钢包包型选择、传热计算及耐材、运行成本分析
随着钢铁工业的发展,钢铁工业已经从初期的生产普钢逐步发展到生产优钢、特钢,中国的钢材产量已经跃居世界第一,品种规格基本实现全覆盖。钢包作为钢水的承载、运输、精炼和浇铸,它对钢的质量、生产安全及经济运行指标有着重要影响。
钢包的形状、尺寸影响着钢包的使用,不同的钢包在使用过程中具有不同的特点。钢包在生产周转过程中的传热,不仅影响炉外精炼和连续浇铸过程钢水温度的变化,而且影响着钢包钢壳的使用安全。通常碳素钢蠕变温度300~350℃,合金钢的蠕变温度400~450℃;当钢壳温度超过蠕变温度后,钢壳的强度变差,不仅影响寿命,而且影响安全生产。
以某厂80t转炉的钢包为例,通过对钢包的各项参数进行研究,分析了两种不同钢包的技术经济指标、投资、运行成本、传热、卷渣、冶金效果等方面的差异,为现场优化设计钢包的各项参数提供参考。
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钢包选型的冶炼条件
某厂80t复吹转炉的钢包选型的冶炼条件见表1。
表1钢包选型的冶炼条件
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钢包的选型
根据冶炼条件,钢包有标准型和矮胖型两种包型可选。其具体尺寸如图1所示。
图1两种钢包的包型
2.1两种钢包主要技术参数对比
标准型和矮胖型钢包的尺寸见表2,参数对比见表3。
2.2传热计算
建立钢包数学模型,根据钢包结构特点,钢包传热计算做如下假设:
1)钢包壁视为无限长圆筒壁,钢包底和钢液表面视为无限大平壁;
2)包壁、包底的导热按一维稳态导热计算;
3)忽略钢包各层耐火材料间及耐火材料与钢壳间的接触热阻;
4)钢包所用耐火材料物性参数不随温度变化;
5)热量仅沿着厚度方向从内向外传热,其他方向是均匀的。
2.2.1标准型钢包传热计算
1)钢包壁热传导
钢包壁热传导(多层圆筒壁导热公式)
式中:t钢水为钢水温度,取1600℃;t包壁为钢包包壁外表面温度,取300℃;λ耐材为耐火材料的导热系数,铝镁尖晶石浇注料导热系数取0.7W/(m·K);λ钢壳为包壳的导热系数,Q345钢的导热系数48W/(m·K);d1为圆筒状钢包内钢水的直径,锥形钢包取上下面钢水直径的中间值,2418mm;d2为圆筒状钢包内耐材的直径,锥形钢包取耐材直径的中间值,2898mm;d3为圆筒状钢包内包南壳外径,锥形钢包取包壳外径的中间值,2948mm;l为圆筒状钢包钢水的高度,锥形钢包近似取钢水的高度,2490mm。
2)钢包底热传导
式中:d为钢水底面直径,2305mm;t钢水为钢水温度,取1600℃;t包底为钢包包底外表面温度,取300℃;λ耐材为耐火材料的导热系数,铝镁尖晶石浇注料导热系数取0.7W/(m·K);λ钢壳为包壳的导热系数,Q345的导热系数48W/(m·K);δ1为包底耐材厚度,350mm;δ2为包底钢壳厚度,40mm。
3)辐射传热
钢液面辐射传热:
式中:σ为黑体辐射常数,5.67×10-8W/(m2·K4);A为辐射表面积,由钢水上液面直径计算得出,上液面直径取2535mm;ε为钢水的黑度,取0.29;t钢水为带渣钢水温度,取渣面温度为1000℃,即1273K;t空气为钢包上液面空气的温度,取40℃。
4)传热总计
2.2.2矮胖型钢包传热计算
同理可得矮胖型钢包传热q=342940W。
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结果分析
3.1传热的经济分析
经计算矮胖型钢包比标准型钢包要多散热12%。
经计算从转炉出钢到钢包连铸浇铸结束约为60min,矮胖型钢包要多耗电约(342940-305978)/1000×1=37kWh,相当于每吨钢水增加电耗约0.46kWh。1年则需要增加电耗130×104/80×37=601250kWh。按每度电0.7元计算,采用矮胖型钢包一年增加费用约42.1万元。
而且随着品种结构的升级,大部分钢种需要经过精炼炉甚至VD炉或者RH真空精炼炉生产,钢包的在线使用时间明显增加,实际的能耗比理论值更大。
3.2其它经济分析
3.2.1钢结构投资矮胖型和标准型钢包的钢结构质量分别为19.8t和14.6t(见表3),按每座转炉配备10~12个钢包,钢结构按1万元/t计算,采用矮胖型钢包投资增加(52~62.4)万元。
3.2.2耐火材料投资
若按每炉出钢量80t、耐材消耗按80炉寿命、耐材单价按4000元/t、两种钢包耐材质量差按0.084t、年产量130万t计算,采用矮胖型钢包投资增加130×104/80/80×0.084×0.4=6.8万元。
3.2.3钢包运行成本
若按年产量130万t、矮胖型与标准型钢包钢结构差值5.2t、吊车按每次提升10m,每包提升2次考虑,每次5min,一年则需多耗电约3.575×105kWh。按每度电0.7元计算,采用矮胖型钢包一年增加使用费用约25万元。
3.2.4冶金功能对比
钢包为炼钢生产重要设备之一。随着冶炼工艺的改进与发展,已经从早期的简单的冶金设备转变为重要的工艺设备,其中精炼过程需要在底部进行吹氩,从而促进夹杂物的上浮,均匀钢水成分,提高钢水纯净度等方面的作用。炉外二次精炼的作用在现代冶金的作用越发明显。据研究资料表明,气体流量一定时,熔池越深,气体具有的浮力势能越大,且气体上浮到钢渣界面因压力减小恒温膨胀做功增大,有利于提高气体的搅拌能力。钢包冶炼过程的混匀时间决定了钢包精炼时间,底部面积大的钢包所需要的混匀时间越长,底吹气就越大。两种钢包在使用过程中,标准型钢包在冶炼时,底部面积小,吹氩时更利于夹杂物上浮去除,而矮胖型钢包在吹氩过程中,需要更多的氩气来达到同样的冶金效果,从而增加生产成本。
3.2.5防卷渣分析
在整个炼钢体系中,转炉或电炉出钢或连铸钢包向中间包浇注都会在出钢或浇铸末期出现漩涡,并且漩涡一旦产生就会出现卷渣现象。夹杂物的加入,严重影响钢水的纯净度,卷入中间包的夹杂物易堵塞水口,而夹杂物一旦流入结晶器,就会造成铸坯内部缺陷。
生产优钢或者特钢时,钢包通常采用留钢操作防止卷渣。上述标准型钢包底部直径为2305mm,矮胖型钢包的底部直径为2544mm。底面积的比值为K=0.82,即标准型钢包底部面积为矮胖型钢包底部面积的80%。对比标准型钢包和矮胖型钢包,相同高度的钢液明显矮胖型的余钢更多,从而增加了金属料耗,增加生产成本。
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结论
1)通过对两种钢包进行对比,标准型钢包在投资成本、运行成本等方面具有较大的优势。
2)标准型钢包在能耗方面具有更大的优势,可以减少钢水温降、节约电耗。
3)标准型钢包在冶金效果方面具有更大的优势,可以减少钢水的死区,除去夹杂物。
4)标准型钢包可以减少涡流卷渣、提高钢水的纯净度。
5)综合分析,采用标准型钢包,即钢水液面直径与钢水液面高度之比接近1,具有更大的优势。