关于氧气顶吹转炉余热锅炉结构特点分析及热力计算分析研究
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摘要：本文解构分析了活动烟罩的各部分的特点，通过计算氧气顶吹转炉产生的余热，详细介绍了锅炉热力的具体规则和方法。
1.我们都知道，氧气顶吹转炉余热锅炉可分为活动烟罩、炉口段烟道、固定一段烟道、固定二段烟道及末段烟道五部分。今天着重分析一下：活动烟罩、炉口段烟道、固定一段烟道。
1.1. 活动烟罩
环形集箱是活动烟罩的组成部分，管子也同样。烟罩属于管式受压部件，带有烟气升降以及密封的相关设备。小部分可燃性气体在烟罩内持续燃烧。这部分可燃气体是通过转炉炉气排放的入口通道进入烟罩的。烟罩随炼钢工艺操作要求做上下升降或平移。
活动烟罩属于广义上的集气吸尘罩大类中的一种，它的型号比较特殊。这种烟罩的转炉炉口直径比烟罩的下沿直径还要小。氧气顶吹转炉在冶炼过程中，余热锅炉的活动烟罩需要经常升降，且活动烟罩靠近炉口，热负荷最大，而且热负荷处于频繁变化状态，容易损坏。利用热水循环泵跟除氧器两种装置进行组合使用，可以对活动烟罩形成一个低压强制性循环冷却系统，达到为该烟罩冷却降温的目的。这种运作过程对活动烟罩实现了非常充分的降温冷却，同时还为热力除氧器收集了一些热源。提供这部热源的正是这个冷却过程回收的热量。
1.2 炉口段烟道
环形集箱是炉口段烟道的组成部分，管子也同样。炉口段烟道属于管式受压部件，也属于炉气通道的主要构成设备之一。位置固定的氧枪孔是炼钢工艺所必须的。它的位置应该在炉口段烟道上。下料口位置也在炉口段烟道。
炉口段烟道是一个独立的中压强制循环冷却系统。炉口段烟道采用汽化冷却方式。此段采用中压强制循环汽化冷却方式有两个原因：一个是炉口段烟道的热负荷比较大；另一个是它的表面热强度也比较大。烟道组成采用管子隔板式即膜式壁。此段设有非金属膨胀节。炉口段烟道上设置氧枪口、下料口及炉口微压差控制取压口。烟道的第一个拐点也设在本段内。在炉口段烟道处，往往从下料口处开始，将烟气的入口段截面扩大，特别是炉口段烟道的入口做成喇叭形，不但可以减少烟气的粉尘含量，同时又可以避免喷溅物直接喷入活动烟罩与炉口段连接的密封装置中。为了便于转炉维修及炉口段烟道的更换，炉口段烟道支撑在平移小车上，当氧气转炉正常工作时，固定一段烟道的底部与炉口段烟道上部采用法兰连接。当转炉需要更换内衬或者炉口段烟道磨损时，可拆卸掉其它部件与炉口段烟道的连接，炉口段烟道就可以随烟道平移小车移出。
1.3 固定段烟道
由环形集箱（或集箱）和管子组成的管式受压部件，称为固定段烟道。是烟气通道的另一部分，根据炼钢工艺的布置、安装和检修的要求，固定段烟道由若干段烟道组成。大多数的氧气顶吹转炉余热锅炉的固定段烟道被分为三段，即固定一段、固定二段及末段烟道，特殊情况被分为两段或四段，但烟道段数过多不利于安装、检修和操作，过少则会导致余热回收不充分。结合实际生产，烟道通常分为三段：固定一段、固定二段及末段烟道。此三段烟道均采用汽化冷却方式。由于此三段烟道热负荷和烟气流动状态等条件相对稳定，结构特点较好，所以均采用自然循环汽化冷却方式。烟道组成均采用管子隔板式即膜式壁。
2. 计算氧气顶吹转炉产生的余热锅炉热力的具体规则和方法
2.1 烟气特性
设备进行吹炼的进程中，氧气顶吹转炉内产生了原生气体，这就是通常意义的炉气。这部分气体运动到冲出炉口后被称为烟气。氧枪将大量氧气喷入熔池设备，激烈的碳氧化学反应在氧气与熔池内的铁水间发生，CO 和 CO2是该反应生发的气体，这些气体是转炉炉气的基本来源，同时还会伴有少量的其它气体生成。所以氧气顶吹转炉炉气的成分主要是 CO，其次是 CO2，N2及微量 H2和 O2，而且炉气中还会包含少量的水蒸汽。在氧气顶吹转炉吹炼过程中，由于熔池温度很高，局部温度可高达 2500℃～2800℃，金属铁与其氧化物有相当一部分在这样的高温下发生了蒸发反应，融入了炉气中。这部分气体持续上升直到离开反应区。
中型氧气顶吹转炉炉尘计算浓度推荐采用jμ =0.174（kg/Nm3炉气），大型氧气顶吹转炉炉尘计算浓度推荐采用jμ =0.2（kg/Nm3炉气）根据资料显示，国外学者认为吹氧中期炉气量分布是绝对平稳的，这与实测炉气量分布的误差很小，对于工程热力计算，这样的简化是完全必要的，也是完全能够满足精度要求的。热力计算中炉气量的值用吹炼中期平均脱碳速度下的炉气量，炉气量lV 计算式如下：
，式中：V1表示炉气量，u表示平均脱碳速度；G 表示最大铁水装入量； 表示炉气中CO、CO2的容积百分数。
2.2热场分析边界条件
余热锅炉烟气在入口处温度为 1826.27℃，因此在分析模型的入口处设置固定温度为 1826.27℃。由于余热锅炉由密布的水冷壁管道包围，对余热锅炉内部烟气形成了很强的冷却效果，可近似视为外部水膜冷却（等效为平板冷却），水流流速为 12m/s，ALGOR 可以根据外部流场情况自动计算出模型表面的对流换热系数。
活动烟罩中，起初较低流速的烟气经历温度下降的过程而加大了它的流动速度。发生这个现象的原理是气体体积膨胀效应。在末段 180°拐角处产生较强的漩涡，在漩涡处烟气达到最大流速 44.5m/s，致使此处烟道内壁面冲刷严重，易坏。
另外，冷壁管中的水发生热交换，温度逐渐降低，靠近壁面处由于水冷壁管对烟气的强效冷却作用，温度下降比管道中心处快，同时在拐角处由于速度的影响，温度场也发生较大的变化，靠近拐角处温度下降的快。烟道出口处烟气温度总体降到 570℃。通过对实例一温度场的模拟，模拟结果与现场实测烟温对比发现：模拟结果570℃落在实测出口烟温范围 500℃～696℃内，且与现场实测出口烟温范围的平均598℃相差 28℃，模拟结果与实测烟温平均值较接近，验证了该模拟的正确性。
参考文献：
[1] 杨金鼎，戚丙申，郭伯伟等.氧气顶吹转炉二次燃烧技术的试验研究[J].冶金能源，2011，30（1）：34-38.
[2] 杨丽霞.氧气顶吹转炉余热锅炉模拟分析计算[D].内蒙古科技大学，2012.
作者姓名：刘友洪（1981.11--） 职务：设计员，职称：助理工程师，学历：大学本科，研究方向：转炉余热锅炉设计。