煤氧火焰熔化废钢的基础研究.pdf_大学文库

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.0M.007 第17卷第4期北京科技大学学报 Vol.17 No.4 19958Journal of University of Science and Technology Beijing Ag.19%5 煤氧火焰熔化废钢的基础研究朱荣张鉴万天骥北京科技大学冶金系，北京100083 摘要在实验基础上，通过建立数学模型，对煤氧火焰熔化棒体进行了研究·结果表明：采用一维不稳态有移动边界的熔化数学模型计算棒体的熔化速度与实验结果相符合· 关健词数学模型，废钢熔化，煤氧枪中图分类号TF703.40241.82 Basic of Scrap Melting by Coal-Oxygen Burner Zhu Rong Zhang Jian Wan Tianji Department of Metallurgy,USTB,Beijing,PRC ABSTRACT Based on the experimental data,a melting mathematical model for simulating the unsteady one-dimensional moving boundary has been set up.The cal- culated melting rate of scrap was consistent with experimental value. KEY WORDS mathematical models /scrap melting,coal-oxygon burner 近年来，国外已开发出及正在开发的熔化废钢技术主要有：以氧一燃料燃烧产生的高温火焰为主要能源的废钢熔化炉，如：EOF、KSS-EAF2)、Z-BOPI到、KS4等等. 国内也正在开发以煤氧熔化废钢的技术).这类依靠氧一燃料燃烧产生的高温高速火焰进行加热熔化废钢的方法，熔化机理是：火焰通过对流及辐射将热量传递给废钢表面，逐渐将废钢熔化·如何定量描述这一现象，尚无文献报道，本文通过在实验室内棒体（钢棒或铁棒)的熔化实验，建立数学模型；对单一棒体的熔化过程中，不同煤氧枪功率对熔化速度的影响进行了初步的研究· 1实验装置及方法将一直径为40m,长度等于L的棒体，水平放置于实验炉内，煤氧枪正对棒体的端面，火焰完全覆盖端面·考虑到实际熔化炉内废钢之间是并肩排列的，因此在棒体与实验炉壁之间填充车屑.这样，棒体的端面将同时受到火焰对流及辐射传热的控制，而在棒体的侧面可不考虑对流及辐射的影响.实验前将炉温升至1000℃左右· 实验用新研制的高强度内燃式煤氧枪进行，煤氧枪功率40~150kVA,火焰出口最高温度2400~2500℃，火焰焰心长度400~600mm,火焰中C02/C0=0.25~8.0,火焰出口 1994-12-28收稿第一作者男32岁博士

第 17 卷第4 期北京科技大学学报 1望巧年 8 月 Jo u 丁n a l o f U 苗v e rs lty o f s a e n c e a nd Te 改m o fo g y Be ij ing V d . 17 N 6 . 4 A 嗯 . 1望巧煤氧火焰熔化废钢的基础研究朱荣张鉴万天骥北京科技大学冶金系 , 北京 1X( X) 8 摘要在实验基础上 , 通过建立数学模型 , 对煤氧火焰熔化棒体进行了研究 . 结果表明: 采用一维不稳态有移动边界的熔化数学模型计算棒体的熔化速度与实验结果相符合 . 关健词数学模型 , 废钢熔化 , 煤氧枪中图分类号刃曰 03;.4 0 24 1 . 82 B as i c o f S er a P M e lt ign b y C o a l 一 O x gy e n hZ u R on g 1无p art n ℃ n t Z h a n g J 泛a n o f M e t a l l u r g y , U S T B Wd n iT a nj i B e i j i n g , P R C A B S T R A C T B a s e d o n t h e e x P e r ime n t a l d a t a , a me lt i n g m a t h e am t ica l m o d e l fo r s i m u l a t i n g t h e u n s t e a d y o n e 一 d im e n s i o n a l mo v i n g b o u n d a r y h a s b e e n s e t u P . T h e ca l - e u l a t e d me lt i n g r a t e o f s c r a P w a s co n s i s t e n t w i t h e x P e r i me n t a l v a l u e . K E Y W O R D S am t h e m a t i e a l mo d e l s / s c r a P me lt i n g , c o a l 一 o x y g o n b um er 近年来 , 国外已开发出及正在开发的熔化废钢技术主要有 : 以氧一燃料燃烧产生的高温火焰为主要能源的废钢熔化炉 , 如 : E O F[ ’ ] 、 K S S 一 E AF 12 、 Z 一 B O P 13] 、 K S 14] 等等 . 国内也正在开发以煤氧熔化废钢的技术 [ ’ ] . 这类依靠氧一燃料燃烧产生的高温高速火焰进行加热熔化废钢的方法 , 熔化机理是〔6 :] 火焰通过对流及辐射将热量传递给废钢表面 , 逐渐将废钢熔化 . 如何定量描述这一现象 , 尚无文献报道 . 本文通过在实验室内棒体 (钢棒或铁棒 ) 的熔化实验 , 建立数学模型 ; 对单一棒体的熔化过程中 , 不同煤氧枪功率对熔化速度的影响进行了初步的研究 . 1 实验装置及方法将一直径为 40 m n l , 长度等于 L 的棒体 , 水平放置于实验炉内 , 煤氧枪正对棒体的端面 , 火焰完全覆盖端面 . 考虑到实际熔化炉内废钢之间是并肩排列的 , 因此在棒体与实验炉壁之间填充车屑 . 这样 , 棒体的端面将同时受到火焰对流及辐射传热的控制 , 而在棒体的侧面可不考虑对流及辐射的影响 . 实验前将炉温升至 1 0 0 ℃ 左右 . 实验用新研制的高强度内燃式煤氧枪进行 , 煤氧枪功率 40 一 1 50 k V A , 火焰出口最高温度 2 4X() 一 2 50 ℃ , 火焰焰心长度 4 0 一 60 O l l n n , 火焰中 C O Z / C O = .0 25 一 .8 0 , 火焰出口 1哭科一 12 一 2 8 收稿第一作者男 32 岁博士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1995. 04. 007

·342 北京科技大学学报 1995年No.4 速度500~1000m/s. 煤氧枪功率等指标控制由图1的操作系统控制，通过调节氧气流量、载气流量、煤粉量 Q 可给定煤氧枪的功率，火焰的氧化性及火焰出口速度的大小，在棒体轴向不同位置焊接有W-Re热电偶，测量棒体表面温度及棒体内轴向的温度分布·表面热流是通过表面温度、棒体内温度等进出测量数据计算以及表面热流计测量得到的· 图1煤氯枪控制图 1氧气瓶：2减压阀；3阀门；4,5分配表：6流量计： 2实验结果及分析 7压力表；8煤粉罐：9给料器；10煤氧枪 (1)表面热流密度根据文献，内燃式煤氧枪出口后的高温高速火焰，沿轴向是1条衰减的温度曲线，高温段的火焰，温度衰减快，低温段火焰温度衰减慢，由传热学的基本概念可知，受对流及辐射传热控制的情况下，表面热流密度9=(T(T,为棒体端面火焰的温度).实验测得不同煤氧枪输出功率下，轴向表面热流密度的变化，如图2所示·从图中可以看到，沿轴向表面热流密度的衰减与距煤氧枪出口的距离近似KL的关系· (2)棒体的熔化速度实验对20*钢棒、45#钢棒、生铁棒在不同煤氧枪输出功率下的熔化长度随时间的变 56 化进行了测量（图3、图4）.由于20#钢棒 ●W=1250kW oW=80 kW- 与45#钢棒的物性参数相差不大，实验又难 W=50 kW 免存在误差，所以图3中的3种功率下的20# 740 钢棒、45#钢棒的测量值相近，没有分别标 32 0 示·从图4看到，生铁棒熔化速度随着熔化时 0 ● 间的延长，熔化界面推进逐渐缓慢(20# 16 0 钢棒及45#钢棒也有类似的规律)，煤氧枪输 0 0 出功率为125kW时，生铁棒平均熔化速度达到40mm/min左右，而钢棒的平均熔化速度为 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 14.5 mm/min左右.生铁棒的熔化速度是钢棒 L/m 的熔化速度的2倍多，可见：实际炼钢炉废钢熔化过程中配入一定比例的生铁块，对加速度图2轴向热流密度的变化钢熔化是有作用的· 3熔化模型以实验所测量的数据为基础，建立单一棒体的熔化数学模型.进一步假定：

· 孙 2 · 北京科技速度 5 0 一 1 0 0() m ./s 煤氧枪功率等指标控制由图 1的操作系统控制 . 通过调节氧气流量、载气流量、煤粉量可给定煤氧枪的功率 , 火焰的氧化性及火焰出口速度的大小 . 在棒体轴向不同位置焊接有 W 一 eR 热电偶 , 测量棒体表面温度及棒体内轴向的温度分布 . 表面热流是通过表面温度、棒休内温度等测量数据计算以及表面热流计测量得到的 . 大学学报 1卯5 年 N 6 . 4 ` . - ~ . . . 曰 8 2 实验结果及分析图 1 煤报枪控制图 l 氧气瓶: 2 减压阀: 3 阀门: 4 , 5 分配表 ; 6 流量计: 7 压力表 ; 8 煤粉罐; 9 给料器 ; 10 煤氧枪 ( l) 表面热流密度根据文献「7 ; , 内燃式煤氧枪出口后的高温高速火焰 , 沿轴向是 1 条衰减的温度曲线 , 高温段的火焰 , 温度衰减快 , 低温段火焰温度衰减慢 . 由传热学的基本概念可知 , 受对流及辐射传热控制的情况下 , 表面热流密度 q = 人界X不为棒体端面火焰的温度 ) . 实验测得不同煤氧枪输出功率下 , 轴向表面热流密度的变化 , 如图 2 所示 . 从图中可以看到 , 沿轴向表面热流密度的衰减与距煤氧枪出口的距离近似 K 厂的关系 . ( 2) 棒体的熔化速度实验对 2沪钢棒、 45 # 钢棒、生铁棒在蒸/ ,。一xb 不同煤氧枪输出功率下的熔化长度随时间的变化进行了测量 ( 图 3 、图 4) . 由于 2沪钢棒与 4 5 # 钢棒的物性参数相差不大 , 实验又难免存在误差 , 所以图 3 中的 3 种功率下的 20 # 钢棒、 45 # 钢棒的测量值相近 , 没有分别标示 . 从图 4 看到 , 生铁棒熔化速度随着熔化时间的延长 , 熔化界面推进逐渐缓慢 ( 20 # 钢棒及 45 # 钢棒也有类似的规律 ) . 煤氧枪输出功率为 12 5 kw 时 , 生铁棒平均熔化速度达到 4D 浏叫而n 左右 , 而钢棒的平均熔化速度为 14 . 5 俐叫m in 左右 . 生铁棒的熔化速度是钢棒的熔化速度的 2 倍多 . 可见 : 实际炼钢炉废钢熔化过程中配人一定比例的生铁块 , 对加速度钢熔化是有作用的 . . — 。冲 = 阳I K W — O W = 劣 k w l . O . . O . 住 4 L / m 0 . 6 0 . 8 图 2 轴向热流密度的变化 3 熔化模型以实验所测量的数据为基础 , 建立单一棒体的熔化数学模型 . 进一步假定 :

· 344 · 北京科技大学学报 1卯 5年 N 6 . 4 ( 4) 不考虑熔化过程的氧化放热和棒体径向温度的变化 , 棒体的物性参数为常数 . 则棒体的熔化过程可以看成一维不稳态具有移动界面的导热问题 . 控制方程为 : ( 以过热温度表示 ) 刁0 ( 、 , : ) /日t = 日, 0 ( : , . ) / 日x ’ ( 3 ) 初始及边界条件 : x = d , 0 (二 , , ) = o , 刁o (戈 : ) /刁x = 0 · 对于 x = x( , ) 和 t > o , 在熔化表面处的热平衡是 : 日8 ` , , 、 l r 。 d X 一怡书书= ` = 下 LP 口L 一石二, 十 q `幻 U X 凡 U L ( 4 ) 将 ( 3) 式 , 并从 X 到 d 对 x 积分 : 一 l J es 、 , 产奋. 箭「 ` 户 (· , : ) d一 “ ( ` , ! ) ` ( ! 卜 ” (· , : ) · X ( , ) 」一〔鲁 `“ , x ) 一福二 ~ ( X 0 X 日8 ( 5 ) 代人 ( 3) 式边界条件和 (4) 式到 ( 5) 得 : 备〔户 (一 ) d二 ( “ p · 鲁) X ( ! ) 」一( 1 一誉) ’ ` p c 应用 ( l ) 二 d x 「 L 式 , 可得微分方程 : l , , 、八 . 八 . 0 : \ d x _ 、。 ( l 一 x /乙) , -二 , 砚a 一人】十 1 1 卞 ~ 一二气丁 - 月 - - 丁 - - 一 — 3 ` ’ \ c 沙p / d t P C ( 6 ) 如果从 ( l ) 式计算 0 ( 、 , : ) / 日x , 由 ( 4 ) 式得 : d X P 么毛于U L 八 x 、 = q 0 1 1 一气井 1 、 ` / _ Z k Q P ( d 一 X ) 联立 (7 ) 和 (8 ) 式 , 采用数值积分 , 确定 x( 。和 d( 一 X ) . x( 。的初始条件是 : x( 0) = 0 ; d( 一 X )的初始条件 , 即当表面首次达到表面熔化温度 d( 一幻 , 可由实验实测确定 , 或通过计算 , 公式为l ’ 】 d 一 x( 0) = 2k0 。 / q 。 . 物性参数均来源于文献【10 】 , 计算结果见图 3 、图 4 . 计算结果与实验结果相符合 , 棒体熔化过程界面移动与熔化时间的关系 . ( 7 ) 兀时的能反映 4 结论通过棒体的熔化实验 , 定量分析了不同条件下棒体的熔化速度 . 从一方面考查了新一代煤氧枪的熔化废钢能力 . 采用一维不稳态有移动边界的传热模型描述棒体的熔化是符合实验结果的 . 对进一步考查实际炼钢炉的废钢熔化过程及建立数学模型是一有益的尝试 . 本文符号意义: q 一棒体端面表面热流密度 (W m Z ;) q 。一棒体首次达到熔化时表面热流密度 ( w =nI/ ;) 不一棒体初始火焰的温度 (℃ ) ; 0T 一棒体初始温度 (℃ ;) X (t ) 一熔化长度 (m) ; d( 一刀一棒轴向温度梯度的轴向长度 (m) ; 0 ( 、 ` ) 一熔化过程的过热温度 ( ℃ ;) 兀一熔点 (℃ ;) Q , 一相变过热温度 (℃ ) ; 卜熔化时间 s() ; k 一导热系数 (w /耐 · ℃ ) ; p 一棒体的密度 (比知 3 ) ; Q : 一熔化潜热 ( Jkg/ ;) C 一比热熔 ( Jkg/ · ℃ ) . ( 下转 370 页 )

· 370 · 北京科技大学学报需要进行知识搜索和匹配 , 推理速度很快 . ( 3) 系统构造了一种新型的学习算法 — 混合学习方法 . 1卯5 年 N 6 . 4 参考文献 I L忍 e C C . F u z z y 助ig e i n C o n t or l S那 t e ms : F u z yZ oL g i e C o n t or l e r . IE E E T r a sn S ys t M a n C y be 几 , 199 0 , 20 ( 2 ) : 5 10 ~ 5 13 2 Z h e gn D e lin g . A n a ft e r bl o w E x P e rt S ys t e m b as e d o n F u z z y O P e ar t i n g Ne t wo r k , I F A C LS S ’ 92 , B e ij in g , P er P ir n st Vo l . l . C h i nes e sA s o e i a t i o n o f A u t o ma t i o n , A ug us t , 19 92 : 2 07 ~ 2 10 3 hZ e ng D e ling . eL a 而 n g b y A n a l o g y B as e d o n F u Z y C l o s e nes s D e g er . I n te nar t i o na l A ca d e面 e P u bl is he sr , 199 1 : 9 1 1 ~ 9 15 4 K a n g as J . V a r i a n st o f S e l f 一 o r g a n i z i n g M a P s . IE E E T r a ns N e uar l Ne t wo r kS , l 99() , l ( l ) : 4 12 e 4 18 七二 j 公二 j 工二二二江工; 二 j 上二: J 工二 l p 二 1上二二 J 七二立七二江工二二工二注称二 1 工二二t 二江工二江t 二江七二或工二 J 工 ; 二江】二二次卜二江工二江 1二江公二二 L二 J 七二江七二二江上二二 r二二理 p 二 J l 二二立工二江L 二了称二江工二江上二二 L ; 江七二立 p 二立工二二 (上接 3月4 页 ) 参考文献 1 B o n es t e l l J B . E n e r g y O P ti inT z i n g F u nr a ce S t e e l ma k i n g . Ior n a n d S t e e l E n g ine e r , 19 85 ( 5 ) : 16 一 2 2 2 H o fe r F . S c r a P M e l t i gn w i t h C o s t 一 E fe e t ive E n e gr ies . P r o ce d ign s o f t he s 议 th l n t e rn a t i o n a l l r o n a dn S te l C o n g r es s . N a g o y a : I S IJ , 19 90 . 1 一 1 0 3 昌生 . 转炉的高废钢比吹炼新技术 . 冶金参考 , 199 4( 4 ) :l 一 7 4 B o g d a dn y L V . E co n o 而cs a n d T e e hn o l o g y o f K 一 O B M a n d K M S C o m P a r e d t o B O F iw t h a n d 硒t ho ut B o t t o m S t i r ir n g . I r o n a dn S t e e l E n g i n e e r , 1984 ( 5) : 2 1 一 27 5 朱荣 . 煤氧一直流电弧炉炼钢新工艺的研究 . 炼钢 . 19 94 (6) : 32 一 35 6 徐安军 . 电炉煤氧助熔用氧燃烧嘴的实验研究 : 【硕士学位论文 ] . 北京 : 北京科技大学 , 1 986 7 朱荣 . 电炉内燃式煤氧枪的实验研究 : 【硕士学位论文 ] . 北京: 北京科技大学 , 19 93 8 林瑞泰 . 热传导理论与方法 . 天津 : 天津大学出版社 , 19 92 9 埃克特 E R G . 传导与传质分析 . 北京 : 科学出版社 , 19 83 10 陈家祥 . 炼钢常用图表数据手册 . 北京 : 冶金工业出版社 , 19 84