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1、第一章 转炉烟气的性质及特征第一节 转炉炼钢的基本原理纯氧顶吹转炉炼钢是通过氧枪直接向炉内吹入氧气,与熔池铁水中的硅、锰、磷、碳、硫等发生氧化反应,并由于这些反应的放热 ,使熔池的温度升高。冶炼的基本任务是:1.把熔池中的碳氧化到一定范围内.2.去掉金属中的杂质磷、硫等。3.去除金属中的有害气体和非金属夹杂。4.调整金属到规定的成分要求。5.使熔池温度达到规定的要求。这些任务主要通过上述的氧化反应及由于这些氧化反应而产生的物理现象来完成。其反应的机理如下:吹入炉内的氧气首先与熔池中的铁反应生成氧化铁,存在于渣中。2Fe+ O2=2FeO渣中的氧化铁又与熔池中的硅、锰、磷、碳等进行反应。2FeO
2、+(S i)=(S iO2)+2Fe(FeO)+(Mn)=(Mn0)+(Fe)5(FeO)+2(P)=(P 205)+5(Fe)(FeO)+(C)=CO+(Fe)2(FeO)+(C)=CO2+2(Fe)在转炉吹炼的全过程中各元素含量的变化如图 1-1 所示。吹炼时间(%) 图 1-1 转炉吹炼过程中各元素的变化由于在熔池中进行的这些反应都是放热反应,所以熔池的温度迅速上升,平均每分钟上升 20 以上。当碳氧反应生成的一氧化碳或二氧化碳从熔池中析出上浮时,引起熔池的沸腾,对金属液体起搅拌作用,有利于去除有害气体和非金属夹杂物。第二节 转炉烟气的成份转炉吹炼过程中的主要反应是碳氧反应,转炉炉气也主
3、要是来自于铁水中碳的氧化。在转炉熔池中,碳的氧化物主要是一氧化碳,也有少量的二氧化碳。在一氧化碳从熔池析出后又有一小部分要与炉内的氧继续发生反应,生成二氧化碳。故产生炉气的主要化学反应为:C + O2=co C + O2=CO2 CO+ O2=CO2加入炉内石灰的生烧部分在高温下分解CaCO3=CaO+CO2炉料及炉衬中的水份在高温下分解:2H2O = 2 H2 +O2 吹入炉内的氧气中含有少量氮气,以及部分未进行反应的氧气,也会同炉气一起逸出炉口。所以炉气的主要成分是 C0 、 CO2 、O2、N2 、Hz 等。其组成大致如表 1-1 所示。表 1-1 炉气的主要成分气体C0CO2O2N2H
4、2含量%8090101411当炉气冒出炉口进入烟罩时,由于一部分空气混入,使炉气中的部分一氧化碳燃烧,二氧化碳的比例增加。由于空气带入氮气,使氮的比例也增加。根据处理的方式不同即分为燃烧法和未燃烧法吸入的空气量不同,则烟气成分也不一样。采用未燃烧法回收的烟气煤气成分如表1-2所示。表 1-2 回收煤气成分成分COCO2N2O2H2硫化物含量 %60-8010-1410-150.1-0.50.2-2.00.1-0.5铁水中含碳一般为4%左右.在吹炼前期铁水温度较低,铁水中易氧化的元素硅、锰等首先氧化,其次是磷等元素,同时也有少部分铁随之氧化,碳的氧化速度是比较低的,此时吹入的氧气主要是用于上述元
5、素的氧化,故炉气中CO含量较低,炉气量较少,炉气温度较低。随着上述元素氧化反应的大量放热,熔池温度不断提高,铁水中硅、锰氧化得差不多之后,熔池温度已超过1400,此时将出现碳和氧的剧烈反应,炉气中CO含量相应地逐渐增加,炉气量也随之增加,炉气温度也逐渐升高。在吹炼后期随着溶池中含碳量的减少,碳氧反应减弱,炉气中CO含量亦相应减少,炉气量也逐渐下降而炉气温度则随熔池温度的升高而升高。图12为吹炼过程中炉气CO及CO2含量变化规律,表1-3为30吨转炉厂实测吹炼过程中炉气成分的变化情况。吹炼时间()图12 吹炼过程中炉气中CO、CO2含量变化表 1-3 30吨转炉炉气成分实测表时间COCO2021
6、35”67.620.42.4348”74.010.62.4623”70.010.04.01O55”80.06.02.013lO”82.85.62.0平均76.299.222.51第三节 转炉炉气的温度如上所述,炉内的氧化反应,特别是碳氧反应是放热反应。C +2/102=CO+2430千卡/公斤碳C+O2=CO2+5448千卡/公斤碳放热采用+号,吸热采用一号CO+1/2O2=CO+3018千卡/公斤碳随着吹炼的进行熔池的温度不断升高,炉气的温度也在不断增高。炉气的温度与炉内反应及工艺操作有关,其波动范围较大,一般在1450-1600之间,其平均温度为1520左右。烟气进入烟罩内时它的温度也在发
7、生变化,其变化程度决定于从炉口与烟罩之间缝隙吸入的空气量的多少。在未燃烧法中只吸入少量的空气,炉气中的CO大约有10% 燃烧,使烟气的温度能从1520升到1700-1800。在燃烧法中,从炉口喷出的高温可燃气体与大量的空气混合而燃烧,燃烧后的烟气温度与空气过剩系数有关,按燃料燃烧计算可知,当=1时,烟气理论燃烧温度可达到2500-2800。在用余热锅炉回收余热 = 实际吸入空气量/燃烧炉气中全部一氧化碳所需空气量的情况下,按照现有的技术水平,空气过剩系数最少可达1.2,而一般为1.52.0,这时烟气温度为22001800。当空气过剩系数大于1 以后,其大于1 的部份没有一氧化碳与之进行氧化反应
8、,故不能使烟气温度升高,由于吸入大量的冷空气反而起降温作用。因此只有当空气过剩系数为1 时烟气温度最高.故不回收余热的情况下,为了避免过高的烟气温度,一般要求较大的空气过剩系数,通常为34,有时更大一些,这时烟气温度约为1550-1250oO l 2 3 4 5空气过剩系数a值图 1-3 空气过剩系数与理论燃烧温度之间的关系与炉气成份变化一样,在吹炼过程中随着炉内碳氧反应剧烈程度的变化,炉气的温度也是变化着的.在吹炼初期炉气温度较低,随着硅、锰的氧化及熔池温度升高,碳氧反应越来越剧烈,炉气的温度也越来越高。图1-4为转炉吹炼过程中炉气温度的变化规律。图1-5为某30T顶吹转炉厂测得炉气温度变化
9、的情况。吹炼时问图 1-4 吹炼过程中炉气温度的变化2 4 6 8 10 12 14 吹氧时间(分)图 1-5 30T 转炉炉气温度测量值第四节 转炉炉气量一、炉气量的变化规律 从转炉析出的炉气量是设计烟气净化与回收系统的基本参数之一,因此我们必须对转炉吹炼过程中炉气量、烟气量的变化规律有充分的了解。在转炉吹炼过程中,不管采用燃烧法还是未燃烧法,烟气量都是随着炉气量的变化而变化的,而炉气量又是随着碳氧反应的剧烈程度而变化着的。第二节己讲过,在吹炼的前期碳氧反应较弱因此炉气量较小,而在中期碳氧反应最剧烈,则炉气量也就最大,烟气量也就最大,而在吹炼后期,由于熔池中碳已很少,碳氧反应大大减弱,此时炉
10、气量减少,烟气量也减少,从图1-6中可以清楚地看出吹炼全过程烟气量的变化规律。0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100吹氧时问图 1-6 吹氧时间与炉气量关系吹炼过程中的最大烟气量对于烟气净化系统的设计是最有意义的.最大炉气量受到转炉吨位、最大降碳速度等因素的影响,如25吨转炉的最大烟气量约为16000标米3/小时,120吨转炉约为54000标米3/小时,150吨转炉的最大烟气量约为69000标米3/小时.第五节 影响烟气量的因素影响最大脱碳速度的因素十分复杂,它决定于吹炼中热力学和动力学的全部过程和烟气量的变化。影响最大脱碳速度的主要因素如下:一、 供氧强度供氧强度提
11、高,单位时间内向熔池内提供的氧气量增加,加剧了碳氧反应,使最大脱碳速度增加。由于脱碳速度增加,使炉气量增加。二、 喷枪孔数采用单孔喷枪吹炼时,降碳不易平稳,最大降碳速度与平均降碳速度差别很大,一般最高达0.4%以上,而采用多孔喷抢时,可使供氧均匀,降碳平稳而供氧强度高,吹炼时间短。三、枪位的影响氧枪喷头到熔池面高度被称为枪位。枪位低,冲击面积小,冲击深度大,钢、渣搅拌能力强,最大降碳速度相应增加,炉气量增加。反之,枪位高,钢、渣搅拌能力减弱,最大降碳速度相应减少,炉气量减少。四、造渣剂及冷却剂加入的影响当用矿石或铁皮作为冷却剂加入炉内时,对最大降碳速度和最大炉气量影响较大。铁矿石中一般含有80
12、% 的Fe2O3.在炼钢的温度下加入时有90%的Fe2O3 发生如下反应。Fe2O3+3C=2Fe+3CO这说明如果矿石加入量大且集中,炉气量甚至可比正常量增加50%左右,造成风机能力不足,炉口大量冒烟,以至于喷溅等.故一般要求矿石在降碳前期分批多次加入,使炉内反应平稳.第六节 烟气量的计算炉气量的计算方法有多种,究竟采用哪种合适,需要根据生产实际及本单位具备的条件来决定。一、按最大降碳速度计算用该法计算时, 首先必须测定出本厂的实际最大脱碳速度及CO和CO2 占炉气体积的百分数。由反应:C + O2= CO C + O2= CO2 12 克22.4 升12克22.4升可知,不管反应生成CO,
13、还是CO2消耗一个克分子碳,就能生成标准状态下为22.4升的CO或C02,也就是说,消耗一公斤分子碳就能生成标准状态下为22.4米 3的CO,那么每小时由碳氧反应生成的一氧化碳和二氧化碳的体积为：V(CO + C02)=GVc 22.4/12 60每小时内产生的炉气量为Vo=GVc 22.4/12 60 1/(CO +CO2)(标米3/ 小时)式中Vo最大降碳速度时产生的炉气量,标米3VCO+CO2最大降碳速度时产生的CO量与CO2量之和,标米3G最大铁水装入量,公斤Vc 最大降碳速度 ,%/分22.4公斤分子气体在标准状态下的体积,标米3/公斤分子12碳的分子量CO,CO2炉气中CO和CO2
14、的体积百分数。二、按经验公式计算此公式系假定吹炼期平均炉气量为1,考虑到强化冶炼和加矿石时炉气量突然增大的因素,取其最大可能系数为1.8.其计算公式如下Vo=G(C1-C2)22.4/1260/t1.8(标米 3/ 小时)式中 V 。按经验公式计算的最大炉气量,标米3/小时 G 最大铁水装入量,公斤C 铁水中含碳量,%C2 终点钢水含碳量,%,t 吹炼时间,分1.8经验系数。三、计算实例某转炉容量为120吨,最大铁水装入量145吨,供氧强度为2.5标米3/吨分,铁水含碳量为4.2% 。冶炼时间为22分钟,钢水含碳量为0.10%,最大降碳速度为0.25%/分。炉气成分 : CO CO2 N2 0
15、285% 11% 3.5% 0.5%炉气量计算1、按最大脱碳量计算Vo= G Vc22.4/1260 1/(CO+CO2)=1450000.002522.4/12 601/( 0.85+0.11)=42292标米3/ 小时2、按供氧强度计算废钢法Vo=2GK60=21452.560=43500标米3/ 小时3、按供氧强度计算矿石法Vo=2.56GK 60=2.56 145 2.5 60=55680标米3/ 小时4、按经验公式计算Vo=G(C1-C2)22.4/1260/t1.8(标米 3/ 小时)=14500(0.24-.0001) 22.4/12 60/22 1.8(标米 3/ 小时)=54
16、478标米3/ 小时炉气冒出炉口,进入烟罩时,有一部分一氧化碳与空气结合,燃烧成二氧化碳。燃烧量的大小取决于吸入空气量的多少。吸入的空气量可用空气系数来表示,值的意义是实际吸入量与燃烧炉气中全部的一氧化碳所需要的空气量之比 ,在调节排烟量的未燃烧法中=00.15在固定排烟量的部分燃烧法中0.3。空气中含有约21%的氧气,79%的氮气,根据化学反应平衡式可知. CO +02 =CO2燃烧一个体积CO气体,需要0.5体积氧气,则代入的氮气量约为:79/210.5=1.88个体积氮气当采用未燃烧法时,一般只有10%CO 燃烧为CO2故此时进入烟罩的烟气量为:V= V。+ V。CO% 10/1001.
17、88=1.169 V。式中V总烟气量 V。为炉气量CO% 炉气中C0% 百分含量。当空气过剩系数为时V=Vo+(VoCO%1.88)+Vo(-1)CO%=Vo+1.69Vo+0.9(-1)=Vo(1+1.69+0.45-0.45)=(0.55+2.14)Vo例:假设某转炉产生炉气量5000Nm3/h,当采用未燃烧法时烟气量为:V烟气 =1.17V炉气 =1.17 5000=58500Nm3/h当采用燃烧法时,如果空气系数为3则烟气量为:V烟气= (0.55+2.14)V炉气=(0.55+2.143)50000=348500Nm3/h显然采用未燃烧法烟气量比采用燃烧法时烟气量小得多。因此其设备费
18、用及操作费用都比燃烧法低得多。第七节 炉气的测定由于生产条件的不同、计量系统的误差以及其它种种客观因素的影响,顶吹转炉炉气的成份、温度、流量等实际值，与资料提供的数值有一定的差距,因此在实际生产中往往需要对转炉炉气的成份、温度、流量进行测量。因为转炉炉气温度高,成分变化大,流量波动也大,且在炉口水平截面上温度、流量、成份的分布也不均匀，因此采用一般的方法是难以进行测量的。一、炉气温度的测定据所测炉口大小,选择合适长度的水冷套管或外套纸管的不锈钢管,在管内装有0.5毫米钨5-铼20抽气热电偶,点测炉气温度,用XNX-1042电子电位差计记录温度曲线。测点一般选在炉口下200-300毫米炉衬与氧枪
19、之间处。二、炉气成份的测定采用直径为162毫米,适合长度的不锈钢管,外套纸管,不锈钢管前端有露出200毫米左右的刚玉陶瓷管，陶瓷管与不锈钢之间用石棉绳充填并用高温耐火泥封死,配以抽气泵点取炉气样,取样位置与测温位置相同。试样应在取样后2 小时之间用气相色谱仪或亨氏、奥氏分析仪分析。三、测试时注意事项在测试温度或取炉气成份样时,必须注意以下几点。1.炉气中含CO量60%以主,测试、取样时必须注意安全,防止CO中毒。应将间隔排放的CO气体排入烟罩。为保证取样可靠,应事先将取样系统内的空气排除干净,并注意安全，防止爆炸。2.取样测试点均取在炉口下，且由于吹炼过程中喷溅等原因,很容易将偶头取样孔堵塞，
20、为此必须采取一定的防护措施。3.如上所述,炉气的温度、成分等在炉口水平截面上的分布是不均匀的,因此取样测试时必须选好位置,以便所得到的数据有代表性,倘若能在平面上多取些点,然后加权平均则更能精确可靠。不过这样做将会给测试工作带来很大的困难。第八节 烟尘的性质一、烟尘的成份在向金属熔池吹氧的过程中，在氧射流与熔池直接作用的反应区内,局部温度可高达2500-2800,造成一定数量的铁和铁的氧化物的蒸发。蒸发的铁或铁的氧化物随炉气逸出,使炉口排出的烟气带着浓密的烟尘。除此之外,由于喷溅和喷射的原因,在炉气中还包含着一些由炉气机械夹带出的渣粒。在下料的过程中一些散状料（如白灰、萤 石、矿石、铁皮、白云
21、石等）的细粒、粉沫、灰尘也被炉气带入烟道。工业废气的含尘量，通常是以每标准立方米含尘量的重量来表示的,如：克/标米 3、毫克/标米3等。氧气顶吹转炉中的烟尘量一般为金属装入量的0.81.3%,烟气中的含尘量平均为6080克/标米3在吹炼中期或加料瞬间含尘量最高达120克/标米3，转炉烟尘的成份如表1-4所示表 1-4 烟尘成分表成分%FeOFe2O3Fe粒总FeSiO2MnOCaOMgOP2O5C未燃法67.1616.200.5863.43.640.749.040.390.571.68燃烧法2.3926.4066.50.81.61.6从表中可见,氧气顶吹转炉炼钢的烟尘主要是铁的氧化物,含铁量高
22、达60% 以上,在未燃烧法中CO含量高达5070%,烟尘的主要成分是低价氧化铁Fe0,而在燃烧法中,由于吸入大量空气,CO全部燃烧,烟气呈氧化性,所以烟气的主要成份是高价的氧化铁Fe2O3.显然可以做为炼钢和炼铁的原料.二、 烟尘的粒度转炉烟尘的粒度是极细的,未燃法产生的烟尘粒度大部分为1020m。而燃烧法的烟尘粒度小于1m的约占95%左右（见表1-5），使净化更为困难。因此建议转炉车间应配套建设未燃法煤气回收系统，并为保证安全与回收煤气的质量，应装备炉口微差压与煤气中的氧含量监测装置。表 1-5 氧气转炉烟尘粒度组成未燃法燃烧法粒度，m%粒度，m%201615102072.30.514551
23、09.90.55051.8氧气转炉在吹炼期间产生大量含尘炉气，其温度高达14001600，炉气中含大量CO并有含铁量为60%左右的粉尘（约占铁水装入量的1%2%）。如果让这些炉气出炉口后任意放散，不但会污染环境，同时也浪费了大量能源和有用物质。通常每炼1t钢可收得转炉煤气70100m3、粉尘1020kg、回收蒸汽约7090kg，因此无论从治理环境还是回收能源方面，都必须对转炉炉气进行净化处理和回收利用。思考题1.转炉炼钢的主要化学反应是什么?试写出其化学方程式。2.转炉炼钢熔池温度升高的热源是什么？3.冶炼的基本任务是什么？通过什么手段来完成？4试描绘转炉吹炼全过程中熔池内各元素的变化规律。5
24、转炉烟气的主要成分是什么?影响这些成分含量的因素有哪些？6转炉烟气中一氧化碳及二氧化碳在吹炼的全过程是怎样变化的?为什么?7. 什么叫空气过剩系数?8转炉吹炼全过程中炉气的温度是怎样变化的?9影响烟气温度的因素有哪些?10空气过程系数与炉气理论燃烧温度的关系是怎样的?如何解释这种变化规律?11吹炼过程中炉气量是怎样变化的?12.怎样计算加入矿石对炉气量的影响?13计算炉气量的方法有哪些?14.已知某转炉容量为25吨，最大铁水装入量为30吨，最大降碳速度为0.38分。用最大降碳速度计算法求出其最大炉气量。15某120吨转炉；最大装入量为142吨，铁水含碳量为4.0，终点钢水含碳量为014，吹氧时
25、间为22分钟，按经验公式求其最大炉气量。(加矿石的经验系数取18)。16某50吨转炉，最大装入量为58吨，供氧强度为24标米3吨分，矿石修正系数为2.56，按供氧强度计算法分期求出废钢法和加矿石法的最大炉气量。17.某150吨转炉，装入量为180吨，铁水含碳量为420，炉气中一氧化碳含量为85，二氧化碳含量为11，氮气含量为35，氧气含量为05，按提供的经验公式计算其最大炉气量。18某转炉最大炉气量为7060标米3小时，烟气中一氧化碳含量为58，空气系数为03，求最大烟气量。19转炉烟气的特性是什么? 20.转炉烟尘的主要成份是什么?21.采用燃烧法和未燃浇法时转炉烟尘的粒度有什么不同?22.转炉烟气的危害是什么?
