純氧鋼包烘烤器的設計開發

賈麗娣 ，馬光宇 ，柴蘊 ，高波 ，王東山 ，張炎

（1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；3.鞍鋼集團能源管控中心，遼寧 鞍山 114021；4.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

鋼包從轉爐盛裝鋼水，經LF、RH精煉工區到中間包連鑄工區倒出鋼水，再空包返回到轉爐爐前等待接鋼，完成一個周轉周期?？瞻祷剡^程中，鋼包內襯溫度開始降低，尤其是沒有包蓋的鋼包，包襯直接暴露在冷環境中散熱速度更快，包襯溫度會急劇降低。轉爐到連鑄行程越長，鋼包周轉時間就越長，包襯溫降越大，接鋼水后包襯吸收高溫鋼水傳遞的熱量就越多，鋼水溫降越大。為滿足連鑄鋼水的溫度要求，避免提高轉爐出鋼溫度增加煉鋼生產成本，鋼包每次接鋼水之前，需要對包襯進行烘烤加熱。

目前，鋼包烘烤采用較多的是蓄熱式烘烤器，其優點是節能效果較好，節能率可達到30%。但在實際應用中，存在蓄熱體經常損壞、換向系統維修量大等問題，燃燒效果不好，火焰上浮，包蓋外沿處冒火嚴重，鋼包上下溫差大，最終導致蓄熱烘烤器功能失效。隨著大型鋼鐵企業制氧能力的提高，氧氣過剩放散，資源嚴重浪費。若將過剩的氧氣用作助燃氣體，與空氣助燃相比，能減少79%的N2帶走的熱損失，可大幅度提高燃料的燃燒強度，提高燃料的利用率，降低能耗。因此，設計了一種純氧鋼包烘烤器，本文對此做一介紹。

1 鋼包烘烤熱工特性分析

鋼廠鋼包多數為立式放置，在鋼包上面設置鋼包蓋，烘烤燒嘴布置在包蓋中心，燃料和助燃氣體通過烘烤燒嘴混合燃燒，從燒嘴噴口噴出高溫氣流，形成一個向下的剛性可見的長火焰，通過高溫火焰的輻射和對流對鋼包側面和底部耐材進行加熱。烘烤終點要求：鋼包內襯耐材溫度均勻，1 100～1 200℃，上下溫差≤30℃。

鋼包烘烤過程是氣體流動、燃燒、傳熱的綜合熱工過程。根據氣體力學原理，氣體重度公式如下：

式中，γt、γ0分別為t℃和0℃ 時氣體重度，隨溫度增加而變小，熱氣體具有上浮的趨勢［1］；β為氣體的膨脹系數，℃-1；t為氣體溫度，℃。

立式鋼包烘烤器是底部封閉的大容器，溫度低的冷氣體傾向于緊貼在鋼包底部，溫度高的熱氣體傾向于向上流動，氣體上浮特性不利于鋼包底部耐材的加熱，容易產生鋼包上部溫度高、下部溫度低的現象。因此，鋼包烘烤必須提高火焰剛性，打破鋼包下部冷氣層，使火焰達到包底，強化底部加熱，接鋼后減少鋼水的熱損失，提高鋼水溫度均勻性。

蓄熱式烘烤采用成對燒嘴，燃燒和排煙兩個狀態同時進行，并且兩個燒嘴周期換向。鋼包內處于燃燒狀態的燒嘴噴出的氣流向下流動，處于排煙狀態的燒嘴由排煙風機形成向上的抽力，煙氣強制排出，向下流動的氣流很容易受阻。如果風機抽力過大，高溫煙氣一旦進入排煙燒嘴內，堵塞氣流孔，蓄熱體很容易被燒壞。

2 純氧鋼包烘烤器的設計開發

純氧鋼包烘烤器系統示意圖見圖1所示。

圖1 純氧鋼包烘烤器系統示意圖Fig.1 Diagram for Roaster System for Steel Ladle in Pure Oxygen

純氧鋼包烘烤器由包蓋、點火燒嘴、烘烤燒嘴、卷揚、動力管線、氧氣減壓閥組、控制系統組成，其中烘烤燒嘴為核心技術。為滿足鋼包烘烤工藝要求，從提高火焰剛性和長度、實現煙氣回流低NOx彌散燃燒、研制純氧助燃烘烤燒嘴及提高純氧烘烤器安全性幾個方面開展了研究工作。

2.1 鋼包烘烤燒嘴工藝參數確定

烘烤燒嘴的參數決定了燒嘴的燃燒性能。首先需要分析鋼包烘烤過程的傳熱機理，進行鋼包內綜合傳熱計算，確定合適的烘烤燒嘴熱負荷；然后運用燃燒原理計算確定理論需氧量；再運用流體力學計算方法確定高壓氧氣噴出速度，確定烘烤燒嘴的噴口截面尺寸，最終通過燒嘴試驗調試確定燒嘴的工作參數。

2.1.1 原始條件

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠鋼包烘烤器用于離線整修鋼包烘烤及接鋼前的烘烤，采用純氧助燃，不設風機。按耐材升溫曲線進行烘烤，目標溫度為1 100℃。烘烤器設計參數：鋼包容量為100 t，鋼包高度為4.076 m，氧氣壓力為1.4～1.5 MPa，燃料采用熱值為15 211 kJ/m3的焦爐煤氣，煤氣壓力為0.003～0.005 MPa，壓縮空氣壓力為0.3～0.5 MPa。

2.1.2 熱負荷計算

通過鋼包烘烤周期的熱平衡計算確定滿足鋼包烘烤目標溫度所需的熱負荷。鋼包烘烤屬于非穩定態蓄熱周期加熱過程，燃料燃燒化學放熱為熱收入項，包襯耐材被加熱蓄熱為有效熱支出項，廢氣帶出熱和包蓋及包壁外表面散熱為熱損失支出項。通過計算包襯耐材在一個烘烤期內由常溫升到1 100℃吸收的總熱量與烘烤熱效率的比值，就是烘烤器的熱負荷。

包襯由工作層、永久層、絕熱層、鋼板四層不同材料組成。首先計算鋼包加熱過程的綜合傳熱得出包襯各層耐材的平均溫度，然后計算出包襯耐材吸收的總熱量。鋼包烘烤傳熱過程示意圖見圖2所示。

圖2 鋼包烘烤傳熱過程示意圖Fig.2 Diagram for Heat Transfer Process for Steel Ladle in Roasting

包內的高溫煙氣以輻射、對流傳熱方式將熱量傳遞給包襯內表面，再通過傳導傳熱方式將熱量傳遞給包襯各層耐材，包壁外表面通過輻射與對流方式向環境大氣散熱。包襯為多層圓筒壁，鋼包內高溫煙氣向包襯及環境的傳熱量計算如下［4］，據此再計算出包襯各層耐材的界面溫度。式中，q為煙氣對包襯的傳熱量，W；l為鋼包高度，m；ti、to為鋼包內、外煙氣溫度，℃；為煙氣對包壁內表面的綜合傳熱系數，W/（m2·℃）；r1...ri為各層圓筒壁耐材半徑，m；λi為各層耐材的導熱系數，W/（m·℃）；為包襯外表面對大氣散熱綜合傳熱系數，W/（m2·℃）；tl...tn為包襯各層耐火材料的界面溫度，℃。

根據式（2）、（3）計算結果可以確定包襯各層耐材的平均溫度，根據式（4）便可計算出包襯總的蓄熱量，即鋼包烘烤需要的有效熱。

式中，Gi為包襯各層耐材質量，kg；ci為各層耐材平均比熱容，kJ/（kg·℃）；ta為各層耐材平均溫度，℃；te為環境溫度，℃。

取鋼包烘烤熱效率經驗值，便可計算出烘烤器的熱負荷。

2.1.3 理論需氧量計算

根據燃料的成分，利用下列化學燃燒反應公式計算烘烤器理論需氧量［5］，確定焦爐煤氣理論燃燒需要的氧氣量，再按經驗取鋼包烘烤的氧氣過剩系數，實際1 m3煤氣完全燃燒的理論需氧量計算如下：

2.1.4 高壓氧氣噴出速度計算

氧氣噴出速度是燒嘴設計的關鍵參數。氧氣屬于壓縮性氣體，壓力高，噴出后內外壓差變化大，計算噴口速度需要考慮氣體重度的變化。按照高壓氣體噴出流體動力學計算得出氧氣噴出速度如下［3］：

式中，φ為流速系數；w1為噴出前氣體速度，m/s；k為氣體的絕熱指數；P1為噴射前氣體的絕對壓力，Pa；ρ1為噴射前氣體的密度，kg/m3；P 為噴射后氣體的絕對壓力，Pa。

由上述參數確定出烘烤燒嘴的噴口截面尺寸，再通過試驗，調試燒嘴的P-V曲線，確定燒嘴的使用性能參數。

2.2 鋼包烘烤工藝研究

2.2.1 提高火焰剛性和長度

氧氣與燃料燃燒時，火焰的剛性、長度、形狀受氣體噴出速度和混合方式等諸多因素影響［2］。鋼廠管網供入的氧氣屬于高壓氣體，壓力一般約為1.4 MPa，由于氣體密度變化很大，其噴出速度可達到音速或超音速。氧氣向鋼包內噴射臨界壓力為0.052 8 MPa，烘烤燒嘴前氧氣壓力保證在0.055～0.060 MPa，氣流的噴出速度就可以達到音速296 m/s（環境溫度20℃），馬赫數Ma=1。對于深度小于4 m的鋼包，選擇馬赫數Ma＜1，氣體噴出達到亞音速200 m/s左右，即可滿足鋼包火焰長度及剛性的需求，將高壓氧氣較高的靜壓能轉化為動能，形成高動量流股，依靠氣流噴出的慣性力可沖破包底低溫冷氣層，強化底部加熱。

在燒嘴結構中合理設計氧氣噴口與燃料噴口的位置，使氧氣與燃料接觸逐步混合形成分級燃燒：一次氧氣與燃料先混合燃燒，在燒嘴根部形成穩定的火焰燃燒區；二次氧氣高速噴出到鋼包下部，氧原子行程遠，擴大與燃料混合區域并延長混合時間，與燃料邊混合邊燃燒，形成剛性長火焰。這樣，既可以穩定燃燒又可以拉長火焰，使火焰前沿高溫氣流達到包底，實現強化底部加熱的目的。

2.2.2 實現煙氣回流低NOx彌散燃燒

由于純氧燃燒速度快，火焰短，不利于鋼包底部的加熱，而且氧濃度高，在燒嘴根部會形成強烈的高溫集中區［3］，對鋼包內溫度均勻性不利；輻射強度大，燒嘴頭部容易燒壞，高溫和高氧濃度均會生成較多的NOx污染物。為此，在烘烤器前端的燒嘴磚底部設置多個回流孔，利用氧氣流股高速噴出后在氣流周圍形成的負壓區將包內的煙氣卷吸進去，與噴出前的氧氣流股混合，稀釋了氧氣濃度［3］，降低燒嘴火焰根部局部高溫區的溫度并控制NOx生成量。由于設置多個氧氣流股及煙氣回流裝置，諸多高速氧氣強勁流股攪動鋼包內的流場，實際燃燒狀態是在鋼包內形成一種氧氣與煙氣、燃料混合在一起的彌散燃燒方式，提高了鋼包內的溫度均勻性，同時降低了NOx的生成量。

2.2.3 研制純氧助燃烘烤燒嘴

鋼包永久層耐材為高鋁質澆注料，鋼包大修時，永久層全部更換，需要按照耐材升溫曲線對新砌包襯緩慢升溫烘烤，排出耐材中的游離水和結晶水。低溫階段烘烤升溫速度不能過快，而純氧燃燒由于燃燒強度大，顯然不適合低溫階段的烘烤，因此，在原有純氧烘烤器中心設計一個空氣助燃低負荷小燒嘴，并且采用大空燃比混合燃燒，主要靠對流傳熱加熱包襯，來保證鋼包緩慢升溫，避免耐材產生裂紋損壞。

當烘烤溫度高于550℃，游離水和結晶水全部去除后，再開啟純氧燃燒燒嘴，快速烘烤，提高鋼包升溫速度，提高烘烤熱效率，降低燃料消耗。

2.2.4 提高純氧烘烤器安全性

氧氣屬于氧化活性強的氣體，特別是高壓氧氣，遇到可燃物易引起爆炸著火。為降低氧氣輸送使用的風險，進入烘烤燒嘴前，采用兩級減壓閥組，將氧氣管網接入的氧氣壓力由1.4 MPa降到0.1 MPa，按照國家標準在壓力≤0.1 MPa條件下，流速可以根據管系壓降確定，大大降低了氧氣使用風險。通過烘烤燒嘴設計計算確認，該壓力就可以滿足純氧燒嘴的嘴前壓力需求。另外，從結構方面考慮燒嘴安全性，將氧氣與燃氣噴口設計為外混式結構，在燒嘴外部將氧氣與燃料進行混合燃燒。

2.3 烘烤效果

純氧烘烤器體積小，結構比蓄熱室簡單，不需要頻繁換向，設備運行穩定，故障率會大大減少，更適合煉鋼生產。純氧燃燒技術用在鋼包烘烤上，節能率可達到40%以上，同時減少了NOx污染物排放和碳排放。

3 結論

（1）通過傳熱、燃燒、流體力學計算，設計出烘烤燒嘴的熱負荷、理論需氧量、氧氣噴出速度，由此確定燒嘴的工作參數。

（2）純氧鋼包烘烤器采用高壓氧氣助燃，可提高火焰剛性，強化底部加熱；通過烘烤燒嘴結構的優化設計，可實現低NOx彌散燃燒，有利于提高烘烤溫度的均勻性；采用純氧助燃烘烤燒嘴可滿足整修鋼包烘烤要求，即可低溫緩步升溫，又可實現高溫快速烘烤；采用外混式噴口結構達到安全生產。

（3）純氧鋼包烘烤器有利于提高鋼包烘烤熱效率，降低燃料消耗，節能率可達到40%以上，同時，減少NOx污染物及碳排放，滿足鋼鐵行業的節能環保要求。