關于氧氣頂吹轉爐余熱鍋爐結構特點分析及熱力計算分析研究

摘要：本文解構分析了活動煙罩的各部分的特點，通過計算氧氣頂吹轉爐產生的余熱，詳細介紹了鍋爐熱力的具體規則和方法。

關鍵詞：氧氣頂吹轉爐；余熱鍋爐；結構特點；熱力

1.我們都知道，氧氣頂吹轉爐余熱鍋爐可分為活動煙罩、爐口段煙道、固定一段煙道、固定二段煙道及末段煙道五部分。今天著重分析一下：活動煙罩、爐口段煙道、固定一段煙道。

1.1. 活動煙罩

環形集箱是活動煙罩的組成部分，管子也同樣。煙罩屬于管式受壓部件，帶有煙氣升降以及密封的相關設備。小部分可燃性氣體在煙罩內持續燃燒。這部分可燃氣體是通過轉爐爐氣排放的入口通道進入煙罩的。煙罩隨煉鋼工藝操作要求做上下升降或平移。

活動煙罩屬于廣義上的集氣吸塵罩大類中的一種，它的型號比較特殊。這種煙罩的轉爐爐口直徑比煙罩的下沿直徑還要小。氧氣頂吹轉爐在冶煉過程中，余熱鍋爐的活動煙罩需要經常升降，且活動煙罩靠近爐口，熱負荷最大，而且熱負荷處于頻繁變化狀態，容易損壞。利用熱水循環泵跟除氧器兩種裝置進行組合使用，可以對活動煙罩形成一個低壓強制性循環冷卻系統，達到為該煙罩冷卻降溫的目的。這種運作過程對活動煙罩實現了非常充分的降溫冷卻，同時還為熱力除氧器收集了一些熱源。提供這部熱源的正是這個冷卻過程回收的熱量。

1.2 爐口段煙道

環形集箱是爐口段煙道的組成部分，管子也同樣。爐口段煙道屬于管式受壓部件，也屬于爐氣通道的主要構成設備之一。位置固定的氧槍孔是煉鋼工藝所必須的。它的位置應該在爐口段煙道上。下料口位置也在爐口段煙道。

爐口段煙道是一個獨立的中壓強制循環冷卻系統。爐口段煙道采用汽化冷卻方式。此段采用中壓強制循環汽化冷卻方式有兩個原因：一個是爐口段煙道的熱負荷比較大；另一個是它的表面熱強度也比較大。煙道組成采用管子隔板式即膜式壁。此段設有非金屬膨脹節。爐口段煙道上設置氧槍口、下料口及爐口微壓差控制取壓口。煙道的第一個拐點也設在本段內。在爐口段煙道處，往往從下料口處開始，將煙氣的入口段截面擴大，特別是爐口段煙道的入口做成喇叭形，不但可以減少煙氣的粉塵含量，同時又可以避免噴濺物直接噴入活動煙罩與爐口段連接的密封裝置中。為了便于轉爐維修及爐口段煙道的更換，爐口段煙道支撐在平移小車上，當氧氣轉爐正常工作時，固定一段煙道的底部與爐口段煙道上部采用法蘭連接。當轉爐需要更換內襯或者爐口段煙道磨損時，可拆卸掉其它部件與爐口段煙道的連接，爐口段煙道就可以隨煙道平移小車移出。

1.3 固定段煙道

由環形集箱（或集箱）和管子組成的管式受壓部件，稱為固定段煙道。是煙氣通道的另一部分，根據煉鋼工藝的布置、安裝和檢修的要求，固定段煙道由若干段煙道組成。大多數的氧氣頂吹轉爐余熱鍋爐的固定段煙道被分為三段，即固定一段、固定二段及末段煙道，特殊情況被分為兩段或四段，但煙道段數過多不利于安裝、檢修和操作，過少則會導致余熱回收不充分。結合實際生產，煙道通常分為三段：固定一段、固定二段及末段煙道。此三段煙道均采用汽化冷卻方式。由于此三段煙道熱負荷和煙氣流動狀態等條件相對穩定，結構特點較好，所以均采用自然循環汽化冷卻方式。煙道組成均采用管子隔板式即膜式壁。

2. 計算氧氣頂吹轉爐產生的余熱鍋爐熱力的具體規則和方法

2.1 煙氣特性

設備進行吹煉的進程中，氧氣頂吹轉爐內產生了原生氣體，這就是通常意義的爐氣。這部分氣體運動到沖出爐口后被稱為煙氣。氧槍將大量氧氣噴入熔池設備，激烈的碳氧化學反應在氧氣與熔池內的鐵水間發生，CO 和 CO2是該反應生發的氣體，這些氣體是轉爐爐氣的基本來源，同時還會伴有少量的其它氣體生成。所以氧氣頂吹轉爐爐氣的成分主要是 CO，其次是 CO2，N2及微量 H2和 O2，而且爐氣中還會包含少量的水蒸汽。在氧氣頂吹轉爐吹煉過程中，由于熔池溫度很高，局部溫度可高達 2500℃～2800℃，金屬鐵與其氧化物有相當一部分在這樣的高溫下發生了蒸發反應，融入了爐氣中。這部分氣體持續上升直到離開反應區。

中型氧氣頂吹轉爐爐塵計算濃度推薦采用jμ =0.174（kg/Nm3爐氣），大型氧氣頂吹轉爐爐塵計算濃度推薦采用jμ =0.2（kg/Nm3爐氣）根據資料顯示，國外學者認為吹氧中期爐氣量分布是絕對平穩的，這與實測爐氣量分布的誤差很小，對于工程熱力計算，這樣的簡化是完全必要的，也是完全能夠滿足精度要求的。熱力計算中爐氣量的值用吹煉中期平均脫碳速度下的爐氣量，爐氣量lV 計算式如下：

，式中：V1表示爐氣量，u表示平均脫碳速度；G 表示最大鐵水裝入量； 表示爐氣中CO、CO2的容積百分數。

2.2熱場分析邊界條件

余熱鍋爐煙氣在入口處溫度為 1826.27℃，因此在分析模型的入口處設置固定溫度為 1826.27℃。由于余熱鍋爐外圍由密布的水冷壁管道包圍，對余熱鍋爐內部煙氣形成了很強的冷卻效果，可近似視為外部水膜冷卻（等效為平板冷卻），水流流速為 12m/s，ALGOR 可以根據外部流場情況自動計算出模型表面的對流換熱系數。

活動煙罩中，起初較低流速的煙氣經歷溫度下降的過程而加大了它的流動速度。發生這個現象的原理是氣體體積膨脹效應。在末段 180°拐角處產生較強的漩渦，在漩渦處煙氣達到最大流速 44.5m/s，致使此處煙道內壁面沖刷嚴重，易壞。

另外，冷壁管中的水發生熱交換，溫度逐漸降低，靠近壁面處由于水冷壁管對煙氣的強效冷卻作用，溫度下降比管道中心處快，同時在拐角處由于速度的影響，溫度場也發生較大的變化，靠近拐角處溫度下降的快。煙道出口處煙氣溫度總體降到 570℃。通過對實例一溫度場的模擬，模擬結果與現場實測煙溫對比發現：模擬結果570℃落在實測出口煙溫范圍 500℃～696℃內，且與現場實測出口煙溫范圍的平均598℃相差 28℃，模擬結果與實測煙溫平均值較接近，驗證了該模擬的正確性。

參考文獻：

[1] 楊金鼎，戚丙申，郭伯偉等.氧氣頂吹轉爐二次燃燒技術的試驗研究[J].冶金能源，2011，30（1）：34-38.

[2] 楊麗霞.氧氣頂吹轉爐余熱鍋爐模擬分析計算[D].內蒙古科技大學，2012.

作者姓名：劉友洪（1981.11--） 職務：設計員，職稱：助理工程師，學歷：大學本科，研究方向：轉爐余熱鍋爐設計。