攀钢铁水预脱硫喷吹系统管径改造合理性论证

攀钢铁水预脱硫喷吹系统管径改造合理性论证由于攀钢、部铁水预脱硫所使用脱硫剂发生变化，但喷吹管径和喷吹参数保持不变，导致喷吹脱硫过程存在诸多不足，主要表现在以下几个方面：（1）脱硫枪位较高客户机吗，根据实测脱硫枪位在1.62.3m之间，与外厂距罐底0.3m的枪位相比，明显较高，具体表现在脱硫喷溅较大；（2）脱硫处理时间长，目前、部脱硫平均处理时间在22min左右，造成脱硫铁损及温度损失较大。为了减少粉剂单耗、缩短处理时间和降低铁水温降，在脱硫剂配方确定的基础上须对喷粉脱硫工艺进行优化。为此，经过详细分析以及借鉴一些相关实践经验，攀钢提出喷吹管径改造方案：喷吹管径和喷枪内径从32mm减小到25mm，下枪深度从1.2-1.5m增加到2m（铁水液面下），详细参数变化见表1。攀钢、部脱硫喷吹系统现行喷吹参数和改造方案中的参数对比见表1。表1 攀钢、部脱硫喷吹系统现行喷吹参数和改造方案的参数对比喷吹参数喷吹管径及喷枪内径喷吹速度粉气比下枪深度/铁水液面下助吹压力喷吹粉料罐压力现行喷吹参数32mm4060kg/min20kg/ Nm31.21.5m0.3 MPa0.5 MPa管径改造方案的喷吹参数25mm4060kg/min20kg/ Nm32m0.3 MPa0.5 MPa攀钢在管径改造方案的基础上采用管道阻损经验公式对系统管道压力损失进行了计算，得到系统总压力损失0.33-0.38Mpa，为了进一步验证改造方案中喷吹参数的合理性，即系统输送压力是否满足喷吹要求，为攀钢管径改造提供更多依据，重大脱硫课题组采用管道阻损理论计算公式（即barth压力损失理论）对使用改造方案的喷吹参数时的系统压力损失进行了计算分析。1 系统压力损失计算 为保证系统输送压力能满足输送要求，即输送压力大于系统各项压力损失，可以将脱硫剂顺利喷入钢液，系统输送压力应至少大于整个系统的各项阻力损失的总和，即管道的阻力损失，熔池静压力、大气压力和料罐出口压力损失之和。计算系统压力损失选取部脱硫工位条件为基础：喷吹管径及喷枪内径25mm，下枪深度铁水液面下2m，喷吹速度50 kg/min，粉气比18 kg/ Nm3，粉气质量比14.4，管道长度30m，管道弯头4个。喷吹管道结构示意图如图1、2所示。大约8米11米3米此处是这样一段直径0.5米的圆弧，不是直角连接此处是这样一段直径0.5米的圆弧，不是直角连接弯头1弯头2图1 喷吹管道主视图3米大约8米2.5米1米5.5米这两处都是平滑连接弯头3、4图2 喷吹管道俯视图计算系统压力损失如下：1）熔池静压力：按喷枪插入深度2m计算P熔池静压力=7000*9.8*2=1.372*105Pa=0.1372 MPa。2）大气压力取0.1MPa。3）料罐出口压力损失为0.05Mpa。4）管道阻损包括管道摩擦阻损和管道局部阻损。管道摩擦阻损计算：管道摩擦阻损根据barth附加压力损失理论，分为气体流动压力损失和脱硫剂流动附加压力损失两部分。通过查阅大量文献发现，Barth附加压力损失理论被广泛应用于计算煤粉管道输送，高炉喷煤的管道阻损，且有很多应用于实际的例子。计算公式如下：（1）（1）式中，为固气质量比，L为管道长度，D为管道直径，为气体摩擦阻力系数，为粉剂摩擦阻力系数。为粉气流速。根据周建刚1等人对煤粉气力输送管道压力损失的研究，在固气比40-200kg/kg，管道直径25mm时，水平管的煤粉摩擦阻力系数和弗鲁得准数的关系式为=0.23Fr-0.072，垂直管的煤粉摩擦阻力系数和弗鲁得准数的关系式为：=0.25Fr-0.082。根据经验公式计算=0.0032+0.2208/Re0.237=0.037；=0.23Fr-0.072=0.016；由已知条件计算得：=18/1.25=14.4；L取30m；D=25mm。将上述已知条件带入（1）式计算得管道摩擦阻损为：管道局部阻损计算：主要是管道弯头阻损。从图1和图2中可以看到喷吹管道有4个弯头。为了方便计算，对4个弯头进行编号1、2、3、4。弯头阻损采取经验公式进行计算，其中，Kb：弯道阻力系数；m：固气质量比；：纯气体流动时弯道的阻力系数；U：粉气流速；：气体密度。弯头1阻损： =(1+0.7*14.4)*0.23*1.25*13.6*13.6/2=0.0002Mpa弯头2阻损：=(1+1.5*14.4)*0.23*1.25*13.6*13.6/2=0.0004Mpa弯头3和4阻损：=(1+1*14.4)*0.27*1.25*13.6*13.6/2=0.0004Mpa总的管道局部阻损0.0004*2+0.0002+0.0004=0.0014Mpa因此，采用改造方案的喷吹参数时的系统各项压力损失之和为 然后根据质量守恒方程计算喷枪出口速度，喷枪出口为3孔倒Y型，喷枪内径d1等于25mm，每孔内径d2等于12mm，因此，列质量守恒方程：，其中，V1为喷枪出口速度。将内径和速度值带入质量守恒方程得：粉气流喷枪出口速度为19.7m/s。由于计算所得系统各项阻损和喷枪出口动能之和小于系统总压力。因此，根据能量守恒对粉气速度进行修正，步骤如下：步骤1：根据能量守恒计算粉气速度，假设管道内粉气匀速流动。 计算得到喷吹管道中粉气速度v=37.8m/s。 步骤2：将带入管道阻损计算方程中，得管道阻损 然后根据质量守恒方程可以计算喷枪出口速度，喷枪出口为3孔倒Y型，每孔内径12mm，喷枪内径25mm，因此，列质量守恒方程：，将内径和速度值带入质量守恒方程得：喷枪出口速度可达到53m/s。所以系统压力损失为喷枪出口速度53m/s。采用改造喷吹参数时计算所得系统各项阻损及喷吹速度见表2。表2系统各项阻损及喷枪出口速度管道阻损其他阻损喷枪出口速度喷枪出口动能系统总压力0.3 Mpa0.2868Mpa53m/s0.21Mpa0.8Mpa从表2中可以看出，采用改造后的喷吹参数即粉气比18kg/Nm3，喷吹速度50kg/min，管道直径和喷枪内径25mm，下枪深度铁水液面下2m，计算得系统压力损失为0.59Mpa，喷枪出口速度为53m/s，相比现行喷枪出口速度44m/s（攀钢研究院提供数据）有所增加。综合分析，系统总输送压力可以满足喷吹要求。2 粉气比对系统压力损失和喷枪出口速度的影响分析从计算系统压力损失的公式中可以看出，粉气比和喷吹速度的变化直接影响管道阻力损失，进而影响系统压力损失和粉气流喷枪出口速度。在管径和喷枪内径为25mm，喷吹速度50kg/min不变的情况下，计算粉气比在4060 kg/ m3范围内变化时的系统压力损失和喷枪出口速度。计算结果见表3。表3 不同粉气比对应的系统压力损失和喷枪出口速度粉气比kg/m3管道阻损其他阻损喷枪出口速度系统压力损失180.3 Mpa0.2868Mpa53m/s0.59Mpa400.38Mpa0.2868Mpa41.8m/s0.67Mpa500.4 Mpa0.2868Mpa38.6 m/s0.69Mpa600.41Mpa0.2868Mpa36 m/s0.7Mpa从表3中可以看出，随着粉气比增大，管道阻损增加，随之系统总压力损失增加，由于阻损增大，喷枪出口处动能减小，导致粉气流在喷枪出口的速度降低。3 可能造成喷枪堵塞情况原因分析1.粉剂颗粒过大，或者外来夹杂物引起堵塞。应注意粉气的筛选和采用封闭系统。攀钢使用脱硫剂性质较稳定，且经过长时间实践验证，此原因可以排除。2.喷枪出口粉气流出口动能不足以抵抗熔池静压力和熔池刚说的冲压，导致钢水回流。通过计算得知熔池静压力在0.07-0.14Mpa之间，而喷枪出口处系统压力为0.5Mpa左右，因此可以排除此原因造成喷枪堵塞。4 结论4.1通过barth附加压力损失理论对预计改造方案的喷吹参数进行了喷吹系统压力损失模拟计算。计算结果表明：在粉气比18kg/m3、喷吹速度50kg/min、管径25mm、管长30m、下枪深度2m的条件下，系统各项压力损失之和0.59Mpa，喷枪出口速度53m/s。而系统总输送压力0.8Mpa，大于系统各项压力损失之和；喷枪出口速度相比现行喷枪出口速度44m/s增大9m/s。综合分析，表明系统输送压力可以满足喷枪增加插入深度后的输送要求。4.2根据计算可以得知随着粉气比的增加，导致管道阻损增大，系统总的压力损失增加，进而喷枪出口速度减小。当粉气比在18-60kg/ m3范围内变化时，喷枪