LF钢包精炼炉烟气参数的理论分析与计算.doc

香雪制药 胆囊炎 小儿化食口服液 清肝利胆口服液 盆腔炎 麦粒肿 新生儿黄疸 广州市根竹药业有限公司 34 钢 铁 技 术 2005 年第 6 期 LF 钢包精炼炉烟气参数的理论分析与计算 马世立 (中冶赛迪公司热力通风设计室, 重庆 400013) 摘 要对 LF 钢包精炼炉炉气量、炉盖烟气量、炉盖烟气温度等参数结合冶炼工艺及炉盖结构进行了理论分析，总结出确定以上参数的计算公式，以此可指导LF炉的工艺设计、炉盖设备设计以及除尘系统的设计与实践。 关键词LF炉 烟气除尘 2 前言 目前国内外对 LF 炉钢包精炼炉的炉气量、烟气量和烟气温度等参数的确定基本上是靠估计和参考类似工程的实践，带有很大的盲目性和不确定性。而且设计者不可能有全部各种吨位的 LF 炉的设计和工程实践经验，在工程实践中的成功与失败也未能或没有条件进行系统的分析和总结。 LF 炉的炉气量、烟气量、烟气温度本应指导炉盖的结构设计，现炉盖结构的设计基本上没有考虑与烟气量和烟气温度的关系。其后果就是除尘系统运行烟气温度与估计温度差别很大，甚至是成倍的差距，给除尘系统的正常运行造成很大影响，影响除尘系统的除尘效果和投资。有时 LF 炉炉内气氛保证了，但环保效果很难保证，甚至保证不了；或者保证了环保效果，但 LF 炉炉内工艺气氛不能保证，影响精炼处理效果。 本文就 LF 炉炉气量、炉盖烟气量、炉盖烟气温度等参数结合冶炼工艺及炉盖结构进行理论分析，总结出确定以上参数的计算公式。以此指导 LF炉炉工艺设计、炉盖设备设计以及除尘系统的设计与实践。 3 LF 炉炉气量的确定 LF 炉冶炼时由炉盖处插入电极进行升温冶炼，同时对钢包内的钢水进行搅拌。 底部吹气搅拌和电磁搅拌是 LF 炉精炼采用最多的两种搅拌方法，对于电磁搅拌方法 LF 炉无原始炉气量。 吹气搅拌普遍采用钢包底部通过透气砖向钢液吹氩气，吹氩搅拌可以使钢液的成份和温度均匀， 加速反应物和反应产物的传输， 控制冶金反应，同时促进钢中杂质的聚集和上浮。 吹入钢包中的 Ar 在钢液中温度迅速升高并上浮，由于出钢液面处与吹入的 Ar 标况量相等，LF炉原始炉气量就是吹入钢包中的 Ar 标况量，工况下的量由下式确定： + =010 1t 273t 273L L （1） 式中，L1 为钢液面处的炉气量(m3/h)； L0 为吹入钢包中的 Ar 气量(m3/h)；t1 为钢液面处的烟气温度（），可采用钢液的温度；t0 为吹入钢包的 Ar温度()。 实际上吹入钢包的氩气量是非常少的，如某150 t 钢包吹氩量仅为 24 Nm3/h。因此，LF 炉在吹气搅拌时产生的原始炉气量非常小。 3 LF 炉能量平衡 3.1 LF 炉的能量守恒 吹氩搅拌时钢包内的钢水被 Ar 带动上流到钢液面后向四周流动，沿包壁附近向下流动而形成环流。此时氩气将带走一部分热量，同时钢液的强烈搅动，增加了液面的热辐射，钢液会加速降温。因2005 年第 6 期 钢 铁 技 术 35 此 LF 炉必须设置加热装置，目前主要采用的是电弧加热， 电弧加热的升温速率一般为 2/min4.6/min。 从开始加热的时刻c 到加热结束的时刻m 这加热周期内，能量遵守以下守恒。 = + = n1 jc m2c m jc m W) ( R I 3 ) ( QU U d PMC （2） 式中,PW 为电网输入钢包炉的有效功率(kW)；Um-Uc 为加热期始末体系内能的变化，包括钢液、合金、渣、炉衬等的温升蓄热(kW)；Qj 为单位时间内冷却水、烟气带走的热量和炉体表面的散热损失等(kW)；I 为加热期平均工作电流(A)；R 为钢包炉供电回路一相的电阻()。 3.2 LF 炉钢液的得热量 LF 炉钢液的得热量按式(2)计算时比较复杂，在工程计算时可按以下公式确定。 LF 炉所配变压器的额定单位容量一般为 120 kVA/t，热效率一般为 3045，LF 炉加热时钢液得到的热量可由式(3)估算或(4)计算确定， V 120 QD = (3) 式中，QD 为钢液得到的热量(kW)；120 为常数(kVA/t)；为电弧加热的热效率，一般为 3045； V 为LF 炉容量(t)。 V ) W % A W % S t C ( Q A S m D + + = (4) 式中, QD 为钢液得到的热量(kW)；Cm 为每吨钢液升温 1所需要的热量(kW/(t.)； t 为钢液的温升，一般为 3050；S 渣量，造渣材料量与钢液总量的百分比；WS 为熔化 10 kg 渣料所需的热量，一般为 5.8 kW/(1.t)；A合金进入量占钢液总量的百分比；WA 为熔化 10 kg 合金所需的热量，一般为 7 kW/(1.t)；V 为 LF 炉容量(t)。 3.3 LF 炉的失热量 LF 炉的失热量包括钢液、渣、合金、炉体等的温升蓄热，炉盖冷却水(主要是钢液的热辐射)、烟气（烟尘）带走的热量、氩气带走的热量以及炉体的散热。 3.3.1 钢液、渣、合金、炉体等的温升蓄热 钢液的温升蓄热由下式计算确定： ) T T ( c m Q 1 g 2 g g g 1 S = （5） 式中,QS1 为钢液在加热时的吸热量(kW)；mg 为钢液的质量 (kg) ； Cg 为钢液的质量比热(kJ/(kg.K)；Tg1 为钢液的初始温度(K)；Tg2 为钢液的终点温度(K)。 炉渣的温升蓄热 QS2、合金的蓄热 QS3、炉体耐火材料的蓄热 QS4等均可参照式(5)计算确定。其中耐火材料可根据不同部位所用的不同耐火材料分别计算确定。 3.3.2 炉体的散热损失 钢包炉精炼时钢液温度一般在 1750以上， 炉体表面温度在 200左右，由炉体表面向工作场所散失热量。由于受炉衬的蚀损影响，随着 LF 炉炉疫的增加散热量会增大，炉衬的蚀损一般为 0.4 mm/h0.6 mm/h。 炉体散热损失由下式确定： F ) T T ( )100T( )100T( k Q 0 b d4 0 4 bLT + = （6） 式中,QLT为炉体的散热量(kW)；k 为系数，k4.88； 为炉体表面黑度；Tb 为炉体外表面温度()，一般为 200；T0 为车间环境温度()，通常可取 25；d 为 炉体外表面与车间环境的对流换热系数， (kW/(m2.h.)； F 为炉体外表面积(m2)。 当车间内无横向气流流动时，d 可按下式计算： 25 . 00 b d ) T T ( A = (7） 式中,A 为系数，散热面向上时，A2.8；垂直时，A2.2；向下时，A1.5。 当车间内有横向气流流动时，d按以下公式计算： 若车间内风速 VF5 m/s， F d V 6 . 3 3 . 5 + = （8） 若车间内风速 VF5 m/s， 73 . 0F d V 47 . 6 = （9） 3.3.3 冷却水带走的热量 LF 炉炉盖冷却水系统采用水冷排管， 可能有多条回路，特别是进出水温差也可能不同，计算冷却36 钢 铁 技 术 2005 年第 6 期 水带走的热量时应分别计算各回路，计算公式如下。 iR C W i W ) T T ( C G Q = （10） 式中，QW 为冷却水带走的热量(kW)；Gi 为第 i条冷却水回路中冷却水的流量(kg/h)；CW 为水的比热(kJ/(kg.K)；(TC-TR)为第 i 条冷却水回路的进出水温差(K)。 3.3.4 烟气(烟尘)带走的热量 由公式(1)可得到 LF 炉的原始炉气量，由于原始炉气量很小，其工况烟气量也很小。但事实上由于炉盖与炉体的缝隙以及电极与炉盖缝隙的存在，在不考虑除尘风机的影响时在热压力的影响下将诱导卷吸大量冷空气进入炉盖冷却通道(也是烟气通道)内，这样将大大增加 LF 炉的烟气量。 Ar 带走的热量 Ar 在钢液中吸入的热量由下式表示： Q1L1C1(t1t2) （11） 式中,Q1为 Ar 在钢液中吸收的热量(kW)；L1为吹入钢液中的 Ar 量(kg/s)，Ar 的密度为 1.785 kg/m3； C1 为 Ar 的质量比热(kJ/(kg.K)，可取常数0.5234；t1 为 Ar 的初始温度(K)；t2 为钢液的温度(K)。 需要说明的是 Ar 带走的热量也将进入炉盖烟气通道。由于 Ar 量很小，为设计安全起见，Ar 带走的热量可忽略不计。 烟气带走的热量 由于电极加热产生的强烈电弧和底吹氩的影响，钢液液滴的飞溅氧化等，LF 炉炉将产生大量烟尘；又由于钢包及钢液为高温源，必然会诱导大量冷空气进入钢包炉上部并与炉子产生的烟气和烟尘混合从而加大烟气量。烟气（包括烟尘）的散发带走的热量在有无强制抽风时或强制抽风量不一样时是不同的。 烟气（包括烟尘）的散发带走的热量可用下式计算： QYCLY CY(t1t2) +LCCC(t1t2) （12） 式中,QYC 为烟气和烟尘带走的热量(kW)；LY 为原始烟气量(Nm3/h)；CY 为烟气的定压容积比热(kJ/( Nm3.K)，可采用以下公式近似计算结果：CY1.2950.000112t1 ； t1 为烟气或烟尘的温度(K)；t2 为热平衡时的基准温度，通常取 313K，或车间温度(K)；LC为烟尘的产生量(kg/h)；CC为烟尘的比热(kJ/(kg.K)。 实际上烟尘的产生量很难确定，而且其带走的热量在炉子总热量损失中的比例很小，在工程计算中可略而不计。 4 烟气量的计算 4.1 原始烟气量计算 为了探讨最佳抽风量或换句话说为了确定炉子产生的原始烟气量，本节不考虑强制抽风的情况。 根据热平衡，公式(3)(12)有如下关系： QD(QS1QS2QS3QS4)QLT QWQ1QYC QYCQD(QS1QS2QS3QS4) QLTQWQ1 根据公式(14)和公式(12)得到： LYCY(t1t2)QD(QS1QS2QS3QS4) QLTQWQ1 ) t t ( CQ Q Q ) Q Q Q Q ( Q L2 1 Y1 W LT 4 S 3 S 2 S 1 S DY + + + = （15） 式中，LY 为原始烟气量(Nm3/h)。 式(12)的t1可取为钢水终点平均温度。 根据公式(15)得出的结果即是 LF 炉在冶炼状态下产生的原始烟气量。 4.2 炉盖烟气量计算 本节讨论在有强制抽风时并能满足除尘系统要求温度下的烟气量，简称为炉盖烟气量。根据公式(15)得出的原始烟气量温度很高，烟气不能直接进入除尘系统，需要采用水冷、间接空冷、直接空冷或其它冷却方式，将烟气冷却到 120后才能进入除尘系统进行净化处理。根据经验采用炉盖混风方式是比较经济合理的方式。 图 1 是目前比较典型的 LF 炉炉盖示意图，图中 LF 炉内的钢液面至炉体上沿处的腔体内冶炼要求微正压，这样在保证冶炼烟气不外溢又能保证烟气温度达到除尘系统要求的前提下，可加大吸风环管的抽风量，也即增大环形吸风口 A 的面积，图中（13）（14）2005 年第 6 期 钢 铁 技 术 37 1 为LF 炉炉体与炉盖罩之间的环形混风口， 从冶炼角度讲该混风口的大小只要满足炉盖能安全下降到位即可，但从通风除尘角度看该混风口需通过计算确定。本文讲的炉盖烟气量指的是图中抽风口处的烟气量。 图 1 LF炉炉盖示意图 炉盖烟气量可由式(12)演化得出，详见下式： LLGC120t120LYCYt1(LLGLY)C40t40 (16) 由公式(16)不难推导得出： 40 40 120 12040 40 Y 1 Y YLGt C t Ct C L t C LL= (17) 式中，LLG 为炉盖烟气量（Nm3/ h），温度 1 2 0；LY 为原始烟气量（Nm3/h），温度可取为 1650；CY、C120、C40 为分别为 1650、120和 40时烟气的定压容积比热 （kJ/( Nm3.)） ， 可根据式 C1.2950.000112t计算得出，分别为 1.4798、1.3084 和1.2995。t1、t120、t40 为分别为原始烟气、炉盖烟气和车间环境温度，其数值可分别按 1650、120和 40取值。 通过以上数值简单计算后得到： LLG22.75LY （18） 5 炉盖结构部分参数的设想 1)环形混风口 1 处的进风速度宜小于 25 m/s； 2)吸风口 A 处的速度宜在 15 m/s25 m/s 之间； 3)吸风环管内的风速宜在 20 m/s25 m/s 之间； 4)为保证冶炼微正压，并同时满足烟气温度小于 130的要求，抽风口处上下吸风管道的面积比为 3.5:6.5，同时应设置现场调节装置； 5)h1 根据炉容可在 100 mm250 mm 之间；h2可为500 mm800 mm。 值得注意的是在计算时要把标况风量换算为工况风量。 参考文献 1 张 鉴主编.炉外精炼的理论与实践M北京：冶金 工业出版社,1993 2 王诚训,栾永杰,李洪申编著.炉外