110t超高功率电弧炉热平衡计算.docx

1、110t超高功率电弧炉热平衡计算大江苏大学材料学院引言:炼钢过程中的物料平衡和热平衡计算是建立在物料与能量守恒的基础上的。其主要目的是分析整个冶炼过程中的物料、能量的收人和支出 ，为改进操作工艺制度、确定合理的设计参数和提高炼钢技术经济指标。电弧炉炼钢作为 炼钢的一种重要手段，本文主要考虑到电炉厂对炼钢生产中不同铁水加人量 时物料和电耗等均发生大的变化，因此，本文本着为钢铁厂服务的目的，从理 论计算角度上计算 了不同工况下的热平衡，由于炼钢系统复杂的高温物理 化学过程，加上测试手段有限，目前尚难以做到精确取值和计算。尽管如 此, 希望通过本文对电炉炼钢生 产和设计给以一定的指导和帮助。在炼钢生

2、产中，应用能量守恒原理分析电炉热能来源，消耗和损耗，对 于钢水终点的温度控制，测温取样时间的把握，吹氧制度的改进，工艺技术 的调整有积极的指导意义。下面将具体介绍 110t超高功率电炉热平衡计算过程及结果，以及简单分析。一能量平衡中的主要因素供电工艺制度，吹氧工艺制度，后燃烧制度，钢水温度制度，留钢留渣 制度是能量平衡中的主要因素。能量平衡的依据是能量守恒定理，即热收入 Qs=热支出Qz。化学热的计算是以1600C的钢水温度基础进行计算的。二计算应用电炉工艺参数电炉形式为1l0t AC-UHP- EBT变压器容量82MVA二次侧电压为3751150V;电弧弧长3751150mm氧气喷头2个；氧

3、枪拉瓦尔喉口直径为 2632mm超音速氧枪氧气流量分 A B、C三种模式，I 5007500m/h;炭粉喷吹速度为30110kg/min（分高低两档）；料型结构为铁水+废钢；加料次数13次；铁水的比例为3060%;渣料主要结构为石灰；设计冶炼周期为1h。三根据超高功率的概念确定装入量国际钢铁协会 IISI(International Iron and Steel Institute)1981年在巴西会议上提出了电弧炉额定功率水平的具体分类方法，按照每吨钢占 有的变压器额定容量来划分高功率，超高功率的界限，额定功率(Rated Power) 在400700kVAXt为高功率电炉.大于 700kV

4、AXt为超高功率。超高功率 电炉的吨钢额定功率越大，电炉的升温速度越快，越有利于缩短冶炼周期， 所以11Ot高功率电炉的装入量应该围绕这一中心概念进行。考虑留钢留渣 量确定装入量，装入量的计算可以用以下公式进行：装入量 82000- 700- Q (1)(1)式中Q指留钢量。考虑到变压器的实际容量大于 82 MVA所以全废钢冶炼的最佳装入量为117t(包括留钢量)。由于热装铁水可以带入丰富的物理热和部分化学热，热装铁 水比例每增加I %，电耗下降4.75.2kwh/1弓I，所以热装铁水时的装入 量控制在120135t。在本文的计算中我们取 120t。四钢种及入炉原料我们以Gr15钢为例，以其原

5、材料参数及消耗指标为计算依据，入炉原 料为铁水及废钢，其中铁水占30%分析110t电炉冶炼过程的能耗情况。表1 Gr15钢成分及主要入炉原材料成分名称名称3 B%CSiMnPSCrH2O灰分挥发分钢成品0.950.150.251.40-1.050.350.450.0250.0251. 65冶炼终三0.5痕迹0.150.0100.020铁水4.20.600.400.2000.035废钢0.180.250.550.0300.030隹炭81.500.5812.405.52电极99.001.00（备注：其他辅料或添加料如在此次计算中出现将以备注形式标出）五热平衡计算1、计算热收入Qs热收入是由电能、物

6、料带入的物理热、元素氧化热及成渣热所组成，而物料带入物理热中铁水的物理热是关键性数据，因此我们单独列出计算过 程。（1）电能电能是电炉炼钢的主要热源。电能与废钢或者熔池进行热交换，在泡沫 渣埋弧的条件下，70%以上的电能转化为热能被熔池吸收。实际操作中根据 电弧的埋弧情况决定送电功率，尽量减少能量损失。以热辐射的形式很大部分被炉壁和炉顶的水冷件吸收。电能在 110t直流电炉中的典型数值为：全废钢为 365400kWh/t。良好的泡沫渣可以提 高电能向热能的转换率。(2)铁水的物理热纯铁的熔点为1536E，铁水熔化潜热为218kJ/kg根据传热学原理计算 可知，铁水的熔点t =1098 C,计算

7、如下：1536-(100 X 4.2+8 X 0.6+5 X 0.4+30 X 0.2+25 X 0.035)-4=1098 C铁水的物理热Qw =36 X 103 X 0.745 X (1098 25)+218+0.837 X (1250 1098) =41205.924 X 103kJ(3)物料带入的物理热根据物理热公式Q=cmT(c为各组分比热容，m为消耗量，T为温度)可 得到其他各组分物料及辅料的物理热如下表所示：表2物料带入的物理热名称热容(kJ/ kgK)温度(K)消耗量(t)物理热(kJX103)废钢0.69929884.0001467.900铁水0.837152336.0004

8、1205.924石灰0.7282985.648102.800焦炭0.8582980.30023.784炉衬0.9968730.240143.424镁砂0.9968730.072250.992氧气1.3182982.76291.021空气0.9632987.858189.172电极1.5077230.144325.512合计43800.529（4）元素氧化热及成渣热根据计算公式Q=m H可得下表：表3元素氧化热及成渣热 元糸消耗量/1化学反应AH(kJ/ kg)放热量(kjx103)C1. 800（炉料）C+1/2 O2= CO-11639209500. 100（电极）11640. 145（焦炭

9、）16880.031（炉衬）3610.771（炉料）C+ O2= CO2-34834268570. 043（电极）14980. 062(焦炭)21600. 013（炉衬）452金属0.552Si+2( FeO)=( SO)+2-2920216120中SiFe金属0.372Mn+( FeO)=( MnO)+-65942453中MnFe金属0.1462 P+5(FeO)=( P2O5)+5-189802771中的PFeFe*0. 347Fe+1/2 O2=( FeO)-425014751. 9652 Fe+3/2 O2=( FOs)-646012694Si02 成1.3302(CaO)+( SiO

10、2)=(2 CaO Si-16202155渣O2)-4880P2O50.3401659成渣4(CaO)+( P2O5)=(4 CaO P2O5)合计944572、计算热支出Qz热支出是由钢水物理热，炉渣物理热，炉气物理热，烟尘物理热，冷却 水吸热，其他热损失，变压器及断网系统的热损失共同组成，下面我们分别 计算其热值大小：(1钢水物理热Qg0该钢熔点为该钢的熔点为:1539 - ( 70 X 1.00+8 X 0.25+5 X 0.35+30 X 0. 015+25X 0.016+3 X 0.02) - 6=1464C考虑到出钢过程中添加合金石灰等，电 炉至精炼炉温降等，故出钢温度定为 160

11、0C，首先确定出钢量：120-0.36-5.969-1.592=112.079t(备注：钢水量为入炉钢铁料重去除 1激水喷溅量为0.36t,炉料中元素烧损量为5.969t,渣中铁元素损耗量为1.592t )可得:Q=112079X 0.699 X (1464 - 25)+272+0.837 X (1600 - 1464) =1559739.495 X 10 kJ(2)炉渣物理热Q计算时取炉渣终点温度与钢水温度相同，则有:Qr =7.961 X 103x 1.247 X (1600-25)+209.20=17301.044 X 103KJ(备注：钢渣量为7.961t)(3)炉气物理热Q。炉气带走

12、的热量主要是指从除尘烟道里烟气带走的热以及电极孔烟气带走的热。令炉气温度为1450r，热容为1.137 kJ/kg K,由炉气量可得：Qx=8.110 X 103x 1.137 X (1450-25)=13140.025 X 103kJ(备注：生成炉气量为8.110t )(4)烟尘物理热Qy。将铁的挥发物计入烟尘中，烟尘热容为 1.0kJ/(kg K);总烟尘量=120X 103X 1.6 %X 1.0(1450-25)+209.20=3137.64 X 103kJ(5)冷却水吸热Q。3如炉子公称容量为110t,冷却水消耗量为25m/h,冷却水进出口温差为 25C,冶炼时间平均为1h,则得：Q

13、i = (25X 1000X 1 X 4.185 X 25) /600=4359.38 kJ/100kg(金属料)总的 Qi =4359.38 X 1.2 X 103 =5231.25 X 103 kJ(6)其他热损失Qq。包括炉体表面散热热损失、开启炉门热损失、电极热损失等。其损失量 与设备的大小、冶炼时间、开启炉门和炉盖的总时间以及炉内的工作温度有 关。时间表明，该项热损失占总热收入的 6%-9%本设计中取8%(7)变压器及断网系统的热损失 Qb一般，该热损失为总热收入的57%本计算取6%令炉子总收入等于Qs,贝U：Qs=155979.495 X 103+17301.044 X 103+1

14、3140.025 X 103+3137.640 X 103+35231.250 X 10 +QsX （8%+6%）3即 0.86 Qs=194789.494 X103Qs=226499.412X 10 kJ故应 供应电 能为：226499.412 X 103-43800.529 X 103-94457 X 103 =88241.883 X 103kJ;Qq=226499.412 X 103 X 8%=18119.953X 103kJ ； Qb=226499.412 X 103 X 6%=13589.965X 103kJ。总热平衡计算结果列于表21。表4热平衡表收入支出项目热量（kJ X103）

15、%项目热量（kJ X103）%物料物理热43800.52919.34钢水物理热155979.49568.86氧化热和成渣9445741.70炉渣物理热17301.0447.64热5513024.34炉气物理热13140.0255.80其中C氧化161207.12烟尘物理热3137.6401.39Si氧化24531.08冷却水吸热5231.2502.31Mn氧化27711.22其他热损失18119.9538.00P氧化141696.26变压器系统热13589.9656.00Fe氧化215516590.950.73损失SiO2成渣P2O5成渣电能88241.88338.96合计226499.412

16、100合计226499.412100.00总结：在此次热平衡计算中，我们运用的原理和理论有：能量守恒定律，物料 平衡原理，热量守恒定律，各类物质的物理热计算方法，并对收入热和支出 热进行了系统的分析和计算，并可以对废钢铁水比例调整得出物料配比和电能消耗的关系。通过这次课程设计，我们对电炉炼钢有了理性认识，并了解到生产过程 中的实际问题和解决办法，有很多收获和感悟。参考文献1王令福.炼钢设备及车间设计M.北京：冶金工业出版社，2009.2阎奎兴，阎立懿.现代电弧炉炉型及其炉体结构设计J.铸造,1999(11).3王新华.钢铁冶金学-炼钢学M.北京：高等教育出版社，200764杨振国,刘青,王彬,石荣山.50t超高功率电弧炉冶炼工艺优化J，炼钢,2012(12). 王新成.八钢110t电炉冶炼过程的基础计算与实践J.新疆钢铁.2008(1).