關(guān)于高爐風(fēng)口面積調(diào)節(jié)方法的探討_圖文

1、第17卷第12期2007年12月中國冶金China M e ta llur gyV ol .17,N o .12Decembe r .2007作者簡介:吳狄峰(1982-,男,碩士生;E -mail :w udifeng 0121083 ;修訂日期:2007-09-13關(guān)于高爐風(fēng)口面積調(diào)節(jié)方法的探討吳狄峰1,程樹森1,趙宏博1,王子金2(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院,北京100083;2.萊蕪鋼鐵股份有限公司煉鐵廠,山東萊蕪271104摘要:通過建立高爐送風(fēng)系統(tǒng)模型,模擬了風(fēng)口尺寸對風(fēng)口速度、流量和鼓風(fēng)動能的影響,糾正了高爐操作認(rèn)識上的一些錯誤。研究表明,縮小少數(shù)幾個風(fēng)口面積會減小鼓風(fēng)動

2、能,但卻增大了其它風(fēng)口的鼓風(fēng)動能;只有減小多個風(fēng)口的面積,才會增大所有風(fēng)口的鼓風(fēng)動能。減小少數(shù)幾個風(fēng)口的操作之所以能抑止邊緣氣流是其風(fēng)量明顯減少所致。關(guān)鍵詞:高爐;風(fēng)口;風(fēng)量;面積調(diào)節(jié)中圖分類號:T F54文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1006-9356(200712-0055-05Discussion of Tuyere Area Adjusting Method for Blast FurnaceWU Di -feng 1,CH ENG Shu -sen 1,ZH AO H ong -bo 1,WANG Zi -jin 2(1.Scho ol of M etallurg ical a nd E

3、co lo gical Eng ineering ,U nive rsity o f Science and Technology Beijing ,Beijing 100083China ;2.I ronmaking P lant of Laiw u I ron and Steel Co L td ,Laiwu 271104,Shandong ,China Abstract :A djusting tuye re area is an impor tant me tho d fo r blast furnace bo ttom adjustment .By building the bla

4、st sending sy stem o f blast furnace ,this paper simulated the effects of changing tuyere area o n tuye re velocity ,flo w and bla st kinetic energ y ,and cor rected misunde rstanding s o f some blast furnace operato rs as w ell .Re sults sho w that dec reasing the area of minor tuy eres w ill reduc

5、e the kine tic ene rgy o f these tuye res but increase the o the rs .O nly decreasing the area s of majo r tuy eres w ill increase the kine tic energ y of every tuy ere .The reason tha t dec rea -sing the areas of mino r tuyer es could re st rain the edge g as flow lied in the decrease of blast flo

6、w in these tuy eres .Key words :blast furnace ;tuyere ;blast flo w ;area adjusting調(diào)節(jié)風(fēng)口面積是高爐下部調(diào)劑的重要手段。當(dāng)出現(xiàn)中心過吹、邊緣煤氣流過弱,或在中心煤氣流太弱、邊緣過于發(fā)展時均要調(diào)節(jié)風(fēng)口面積。通常,高爐操作者認(rèn)為總送風(fēng)量不變時縮小風(fēng)口面積會增大風(fēng)口速度,相應(yīng)增加鼓風(fēng)動能,有利于發(fā)展中心氣流;而增大風(fēng)口面積則減小風(fēng)口速度,即降低鼓風(fēng)動能,這有利于發(fā)展邊緣氣流1。但上述結(jié)論是在假設(shè)各風(fēng)口流量不變時所得。事實上,高爐下部調(diào)劑通常只改變少數(shù)幾個風(fēng)口的面積,但高爐送風(fēng)系統(tǒng)是個連通器,熱風(fēng)流量會根據(jù)風(fēng)口面積進(jìn)行重

7、新分配,面積小的風(fēng)口則流量小,面積大的風(fēng)口則流量大,總之,各風(fēng)口的流量不再均勻。一方面鼓風(fēng)動能與風(fēng)口速度及風(fēng)量有關(guān),另一方面抑止還是發(fā)展中心或邊緣煤氣流,不僅與鼓風(fēng)動能大小(表征鼓風(fēng)向爐缸中心穿透的能力有關(guān),還與風(fēng)口風(fēng)量(決定爐缸煤氣量的多少相關(guān),這樣上述結(jié)論可能會發(fā)生改變,因此有必要定量研究風(fēng)口面積與鼓風(fēng)參數(shù)間的關(guān)系。本文通過建立高爐送風(fēng)系統(tǒng)模型,用數(shù)值模擬的方法討論了風(fēng)口尺寸變化對風(fēng)口速度、流量和鼓風(fēng)動能的影響,并結(jié)合生產(chǎn)實際,分析和討論了風(fēng)口尺寸的調(diào)節(jié)方法。1物理和數(shù)學(xué)模型1.1物理模型爐容為1200m 3的高爐送風(fēng)系統(tǒng)模型見圖1。假設(shè)模型完全對稱,則當(dāng)熱風(fēng)從總管進(jìn)入圍管后即分成兩股對稱

8、流,且分別沿圍管圓周運動半周后相遇。在這一過程中,熱風(fēng)逐一通過支管進(jìn)入18個風(fēng)口,再進(jìn)入爐缸上部。模型中假設(shè)爐缸上部水平面上壓力恒定,可把熱風(fēng)圍管看作一熱風(fēng)分配器,把一股大流分成多股小流后分別進(jìn)入大容器。由于該送風(fēng)模型具有對稱性,故取一半作為研究對象。為方便敘述,給各個風(fēng)口編號,離圍管入口最近處的風(fēng)口為1號,對面風(fēng)口為9號,依次編號,與之相對稱的風(fēng)口分別編為1號、2號、9號。模型尺寸和重要參數(shù)為:高爐容積1200m 3,爐缸 8m ,熱風(fēng)主管和圍管內(nèi)徑 1.5m ,風(fēng)口直徑可選用 120, 140, 160mm ;風(fēng)口18個,送風(fēng)量2350m 3/min ,熱風(fēng)1200,送風(fēng)壓力約300kPa

9、 。圖1高爐送風(fēng)系統(tǒng)模型Fig .1Blast sending system mo del for blast furnace1.2數(shù)學(xué)模型以熱風(fēng)圍管圓環(huán)中心為坐標(biāo)原點、熱風(fēng)主管軸線為x 軸,爐缸軸線為z 軸建立直角坐標(biāo)系。由于熱風(fēng)主管、圍管直至支管的絕熱效果較好,使得熱風(fēng)在流動過程中溫度基本不變,且模型中熱風(fēng)進(jìn)出口壓力變化較小,故可把熱風(fēng)看作不可壓縮流體。這樣,熱風(fēng)在高爐送風(fēng)系統(tǒng)中的流動可看作是不可壓縮流體的穩(wěn)態(tài)等溫湍流流動。采用標(biāo)準(zhǔn)k -雙方程模型來計算流場?；痉匠贪ㄟB續(xù)性方程、動量方程、k -雙方程等2;模型邊界條件為:根據(jù)熱風(fēng)總流量和尺寸求得熱風(fēng)總管入口給定速度為30m /s ,模

10、型中爐缸上部出口給定壓力300kPa ;對稱面上滿足法向物理量梯度為零;管道壁面采用無滑移邊界條件,壁面附近流動計算采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù);在1200、300kPa 狀態(tài)下氣體的密度根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程求得。2計算結(jié)果與討論為比較風(fēng)口面積對風(fēng)口速度、風(fēng)量和鼓風(fēng)動能的影響,保持總送風(fēng)量不變,采取了2種情況進(jìn)行比較:一是采取只改變5號風(fēng)口直徑(根據(jù)對稱性,5號風(fēng)口直徑也改變,即減小到 120mm 或增大到 160mm ;二是改變2號、4號、6號和8號多個風(fēng)口直徑(2號、4號、6號和8號風(fēng)口直徑也相應(yīng)改變,可選風(fēng)口直徑同前,且2種狀況均與所有 140mm 的風(fēng)口基準(zhǔn)情況作比較。2.1風(fēng)口面積對風(fēng)口速度的影

11、響 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,圖2給出了5號風(fēng)口分別取 120(變小, 140(不變, 160mm (變大,而其它風(fēng)口均為 140mm ,各風(fēng)口速度分布圖。圖3給出了2號、4號、6號和8號風(fēng)口分別取 120(變小, 140(不變, 160m m (變大,而其它風(fēng)口均為 140mm ,各風(fēng)口速度分布圖。根據(jù)對稱性只給出19號風(fēng)口的速度。由圖可見,每種情況的各風(fēng)口速度基本相同,偏差很小?？s小一個或多個風(fēng)口的面積,各風(fēng)口速度均增大到相同值;反之,增大一個或多個風(fēng)口的面積,各風(fēng)口速度均減小到相同值。因此,每種情況各風(fēng)口的速度值與單個風(fēng)口面積無關(guān),各風(fēng)口的速度近似等于總風(fēng)量除以風(fēng)口總面積。圖25號風(fēng)口面積調(diào)整后

12、各風(fēng)口速度Fig .2Tuyere velocity with area of tuyere No 5changed圖3多個風(fēng)口面積調(diào)整后各風(fēng)口速度Fig .3Tuyere velocity with area of several tuyeres changed上述現(xiàn)象可解釋為:假設(shè)爐缸上部出口壓力均勻,則各風(fēng)口的靜壓均相同,即使改變風(fēng)口尺寸,靜壓或都變大或都變小,各風(fēng)口的靜壓仍相同。上述3種情況的風(fēng)口靜壓平均值見表1,可見在各種情況下9個風(fēng)口靜壓值幾乎相同。而熱風(fēng)從圍管到支管的流動可近似看作等溫定常流動,氣體粘度很小,忽56中國冶金第17卷略流動的機械能耗損,因此可應(yīng)用流體伯努利方程4,即

13、:v 22+p+gz =const(1式中v 速度,m /s ;p 靜壓,Pa ;密度,kg /m 3;g 重力加速度,m /s 2;z 相對于零勢能面的高度,m ;const 常數(shù),J /kg 。伯努利方程說明單位質(zhì)量的熱風(fēng)在進(jìn)出口的總機械能保持不變。由于各風(fēng)口的熱風(fēng)都是從同一總管流入,即總能量均相同且在風(fēng)口處位能和靜壓都相同,因此各風(fēng)口的速度也必然都相同,改變風(fēng)口尺寸不會使各風(fēng)口的速度產(chǎn)生差異。表1風(fēng)口面積調(diào)整后各風(fēng)口的壓力Ta ble 1Tuyere pressure with area of tuyere changed5號風(fēng)口直徑/mm各風(fēng)口壓力/kPa1號2號3號4號5號6號7號8

14、號9號 120308.4308.5308.7308.5308.6308.4308.5308.5308.9 140308.3308.4308.5308.4308.4308.2308.4308.4308.4 1602.2風(fēng)口面積對風(fēng)量的影響由上述分析可知,改變風(fēng)口尺寸不會使各風(fēng)口的速度產(chǎn)生差異,在各風(fēng)口面積不同時其風(fēng)量將不再相同。改變5號風(fēng)口直徑時各風(fēng)口的風(fēng)量見圖4。當(dāng)5號風(fēng)口由 140mm 減小到 120mm 時則風(fēng)量減小,而其它風(fēng)口風(fēng)量增大;反之,當(dāng)5號風(fēng)口由 140mm 增大到 160mm 時則風(fēng)量增大,而其它風(fēng)口風(fēng)量減小。圖5示出多個風(fēng)口面積改變后的各風(fēng)口風(fēng)量,其結(jié)論同于改變單個風(fēng)口面積的

15、情況。進(jìn)一步分析可知風(fēng)口風(fēng)量與風(fēng)口面積成正比,即:V i =S iis i V b(2式中V b 總送風(fēng)量,m 3/min ;V i 第i 個風(fēng)口風(fēng)量,m 3/min ;s i 第i 個風(fēng)口面積,m 2?？梢?調(diào)整風(fēng)口直徑是對風(fēng)口流量的重新分配 ,圖45號風(fēng)口面積調(diào)整后各風(fēng)口風(fēng)量Fig .4Tuyere blast f low with area of tuyere No 5 changed圖5多個風(fēng)口面積調(diào)整后各風(fēng)口風(fēng)量Fig .5Tuyere blast flow with area of several tuyeres changed而不是對速度的重新分配。2.3風(fēng)口面積對鼓風(fēng)動能的影響

16、在認(rèn)識上述規(guī)律的基礎(chǔ)上,討論改動風(fēng)口尺寸對鼓風(fēng)動能的影響。鼓風(fēng)動能用來表征鼓風(fēng)克服風(fēng)口區(qū)各種阻力向爐缸中心穿透的能力,對煤氣量徑向分布特點有影響。鼓風(fēng)動能越大則煤氣流越易向中心發(fā)展;反之,鼓風(fēng)動能越小,煤氣流越易向邊緣發(fā)展。圖6示出5號風(fēng)口分別為 120、 140、 160mm ,其余為 140mm ,各風(fēng)口的鼓風(fēng)動能。由圖中可知,總風(fēng)量不變,縮小1個或少數(shù)幾個風(fēng)口面積會使其鼓風(fēng)動能減小,而其它風(fēng)口的鼓風(fēng)動能增加;反之,面積增大的風(fēng)口則其鼓風(fēng)動能增加,其它的減小。其原因是縮小1個或少數(shù)幾個風(fēng)口的截面積,所有風(fēng)口的速度都增大,但縮小了面積的風(fēng)口則質(zhì)量流量也減小,當(dāng)后者減小更多時鼓風(fēng)動能就變小。5

17、7第12期吳狄峰等:關(guān)于高爐風(fēng)口面積調(diào)節(jié)方法的探討當(dāng)多個風(fēng)口尺寸變化時上述結(jié)論將發(fā)生變化。圖7示出2號、4號、6號和8號風(fēng)口分別為 120、 140、 160mm ,其余仍為 140m m 時,各風(fēng)口的鼓風(fēng)動能。與圖6對比可知,尺寸變小了的風(fēng)口,其鼓風(fēng)動能比原來的都要大;而尺寸變大了的風(fēng)口,其鼓風(fēng)動能比原來的都要小。這是因為 :圖65號風(fēng)口面積調(diào)整后各風(fēng)口鼓風(fēng)動能Fig .6Tuyere kinetic energy with area of tuyereNo 5 changed圖7多個風(fēng)口面積調(diào)整后各風(fēng)口風(fēng)量鼓風(fēng)動能Fig .7Tuyere kinetic energy with area

18、of severaltuyeres changedE i =12(s i j s j m b (V b j s j 2s i(j s j 3(3式中E i 第i 個風(fēng)口的鼓風(fēng)動能;m b 總鼓風(fēng)流量,kg /s 。即當(dāng)風(fēng)口總截面積的三次方的變化量超過單個風(fēng)口的變化量時,該風(fēng)口的鼓風(fēng)動能就會增加。當(dāng)多個風(fēng)口面積縮小時,面積不變的風(fēng)口鼓風(fēng)動能比面積改變了的風(fēng)口則增加更多;反之,當(dāng)多個風(fēng)口面積增大時,面積不變的風(fēng)口鼓風(fēng)動能比改變了的減少更多。即調(diào)整風(fēng)口面積,不僅會使面積變化了的風(fēng)口鼓風(fēng)參數(shù)發(fā)生改變,且面積不變的風(fēng)口鼓風(fēng)參數(shù)也會變化,且改變得更多。這在實際操作中是不希望發(fā)生的,因此各風(fēng)口的面積應(yīng)盡量保

19、持相同,面積變化不能過多。另外,從上式明顯看出每個風(fēng)口的鼓風(fēng)動能正比于風(fēng)口面積。此外,各風(fēng)口總鼓風(fēng)動能或者平均鼓風(fēng)動能的變化具有如下規(guī)律:縮小風(fēng)口面積則總鼓風(fēng)動能增加,增大風(fēng)口面積則總鼓風(fēng)動能減小。圖5所示3種情況的平均鼓風(fēng)動能分別為55.04、51.88、48.5kJ /s ,而風(fēng)口總截面積分別為0.2688,0.2769,0.2864m 2,進(jìn)一步研究可得平均鼓風(fēng)動能反比于總鼓風(fēng)面積的平方。這是因為各個風(fēng)口的速度相同,有:i E i =i 12m i v 2i =12v 2i m i =12m b (V b i s i 21(i s i 2(4式中m i 第i 個風(fēng)口的流量,kg /s 。

20、可得出結(jié)論,當(dāng)熱風(fēng)總流量不變時改變風(fēng)口尺寸會改變總鼓風(fēng)動能,且總鼓風(fēng)動能根據(jù)各風(fēng)口面積的大小重新分配。2.4風(fēng)口面積調(diào)節(jié)方法的應(yīng)用當(dāng)爐缸工作不均勻時,如出現(xiàn)部分風(fēng)口邊緣氣流過于發(fā)展、部分風(fēng)口回旋區(qū)太大和中心過吹等情況,則需調(diào)節(jié)風(fēng)口尺寸。如某高爐少數(shù)幾個風(fēng)口上部冷卻壁和下部爐缸熱電偶數(shù)據(jù)顯示溫度較高,波動較大,說明該風(fēng)口邊緣煤氣過于發(fā)展,通常是采取縮小這些風(fēng)口面積的方法。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為,縮小風(fēng)口面積,風(fēng)口速度增加,鼓風(fēng)動能相應(yīng)增加,煤氣流易向中心發(fā)展,邊緣則相對減弱。從前面討論可知這種認(rèn)識并不正確。高爐利用系數(shù)不變時則其送風(fēng)量不變,此時縮小一兩個風(fēng)口的面積,盡管各風(fēng)口速度會略微增加,但這些風(fēng)口的風(fēng)

21、量會明顯減少,因此亦會降低鼓風(fēng)動能?？s小風(fēng)口之所以能抑制邊緣氣流,是減少風(fēng)量導(dǎo)致回旋區(qū)產(chǎn)生煤氣量明顯減少而使邊緣煤氣流減弱所致。圖8是根據(jù)風(fēng)口前碳素燃燒反應(yīng)計算的煤氣量3,設(shè)鼓風(fēng)濕度1.7%,富氧率2%。計算中只改變5號風(fēng)口直徑(5號風(fēng)口也相應(yīng)改變,其它風(fēng)口保持 140mm 。圖中橫坐標(biāo)為5號風(fēng)口直徑,左側(cè)縱坐標(biāo)為煤氣量,右側(cè)縱坐標(biāo)為相對于所有風(fēng)口均為 140mm 這種基準(zhǔn)情況5號風(fēng)口煤氣量增加的百分比。當(dāng)5號風(fēng)口由 140mm 減小到 120m m 時,風(fēng)口煤氣量由160.7m 3/min 減少到120.6m 3/min ,減少了24.3%,可見這種變化相當(dāng)明顯。如減小多個風(fēng)口的面積則其風(fēng)量

22、仍減少(減少量比縮小一兩58中國冶金第17卷圖85號風(fēng)口面積改變后煤氣量的變化Fig.8Gas flow of No5tuyere change with its area個風(fēng)口的情況要小,但鼓風(fēng)動能卻增加,這有利于抑止邊緣氣流。因此,縮小風(fēng)口面積,不論是一個或多個,都有利于抑止這些風(fēng)口附近邊緣氣流的發(fā)展,同時使其它風(fēng)口的邊緣和中心氣流均有所增加。反之,增大一個或多個風(fēng)口的面積,有利于促進(jìn)這些風(fēng)口附近邊緣氣流的發(fā)展,同時減弱了其它風(fēng)口的邊緣和中心氣流。3結(jié)論(1當(dāng)總風(fēng)量不變時,減小風(fēng)口直徑會使各風(fēng)口速度均增大且增大到相同值,但直徑減小了的風(fēng)口流量會變小且風(fēng)口流量正比于風(fēng)口面積。(2當(dāng)總風(fēng)量不變

23、時,縮小少數(shù)幾個風(fēng)口面積會降低其鼓風(fēng)動能,而增大其它風(fēng)口的鼓風(fēng)動能。另外,只有在多個風(fēng)口的面積都減小時,所有風(fēng)口的鼓風(fēng)動能才會都增大。(31個或數(shù)個風(fēng)口尺寸變化會引起其它風(fēng)口參數(shù)的變化。當(dāng)多個風(fēng)口面積變化時,面積不變的風(fēng)口鼓風(fēng)動能比面積改變了的風(fēng)口變化更多,這在實際操作中是不希望發(fā)生的,因此各風(fēng)口的面積應(yīng)盡量保持相同,面積變化不能過多。(4當(dāng)總風(fēng)量不變時,單個風(fēng)口的鼓風(fēng)動能正比于該風(fēng)口的面積與風(fēng)口總面積的三次方的比值;而所有風(fēng)口的總鼓風(fēng)動能與風(fēng)口總面積的平方成反比。(5在實際生產(chǎn)中,當(dāng)高爐送風(fēng)量不變時,縮小一兩個風(fēng)口的面積之所以能抑止邊緣氣流,是縮小風(fēng)口面積使其風(fēng)量明顯減少而導(dǎo)致回旋區(qū)產(chǎn)生煤氣量明顯減少所致。(6縮小風(fēng)口面積,不論一個或