纯氧钢包烘烤器的设计开发_贾丽娣.pdf

纯氧钢包烘烤器的设计开发贾丽娣1，2，马光宇1，2，柴蕴3，高波4，王东山1，2，张炎1，2（1.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山114009；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山114009；3.鞍钢集团能源管控中心，辽宁 鞍山114021；4.鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁 鞍山114021）摘要：针对钢包蓄热式烘烤器使用中由于蓄热体经常损坏、换向系统维修量大等原因导致功能失效的问题，设计了新型纯氧钢包烘烤器，该烘烤器的纯氧助燃烘烤烧嘴既可低温缓步升温，又可实现高温快速烘烤。新型纯氧钢包烘烤器运行稳定可靠，能够提高烘烤效率，设备节能率达到40%以上，并可大幅度降低NOx及碳排放量。关键词：钢包烘烤；纯氧助燃烘烤烧嘴；弥散燃烧中图分类号：TF748文献标识码：A文章编号：1006-4613（2023）01-0035-04DOI：10.3969/j.issn.1006-4613.2023.01.007Design and Development of Roaster for Steel Ladle in Pure OxygenJIA Lidi1，2，MA Guangyu1，2，CAI Yun3，GAO Bo4，WANG Dongshan1，2，ZHANG Yan1，2（1.State Key Laboratory of Metal Material for Marine Equipment and Application，Anshan 114009，Liaoning，China；2.Ansteel Iron&Steel Research Institutes，Anshan 114009，Liaoning，China；3.Energy Management and Control Centre of Ansteel，Anshan 114021，Liaoning，China；4.General Steelmaking Plant of Angang Steel Co.，Ltd.，Anshan 114021，Liaoning，China）Abstract：With regard to the problem of the functional failure ocurred in the heat-storageroaster for a steel ladle caused by such factors as frequent damaging of the heat accumulator andtoo much maintenance for the commutator system,the new type of roaster for steel ladle in pureoxygen was designed,whose pure oxygen combustion-supporting roasting burner could achieve theslow rising in temperature starting from low temperature domain and fast roasting in hightemperature.So the new-developed roaster was in operation reliably and smoothly,which couldimprove the roasting efficiency,and thus the energy saving rate for the equipment was more than40%,while NOxemissions and carbon emissions also reduced greatly.Key words：ladle roasting;pure oxygen combustion-supporting roasting burner;dispersioncombustion钢包从转炉盛装钢水，经LF、RH精炼工区到中间包连铸工区倒出钢水，再空包返回到转炉炉前等待接钢，完成一个周转周期。空包返回过程中，钢包内衬温度开始降低，尤其是没有包盖的钢包，包衬直接暴露在冷环境中散热速度更快，包衬温度会急剧降低。转炉到连铸行程越长，钢包周转时间就越长，包衬温降越大，接钢水后包衬吸收高温钢水传递的热量就越多，钢水温降越大。为满足连铸钢水的温度要求，避免提高转炉出钢温度增加炼钢生产成本，钢包每次接钢水之前，需要对包衬进行烘烤加热。目前，钢包烘烤采用较多的是蓄热式烘烤器，其优点是节能效果较好，节能率可达到30%。但在贾丽娣，教授级高级工程师，1989年毕业于东北工学院热能工程专业。E-mail：鞍 钢 技 术2023 年第 1 期ANGANG TECHNOLOGY总第 439 期35-实际应用中，存在蓄热体经常损坏、换向系统维修量大等问题，燃烧效果不好，火焰上浮，包盖外沿处冒火严重，钢包上下温差大，最终导致蓄热烘烤器功能失效。随着大型钢铁企业制氧能力的提高，氧气过剩放散，资源严重浪费。若将过剩的氧气用作助燃气体，与空气助燃相比，能减少79%的N2带走的热损失，可大幅度提高燃料的燃烧强度，提高燃料的利用率，降低能耗。因此，设计了一种纯氧钢包烘烤器，本文对此做一介绍。1钢包烘烤热工特性分析钢厂钢包多数为立式放置，在钢包上面设置钢包盖，烘烤烧嘴布置在包盖中心，燃料和助燃气体通过烘烤烧嘴混合燃烧，从烧嘴喷口喷出高温气流，形成一个向下的刚性可见的长火焰，通过高温火焰的辐射和对流对钢包侧面和底部耐材进行加热。烘烤终点要求：钢包内衬耐材温度均匀，1 1001 200，上下温差30。钢包烘烤过程是气体流动、燃烧、传热的综合热工过程。根据气体力学原理，气体重度公式如下：t=011+t（1）式中，t、0分别为t 和0 时气体重度，随温度增加而变小，热气体具有上浮的趋势1；为气体的膨胀系数，-1；t为气体温度，。立式钢包烘烤器是底部封闭的大容器，温度低的冷气体倾向于紧贴在钢包底部，温度高的热气体倾向于向上流动，气体上浮特性不利于钢包底部耐材的加热，容易产生钢包上部温度高、下部温度低的现象。因此，钢包烘烤必须提高火焰刚性，打破钢包下部冷气层，使火焰达到包底，强化底部加热，接钢后减少钢水的热损失，提高钢水温度均匀性。蓄热式烘烤采用成对烧嘴，燃烧和排烟两个状态同时进行，并且两个烧嘴周期换向。钢包内处于燃烧状态的烧嘴喷出的气流向下流动，处于排烟状态的烧嘴由排烟风机形成向上的抽力，烟气强制排出，向下流动的气流很容易受阻。如果风机抽力过大，高温烟气一旦进入排烟烧嘴内，堵塞气流孔，蓄热体很容易被烧坏。2纯氧钢包烘烤器的设计开发纯氧钢包烘烤器系统示意图见图1所示。1-钢包；2-包盖；3-点火烧嘴；4-烘烤烧嘴；5-卷扬；6-动力管线；7-氧气减压阀组；8-控制系统图1纯氧钢包烘烤器系统示意图Fig.1 Diagram for Roaster System forSteel Ladle in Pure Oxygen纯氧钢包烘烤器由包盖、点火烧嘴、烘烤烧嘴、卷扬、动力管线、氧气减压阀组、控制系统组成，其中烘烤烧嘴为核心技术。为满足钢包烘烤工艺要求，从提高火焰刚性和长度、实现烟气回流低NOx弥散燃烧、研制纯氧助燃烘烤烧嘴及提高纯氧烘烤器安全性几个方面开展了研究工作。2.1钢包烘烤烧嘴工艺参数确定烘烤烧嘴的参数决定了烧嘴的燃烧性能。首先需要分析钢包烘烤过程的传热机理，进行钢包内综合传热计算，确定合适的烘烤烧嘴热负荷；然后运用燃烧原理计算确定理论需氧量；再运用流体力学计算方法确定高压氧气喷出速度，确定烘烤烧嘴的喷口截面尺寸，最终通过烧嘴试验调试确定烧嘴的工作参数。2.1.1原始条件鞍钢股份有限公司炼钢总厂钢包烘烤器用于离线整修钢包烘烤及接钢前的烘烤，采用纯氧助燃，不设风机。按耐材升温曲线进行烘烤，目标温度为1 100。烘烤器设计参数：钢包容量为100 t，钢包高度为4.076 m，氧气压力为1.41.5 MPa，燃料采用热值为15 211 kJ/m3的焦炉煤气，煤气压力为0.0030.005 MPa，压缩空气压力为0.30.5 MPa。2.1.2热负荷计算通过钢包烘烤周期的热平衡计算确定满足钢包烘烤目标温度所需的热负荷。钢包烘烤属于非稳定态蓄热周期加热过程，燃料燃烧化学放热为热收入项，包衬耐材被加热蓄热为有效热支出项，废气带出热和包盖及包壁外表面散热为热损失支出项。通过计算包衬耐材在一个烘烤期内由常温鞍钢技术 2023 年第 1 期贾丽娣等：纯氧钢包烘烤器的设计开发总第 439 期36-升到1 100 吸收的总热量与烘烤热效率的比值，就是烘烤器的热负荷。包衬由工作层、永久层、绝热层、钢板四层不同材料组成。首先计算钢包加热过程的综合传热得出包衬各层耐材的平均温度，然后计算出包衬耐材吸收的总热量。钢包烘烤传热过程示意图见图2所示。图2钢包烘烤传热过程示意图Fig.2 Diagram for Heat TransferProcessfor Steel Ladle in Roasting包内的高温烟气以辐射、对流传热方式将热量传递给包衬内表面，再通过传导传热方式将热量传递给包衬各层耐材，包壁外表面通过辐射与对流方式向环境大气散热。包衬为多层圆筒壁，钢包内高温烟气向包衬及环境的传热量计算如下4，据此再计算出包衬各层耐材的界面温度。q=2l（ti-to）1 r1+ni=11ilnri+1ri+1 ri+1（2）tn=tl-q2l1 r1+n-1i=11ilnri+1ri（3）式中，q为烟气对包衬的传热量，W；l为钢包高度，m；ti、to为钢包内、外烟气温度，；为烟气对包壁内表面的综合传热系数，W/（m2）；r1.ri为各层圆筒壁耐材半径，m；i为各层耐材的导热系数，W/（m）；为包衬外表面对大气散热综合传热系数，W/（m2）；tl.tn为包衬各层耐火材料的界面温度，。根据式（2）、（3）计算结果可以确定包衬各层耐材的平均温度，根据式（4）便可计算出包衬总的蓄热量，即钢包烘烤需要的有效热。Q=Gici（ta-te)（4）式中，Gi为包衬各层耐材质量，kg；ci为各层耐材平均比热容，kJ/（kg）；ta为 各 层 耐 材 平 均 温度，；te为环境温度，。取钢包烘烤热效率经验值，便可计算出烘烤器的热负荷。2.1.3理论需氧量计算根据燃料的成分，利用下列化学燃烧反应公式计算烘烤器理论需氧量5，确定焦炉煤气理论燃烧需要的氧气量，再按经验取钢包烘烤的氧气过剩系数，实际1 m3煤气完全燃烧的理论需氧量计算如下：LO2=12（CO）+12（H2）+（n+m4）（CnHm）+32（H2S）-（O2）10-2（5）2.1.4高压氧气喷出速度计算氧气喷出速度是烧嘴设计的关键参数。氧气属于压缩性气体，压力高，喷出后内外压差变化大，计算喷口速度需要考虑气体重度的变化。按照高压气体喷出流体动力学计算得出氧气喷出速度如下3：w=w12+2gkk-1P111-（PP1）k-1k姨（6）式中，为流速系数；w1为喷出前气体速度，m/s；k为气体的绝热指数；P1为喷射前气体的绝对压力，Pa；1为喷射前气体的密度，kg/m3；P为喷射后气体的绝对压力，Pa。由上述参数确定出烘烤烧嘴的喷口截面尺寸，再通过试验，调试烧嘴的P-V曲线，确定烧嘴的使用性能参数。2.2钢包烘烤工艺研究2.2.1提高火焰刚性和长度氧气与燃料燃烧时，火焰的刚性、长度、形状受气体喷出速度和混合方式等诸多因素影响2。钢厂管网供入的氧气属于高压气体，压力一般约为1.4 MPa，由于气体密度变化很大，其喷出速度可达到音速或超音速。氧气向钢包内喷射临界压力为0.052 8 MPa，烘烤烧嘴前氧气压力保证在0.0550.060 MPa，气 流 的 喷 出 速 度 就 可 以 达 到 音 速296 m/s（环境温度20），马赫数Ma=1。对于深度小于4 m的钢包，选择马赫数Ma1，气体喷出达到亚音速200