轉(zhuǎn)爐煉鋼工序熱力學(xué)模型及能耗分析1

1、轉(zhuǎn)爐煉鋼工序熱力學(xué)模型及能耗分析1    摘 要：針對高爐轉(zhuǎn)爐連鑄工序界面，將工藝流程按照盛裝設(shè)備劃分為鐵水包、轉(zhuǎn)爐、鋼包三個階段，建立了包含鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐煉鋼、二次精煉工藝的全過程熱力學(xué)模型。采用該模型，計算了流程中鐵素流的溫度和成分變化。以總能耗最低為目標(biāo)，采用能耗優(yōu)化模型對關(guān)鍵工藝參數(shù)進行了優(yōu)化分析。關(guān)鍵詞：鐵水預(yù)處理；轉(zhuǎn)爐煉鋼；二次精煉；熱力學(xué)模型；能耗中圖分類號：TF71. 引言煉鋼是冶金過程的中心環(huán)節(jié)，而溫度又是煉鋼工序中極為重要的工藝參數(shù)，在鋼鐵廠生產(chǎn)過程中，過往經(jīng)驗僅僅是考察各個工序單體溫度變化，而對整條生產(chǎn)線的溫度關(guān)注不夠。因此，一些

2、不必要的能耗往往會產(chǎn)生于工序過程及工序間的銜接。根據(jù)新一代大型鋼廠的設(shè)計原理，要保持動態(tài)有序的連續(xù)性生產(chǎn)，要求采用最為科學(xué)的工序銜接方式1。本文以某鋼鐵公司煉鋼工序為模板（生產(chǎn)流程如圖1），將鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐煉鋼、LF精煉、RH 精煉以及中間的運輸環(huán)節(jié)聯(lián)合起來，按照盛裝設(shè)備建立鐵水包、轉(zhuǎn)爐、鋼包三個階段的熱力學(xué)模型，模擬鐵素流的溫度和成分變化，在此基礎(chǔ)上分析煉鋼工序的能量消耗。鐵水預(yù)處理300t轉(zhuǎn)爐LF精煉RH精煉鐵水包轉(zhuǎn)爐鋼包所在容器圖 轉(zhuǎn)爐煉鋼工序生產(chǎn)流程圖Fig. 1 Production flow chart of converter procedure2. 鐵水預(yù)處理過程熱力學(xué)模型研

3、究鐵水預(yù)處理過程指高爐轉(zhuǎn)爐的銜接區(qū)段。高爐鐵水在鐵水包中運送到預(yù)處理站，經(jīng)預(yù)處理后送至轉(zhuǎn)爐，該階段可簡化為運輸鐵水預(yù)處理運輸三個環(huán)節(jié)。溫度計算模型如下：1）兩個運輸階段的鐵水溫度計算模型：4,i=1P Ladle idTVCdtr = -åq(式1)式中：1本課題得到高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金（項目編號：20060008010）的資助。-2-Ladle,i q鐵水包第i 層材料此時刻的單位時間散熱量，W。2）預(yù)處理階段的鐵水溫度計算模型：4,1P Ladle i radiation reactionidTVCdtr q q q= -å - +(式2)式中：radiati

4、on q 通過輻射的單位時間散熱量，W；reaction q 單位時間化學(xué)反應(yīng)的放熱量，W。鐵水預(yù)處理過程中鐵水的溫度變化如圖2 所示。圖 2 鐵水預(yù)處理過程中鐵水的溫度變化Fig.2 Temperature change of hot metal in iron pretreatment由圖 2 可看出，當(dāng)鐵水在剛進入鐵水包時溫度急劇下降，隨著鐵水包蓄熱的不斷增多，鐵水溫降趨勢減緩。進入預(yù)處理站后，攪拌破壞了渣面的保溫效果，使得散熱加劇，故降溫明顯加速。離開預(yù)處理站后，鐵水溫度又呈現(xiàn)鐵水包靜置所具有的特點，溫降放緩。因此，預(yù)熱鐵水包及保護渣面，對于減緩溫降，具有重要意義。3. 轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的

5、熱力學(xué)模型轉(zhuǎn)爐作為整個鋼鐵冶金流程的中心裝置，其作用是將鐵水中的碳、硅、錳、磷等元素通過氧化去除，主要包括裝料、吹煉、脫氧出鋼、濺渣護爐、倒渣這幾個階段。圖3 和圖4分別反應(yīng)了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過程的物料收支特點和能量收支特點。圖 3 物料平衡圖 圖 4 轉(zhuǎn)爐能量平衡圖Fig. 3 The material balance of BOF converter Fig. 4 The energy balance of BOF converter-3-根據(jù)Onsager 理論在冶金反應(yīng)動力學(xué)的應(yīng)用，反應(yīng)中某一元素的反應(yīng)速度可表示為：1% ( )mi k kikkd N ALdt T = å （式3）

6、式中：A 為化學(xué)反應(yīng)親和勢，用以描述反應(yīng)偏離平衡狀態(tài)的程度，由反應(yīng)動力學(xué)原理可知，脫碳，脫錳，脫硅速度是關(guān)于溫度的函數(shù)。結(jié)合已有研究成果及實驗數(shù)據(jù)可擬定各元素的基本反應(yīng)速度公式6，根據(jù)鋼液中進行的反應(yīng)及其平衡常數(shù)，可確定相應(yīng)表達式：1 ln (2.303 (1160 / 2.003) ln(% % ) C C OCOAR R T C OKT Pa a× = × × + + ×× ×=æ öç ÷è ø（式4）223 2 ln (65184 / 24.4 ln(% % ) Si

7、 Si OSiOKR R T Si OATa aa× ×= × = × - + ×æ öç ÷è ø（式5）2 ln (2.303 (12760 / 3.684) ln(% % ) 1.71) Mn Mn OMnOKR R T Mn OAT aa a= × = × × - + × +æ × × öç ÷è ø（式6）根據(jù)實驗所用的煉鋼成分圖，可得出相關(guān)參數(shù)，進而建立初

8、始條件：入爐鐵水成分、廢鋼成分以及吹氧強度；限制條件：停止吹氧時的C 濃度。考慮轉(zhuǎn)爐冶煉過程中能量輸入和輸出關(guān)系，忽略煉鋼反應(yīng)中的爐壁散熱，可得如下的冶煉過程能量平衡式：C Mn Si Scrap smoke3 dTCpiMi = qo + q + q + q - q - q i=1 dtå(式7)式中： O q 為單位時間溶解氧氣釋放的熱量； c q 為單位時間脫碳反應(yīng)釋放的熱量；Mn q 為單位時間脫錳反應(yīng)釋放的熱量；Si q 為單位時間脫硅反應(yīng)釋放的熱量；scrap q 為單位時間廢鋼熔化吸收的熱量；smoke q 為單位時間爐氣帶走的熱量?？傻贸鲛D(zhuǎn)爐冶煉的溫度走勢如圖5 所示

9、。圖 5 轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中的溫度變化圖Fig .5 The transformation curve of steel temperature during the bof process由圖 5 可得知，在轉(zhuǎn)爐冶煉初期，溫升較為明顯，隨著煉鋼反應(yīng)中各物質(zhì)成分含量的降低，該成分的反應(yīng)速度也隨之降低，導(dǎo)致反應(yīng)熱減少，因此溫度升高較為緩慢。而之所以在-4-后期出現(xiàn)水平線，是與本模型所設(shè)的廢鋼熔化時間有關(guān)。由此可知，轉(zhuǎn)爐熱量主要來源于反應(yīng)熱。在煉鋼反應(yīng)中鋼水中各成分的變化情況見圖6 所示。圖 6 吹氧時間，吹氧強度和出鋼溫度直接的關(guān)系Fig.6 The relationship of the time

10、 of blowing oxygen,the intensity of blowing oxygen and molten steel temperature圖 6(a)反映的是供氧強度從3m3 × t-1 × min-1 升高6 m3 × t-1 ×min-1 的情況下，出鋼溫度經(jīng)歷了一個先緩慢下降后升高的過程，當(dāng)供氧強度為3m3 × t-1 ×min-1 時，其出鋼溫度為1716 oC ，后緩慢下降至供氧強度為4.5 m3 × t-1 × min-1 左右出鋼溫度達到最低點，隨后又上升，在供氧強度為6 m3 &

11、#215; t-1 × min-1 時，出鋼溫度為1755 oC 。圖6(b)反映的是吹入的氧氣溫度由25 oC 升高到800 oC ，其出鋼溫度會有1683 oC 升高到1721 oC ，這個溫度升高過程是先快后慢的。4. 二次精煉過程的熱力學(xué)模型二次精煉流程一般是指把轉(zhuǎn)爐、電弧爐中初煉的鋼水移到另一個容器中（一般是鋼包），為得到比初煉更高的生產(chǎn)率、更高的質(zhì)量，而進行的冶金操作。4.1 LF 鋼包爐精練LF 鋼包爐主要由鋼桶、爐蓋、電極和電極加熱系統(tǒng)組成。LF 鋼包爐具有電弧加熱、去除雜質(zhì)、脫硫、吹氬攪拌等功能，能精確調(diào)整鋼液成分和溫度，多用于冶煉高級優(yōu)質(zhì)鋼。LF 鋼包爐的熱平衡特

12、點如圖7 所示。圖 7 LF 鋼包精煉爐能量平衡圖Fig.7 The energy balance of LF refining furnaceLF 爐的溫度模型：-5-31i i se slag alloy tap gas ladleidTCpM q q q q q qdt =å = + + - - - (式8)式中：qse, qslag, qalloy, qtap, qgas, qladle 分別代表電弧加熱，渣料，合金，出鋼，吹氬，爐氣，鋼包散失造成的熱量的變化。從轉(zhuǎn)爐出鋼到LF 精煉結(jié)束的溫度走勢如圖8 所示。圖 8 LF 精煉過程的溫度變化圖Fig.8 The temper

13、ature of molten steel during the LF refining process不同的鋼包預(yù)熱溫度對鋼水溫度的影響如圖9 所示。圖 9 鋼包預(yù)熱溫度對LF 的影響Fig.9 The impact of billet preheating temperature on the LF不同電壓對鋼水溫度的影響如圖10 所示。圖 10 電壓對LF 的影響Fig.10 The impact of voltage on the LF-6-由圖 8 可看出，出鋼和運輸階段鋼水溫度下降，隨后的LF 電弧加熱區(qū)段鋼水溫度升高。這里忽略了LF 精煉過程中停電加渣的反復(fù)過程，所以LF 電弧加

14、熱過程中，溫度呈單一上升趨勢。由圖9 可看出，鋼包預(yù)熱溫度越高，則靜置時，鋼水溫降越小，出爐鋼水溫度越高。由圖10 可看出，電壓等級越高，出爐鋼水溫度越高。由此可知，LF 處理階段，熱量主要來自電弧加熱，因此出爐鋼水溫度隨著電弧加熱時間的增長、電壓等級的提高而增加。4.2 RH 真空精練RH 精煉設(shè)備具有真空脫碳、脫氣等冶金功能，適宜大量生產(chǎn)超純凈鋼，RH 精煉處理周期短，生產(chǎn)效率高，廣泛用于大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)。RH 精煉過程的能量收支如圖11 所示，鋼水傳熱主要由以下3 種途徑完成7：1）C-O 反應(yīng)區(qū)：t 時刻鋼包內(nèi)溫度為T1t 的鋼水，以循環(huán)流量Q 在氬氣泡的作用下通過上升管進入真空室，發(fā)

15、生脫碳反應(yīng)，同時鋼水還以輻射和對流方式向真空室壁傳熱，綜合作        用的結(jié)果使真空室內(nèi)的鋼水溫度變?yōu)門2t。2）鋼水混勻區(qū)：溫度為T2t 的鋼水經(jīng)下降管流入鋼包并在鋼包內(nèi)混勻，待鋼水溫度為T1t+T 后重新流入真空室。周而復(fù)始，引起鋼水溫度的不斷變化。3）散熱區(qū)：在鋼水循環(huán)流動過程中，鋼水與鋼包、真空室和上升管壁的耐火材料間以對流和傳導(dǎo)方式散熱。真空室反應(yīng)區(qū)鋼包混勻區(qū)循環(huán)流動脫碳反應(yīng)熱氣體耗熱鋼水表面輻射熱量真空室內(nèi)襯蓄熱及傳熱損失氣體耗熱鋼水表面輻射熱量綜合作用使鋼水降溫圖 11 RH 精練爐能量平衡圖F

16、ig.11 The energy balance of RH fefinning furnace根據(jù) RH 精煉過程的生產(chǎn)特點和能量收支特點，建立RH 爐的溫度數(shù)學(xué)模型:t 時刻真空室內(nèi)的熱平衡式為：2,1, 2, ( ) tt t C Vacuum gas radiation pipedTVCp QCp T T q q q q qdtr = - + - - - - （式8）t 時刻鋼包內(nèi)的傳熱的熱平衡式為：1,2, 1, ( ) tt t Ladle gas radiation pipedTVCp QCp T T q q q qdtr = - - - - - （式9）式中： C q 為單位時

17、間內(nèi)脫碳反應(yīng)的熱量； vacuum q 為單位時間內(nèi)真空室散熱量； gas q 為單位時間內(nèi)氣體散熱量；radiation q 為單位時間內(nèi)液體表面輻射散熱量； Ladle q 為單位時間內(nèi)鋼包散-7-RH 精煉溫度曲線如圖12 所示。圖 12 RH 精煉過程的溫度變化曲線Fig.12 The temperature of molten steel during the RH refining process真空室預(yù)熱溫度對RH 結(jié)束溫度的影響如圖13 所示。圖13 真空室預(yù)熱溫度對RH 結(jié)束溫度的影響Fig.13 The impact of vacuum chamber preheating

18、 temperature on the temperature of molten steel由圖 13 可看出，RH 前后的運輸階段鋼水溫度有明顯的下降，而隨著鋼包爐襯溫度越來越接近鋼水溫度，鋼包的蓄熱能力也將達到飽和，此時鋼包的熱損失將會更多的以鋼包散熱而非蓄熱的方式存在。另外在進入RH 精煉站開始精煉的過程中，開始的時候鋼水溫度會有顯著的下降，而后其下降趨于平緩。由圖13 可出，真空室溫度從25 oC 增加到1000 oC 時，RH 的出爐溫度也隨之從1489 oC 升高到1549 oC 。在升溫過程中其呈現(xiàn)兩種上升特點，在25 oC 至50 oC 的階段上升迅速，隨后的上升過程趨于平緩

19、。5. 煉鋼工序能耗模型及優(yōu)化分析鋼鐵工業(yè)是資源密集型產(chǎn)業(yè)，多年來鋼鐵工業(yè)的能耗約占全國能源消費的10%。而煉鋼工序能耗是鋼鐵工業(yè)能耗中的一個重要組成部分，主要包括：-8-轉(zhuǎn)爐吹氧能耗：O2 BOF O iron blow q = J ´m ´t ´n折 (式10)式中：BOF,O2 q 為吹氧用氧氣消耗標(biāo)煤，kgec ；O J 為供氧強度，m3 × t-1 ×min-1；iron m 為鋼水質(zhì)量， t ；blow t 為吹氧時間，min 。轉(zhuǎn)爐吹氮能耗：2 2 2 BOFN N iron blow_N q = J ´m ´

20、t ´n折 (式11)式中：N2 J 為底吹氮氣強度，m3 × t-1 × min-1； iron m 為鋼水質(zhì)量，t；2 blow_N t 為底吹氮氣的時間，min； n折為標(biāo)準(zhǔn)煤的折算系數(shù)。LF 吹氬能耗, ( ) LF Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar air q = J ´t ´n +Cp ´r ´V ´ T -T 折 (式12)式中： Ar J 為氬氣的流量，L×min-1； Ar t 為吹氬的時間，min。RH 吹氬能耗, ( ) RH Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar air

21、 q = J ´t ´n +Cp ´r ´V ´ T -T 折 (式13)式中： Ar J 氬氣的流量，L ×min-1； Ar t 吹氬的時間，min。工藝參數(shù)對能耗的影響如圖14 所示圖 14 工藝參數(shù)對能耗的影響Fig.14 The impact of process parameters on energy consumption由圖 14 可看出，不改變其他參數(shù)，使出鋼溫度提高1，則需要供氧強度增加0.2-9-m3 × t-1 ×min-1，折算為能耗則提高約11.95kgec。在LF 精煉過程中，若只通過改變LF 電弧加熱來改變溫度，則LF 出站溫度每升高1，對應(yīng)的LF 電弧能耗提高約8.7kgec。LF 和RH爐的能耗隨著吹氬強度的增大而線性增大。由此可見，氬氣流量的改變對鋼水溫度影響不大。鐵水預(yù)處理到鋼水運抵中間包區(qū)間的能耗優(yōu)化模型如下：2 2minpreH O N smo