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LF钢包精炼炉烟气参数的理论分析与计算
·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。
3LF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:
⋅
+
+
×=
0
1
01
t273
t273
LL
(1)
式中,L1为钢液面处的炉气量(m
3
/h);L0为吹
入钢包中的Ar气量(m
3
/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
150t钢包吹氩量仅为24Nm
3
/h。
因此,LF炉在吹
气搅拌时产生的原始炉气量非常小。
3LF炉能量平衡
3.1LF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℃/min~4.6
℃/min。
从开始加热的时刻τc到加热结束的时刻τm这加
热周期内,能量遵守以下守恒。
∑
∫
=
τ
τ
τ−τ+τ−τ
−=τ
n
1j
cm
2
cmj
cmW
)(RI3)(Q
UUdP
M
C
+
(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(Ω)。
3.2LF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η一般为30%~45%,LF炉加热时
钢液得到的热量可由式(3)估算或(4)计算确定,
V120QDη=(3)
式中,QD为钢液得到的热量(kW);120为常数
(kVA/t);η为电弧加热的热效率,一般为30%~45
%;
V为LF炉容量(t)。
V)W%AW%StC(QASmD++∆=(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30℃~50℃;S%=渣量,造渣
材料量与钢液总量的百分比;WS为熔化10kg渣料
所需的热量,一般为5.8kW/(1%.t);A%=合金
进入量占钢液总量的百分比;WA为熔化10kg合金
所需的热量,一般为7kW/(1%.t);V为LF炉容
量(t)。
3.3LF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:
)TT(cmQ1g2ggg1S−=(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/h~0.6mm/h。
炉体散热损失由下式确定:
F)TT()
100
T
()
100
T
(kQ0bd
404b
LT
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
−α+⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−ε=(6)
式中,QLT为炉体的散热量(kW);k为系数,k=
4.88;ε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℃;αd为炉体外表面与车间环境的对流
换热系数,(kW/(m
2
.h.℃));F为炉体外表面积(m
2
)。
当车间内无横向气流流动时,αd可按下式计
算:
25.0
0bd)TT(A−=α(7)
式中,A为系数,散热面向上时,A=2.8;垂
直时,A=2.2;向下时,A=1.5。
当车间内有横向气流流动时,αd按以下公式计
算:
若车间内风速
VF<5m/s,FdV6.33.5+=α(8)
若车间内风速
VF>5m/s,73.0
FdV47.6=α(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。
i
RCWiW)TT(CGQ∑−⋅⋅=(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。
3.3.4.1Ar带走的热量
Ar在钢液中吸入的热量由下式表示:
Q1=L1·C1·(t1-t2)(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/m
3
;
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。
3.3.4.2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:
QYC=LY·CY·(t1-t2)+LC·CC·(t1-t2)(12)
式中,QYC为烟气和烟尘带走的热量(kW);LY为
原始烟气量(Nm
3
/h);CY为烟气的定压容积比热
(kJ/(Nm
3
.K)),可采用以下公式近似计算结果:
CY
=1.295+0.000112t1;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=(QS1+QS2+QS3+QS4)+QLT
+QW+Q1+QYC
QYC=QD-(QS1+QS2+QS3+QS4)
―QLT―QW―Q1
根据公式(14)和公式(12)得到:
LY·CY·(t1-t2)=QD―(QS1+QS2+QS3+QS4)
―QLT―QW―Q1
)tt(C
QQQ)QQQQ(QL
21Y
1WLT4S3S2S1SD
Y
−
−−−+++−
=
(15)
式中,LY为原始烟气量(Nm
3
/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1LF炉炉盖示意图
炉盖烟气量可由式(12)演化得出,详见下式:
LLG·C120·t120=LY·CY·t1+(LLG-LY)·C40·t40(16)
由公式(16)不难推导得出:
4040120120
4040Y1YY
LG
tCtC
tCLtCL
L
−
−
=(17)
式中,LLG为炉盖烟气量(Nm
3
/h),温度120℃;
LY为原始烟气量(Nm
3
/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/(Nm
3
.℃)),可根据式C=1.295
+0.000112t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:
LLG=22.75LY(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25m/s;
2)吸风口A处的速度宜在15m/s~25m/s之
间;
3)吸风环管内的风速宜在20m/s~25m/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100mm~250mm之间;h2
可为500mm~800mm。
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.炉外精炼用耐火材料[M].
北京:
冶金工业出版社,1996
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冶金工业出版社,
1994
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冶金工业出版社,1998
5柴诚敬,国亮主编.化工流体流动与传热[M].北京:
化
学工业出版社,2000
6张玉柱,艾立群等著.钢铁冶金过程的数学解析与模拟
[M].北京:
冶金工业出版社,1997
(收稿日期:
2005-09-22)
A吸风口
1
水冷烟罩
吸风环管
φD2
h1
h2
电极孔
φD1
φDo
LF炉体
抽风口
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