很好的效果，生产每吨钢的综合能耗从1 9 8 0 年的2 0 4 t 标准煤减少到1 9 9 6 年的1 3 9 2 t 标准煤，下降了3 2 左右。但是我国钢铁 生产的能耗水平与国际先进水平相比尚有较大差距，一些节能技术尚未得 到使用或大规模推广，加上生产工艺落后、设备陈旧，我国水平较好的大 中型钢铁企业吨钢能耗仍比国外先进水平高3 0 左右。 转炉炼钢最早出现于1 8 5 6 年用铁水直接炼钢的方法，叫底吹转炉炼 钢法。当时的炉衬是采用酸性耐火材料制造的，不能除去生铁中的磷，只 能用于有低磷铁矿石的地方。由于低磷铁矿石的缺乏，使这种炼钢方法受 到限制。1 8 7 4 年出现了碱性耐火材料作炉衬的转炉，可以除去铁水中的 磷【1 1 口 1 8 6 4 年出现了可以用废钢及铁水作为原料的平炉炼钢法，也分为碱 性平炉和酸性平炉。 在2 0 世纪五十年代以前，平炉钢在世界总的钢产量中占绝对优势。 随着制氧技术的发展，2 0 世纪五十年代出现了一项氧气项吹转炉炼钢法 ( l d 法) 。 重庆火。工程颂i 学位论文 第1 章绪论 l d 法牛产效率高，投资少，收效快，冶炼过程中无须外来热源，仪 依靠铁水物理热和元素氧化放热完成r 艺过程，生产成本低。实践证明， 氧化转炉与铁水预处理及钢水炉外精炼相结合，可炼一些特殊钢。 转炉炼钢足一个利用炽热铁水吹炼直接能耗较少的型二产过程。宝钢 的转炉_ 序能耗为一9 2 k g 标煤t ( 扣除叫收的煤气、蒸汽等能源) ，实现 了“负能”炼钢，达到了国际先进水平( 日本平均为7 8 k g 标煤t ) 。其 他大 】哩钢铁企、j k 的炼钢工序能耗都比较高，有8 7 的企业转炉工序能 耗大r3 0 k g 标煤t ，个别的中型钢铁氽业转炉工序能耗大于1 0 0 k g 标煤t ( 抚顺钢铁公司、北台钢铁厂等企业) ，十大钢铁企业转炉工序能耗见表 工序能耗：蝇标煤t 钢 企业名称 1 9 9 5 矩1 9 9 6 笠 全国平均水平( 包括中型企业) 3 03 1 宝山钢铁( 集团) 公司 99 武汉钢铁( 集团) 公司 1 08 本溪钢铁( 集团) 公司 1 71 8 首钢总公司 2 32 1 鞍山钢铁( 集团) 公司 2 12 2 包头钢铁公司 4 03 l 攀枝花铡铁( 集幽) 公司 3 23 2 马鞍山钢铁公司 3 03 4 唐山钢铁( 集团) 公司 3 63 6 太原钢铁( 集团) 公司 3 94 0 企、i k 的能耗不仅与企业的生产工艺密切相关，而且与仓业的管理也 有着一定的联系，研究和探讨钢铁企业的能耗和节能问题应着眼于企业的 整体性。 本文试图以转炉炼钢系统这样一个小的对象，阐述针对某一个对象 的能最流分析的方法，建立能量流模型，探讨其节能途径。 1 2 现代科学思想与技术在冶金行业节能上的应用 2 重庆大学e 氍颀i 。位论文 勰t 章缝埝 1 2 f 1 系统科学的攒导 乍雳 系统科学存二战以后获得了迅速发展。它的理论和方法从t 程技术 镶域移植到技零秘学、璎论鸯然辩学跌至经济秘管理等挂会科学都f 】。系 统论被称为是一fj “横断学科”；它的照著特点是领域的“跨度”大、应 鬟范圈广。系绞工程作为系统谂豹应滕蘩分，葵分支攘当繁多。 系统论的主要工县是数学方法，怒定量分析。从网络技术到排队论、 蹲奕谂、搜索论、线谯勰趔积嚣线磐娥魁等等，已经开始运鼹瓣数学方法 不下二百种。假它在发展过程中也遇到了障碍，主要魑很多领域的数据不 全、随枧因素和楣关的无法售黪的成分大多，限制了分析和定餐运筹的可 靠性。在这种情况下，从哲学上把握系统论的基本原理，将有助于从方法 论和处理技术上把握要领、注意定性分析和定链分析的结合，并用系统论 的思想去促进入们养成周密系统地思考问题的习惯。 科学的系统概念，包括了小至亚原子，大至宇宙的一切相对独立的 复合体。从它的形成邋程去考察，可以把它们分为两大类：自然系统鞠入 工系统。后一淡包括各种工程技术实体、生产技术设备、社会上的各个党 派、翻体、个攀韭单位、部门“帮各静缀织等等；我稻大家天天生活在这些 人工系统中，它们的结构和状况如何，对于我们的工作年生活的影响极大。 天工系统懿结鞠稻往煞，遣是我锯蓊簧研究豹主要对象。麸系统论靛一般 原理出发，要组成一个较为良好的人工系统，需要具锯哪些必要的条件呢 【嘲? 第一，要有明确的目的性。无论怒技术系统或社会的某个组织系统， 受票它戆缀建卷或设计者没毒明礁款饕标，链藏无法会理嬗处爨这个系绫 中的各个方面、各个部分的组合关系，势必造成布局豢乱、结构“错位” 等等赘痣。 第二、爱实行合理的分工。分t 协作是一种基本的组合方法。这个 道理隧工程技术以至搬域等方蕊懿组食原理是一致的。 第三，要求整个系统实现协调。不协调就不成熟为优化的系统。从 某穗意义上说，哙调与否是人工系绕的成败关键。一台机器，另部佟氍 好，但出了赦障，菜个部分小能正常运转，它就无法便弼。至于各种衽会 重庆大学工程硕士学位论文第l 章绪论 组织，协调问题更为突出、重要。这里面有几层要求应该满足：一是人员 或另部件本身的特征或性能要符合定位要求；二是管理流程、工艺流程及 运转的轨迹要合理；三是要把各个“接头”部位组建好：四是要有健全的 信息储存、反馈和全局性的调控组织：对于复杂的人工系统，后面一条要 求更为重要。 第四，要求人工系统同环境相适应，任何人t 系统都不可能孤立存 在，它们都处于一定的社会的或经济、技术的环境中。小系统要适应较大 的系统，小局要服从全局。后者对于前者来说就是环境。个较小的系统 如果不适应环境，难免发生震荡，引起失控现象。 系统论的方法论基础，在本质上是辩证而有活力的。它要求我们随 着条件的变化，不断改善系统结构和运行的流程，达到整体性能和总的效 果的优化。在这一点，它和唯物辩证法相似。凡认为潜力已经挖尽、组织 结构和体制等方面不能再作改进的思想，都是没有科学根的。组织和管理 将永远是社会生产力的重要组成部分，它的作用将随着人类活动的更加社 会化而进一步加大。在组建或调骐各个系统时，各个局部的组合方式的变 化，可能引起整个系统的质变，这也是我们研究系统哲学所必须注意的一 个重要问题。 量变可以引起质变，这是马克思主义哲学早已阐明的一条辩证法的 规律。革命导师恩格斯援引了大量科学材料，特别是化学变化中的大量事 实，证明了由量交到质变的规律性。系统给我们带来的新的启发，主要是 在组合方式、组合层次、组合的有序性等对事物全局性质的影响方面，把 量变和质变的关系作了进一步的发挥。 1 2 2 现代控制技术理论和硬件的应用 一般说，系统内部的层次结构是由其内部的三流( 物质流、能量流、 信息流) 的联系方式确定的，尤其是信息流在系统的运作中发挥着极其重 要的作用，层次结构的合理化，其中的信息流程包括各种管理信息的流程 就可能随之合理化了。但是，这两个方面的问题还是有所区别的。即使有 了层次分明的组织结构，而信息的传递流程问题没有系统地加以解决t 整 个系统的运转还会发生故障。 4 氍庆大学工程硕l 学位论文 第1 章绪论 由于计算桃的广泛应用，如何解决人一机关系就成为一个崭新的课 题。人们在作j 决定时往符带有思维过程中固有的模糊和不f “格性，但计 算机却只能接受确切的命令。这就需要研究消除“人一机”语言障碍的方 法，否则再好的方案、理论和运算工具仍难于发挥作用。1 965 年美国 学者查德( z a d e h ) 提出了“模糊集合( f u z z ys e t s ) 的概念，奠定了“模 糊理论”的基础。模糊集合理论给人的思维过程以一种严格的数学形式。 由于人的智能有一种特殊的性质，使得它能在模糊的环境中进行推理，并 对照需要精确和定量的数据，去作出只有不确切数据的决策。由于模糊数 学的创立和发展，赋予计算机模仿人的智能的能力也不断的发展。 自动控制理论发展至今也有百年历史，随着各个阶段的t 业和现代 科学技术飞速发展，各个领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、系 统稳定性与适应能力的要求越来越高，应用范围也更加广泛。自动控制理 论本身经历了经典控制理论、现代控制理论到大系统理论和智能控制理 论。 大系统理论和智能控制理论始于7 0 年代末，8 0 年代受到相近领域的 影响，其代表性的模糊控制已有着有极其丰富的内容，是目前能用来表示 现代水平自然语言的模糊意识的唯一理论嗍。 一个半世纪以来，由于铁水予处理、钢水炉外精炼技术的发展，转 炉冶炼的任务演变为提温和脱碳而更加简明，其控制方法从经验法、静态 控制法到随着副枪和快速在线定碳定氧及测温技术而发展起来的动态控 制，转炉炼钢将会有新的发展和突破】。 1 3 本文的研究设想和意义 机械加工系统能量流的研究已有人作了卓有成效的工作，但在冶金 行业尚未有这方瓶的研究。本文根据系统论的原理、能量守恒定理和机械 加工系统的能量流理论的摹本思想，研究了转炉炼钢系统能量的流程及分 布，以指导转炉炼钢的节能，提高转炉炼钢的能量利用率。 对于转炉炼钢系统的能量流模型与节能途径研究和实践，我们基于 系统整体化的概念建立j 衡最系统效果的能荣利用率、能量制式损耗概 念，并综合运川现代科学年技术领域内的成果，使其相互配合l 町达到整体 5 重庆大学工程硕士学位沦文第l 章绪论 系统的优化。这是一种符合我圆国情并可行的途径。 6 重庆大学_ j _ = 程硕士学位论文 第2 章转炉炼钢工艺 第2 章转炉炼钢工艺 2 1 炼钢的主要任务 以铁水( 或废钢) 为主要原料的炼钢过程，其主要任务如l - v l t 4 】： ( 1 ) 脱碳。脱碳是指在高温熔融状态卜- 进行氧化熔炼，把生铁( 碳 的质量分数一般为4 2 一4 5 ) 中的碳氧化降低到所炼钢号的标准要求 范围内。铁水的含碳量较高，转炉吹炼中熔池发生碳氧反应时不仪能脱 碳，同时会产生沸腾，搅动熔池，从而起到了去除钢中气体、杂质、加速 钢渣反应、均匀成份和温度等作用。 ( 2 ) 去磷、硫。去磷、硫是指把生铁中的有害杂质磷、硫降到所炼 钢种的标准要求范围内。氧气顶吹转炉炼钢法的去磷、去硫能力与其造渣 制度有很大的关系，通常单渣法脱磷可达8 0 左右，脱硫率约为3 5 。 双渣法脱磷率可达9 0 以上，脱硫率可达5 0 以上。留渣法脱磷可达8 5 左右，脱硫率也可达4 0 5 0 。 ( 3 ) 去除气体及非金属夹杂。其是指把熔炼过程中进入钢水中的有 害气体( 氢、氧、氮) 以及非金属夹杂物( 氧化物、硫化物、氮化物) 清 除掉。 ( 4 ) 脱氧合金化。脱氧是指把氧化熔炼过程中生成的对钢质有害的 过量的氧( 以f e o 形式存在) 从钢水中清除掉，合金化是指在脱氧的同 时，根据钢号的不同要求，加入各种合金，使所需合金元素达到规定的范 围内。 ( 5 ) 升温。是指把钢水加热到所要求的出钢温度 3 】。 = t + a t , + 疋 式( 21 ) 式中：强一出钢温度( ) ： t 一一钢水凝固温度( ) ，1 j 钢0 即化学成份有关 重庆大学r 程硕士学位论文第2 章转 j 】炼钢工艺 7 ：一钢水过热度( ) ，与钢锭浇铸方法和锭型有关 疋一一从出钢到开浇期间钢水的温度损失( ) ，与实际生产r 艺及其组织有关。 2 2 转炉炼钢工艺流程 各钢铁企业中，由于入转炉的铁水条件和冶炼钢种的不同，其冶炼 工艺有所差异。对于普通铁水炼钢而言，通常的生产流程如下： 铁水匦虱专混铁炉匿翌j i 虱匠亟翌日专圈 图2 1 转炉炼钢的工艺流程 本文所论及的仅指上述流程中混铁炉后，。炉外精炼前的一段过程一 顶吹氧气转炉冶炼过程。 2 2 1 顶吹氧气转炉操作过程( 如图2 2 ) 图2 2 项吹转炉炼钢操作实例川 1 一f 二炉排渣：2 - 装料：3 - 吹炼；4 - 出钢准备：5 - 出钢；6 - 排清；7 一f 炉装利：8 一废铡 1 5 0 0 0 v , _ g ：9 - 铁水7 2 5 0 0 k g ：1 0 石灰缸4 2 0 0 k g ；1 1 一铁皮7 0 0 k g ：1 2 萤i i1 8 0 k g ；1 3 8 重庆大学工程硕士学位论文第2 章转炉炼钢工艺 铁矿石6 0 0 k g , 1 4 - 铁矿石2 0 0 k g ) s鄂s = 【玛攀 式( 3 3 式( 3 3 ) 可以作如下理解： 瓣子某令礁定鹣转炉炼锶工艺，其主要走窖为婊戆予下芝；装餐躲 工艺制度，入炉的铁与m 炉的铡存在麓某种映射关系，入炉的铁戍控制存 重庆大学工程硕士学位论文 第3 章转炉炼钢系统能量流理论 定的空间区域( 相当于函数的定义域) 内，并且存在相应的钢的空问区 域( 相当于函数的值域) ，这种映射关系是复杂的。式( 3 3 ) 是转炉炼 钢控制模型的数学描述。 3 3 热能系统的能量流程分析与能量流模型 3 3 1 物料平衡与热平衡 氧气转炉炼钢工艺计算有物料平衡和热平衡两个内容，它是建立在 物质、能量不灭定律基础上转炉静态控制的主要原理。物料平衡、热平衡 在转炉炼钢工艺中是相互联系的，因为物质和能量是不可分割的。物料平 衡和热平衡的计算是根据装入炉内或参与炼钢过程的全部物料数据和炼钢 过程的全部产物数据，来进行物料的重量和热平衡计算( 图3 2 m ) 。通 过计算，可以定量地掌握冶炼工艺重要参数。对指导生产、改进冶炼工艺、 降低成本和能耗、设计炼钢车间、选用炼钢设备、实现转炉自动化控制等 有着重要意义。 ( 热量支出项的其它，包括：炉体吸收的热最、冷却水吸收的热量、辐射热量损失、 传导热量损失、对流热量损失等) 图3 2 顶吹转炉物料和热平衡图 1 3 重庆大学工程硕士学位论文 第3 章转炉炼钢系统能量流理沦 在通常的氧气顶吹转炉炼钢过程中，总是根据冶炼钢种的要求，将 铁水中的c 、s i 、m n 、p 、s 去除到规定的要求，脱碳、脱磷、脱硫及锰 与硅的氧化是氧气转炉炼钢的主要冶金反应，也是转炉炼钢的重要热源之 一( 另一个主要热源是铁水的物理热) 。氧气转炉炼钢热量的来源见图f 32 1 的收入项，热量来自依靠铁水本身带来的物理热和铁水内各元素氧化反应 放出的化学热。其它的入炉料中是造渣和过程温度控制而加入的冷却剂或 发热剂。 式( 3 _ 3 ) 是转炉热平衡与物料平衡计算的数学表达。 图3 2 的热平衡可简化为图3 3 ： q l 图3 3 氧气转炉的热能流向图 一九九一年，攀钢炼钢厂和攀钢钢铁研究院组织了一次攀钢1 2 0 吨 顶吹转炉物料及热平衡测试，其结果如表3 1 至表3 6 哪】。 热收入热支出 项目g j t 铁水 项目g 玳钢水 辏柰幂鏊蓊理热 1 3 0 4 6 4 64 7 6 3 镧繇明墀恐 1 3 6 6 4 9 84 9 8 9 0 0 4 9 3 2 218 0钢渣中钢珠物理o 0 2 5 9 0 7o - 9 5 蘑素氧化放热 1 3 5 0 q 5 54 9 2 9 孤 07 0 3 3 0 02 5 6 8 0 q 2 3 6 7 20 ，8 6钢渣物理热0 0 9 4 9 4 53 ，4 7 炉衬烧损物理热 o o l l 4 8 80 4 2 罄鏊穗曩应热 0 2 7 4 5 0 81 n 0 2 0 0 4 1 2 8 115 l 器塑荔銎薰 0 0 4 3 6 1 615 9 0 0 0 0 00 0 0 謇筷囊凿鼗热 0 1 4 1 9 9 051 6 0 1 0 3 0 1 737 6 0 0 0 8 7 0 60 3 2 0 0 2 4 0 1 9 50 韶 喷溅渣热损失 - 0 0 8 8 7 9 3一3 2 3 合计 27 3 9 1 8 31 0 0 0合计27 3 9 1 8 31 0 0 0 表31 转炉热平衡表( 熔炼号1 2 4 7 9 ) 1 4 里壅查兰三堡堡主兰垡堡壅 塑! 翌鳖生堡堡墨堕壁垄亟墨笙 热收入热支出 项目g j t 铁水项b g j t 钢水 饫水物理热 l3 5 3 5 5 55 l6 8铡水物理热13 5 6 0 3 3 5 1 7 8 铁水带渣物理热 0 0 0 4 6 1 50 1 8 钢渣中钢珠物理 0 0 0 4 3 3 60 1 7 元素氧化放热l2 1 7 7 6 84 6 5 0熟0 6 9 0 2 7 52 6 3 6 0 0 2 5 7 7 4o 9 8钢渣物理热o 啷1 8 2 0 4 37 5 炉衬烧损物理热 0 0 1 7 2 f r 20 6 6物料分解反应热 0 2 2 1 3 8 38 4 5 炉气物理热o 0 3 8 4 8 6l4 7 冷却水吸热 0 0 5 0 3 6 8l9 2 炉尘物理热o 0 0 0 00 0 0 水份汽化热 0 1 0 8 0 4 041 3 炉体表面散热0 0 9 9 叮2 538 1 炉口辐射热揍失o 0 0 9 1 5 5 03 5 铁及金属损失热 0 0 2 1 9 1 40 8 4 喷溅渣热损失 - 0 0 7 8 9 6 43 0 l 其他及误差 合计 2 6 1 8 歹7 41 0 0 0 合计 2 6 1 8 9 7 41 0 0 0 表3 2 转炉热平衡表( 熔炼号1 2 4 8 0 ) 热收入热支出 项目g j t 铁水 项目 g j t 钢水 铁水物理熟 1 2 3 6 9 5 76 4 8 4钢水物理热l3 5 2 1 9 67 0 3 8 铁永带渣物理热0 0 4 8 5 6 42 5 5钢渣中钢珠物理0 ，0 0 7 0 7 20 3 7 元素氧化放热0 6 0 4 7 9 03 1 7 0热0 1 8 4 3 0 49 6 6 成渣反应热0 0 1 4 6 7 4o 7 7钢渣物理热0 0 4 3 1 1 42 2 6 炉衬烧损物理热 0 0 0 2 6 s l0 1 4 物料分解糜应热 0 1 8 7 2 4 09 8 2 炉气物理热 o 0 2 0 3 4 l1 0 7 冷却水吸热o 0 2 7 3 3 81 4 3 炉尘物理热0 0 0 0 0 水份汽化热 0 0 9 3 8 1 54 9 2 0 、0 6 2 3 3 83 f 2 7 炉曲辐射热损失 0 0 0 2 2 2 101 2 铁厘金属艳失热 0 0 0 6 1 4 8o3 2 喷溅渣熟擐失 - 0 0 7 8 4 9 4_ 4 1 0 其他及误差 合计 1 9 0 7 6 3 61 0 0 0 合计 1 9 0 7 6 3 61 0 0 0 表3 3 转炉热平衡表( 熔炼号1 2 5 4 1 ) 1 5 重庆大学工程硕士学位论文 第3 章转炉炼钢系统能量流理论 热收入热支出 项目g i t 铁水项目 g j ，t 钢水 _ 铁水物理热12 5 8 4 0 76 36 9 铡水物理热1 - 3 6 1 7 2 l6 8 9 2 铁水带渣物理热0 0 3 6 4 6 5l8 5钢渣中钢珠物理0 0 1 6 2 7 20 8 2 元素氧化放热0 6 5 3 9 9 53 31 0热0 2 6 0 2 8 91 31 7 成渣反应热0 0 2 2 5 0 51 1 4钢渣物理热0 0 5 2 3 3 026 5 炉衬烧损物理热 0 0 0 4 3 4 2o 2 2物料分解反应热0 1 8 9 3 7 9 9 5 9 炉气物理热0 0 2 2 0 2 711 l 冷却水吸热0 0 2 5 4 4 512 9 炉尘物理热o ，0 00 0 0 水份汽化热 00 7 0 4 3 535 7 炉体表面散热 0 0 4 5 4 0 92 3 0 炉口辐射热损失 0 0 0 2 2 0 30 1 1 铁及金属损失热0 0 0 5 8 2 50 2 9 喷溅渣热损失0 0 7 5 6 2 438 2 其他及误差 合计 1 9 7 5 7 1 41 0 0 o 合计 1 9 7 5 7 1 41 0 0 0 表3 , 4 转炉热平衡表( 熔炼号1 2 5 4 2 ) o 热收入热支出 项目g j t 铁水 项目g j ，t 钢水 铁水物理热 12 7 7 1 0 66 43 2 钢水物理热1 3 5 8 9 8 16 8 4 5 0 o l1 6 3 30 5 9钢渣中钢珠物理0 0 1 5 6 4 007 9 元素氧化放热热 0 6 7 4 2 7 73 39 6热0 2 0 1 9 5 91 0 1 7 成渣反应热0 0 1 3 7 9 00 6 9钢渣物理热0 0 3 2 1 2 l1 6 2 炉衬烧损物理热0 0 0 娜0 4 4物料分解反应热0 2 0 2 1 7 31 0 1 8 炉气物理热0 0 2 2 5 2 2i1 3 冷却水吸热 0 0 2 7 2 5 7l3 7 炉尘物理热0 0 00 0 0 水份汽化热0 0 8 6 7 0 l4 3 7 炉体表面散热 0 0 5 5 7 1 42 8 l 炉口辐射热损失 0 0 0 1 6 3 40 0 8 铁及金属损失热 0 0 0 4 3 7 40 2 2 喷溅渣热损失0 0 2 3 6 3 5 1 1 8 其他及误差 合计 1 9 8 5 4 5 l1 0 0 o合计1 9 8 5 4 5 l1 0 0 0 表3 5 转炉热平衡表( 熔炼号1 2 5 4 3 ) 1 6 重庆大学工程硕上学位论文第3 章转炉炼钢系统能量流理论 热收入热支出 项目g j t 铁水 项目 g j ，t 钢水 铢水铆孽棼 12 5 9 5 1 86 4 0 0 铡水韧理热 l3 4 3 3 2 96 8 2 6 铁水带渣物理热 0 0 0 6 5 9 20 3 3钢渣中钢珠物理0 0 1 1 2 8 305 7 元素氧化放热 0 6 8 3 7 9 13 47 4 热0 1 9 2 2 2 697 7 成渣反应热 0 0 1 5 7 1 5o 8 0钢渣物理熟0 0 5 4 7 7 427 8 炉衬烧损物理热 0 0 0 2 4 2 60 1 2 物料分解反应热 0 2 0 2 3 1 01 0 2 8 炉气物理热oo ，1 9 8 2 915 2 冷却水吸热 0 0 2 9 1 2 7l4 8 炉尘物理热 0 0 00 0 0 水份汽化热 0 0 7 4 1 1 137 7 炉体表面散热o 0 4 8 7 9 12 4 8 炉口辐射热损失 0 0 0 2 3 6 90 1 2 铁及金属损失热 0 0 0 6 2 3 20 - 3 2 喷溅渣热损失 0 0 2 6 3 4 213 3 其他及误差 合计 1 9 6 8 0 4 21 0 0 0 合计 1 9 ( ；8 0 4 21 0 0 0 表3 6 转炉热平衡表( 熔炼号1 2 5 4 5 ) 为了反映转炉炼钢热能利用程度，冶金部在1 9 8 3 年6 月制定了氧 气顶吹转炉热平衡测定与计算方法暂行规定，炉子( 转炉) 热效率按下 式计算： 热效率= 韭咝糊+ 鬻2 留鞴“9 4 8 x - v t ”7 0 式( 3 4 ) 由上式得上述六炉热效率最高为2 3 6 1 ，最低的为7 9 6 。与武钢 ( 2 9 ，5 1 ) 和首钢( 3 1 7 8 ) 比较有较大的差距( 表3 7 ) 。 熔炼号或厂家名 1 2 4 7 91 2 4 8 01 2 h 】1 2 5 4 21 2 望31 2 5 4 5 武钢首钢 热效率 1 09 379 62 36 12 l 01 6 0 99 5 62 吼53 l7 8 占铁水物理热 4 1 6 35 16 86 48 46 3 6 96 43 26 40 。5 65 i6 1 9 钢水物理热 4 98 9s t7 87 0 髓6 8 9 26 & 4 56 9 2 66 54 97 30 1 钢渣物理热 2 56 82 6 3 69 6 61 3 1 7l o l 79 7 7i o3 71 d2 3 炉子散热损失 89 479 48 1 9 58 77 1 86 上5 17 317 1 表37 与武钢、首钢热效率的对比 其主要原因主要有：钢渣渣量大、治炼周期长和金属铁吹损严重。 1 7 重庆大学工程硕士学位论文第3 章转炉炼钢系统能量流理论 冶金部的热效率公式有以下特点： ( 1 ) 在收入和支出项中都扣除铁水的物理热，所反映的4 i 是炼钢的 全能耗指标； ( 2 ) 支出项中的物料分解热是肯定要消耗的，但不是该炼钢工序的 目的，并且其随原料条件和工艺制度的变化而变化。炼钢工序的有效输出 应只有钢水； ( 3 ) 未考虑能量回收技术的应用对实际能量利用水平的重要影响， 已回收的能量可抵扣收入项，以反应本工序的实际能量利用水平。 从热平衡表可以看出，热量收入主要是铁水韵物理热和铁水中元素 氧化放出的化学热，几乎占热量总收入的9 5 以上。两种热量份额相当。 元素氧化放热中c 、s i 、p 都是重要的发热元素，其中碳占有主要地位。 如大幅度提高铁水含硅量或采用中高磷铁水吹炼时。硅和磷的氧化放热量 占氧化总放热量的比例将有明显提高。在通常氧气转炉吹炼条件下，除满 足终点钢水热量的需要外，浅有富余热量，因此必须加冷却剂，以控制吹 炼过程及终点钢水温度。铁水条件决定着相应的工艺制度，对转炉的热效 率影响较大，通常不同的地区，因当地的铁水条件差异，转炉的热效率差 别较大，通常范围为2 0 - 6 5 。 3 3 2 热能系统的能量流模型与能量利用率 氧气转炉的热能流向圈如围五，转炉炼钢系统的熔池( 热能) 系统 与机械加工系统的个较大的区别是：本系统是单环节系统。能量传输过 程是单环节多口( 即：多路输入和输出) 并行过程。 本文根据提啦了如式( 3 5 ) 式的能量利用率的根念。 u = ( 1 c 1 ( q , - q ，)式( 3 5 ) 式中u 转炉炼钢工序的能量利用率； q ：钢水物理热； q i ：转炉炼钢工序实收的热量( 主要是铁水物理热q 。和铁水中元素 氧化放热q 。可不计其它的热量收入) ； q ：转炉炼钢工序采用了能量回收技术丽实际回收的能量( 回收的 转炉煤气应折为燃烧热能) 。 1 8 重庆大学工程硕士学位论文第3 章转炉炼钢系统能量流理沧 式( 3 5 ) 中各项计算如下： ( 1 ) 铁水物理热q i l ( k c e l ) 1 ) 铁水熔点t f e ( ) t f , = 1 5 3 6 一( t o o f l + 5 毛+ 8 f 卜3 0 + 2 5 ) - 7式( 3 6 ) 1 5 式中：f l 、一铁水状态向量f 的分量； 1 0 0 、5 、8 、3 0 、2 5 - - 铁水中c 、m n 、s i 、p 、s 元素增加1 含量 降低铁水熔点值( ) ： 7 - - 铁水中氧、氢、氮共同降低铁水熔点值( ) ： 1 5 3 6 一纯铁熔点( ) 。 设有向量a a = 1 0 0 ，5 ，8 ，3 0 ，2 5 ，0 ，0 ) 则t r o = 1 5 3 6 - a f - 7 2 ) q i ，- - f j nf e ( t r t o 卜b f e ( - t 0 + 嘲 式中：f l w 一入炉铁水的重量( k g ) ，是铁水状态向量的分量； 式( 3 7 ) 式( 3 8 ) 式( 3 9 ) o 时一固态生铁平均比热( k e a l k g ) ，与生铁成份有关： b f 一液态生铁的平均比热( k e a l k g ) ，与生铁成份有关； t 。一室温( ) i q 。每千克生铁的熔化潜热( k t 箍m k g ) 与生铁成份有关。 显然，q ，是铁水状态向量f 的函数。 ( 2 ) 铁水中各元素的氧化放热( ) f 坷 1 ) 氧化反应的热效应( 2 5 大气环境温度) 氧化反应 k c a l k g 元素 被氧化的元素 c - c 02 6 1 6 9c c - - c 9 2 5 0 7c s i 一 s i 0 2 6 7 6 7 2s i 卜 p j q 4 5 笼6p m n - m n o1 6 7 7 9m n f e 的吹损 1 3 0 0f e 表3 8 氧化反应的热效应 2 ) 铁水中各元素的氧化量( k g ) 1 9 重庆大学：脚颦硕： 二学位论文第3 章转炉炼钢系统能量流理论 cm n s ips 入炉铁水中含量bl 终点钢水中含量s ls 2 s 3s 5 氧化量f 1 一s l一s 2 f s - s 3一s 4s 5 表39 铁水中各元素的氧化量 3 ) 铁水中元素反应热q 。 氧化反应 放热表达式( k c m ) c 一 c o ( f l - s 1 ) a x 2 6 1 6 9 c - - ( 2 0 2 ( f i s i ) x ( 1 - a ) 8 2 5 0 7 m n - m n o 乇( 分s 2 ) 1 6 7 7 9 s i - s i 0 2 ( 母s 3 ) 6 7 6 72 p - p 2 0 5 ( s 4 ) x 4 5 2 2 6 f e 的吹损k 1 3 0 0 表中a 为氧成一氧化碳的部分炭元素，k 为铁水的吹损率( ) 。 表31 0 铁水中元素反应热i 5 1 设有向量b b = 8 2 5 07 - ( 8 2 5 0 7 - 2 6 1 69 ) a 1 6 7 7 9 ，6 7 6 7 2 , 4 5 2 2 6 ，0 ，0 ，o 式( 3 1 0 ) 则元素的反应热总计为： q n 2 f w ( f s ) b ( 3 ) 钢水的物理热q c 。( k c a l ) 1 ) 钢水的重量“瞻) 0 1 s 。气1 - k ) f w 2 ) 钢水的熔点t ) t s = 1 5 3 6 - ( 6 5 s l + 5 s 2 + 3 0 s 4 + 2 5 s 5 ) - 7 式中：6 5 、5 、3 0 、2 5 分别表示钢中元素c 、m n 、p 、s 增加 水的熔点降低值( ) ： 7 - - - 钢水中的氧、氢、氮对钢水熔点的降低值( ) ； 1 5 3 6 一纯铁的熔点( ) 。 式( 3 1 1 ) 式( 3 1 2 ) 式f 3 1 3 ) t 5 】 1 时，钢 重庆大学j ：程硕士学位论文 第3 章转炉炼钢系统能量流理论 设有向镀c c 一 6 5 ，5 ，o ，3 0 ，2 5 ，0 ，0 )式f 3 1 4 ) 则t 。2 1 5 3 6 一s c 一7 式f 3l5 1 4 ) 钢水的物理热q 。 q c l = s 。 o 。( t ，t o ) + 1 3s ( s 。- t 。) + q s 】式( 3 1 6 ) 5 j 式中：n 。一固态钢的平均比热( k c a l 瓜g ) ，与钢的成份有关； b 。液态或气态的钢韵平均比热( k c a l l ( g ) ，与钢的成份有关： q 。每千克钢的熔化潜热( k c a l k g ) ，与钢的成份有关； s w - - - 出炉钢的重量( 蚝) 。 ( 4 ) 余能回收q ( 折算为k e a l ) 本项与现场实际有关，应根据实际结果确定。 3 4 转炉炼钢辅助系统的能量流模型 3 4 1 转炉炼钢辅助系统的分类 转炉炼钢的辅助系统五花) l f 3 ，但就其使用目的分为以下两大类： ( 1 ) 工艺系统 这类系统是为了实现转炉的工艺制度如氧枪( 副枪) 的升降系统、 活动烟罩的升降系统、装料系统、转炉倾动系统等。 ( 2 ) 维持系统 这类系统是为了保证转炉能够连续有效的工作。如各种冷却水系统、 烟尘收集系统等。 ( 3 ) 能量回收系统 如转炉煤气回收系统。 3 4 2 转炉炼钢辅助系统的能流图 转炉炼钢辅助系统的工作都和工艺制度有关，其系统构成从能量传 输的角度来看并无本质区别，所存在的差异仅是具体的结构形式的不同。 因此，可以从这些具体形式中抽象出一般的机械传动系统，对抽象出的 般系统分析研究和建立模型，使我们的结论更加具有般性。 2 重庆大学工程硕士学位论文第3 章转炉炼钢系统能量流理论 图3 4 一般意义上的转炉炼钢辅助系统 转炉炼钢辅助系统的能流图可用图3 5 表示。 e i 虽e re l 图3 5 转炉炼钢辅助系统的能流图 图中的e 表示输入转炉炼钢辅助系统的总能量，一般都是电能。e 。 表示系统的广义储能，是系统贮存能量和释量的代数和：e 。表示系统所 损耗的能量；e c 表示系统用于真正目的所输出的能量，该能量的多少是 依赖于转炉炼钢工艺制度的。 对于某一时刻，转炉炼钢辅助系统的瞬态能流图如图3 6 所示： p i辅助系统r + p c 上上 a f - 4 d tp 。 图3 6 转炉炼钢辅助系统瞬态能流图 图3 6 中的p ，表示输入系统的总功率，p = d l v d t , p c 表示系统的有效 功率，p c = d e c d t ；d e j d t 表示系统的广义贮能的变化，p l 表示系统损耗的 总功率，p l = d z d d t 。 转炉炼钢辅助系统与机械加工系统的结构与能量传输原理是一致 的，两者一般意义上的模型都如图3 4 所示。 根据机械加工系统的损耗功率的组成，可得到转炉炼钢辅助系统的 下述公式： 重庆人学工稃硕士学位论文第3 章转炉炼钢系统能壤流坪论 p i = p 。+ p a + p 。式( 51 ) 式中： p u p c = o 时，郎系统处于空载运行状态，此时系统的输入功率一空 载功率。此功率是维持系统空运转所需的功率，是一种与载荷无关的功率。 p 。：当p 。o 时，即系统处于负载状态时，系统的功率损耗将在空载 功率的基础上因负载而增加的部分，称为系统载荷损耗。 p 。：转炉炼钢工艺所需的转炉炼钢辅助系统的有效输出“p c ”与转炉 炼钢辅助系统的实际输出“p ”是有差异的，这种差异主要是来自辅助系 统不能真正的跟随炼钢工艺的变化而造成的工作制式损失功率， p 。= p 。+ p i ，p 。为转炉炼钢辅助系统能量制式损耗。 因此，对于转炉炼钢辅助系统，下式成立： p i 。p u + p a + p c + p 啊 式( 5 - 2 ) 3 4 3 转炉炼钢辅助系统的能量流模型 机械加工系统的能量模型已有人作了大量深入细致的工作，并有了 不少对实际具有指导意义的研究成果。本文引进了制式能耗的概念，利用 已有的机械加工系统的能量流模型结论，得到了转炉炼钢辅助系统的能量 流模型。 转炉炼钢辅助系统各传动环节( 一个传动环节的重要特征是其中的 传动件的角速度是相同的) 的损耗功率可分为两个部分【2 】： ( 1 ) 、第i 环节的库仑摩擦损耗功率( 民) ，其与角速度成正比， 并可分为与传动环节的载荷功率( 即输出功率) 有关且近似成正比的载荷 损耗功率( l ；) 和与载荷无关的非载荷库仑摩擦损耗功率( p 。) ； ( 2 ) 、第i 环节的粘性摩擦损耗功率( 民) ，其与角速度的平方成 正比。 非载荷库仑摩擦损耗功率和粘性摩擦损耗功率之和统称为非载荷损 耗功率( p 。，i 表示第i 环节) 。 因为p 。( 表示第i 环节的有效输出功率) 和p 。( 表示第i 环节的制 式损失功率) 对环节的输入功率和损耗功率的影响是相同的，令p , i = p 。、+ p 。； 为第i 环节的实肯输m 功率，即匕叩，p 为第i 环节的输入功率。则f 述 重庆大学工程磁士学位论文第3 章转炉炼镪系绕越量浚理论 公式成立： p 6 = p 。+ 1 ) 赫。 p 耐= p 秭+ p 瓤 p 1 2 m “” p k 书i 霹 p , i = b v o 。 要= 气毪， 峨+ 捷0 臻 = p 。十p 协，+ p “+ p 。，d e k - ，1 i t 繁i 环节瓣能量传辕数学模型失 p