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本科生毕业设计说明书（专题小论文）学生姓名:
题 目：高效节能型钢包烘烤器的研究以及原理
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高效节能型钢包烘烤器的研究以及原理
摘要 本文概述了钢包烘烤的意义、国内外烘包器的现状，重点介绍了新开发的自身预热钢包烘烤器和高效蓄热钢包烘烤器。同时介绍了高效蓄热式钢包烘烤器的原理、系统的组成。 关键词 钢包烘包器 自身预热烧嘴 蓄热燃烧烧嘴 原理 组成
Research & Principle of Ladle Pre-heater with High-Efficiency and Energy-Saving ABSTRACT The significance of ladle preheating and the application status of ladle pre-heater in abroad and China were introduced, The developed ladle pre-heater with self-preheating burner or with regenerative ceramic burners was described.And introduces the principle and compose of Ladle Pre-heater with High-Efficiency and Energy-Saving
KEY WORDS Ladle pre-heater, Self- preheating burner, Regenerative ceramic burner，Principle，compose 1 前言
随着钢铁生产者对钢铁生产质量和成本的重视，对钢包、中间罐、铁水包烘烤温度和能耗提出了更高要求。一方面要求把钢包烘烤到较高温度和温度均匀性，另一方面要求能耗低、环境污染少，甚至可以应用低热值燃料。
原有钢包烘烤器为传统直燃式，燃料为高炉煤气。钢包烘烤时间长，能耗大，包衬烘烤温度不均匀，烘烤质量差，难以满足炼钢生产的工艺要求，而且因高炉煤气热值不能稳定燃烧，需用氧，实行富氧燃烧。
本文主要对国内外钢包烘烤器的现状进行了分析， 对常见的采用空气自身预热烧嘴的立式烘烤器和卧式烘烤器、蓄热式钢包烘烤器进行了介绍，并对后者的原理进行了详细的介绍。 2 钢包烘烤的意义
钢包是盛储钢水的容器，也是精炼设备的组成部分。钢水在装入钢包后的传输和浇铸过程中要损失大量热量，其热量损失大致分为三部分：（一）钢水上表面（钢包口）的辐射热损失；（二）钢包外壳表面的综合散热损失；（三）钢包内衬的蓄热损失。其中以钢包内衬的蓄热损失为主。钢水在钢包中的热损失比率大概是：包衬蓄热 45~50%，包壁散热 20%，钢水上表面辐射 20~30%，如果减少钢包的热损失，钢水在钢包中的温降可以大大减低，有测定数据指出：对于90t钢包，包衬温度由提高到 ，钢水总温降可以减少 。 钢水温度稳定在低过热度下浇注，可以实现高拉速、减少漏钢事故，而且可以提高铸坯的内部质量、消除中心缩孔、减轻中心偏析，同时对炼钢也有利，可以减低出钢温度，从而提高炉衬使用寿命，降低钢中气体含量。采取提高出钢温度的方法来补偿钢包盛钢期间钢水的温度损失是不
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经济的，过高的提高炼钢温度不仅延长了炼钢时间，降低钢产量，增加原材料（耐火材料）和动力能源消耗，缩短熔炼炉的检修周期，而且容易造成连铸生产的波动和铸坯的质量缺陷。因此提高钢包的烘烤温度，在保证连铸合理的浇铸温度前提下，减少连铸工艺过程系统的钢水温降，适当降低出钢温度，无疑对炼钢和连铸生产都有实际的意义和明显的经济效益。 3 国外的经验
俄罗斯的经验是采用沉入式烧嘴，即将烧嘴的喷口沉入到钢包的底部，整个烧嘴本体置于钢包之中“烧热”。第聂伯钢铁公司采用多孔新型烧嘴（如图1）可将钢包烘至，热效率高达55-60%。这种烧嘴结构庞大，采用耐热钢制造，价格昂贵，不适合我国国情。
图 1 沉入式烧嘴
日本的经验是采用如图 2所示的烧嘴，我国称之为自身预热式烧嘴，助燃空气预热温度大于，喷口喷出速度较大的直进火焰，直冲包底。这种烧嘴具有以下优点。 1) 预热器与烧嘴一体，助燃风可以预热到 以上。
2) 钢包盖盖严钢包口，火焰不能外逸，多从烧嘴预热器通道走，防止了火焰大量外逸的
热损失。
3) 采用较高速度的直进火焰，包底加热效率非常高，烧嘴的噪音不超标。
4) 烧嘴的调节范围相当广，空气和煤气的配比容易调节，可根据规定的升温程序进行操
作。
5) 采用外混式喷嘴，故不回火。
日本的经验还有：如采用钢包二级加热，即在离线钢包烘烤器将钢包予加热到 800~保温备用。使用前通过在线钢包烘烤器迅速将钢包升温至盛钢,这种方式可减少高温保温时间过长的热损失。
日本的卧式钢包烘烤器经验也很好：即将钢包放倒烘烤，卧式钢包烘烤器置于台车上。这种结构钢包烘烤器的烧嘴及换热器放在钢包侧面，工作条件得到极大改善，有利于延长设备的使用寿命。这种形式的钢包烘烤器在我国已有引进和消化。
80年代初在英国开发成功的陶瓷球蓄热自身预热式系统，大大超过了管式换热系统的废热利用效率，但仍存在NOx高，蓄热效率不够高（给受热体温差仍有150）和设备笨重的缺点。75 吨铁水包预热装置采用烧重油的能力为 5GJ/h 的蓄热式自身预热式烧嘴后，比原先的烧嘴节约了一半燃料消耗量，即每次节约燃料。切换燃烧的效果是温度差为±。日本新开发的蜂窝式蓄热体（如图3），与陶瓷球蓄热体比较，有单位体积换热面积大（大4 倍
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左右）；有效流通截面大（大 7 倍左右）；防尘结渣的特点。蜂窝式蓄热体实际应用中蓄热效率85-95%，给（炉子排出废气）受（燃烧用空气）热体温差 50K，正常工作寿命两年。
在开发蜂窝式蓄热体烧嘴的同时，日本还进行了一系列炉内燃烧控制和烧嘴结构的研究，已应用在一台60吨电炉钢包的烘烤。在采用自身预热式以前，烤包系统无废热回收，排气温度约有。由于蜂窝式蓄热体体积小，重量轻，
图 3 蜂窝式蓄热燃烧器
可直接安置在钢包盖上。使用效果说明，在传统的无废热回收的烤包下，燃料的热利用率只有30%，在采用自身预热式后，燃料的热利用率达到了70%。采用新烤包技术时，在钢包加热升温阶段，只需改造前供热量的60%烘烤，在烘烤钢包保温阶段只需原燃耗 35-40%，综合烤包节能可达到56%。且烤包质量明显提高，包衬温差减小，钢包使用寿命提高 10%左右。
4 高效节能型钢包烘烤器发展 4．1 自身预热式钢包烘烤器
图 4 自身预热式烧嘴
常见的空气自身预热烧嘴有立式烘烤器和卧式烘烤器。通过回收燃烧废气中的热量把空气预热高达 ，对提高烘烤温度、烘烤的温度均匀性、节约能源具有独到之处。目前已被国内抚顺、江阴、大同等多家企业采用，并取得良好效果。如在中美合资大同 ABC 铸造有限公司使用， 由于钢包烘烤温度和质量的提高，降低了出钢温度，有利于提高后工序产品质量和产品合格率，降低了钢的烧损率和耐火材料的消耗。 4．2 蓄热燃烧钢包烘烤器
蓄热燃烧钢包烘烤器如图 5 所示，一个单元由两个烧嘴、两个蜂窝蓄热体、气体切换阀和相关控制系统组成。
图 5 蓄热式钢包烘烤器
高效蓄热式烘烤器系统的原理： 高效蓄热式烘烤器系统采用封闭式烘烤方式,使得高温废气与助燃空气以及煤气在陶瓷蓄热体内交替通过，相互间进行充分的热交换，将助燃空气和煤气预热到左右，增加了二者的热焓，实现了稳定、高效、节能燃烧。
该系统中，将烧嘴与蜂窝蓄热体制成一体，成对布置在钢包盖上，并且把烧嘴的高温段嵌入包盖内，以降低热损失，提高热效率。两个烧嘴中，A处燃烧状态时，另一个烧嘴B处于蓄热状态。这时高温烟气经处于蓄热状态的B烧嘴喷口流过蓄热体，将蓄热体加热后以100－的温度经换向阀及排烟系统排入大气，达到设定温度后，A、B两组烧嘴交换其工
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作状态，空气（煤气）流过被加热了的蓄热体B，被蓄热体加热至接近钢包内燃烧产物温度后，经B烧嘴喷口喷入包内完成燃烧过程，实现对钢包的加热。高效蓄热燃烧技术采用了新型陶瓷蜂窝体作为蓄热元件。陶瓷蜂窝体有比传统蓄热耐火砖高得多的比热表面积，热惯性极低，并采用高频率切换，换向周期为20－30s,使热利用率达到最佳状态.
考虑到钢包烘烤的特殊状态,由于燃烧器都设置在钢包盖上,地方较小,质量要求较低,所以使用的蓄热式燃烧器必须是小型和轻质量的。为此目的,选择比表面积为1000-1500的蜂窝状陶瓷蓄热体作为蓄热元件，以求最大限度地减小蓄热式燃烧器的重量与体积。 高效蓄热式烘烤器系统组成：高效蓄热式钢包烘烤器系统由烧嘴系统、换向系统和控制系统组成。本系统为空、煤气双蓄热的系统组成，对于不同的燃料条件可以分别采用单预热系统和双预热系统。在燃烧气体燃料时，如果燃气的热值较高（入焦炉煤气和天然气等），燃气在整个入炉气体总量中占有的比率较小，就可以采用只预热空气的单预热方式。如果燃气的热值很低，燃气在整个入炉气体总量中占的比率较大(例如使用高炉煤气场合，高炉煤气占入炉气体总量的55％)就必须采用和煤气同时预热的双预热方式。这样更有利于提高系统的热效率。如果采用单预热方式，则采用系统中的一半的设备即可。在系统中空、煤气流量可调，包盖和烧嘴均采用高质量的耐火材料制造，他们寿命可达2年左右，且换向阀寿命可以达到100万次，因此整个系统结构稳定，安全可靠，灵活耐用，有极高的实用性。
相应的钢包烘烤器全自动控制系统采用灵活多变的PLC控制方式，可实现钢包烘烤温度的自动控制；实现空气、煤气按比率调节；实现空气预热，煤气预热和排烟温度的自动控制等。 5结论
开发了采用高效蓄热燃烧技术的钢包烘烤器。使燃烧系统和热回收系统有机地结合在一起，既可以在最大程度上节约燃料，又提高了加热速度和温度均匀性。其燃烧系统采用数字调节器实现温度和空燃比率调节控制。可以实现用高炉煤气对钢包的高温烘烤。
参考文献
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Electric Arc Furnace.
In: Hsiao Tsechiang and Yoshikawa, Kunio, High Temperature Combustion,
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Sept.1999:181-190.
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