转炉炼钢工序热力学模型及能耗分析1

1、转炉炼钢工序热力学模型及能耗分析1    摘 要：针对高炉转炉连铸工序界面，将工艺流程按照盛装设备划分为铁水包、转炉、钢包三个阶段，建立了包含铁水预处理、转炉炼钢、二次精炼工艺的全过程热力学模型。采用该模型，计算了流程中铁素流的温度和成分变化。以总能耗最低为目标，采用能耗优化模型对关键工艺参数进行了优化分析。关键词：铁水预处理；转炉炼钢；二次精炼；热力学模型；能耗中图分类号：TF71. 引言炼钢是冶金过程的中心环节，而温度又是炼钢工序中极为重要的工艺参数，在钢铁厂生产过程中，过往经验仅仅是考察各个工序单体温度变化，而对整条生产线的温度关注不够。因此，一些

2、不必要的能耗往往会产生于工序过程及工序间的衔接。根据新一代大型钢厂的设计原理，要保持动态有序的连续性生产，要求采用最为科学的工序衔接方式1。本文以某钢铁公司炼钢工序为模板（生产流程如图1），将铁水预处理、转炉炼钢、LF精炼、RH 精炼以及中间的运输环节联合起来，按照盛装设备建立铁水包、转炉、钢包三个阶段的热力学模型，模拟铁素流的温度和成分变化，在此基础上分析炼钢工序的能量消耗。铁水预处理300t转炉LF精炼RH精炼铁水包转炉钢包所在容器图 转炉炼钢工序生产流程图Fig. 1 Production flow chart of converter procedure2. 铁水预处理过程热力学模型研

3、究铁水预处理过程指高炉转炉的衔接区段。高炉铁水在铁水包中运送到预处理站，经预处理后送至转炉，该阶段可简化为运输铁水预处理运输三个环节。温度计算模型如下：1）两个运输阶段的铁水温度计算模型：4,i=1P Ladle idTVCdtr = -åq(式1)式中：1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20060008010）的资助。-2-Ladle,i q铁水包第i 层材料此时刻的单位时间散热量，W。2）预处理阶段的铁水温度计算模型：4,1P Ladle i radiation reactionidTVCdtr q q q= -å - +(式2)式中：radiati

4、on q 通过辐射的单位时间散热量，W；reaction q 单位时间化学反应的放热量，W。铁水预处理过程中铁水的温度变化如图2 所示。图 2 铁水预处理过程中铁水的温度变化Fig.2 Temperature change of hot metal in iron pretreatment由图 2 可看出，当铁水在刚进入铁水包时温度急剧下降，随着铁水包蓄热的不断增多，铁水温降趋势减缓。进入预处理站后，搅拌破坏了渣面的保温效果，使得散热加剧，故降温明显加速。离开预处理站后，铁水温度又呈现铁水包静置所具有的特点，温降放缓。因此，预热铁水包及保护渣面，对于减缓温降，具有重要意义。3. 转炉炼钢过程的

5、热力学模型转炉作为整个钢铁冶金流程的中心装置，其作用是将铁水中的碳、硅、锰、磷等元素通过氧化去除，主要包括装料、吹炼、脱氧出钢、溅渣护炉、倒渣这几个阶段。图3 和图4分别反应了转炉生产过程的物料收支特点和能量收支特点。图 3 物料平衡图 图 4 转炉能量平衡图Fig. 3 The material balance of BOF converter Fig. 4 The energy balance of BOF converter-3-根据Onsager 理论在冶金反应动力学的应用，反应中某一元素的反应速度可表示为：1% ( )mi k kikkd N ALdt T = å （式3）

6、式中：A 为化学反应亲和势，用以描述反应偏离平衡状态的程度，由反应动力学原理可知，脱碳，脱锰，脱硅速度是关于温度的函数。结合已有研究成果及实验数据可拟定各元素的基本反应速度公式6，根据钢液中进行的反应及其平衡常数，可确定相应表达式：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）根据实验所用的炼钢成分图，可得出相关参数，进而建立初

8、始条件：入炉铁水成分、废钢成分以及吹氧强度；限制条件：停止吹氧时的C 浓度。考虑转炉冶炼过程中能量输入和输出关系，忽略炼钢反应中的炉壁散热，可得如下的冶炼过程能量平衡式：C Mn Si Scrap smoke3 dTCpiMi = qo + q + q + q - q - q i=1 dtå(式7)式中： O q 为单位时间溶解氧气释放的热量； c q 为单位时间脱碳反应释放的热量；Mn q 为单位时间脱锰反应释放的热量；Si q 为单位时间脱硅反应释放的热量；scrap q 为单位时间废钢熔化吸收的热量；smoke q 为单位时间炉气带走的热量。可得出转炉冶炼的温度走势如图5 所示

9、。图 5 转炉炼钢过程中的温度变化图Fig .5 The transformation curve of steel temperature during the bof process由图 5 可得知，在转炉冶炼初期，温升较为明显，随着炼钢反应中各物质成分含量的降低，该成分的反应速度也随之降低，导致反应热减少，因此温度升高较为缓慢。而之所以在-4-后期出现水平线，是与本模型所设的废钢熔化时间有关。由此可知，转炉热量主要来源于反应热。在炼钢反应中钢水中各成分的变化情况见图6 所示。图 6 吹氧时间，吹氧强度和出钢温度直接的关系Fig.6 The relationship of the time

10、 of blowing oxygen,the intensity of blowing oxygen and molten steel temperature图 6(a)反映的是供氧强度从3m3 × t-1 × min-1 升高6 m3 × t-1 ×min-1 的情况下，出钢温度经历了一个先缓慢下降后升高的过程，当供氧强度为3m3 × t-1 ×min-1 时，其出钢温度为1716 oC ，后缓慢下降至供氧强度为4.5 m3 × t-1 × min-1 左右出钢温度达到最低点，随后又上升，在供氧强度为6 m3 &

11、#215; t-1 × min-1 时，出钢温度为1755 oC 。图6(b)反映的是吹入的氧气温度由25 oC 升高到800 oC ，其出钢温度会有1683 oC 升高到1721 oC ，这个温度升高过程是先快后慢的。4. 二次精炼过程的热力学模型二次精炼流程一般是指把转炉、电弧炉中初炼的钢水移到另一个容器中（一般是钢包），为得到比初炼更高的生产率、更高的质量，而进行的冶金操作。4.1 LF 钢包炉精练LF 钢包炉主要由钢桶、炉盖、电极和电极加热系统组成。LF 钢包炉具有电弧加热、去除杂质、脱硫、吹氩搅拌等功能，能精确调整钢液成分和温度，多用于冶炼高级优质钢。LF 钢包炉的热平衡特

12、点如图7 所示。图 7 LF 钢包精炼炉能量平衡图Fig.7 The energy balance of LF refining furnaceLF 炉的温度模型：-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 分别代表电弧加热，渣料，合金，出钢，吹氩，炉气，钢包散失造成的热量的变化。从转炉出钢到LF 精炼结束的温度走势如图8 所示。图 8 LF 精炼过程的温度变化图Fig.8 The temper

13、ature of molten steel during the LF refining process不同的钢包预热温度对钢水温度的影响如图9 所示。图 9 钢包预热温度对LF 的影响Fig.9 The impact of billet preheating temperature on the LF不同电压对钢水温度的影响如图10 所示。图 10 电压对LF 的影响Fig.10 The impact of voltage on the LF-6-由图 8 可看出，出钢和运输阶段钢水温度下降，随后的LF 电弧加热区段钢水温度升高。这里忽略了LF 精炼过程中停电加渣的反复过程，所以LF 电弧加

14、热过程中，温度呈单一上升趋势。由图9 可看出，钢包预热温度越高，则静置时，钢水温降越小，出炉钢水温度越高。由图10 可看出，电压等级越高，出炉钢水温度越高。由此可知，LF 处理阶段，热量主要来自电弧加热，因此出炉钢水温度随着电弧加热时间的增长、电压等级的提高而增加。4.2 RH 真空精练RH 精炼设备具有真空脱碳、脱气等冶金功能，适宜大量生产超纯净钢，RH 精炼处理周期短，生产效率高，广泛用于大型钢铁联合企业。RH 精炼过程的能量收支如图11 所示，钢水传热主要由以下3 种途径完成7：1）C-O 反应区：t 时刻钢包内温度为T1t 的钢水，以循环流量Q 在氩气泡的作用下通过上升管进入真空室，发

15、生脱碳反应，同时钢水还以辐射和对流方式向真空室壁传热，综合作        用的结果使真空室内的钢水温度变为T2t。2）钢水混匀区：温度为T2t 的钢水经下降管流入钢包并在钢包内混匀，待钢水温度为T1t+T 后重新流入真空室。周而复始，引起钢水温度的不断变化。3）散热区：在钢水循环流动过程中，钢水与钢包、真空室和上升管壁的耐火材料间以对流和传导方式散热。真空室反应区钢包混匀区循环流动脱碳反应热气体耗热钢水表面辐射热量真空室内衬蓄热及传热损失气体耗热钢水表面辐射热量综合作用使钢水降温图 11 RH 精练炉能量平衡图F

16、ig.11 The energy balance of RH fefinning furnace根据 RH 精炼过程的生产特点和能量收支特点，建立RH 炉的温度数学模型:t 时刻真空室内的热平衡式为：2,1, 2, ( ) tt t C Vacuum gas radiation pipedTVCp QCp T T q q q q qdtr = - + - - - - （式8）t 时刻钢包内的传热的热平衡式为：1,2, 1, ( ) tt t Ladle gas radiation pipedTVCp QCp T T q q q qdtr = - - - - - （式9）式中： C q 为单位时

17、间内脱碳反应的热量； vacuum q 为单位时间内真空室散热量； gas q 为单位时间内气体散热量；radiation q 为单位时间内液体表面辐射散热量； Ladle q 为单位时间内钢包散-7-RH 精炼温度曲线如图12 所示。图 12 RH 精炼过程的温度变化曲线Fig.12 The temperature of molten steel during the RH refining process真空室预热温度对RH 结束温度的影响如图13 所示。图13 真空室预热温度对RH 结束温度的影响Fig.13 The impact of vacuum chamber preheating

18、 temperature on the temperature of molten steel由图 13 可看出，RH 前后的运输阶段钢水温度有明显的下降，而随着钢包炉衬温度越来越接近钢水温度，钢包的蓄热能力也将达到饱和，此时钢包的热损失将会更多的以钢包散热而非蓄热的方式存在。另外在进入RH 精炼站开始精炼的过程中，开始的时候钢水温度会有显著的下降，而后其下降趋于平缓。由图13 可出，真空室温度从25 oC 增加到1000 oC 时，RH 的出炉温度也随之从1489 oC 升高到1549 oC 。在升温过程中其呈现两种上升特点，在25 oC 至50 oC 的阶段上升迅速，随后的上升过程趋于平缓

19、。5. 炼钢工序能耗模型及优化分析钢铁工业是资源密集型产业，多年来钢铁工业的能耗约占全国能源消费的10%。而炼钢工序能耗是钢铁工业能耗中的一个重要组成部分，主要包括：-8-转炉吹氧能耗：O2 BOF O iron blow q = J ´m ´t ´n折 (式10)式中：BOF,O2 q 为吹氧用氧气消耗标煤，kgec ；O J 为供氧强度，m3 × t-1 ×min-1；iron m 为钢水质量， t ；blow t 为吹氧时间，min 。转炉吹氮能耗：2 2 2 BOFN N iron blow_N q = J ´m ´

20、t ´n折 (式11)式中：N2 J 为底吹氮气强度，m3 × t-1 × min-1； iron m 为钢水质量，t；2 blow_N t 为底吹氮气的时间，min； n折为标准煤的折算系数。LF 吹氩能耗, ( ) 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 为氩气的流量，L×min-1； Ar t 为吹氩的时间，min。RH 吹氩能耗, ( ) 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 氩气的流量，L ×min-1； Ar t 吹氩的时间，min。工艺参数对能耗的影响如图14 所示图 14 工艺参数对能耗的影响Fig.14 The impact of process parameters on energy consumption由图 14 可看出，不改变其他参数，使出钢温度提高1，则需要供氧强度增加0.2-9-m3 × t-1 ×min-1，折算为能耗则提高约11.95kgec。在LF 精炼过程中，若只通过改变LF 电弧加热来改变温度，则LF 出站温度每升高1，对应的LF 电弧能耗提高约8.7kgec。LF 和RH炉的能耗随着吹氩强度的增大而线性增大。由此可见，氩气流量的改变对钢水温度影响不大。铁水预处理到钢水运抵中间包区间的能耗优化模型如下：2 2minpreH O N smo