艾萨炉喷枪渣层的热平衡计算.pdf

有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年l O 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．1 0 ．0 0 4 艾萨炉喷枪渣层的热平衡计算 李东，朱云 昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明6 5 0 0 9 3 摘要按1 2 3 的几何尺寸比例对生产用艾萨炉喷枪进行试验，得到渣层纵向高度、横向厚度变化以及 进出水温度等数据，同时还对渣层稳态热传导过程进行了热平衡计算。结果表明，渣层纵向高度h 与喷 枪外壁温度t 的关系为3 6 7 ．6 6 8 ￡ 1 9 7 2 8 2 8 ．4 4 e x p 2 0 ．1 9 6 9 1 8 4 5 ．7 9 8 h 。按照该式计算的渣层最 顶端处喷枪外壁温度为9 1 2 ℃，与实际测得的9 0 8 ℃相符合，证明了艾萨炉喷枪渣层的热平衡计算是正 确和合理的。 关键词艾萨炉；喷枪；渣层；热平衡；计算 中图分类号T F 8 1 2 ；T F 8 0 3 ．1 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 1 0 0 0 1 00 3 H e a tB a l a n c eC a l c u l a t i o no fS l a gL a y e rf o rI S AF u r n a c eS p r a yG u n L 1D o n g ，Z H UY u n F a e u l to fM e t a l l u r g i c a la n dE n e r g yE n g i n e e r i n g ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h es p r a yg u nf o rI S Af u r n a c ew a st e s t e di na c c o r d a n c ew i t h1 2 3r e a ls i z es c a l e ．T h ed a t a so f v e r t i c a lh e i g h ta n dh o r i z o n t a lt h i c k n e s so fs l a g ，a sw e l la st h ew a t e rt e m p e r a t u r ei na n dO U tw e r eo b t a i n e d ． M e a n w h i l e ，t h eh e a tb a l a n c ef o rs t e a d y s t a t eh e a tc o n d u c t i o np r o c e s so ft h es l a gw a sc a l c u l a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv e r t i c a lh e i g h t o fs l a gl a y e ra n dt h eo u t e rw a l lt e m p e r a t u r e ￡ o ft h es p r a yg u ni s3 6 7 ．6 6 8 t 1 9 7 2 8 2 8 ．4 4 一e x p 2 0 ．1 9 6 9 1 8 4 5 ．7 9 8 h ．A c c o r d i n gt ot h i sf o r m u l a ，t h e t e m p e r a t u r eo fs p r a yg u no u t e rw a l la tt h et o po ft h es l a gl a y e ri s912 ℃。w h i c hi sc o r r e s p o n dw i t ht h ea c t u a lm e a s u r e m e n to f9 0 8 ℃．T h eh e a tb a l a n c ec a l c u l a t i o ni Sp r o v e dt ob ec o r r e c ta n dr e a s o n a b l e ． K e yw o r d s I S Af u r n a c e ；s p r a yg u n ；s l a gl a y e r ；h e a tb a l a n c e ；c a l c u l a t i o n 为了探讨I S A 法炼铅中覆层保护氧枪能力的 问题，首先必须研究覆层的传热规律。经分析，氧枪 喷头端面施加覆层后，覆层的传热状态为一维稳态 传热，服从传热的傅里叶方程[ 1 ] ；提高氧枪的冷却强 度是提高氧枪寿命的一种有效途径，氧枪的冷却强 度与氧枪的进回水冷却系统有很大的关系[ 2 ] ，而氧 枪的高氧耗与电炉工况以及氧枪的传热过程有关 系。计算指出，氧枪的口径、氧压、喷头面积等因素 都将影响喷枪的氧耗和传热[ 3 ] 。然而，对艾萨炉喷 枪在吹炼过程中的挂渣层的热平衡情况的计算少有 报道。实际艾萨炉喷枪的口径为D 3 2 5 ，枪头插入熔 收稿日期2 0 1 2 0 3 3 0 作者简介李东 1 9 8 5 ，男．贵州遵义人，硕士研究生 池3 0 0m m 左右，工作温度l1 7 0 ℃左右H ] 。本文 按照1 2 3 的几何尺寸比例缩小工厂艾萨炉喷枪， 模拟工厂艾萨炉喷枪的结构、工作环境，并通过水冷 喷枪的方式，仿照艾萨炉喷枪挂渣操作，使喷枪能挂 上一层固态圆锥状富铅渣，渣层的纵向高度h 从0 增加到1 2 0m m ，同时渣层横向厚度从1m m 增加到 5m m 情况下，对渣层稳态热传导过程进行热平衡 计算。 1 试验部分 1 ．1 试验原料及设备 万方数据 2 0 1 2 年1 0 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 试验原料为富铅渣，主要仪器和设备有3 1 0 S 不 锈钢 模拟艾萨炉喷枪 ；刚玉坩埚 模拟艾萨炉圆柱 炉体 ；S G 2 8 - 1 3 型高温电阻炉；塑料水管；Z M O ．9 - 3 型空气压缩机；流量计。 1 ．2 试验装置及原理 试验装置图见图l 。其中，进水温度在接自来 水处测得，出水温度以及自来水流量在出水处测得。 模拟喷枪的外径为1 4m m 。在试验开始时，仿照工 厂对喷枪进行挂渣。具体操作如下，开启高温坩埚 电阻炉，调节温度到11 7 0 ℃，待富铅渣融化以后， 将喷枪插入熔池8 ～1 4m m 左右深处，启动空气压 缩机并打开进水阀门，上下移动喷枪，使喷枪挂渣。 反复操作几次，以保证喷枪挂渣效果良好。待水流 稳定后，每隔2h 记录一次数据，结果见表1 。 图1 试验装置示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po ft e s t i n ga p p a r a t u s 表1 试验数据 T a b l e1 E x p e r i m e n t a ld a t a 进水温度／* C出水温度／* C流量／ L h _ 1 2 热平衡分析及计算 2 ．1 热平衡分析 固态富铅渣的导热系数不仅与测试试样成分、 所处温度有关，还与测试时所用的方法、测试试样的 形状和表面平整度等因素有关。为计算方便，假设 富铅渣的导热系数恒定。由于刚玉坩埚熔池中液态 富铅渣的温度恒定在11 7 0 ℃，所以挂渣层富铅渣 的导热过程视为一个稳态导热过程。 2 ．2 热平衡计算 已知最低端渣的厚度占一lm m ；钢管内径D ， 一1 0m m ，外径D 一1 4m m ；3 1 0 S 不锈钢管导热系 数为A 钢一2 9 ，5 5W ／ 1 7 1 K ；平均进水温度t 。一 1 4 ．0 7 ℃，平均出水温度t 。一3 6 ．6 7 ℃；固态渣导热 系数 ，渣一0 ．7 0W ／ m ℃ 。经测量得知，每小时 自来水进水量为m 水一2 4 ．4k g ；C 水一4 ．2 0 1 0 3J ／ k g ℃ ；Q 。表示由不锈钢喷枪最底部向上传递的 热量，Q 表示南最外层固态渣沿着渣层向内传递的 热量；自来水带走的热量用Q 水表示。 以圆锥形渣层的中心线为z 轴，原点取在渣层 最底部平面与z 轴交点处。渣层传热示意图如图2 所示。 Ih I 1 0T n m l 1 4n ] m ， _ 2 4m m 1 _ 一 r i Q ． 1 ■■_| h d h l 一 ．．．．．．J l h o 1 6 m m I n 图2 渣层传热示意图 F i g ．2 S k e t c hm a po fh e a tt r a n s f e ro fs l a gl a y e r 2 ．2 ．1 自来水带走的热量 Q 水一C 水优水△ 一4 ．2 1 0 3 2 4 ．4 3 7 ．6 7 1 4 ．1 7 一2 ．4 1 1 0 6 ， 2 ．2 ．2由不锈钢喷枪最底部向上传递的热量 由稳态导热公式的傅里叶定理口] Q z 一一A 钢A d 塑r 一棚．s 5 丌『c 竿一竿，] 嘉 一2 s 丌c 半一半，爰 万方数据 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年1 0 期 一一2 ．2 3 1 0 d d t口n 2 ．2 ．3 由最外层固态渣沿着渣层向内传递的热量 渣的厚度从底部的1m m 增加到顶部的5m m ， 先确定渣的厚度艿与高度h 的关系。假设渣的外径 随着高度h 的关系变化为 3 a h b 由图2 可知，当h 一0 时艿一0 ．0 0 8r n ；h 一0 ．0 1 2 m 时艿一0 ．0 1 2m 。带入上式即可解得b 一0 ．0 0 8 ， 口一，因此 8 一h 0 ．0 0 8 在d h 段，渣表面面积为2 7 c 矗 0 ．0 0 8 d h ，因 此，传送的热量为 d Q l 一一A 渣Ad 丁t 化简得 d Q ，一 4 ．3 9 6 h 0 ．1 0 5 5 揣X d h 因此 Q 。一』0 ’0 1 2 c 钆6 h0 3 9 6 h 0 ．1 0 5 5 ，产瑞d h 0 Q 。一I 4 ．． { 号蔫 J凡1 一u U U ． 一 1 1 7 0 一￡ 0 ．2 0 1 3 2 2 ．2 ．4 挂渣层的高度h 与喷枪外壁温度t 的关系 由系统传热平衡可知 3 6 0 0 Q 1 Q 2 一Q 水 因此 『 1 1 7 0 - - t o ．2 0 1 3 2 2 ．’2 3 1 0 一磊d t ] 36 0 0 2 ．4 1 1 0 6 进一步化简后可得 1 n 3 6 7 ．6 6 8 t 1 9 7 2 8 2 8 ．4 4I 一一4 5 ．7 9 8 C 由初始条件当h 一0 时，￡一l 得C - - - - - 一0 ．4 4 l ，所以 l n 3 6 7 ．6 6 8 t 1 9 7 2 8 2 8 。4 4 4 5 ．7 9 8 或者 1 7 0 ℃，带入可解 一2 0 ．1 9 6 9 1 8 3 6 7 。6 6 8 t 1 9 7 2 8 2 8 ．4 4 一e x p 2 0 ．1 9 6 9 1 8 4 5 ．7 9 8 h 上式即为喷枪上挂渣层的高度h 与喷枪外壁温 度t 的关系。 根据上式，当h 一0 ．1 21 3 3 _ 时即可计算出t 一 9 1 2 ．5 9 ℃，即渣层顶端靠近喷枪外侧的温度约为 9 1 2 ℃，这与热电偶实际测量得到的9 0 8 ℃相符。 3结论 艾萨炉在实际炼铅过程中，渣型、炉内温度、固 态富铅渣的导热系数等参数的波动都会影响着艾萨 炉喷枪上渣层的热量平衡。渣层高度h 与喷枪外壁 温度t 的关系为 3 6 7 ．6 6 8 t 1 9 7 2 8 2 8 ．4 4 e x p 2 0 ．1 9 6 9 1 8 4 5 ．7 9 8 h 。 参考文献 [ 1 ] 靳巍，邵德军，陈鹏飞．氧枪喷头耐热覆层保护问题的 探讨[ J ] ．山东冶金，1 9 9 8 ，2 0 1 3 2 3 4 ． [ 2 ] 孙桂柱，韩玲，关东平，等．2 6 0t 转炉氧枪水冷系统分 析[ J ] ．冶金能源，2 0 0 9 ，2 8 4 1 9 2 0 ，3 9 ． [ 3 ] 吴剑．超音速氧枪设计[ J ] ．冶金丛刊，2 0 0 4 6 l l 一1 3 ， 2 4 ． E 4 3 李俊．艾萨炉燃油喷枪系统的国产化[ J ] ．有色设备， 2 0 1 1 5 2 5 2 7 ． E 5 3 杨世铭，陶文铨．传热学[ M ] ．北京高等教育出版社， 2 0 0 6 1 - 7 2 ． 万方数据