LF钢包精炼炉烟气参数的理论分析与计算Word文件下载.docx
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底部吹气搅拌和电磁搅拌是LF炉精炼采用最
多的两种搅拌方法，对于电磁搅拌方法LF炉无原
始炉气量。
吹气搅拌普遍采用钢包底部通过透气砖向钢
液吹氩气，吹氩搅拌可以使钢液的成份和温度均
匀，加速反应物和反应产物的传输，控制冶金反应，
同时促进钢中杂质的聚集和上浮。
吹入钢包中的Ar在钢液中温度迅速升高并上
浮，由于出钢液面处与吹入的Ar标况量相等，LF
炉原始炉气量就是吹入钢包中的Ar标况量，工况
下的量由下式确定：
⋅
+
×
=
1
01
t273
LL
（1）
式中，L1为钢液面处的炉气量（m
3
/h）；
L0为吹
入钢包中的Ar气量（m
t1为钢液面处的烟气温
度（℃），可采用钢液的温度；
t0为吹入钢包的Ar
温度（℃）。
实际上吹入钢包的氩气量是非常少的，如某
150t钢包吹氩量仅为24Nm
/h。
因此，LF炉在吹
气搅拌时产生的原始炉气量非常小。
3LF炉能量平衡
3.1LF炉的能量守恒
吹氩搅拌时钢包内的钢水被Ar带动上流到钢
液面后向四周流动，沿包壁附近向下流动而形成环
流。
此时氩气将带走一部分热量，同时钢液的强烈
搅动，增加了液面的热辐射，钢液会加速降温。
因2005年第6期钢铁技术·
35·
此LF炉必须设置加热装置，目前主要采用的是电
弧加热，电弧加热的升温速率一般为2℃/min～4.6
℃/min。
从开始加热的时刻τc到加热结束的时刻τm这加
热周期内，能量遵守以下守恒。
∑
∫
=
τ
τ−τ+τ−τ
−=τ
n
1j
cm
2
cmj
cmW
）（RI3）（Q
UUdP
M
C
＋
（2）
式中,PW为电网输入钢包炉的有效功率（kW）；
Um-Uc为加热期始末体系内能的变化，包括钢液、合
金、渣、炉衬等的温升蓄热（kW）；
Qj为单位时间内
冷却水、烟气带走的热量和炉体表面的散热损失等
（kW）；
I为加热期平均工作电流（A）；
R为钢包炉供
电回路一相的电阻（Ω）。
3.2LF炉钢液的得热量
LF炉钢液的得热量按式
（2）计算时比较复杂，
在工程计算时可按以下公式确定。
LF炉所配变压器的额定单位容量一般为120
kVA/t，热效率η一般为30％～45％，LF炉加热时
钢液得到的热量可由式（3）估算或（4）计算确定，
V120QDη=（3）
式中，QD为钢液得到的热量（kW）；
120为常数
（kVA/t）；
η为电弧加热的热效率，一般为30％～45
％；
V为LF炉容量（t）。
V）W%AW%StC（QASmD++∆=（4）
式中,QD为钢液得到的热量（kW）；
Cm为每吨
钢液升温1℃所需要的热量（kW/（t.℃））；
t∆为钢
液的温升，一般为30℃～50℃；
S％＝渣量，造渣
材料量与钢液总量的百分比；
WS为熔化10kg渣料
所需的热量，一般为5.8kW/（1％.t）；
A％＝合金
进入量占钢液总量的百分比；
WA为熔化10kg合金
所需的热量，一般为7kW/（1％.t）；
V为LF炉容
量（t）。
3.3LF炉的失热量
LF炉的失热量包括钢液、渣、合金、炉体等的
温升蓄热，炉盖冷却水（主要是钢液的热辐射）、烟
气（烟尘）带走的热量、氩气带走的热量以及炉体
的散热。
3.3.1钢液、渣、合金、炉体等的温升蓄热
钢液的温升蓄热由下式计算确定：
）TT（cmQ1g2ggg1S−=（5）
式中,QS1为钢液在加热时的吸热量（kW）；
mg为
钢液的质量（kg）；
Cg为钢液的质量比热
（kJ/（kg.K））；
Tg1为钢液的初始温度（K）；
Tg2为钢
液的终点温度（K）。
炉渣的温升蓄热QS2、合金的蓄热QS3、炉体耐
火材料的蓄热QS4等均可参照式（5）计算确定。
其中
耐火材料可根据不同部位所用的不同耐火材料分
别计算确定。
3.3.2炉体的散热损失
钢包炉精炼时钢液温度一般在1750℃以上，炉
体表面温度在200℃左右，由炉体表面向工作场所
散失热量。
由于受炉衬的蚀损影响，随着LF炉炉
疫的增加散热量会增大，炉衬的蚀损一般为0.4
mm/h～0.6mm/h。
炉体散热损失由下式确定：
F）TT（）
100
T
（）
（kQ0bd
404b
LT
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
−α+⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−ε=（6）
式中,QLT为炉体的散热量（kW）；
k为系数，k＝
4.88；
ε为炉体表面黑度；
Tb为炉体外表面温度
（℃），一般为200℃；
T0为车间环境温度（℃），通
常可取25℃；
αd为炉体外表面与车间环境的对流
换热系数，（kW/（m
.h.℃））；
F为炉体外表面积（m
）。
当车间内无横向气流流动时，αd可按下式计
算：
25.0
0bd）TT（A−=α（7）
式中,A为系数，散热面向上时，A＝2.8；
垂
直时，A＝2.2；
向下时，A＝1.5。
当车间内有横向气流流动时，αd按以下公式计
若车间内风速
VF＜5m/s，FdV6.33.5+=α（8）
VF＞5m/s，73.0
FdV47.6=α（9）
3.3.3冷却水带走的热量
LF炉炉盖冷却水系统采用水冷排管，可能有多
条回路，特别是进出水温差也可能不同，计算冷却·
36·
水带走的热量时应分别计算各回路，计算公式如
下。
i
RCWiW）TT（CGQ∑−⋅⋅=（10）
式中，QW为冷却水带走的热量（kW）；
Gi为第i
条冷却水回路中冷却水的流量（kg/h）；
CW为水的比
热（kJ/（kg.K））；
（TC-TR）为第i条冷却水回路的进
出水温差（K）。
3.3.4烟气（烟尘）带走的热量
由公式
（1）可得到LF炉的原始炉气量，由于原
始炉气量很小，其工况烟气量也很小。
但事实上由
于炉盖与炉体的缝隙以及电极与炉盖缝隙的存在，
在不考虑除尘风机的影响时在热压力的影响下将
诱导卷吸大量冷空气进入炉盖冷却通道（也是烟气
通道）内，这样将大大增加LF炉的烟气量。
3.3.4.1Ar带走的热量
Ar在钢液中吸入的热量由下式表示：
Q1＝L1·
C1·
（t1－t2）（11）
式中,Q1为Ar在钢液中吸收的热量（kW）；
L1为
吹入钢液中的Ar量（kg/s），Ar的密度为1.785
kg/m
；
C1为Ar的质量比热（kJ/（kg.K）），可取常数
0.5234；
t1为Ar的初始温度（K）；
t2为钢液的温度
（K）。
需要说明的是Ar带走的热量也将进入炉盖烟
气通道。
由于Ar量很小，为设计安全起见，Ar带
走的热量可忽略不计。
3.3.4.2烟气带走的热量
由于电极加热产生的强烈电弧和底吹氩的影
响，钢液液滴的飞溅氧化等，LF炉炉将产生大量烟
尘；
又由于钢包及钢液为高温源，必然会诱导大量
冷空气进入钢包炉上部并与炉子产生的烟气和烟
尘混合从而加大烟气量。
烟气（包括烟尘）的散发
带走的热量在有无强制抽风时或强制抽风量不一
样时是不同的。
烟气（包括烟尘）的散发带走的热量可用下式
计算：
QYC＝LY·
CY·
（t1－t2）+LC·
CC·
（t1－t2）（12）
式中,QYC为烟气和烟尘带走的热量（kW）；
LY为
原始烟气量（Nm
CY为烟气的定压容积比热
（kJ/（Nm
.K）），可采用以下公式近似计算结果：
CY
＝1.295＋0.000112t1；
t1为烟气或烟尘的温度（K）；
t2为热平衡时的基准温度，通常取313K，或车间温
度（K）；
LC为烟尘的产生量（kg/h）；
CC为烟尘的比热
（kJ/（kg.K））。
实际上烟尘的产生量很难确定，而且其带走的
热量在炉子总热量损失中的比例很小，在工程计算
中可略而不计。
4烟气量的计算
4.1原始烟气量计算
为了探讨最佳抽风量或换句话说为了确定炉
子产生的原始烟气量，本节不考虑强制抽风的情
况。
根据热平衡，公式（3）～（12）有如下关系：
QD＝（QS1＋QS2＋QS3＋QS4）＋QLT
＋QW＋Q1＋QYC
QYC＝QD－（QS1＋QS2＋QS3＋QS4）
―QLT―QW―Q1
根据公式（14）和公式（12）得到：
LY·
（t1－t2）＝QD―（QS1＋QS2＋QS3＋QS4）
）tt（C
QQQ）QQQQ（QL
21Y
1WLT4S3S2S1SD
Y
−
−−−+++−
（15）
式中，LY为原始烟气量（Nm
/h）。
式（12）的t1可取为钢水终点平均温度。
根据公式（15）得出的结果即是LF炉在冶炼状
态下产生的原始烟气量。
4.2炉盖烟气量计算
本节讨论在有强制抽风时并能满足除尘系统
要求温度下的烟气量，简称为炉盖烟气量。
根据公
式（15）得出的原始烟气量温度很高，烟气不能直接
进入除尘系统，需要采用水冷、间接空冷、直接空
冷或其它冷却方式，将烟气冷却到120℃后才能进
入除尘系统进行净化处理。
根据经验采用炉盖混风
方式是比较经济合理的方式。
图1是目前比较典型的LF炉炉盖示意图，图
中LF炉内的钢液面至炉体上沿处的腔体内冶炼要
求微正压，这样在保证冶炼烟气不外溢又能保证烟
气温度达到除尘系统要求的前提下，可加大吸风环
管的抽风量，也即增大环形吸风口A的面积，图中
（13）
（14）2005年第6期钢铁技术·
37·
1为LF炉炉体与炉盖罩之间的环形混风口，从冶炼
角度讲该混风口的大小只要满足炉盖能安全下降
到位即可，但从通风除尘角度看该混风口需通过计
算确定。
本文讲的炉盖烟气量指的是图中抽风口处
的烟气量。
图1LF炉炉盖示意图
炉盖烟气量可由式（12）演化得出，详见下式：
LLG·
C120·
t120＝LY·
t1＋（LLG－LY）·
C40·
t40（16）
由公式（16）不难推导得出：
4040120120
4040Y1YY
LG
tCtC
tCLtCL
L
=（17）
式中，LLG为炉盖烟气量（Nm
/h），温度120℃；
LY为原始烟气量（Nm
/h），温度可取为1650℃；
CY、
C120、C40为分别为1650℃、120℃和40℃时烟气的
定压容积比热（kJ/（Nm
.℃）），可根据式C＝1.295
＋0.000112t计算得出，分别为1.4798、1.3084和
1.2995。
t1、t120、t40为分别为原始烟气、炉盖烟气
和车间环境温度，其数值可分别按1650℃、120℃
和40℃取值。
通过以上数值简单计算后得到：
LLG＝22.75LY（18）
5炉盖结构部分参数的设想
1）环形混风口1处的进风速度宜小于25m/s；
2）吸风口A处的速度宜在15m/s～25m/s之
间；
3）吸风环管内的风速宜在20m/s～25m/s之
4）为保证冶炼微正压，并同时满足烟气温度小
于130℃的要求，抽风口处上下吸风管道的面积比
为3.5:
6.5，同时应设置现场调节装置；
5）h1根据炉容可在100mm～250mm之间；
h2
可为500mm～800mm。
值得注意的是在计算时要把标况风量换算为
工况风量。
参考文献
1张鉴主编.炉外精炼的理论与实践[M]．北京：
冶金
工业出版社,1993
2王诚训,栾永杰,李洪申编著.炉外精炼用耐火材料[M]．
北京：
冶金工业出版社,1996
3徐曾启主编.炉外精炼[M].北京：
冶金工业出版社,
1994
4李宝宽,郝冀成编著.炼钢中的计算流体力学[M].北京：
冶金工业出版社,1998
5柴诚敬,国亮主编.化工流体流动与传热[M]．北京：
化
学工业出版社,2000
6张玉柱,艾立群等著．钢铁冶金过程的数学解析与模拟
[M].北京：
冶金工业出版社,1997
（收稿日期：
2005-09-22）
A吸风口
水冷烟罩
吸风环管
φD2
h1
电极孔
φD1
φDo
LF炉体
抽风口
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