高爐爐料和煤氣流的運動

高爐爐料和煤氣流的運動計算機在冶金中的應用第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動5.1爐料下降的條件及力學分析一、爐料下降的原因燃料燃燒和消耗、爐料的熔化和渣、鐵的周期性排除是爐料下降的主要因素。除此以外，直接還原和滲碳引起的碳素溶解損失、爐料下降過程中小塊充填于大塊之間引起的體積收縮。二、爐料下降的力學分析爐料下降的力學條件：

P＝G料－P料－P墻－P液－P氣＝G料－（P摩＋P液＋P氣）

P＞0爐料下降；P≤0爐料不能順利下降，產(chǎn)生難行或懸料（1）增加G料提高礦石品位，增加焦炭負荷（每批料中單位焦炭負擔的礦石重量），增加爐料的堆比重。第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動（2）減少摩擦阻力改進爐型，適當減小爐身角，增大爐腹角，適當發(fā)展邊緣氣流，可減小爐料對爐墻的摩擦力。擴大燃燒帶，減少中心和邊緣爐料呆滯區(qū)，使料柱松動活躍，可使料塊與料塊之間的摩擦力減小，同時也可使P墻減小。減小渣量，改善造渣，降低爐渣粘度，也可使摩擦力減小。（3）減小P液實行多鐵口輪番連續(xù)出鐵，做到渣、鐵常流，對促進爐料下降有利。（4）減小P氣煤氣對料柱的支撐力是由于高壓、高速煤氣流強行通過料柱而產(chǎn)生的壓力損失。其值的大小可近似地用煤氣通過料柱的總壓差（靜壓差）ΔP。降低ΔP，則P氣減少，有利于爐料下降。第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動由于料柱受到摩擦阻力和渣、鐵浮力的作用，料柱本身的重力并沒有全部作用在風口水平面或爐底上，真正起作用的是克服摩擦阻力和渣鐵浮力后剩下的重力，稱為有效重力（G有效）。

G有效＝G料－（P摩＋P液）則，爐料下降的力學條件可寫成：

P=G有效－ΔP

由此可見，增加P值，一方面要增加G有效，另一方面要降低ΔP。在原料、爐型操作制度一定的情況下，改善爐料下降的主要條件是降低ΔP。第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動5.2

高爐料柱壓差及其降低一、料柱壓差ΔP的表達式煤氣通過料柱（自爐缸風口水平面至爐喉料線水平）的壓力損失，可近似地采用高爐料柱的全壓差ΔP表示：

ΔP＝P缸－P喉≈P熱－P頂根據(jù)研究表明，ΔP的影響因素咳表示為以下通式：第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動常數(shù)c和m的數(shù)值取決于氣體流動狀態(tài)。層流（Re≤50~60）時，c=100，m=1；過渡紊流（Re≤60~7000）時，c=3.8，m=0.2；紊流（Re≥7000）時，c=0.65，m=0；此時f與Re無關(guān)。強化高爐內(nèi)煤氣流基本處于紊流狀態(tài)，故f實際為一無因次常數(shù)。

第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動二、影響ΔP的因素及降低ΔP的方向由公式可見，在料層高度一定和溫度、壓力一定的情況下，γ變化不大，f在強化高爐的條件下，基本上是一個常數(shù)。因此，ΔP主要決定于氣流速度和料層通道的當量直徑，實質(zhì)也就是料柱的透氣性。降低煤氣流速，改善料柱透氣性，提高通道當量直徑，是降低ΔP，改善爐料順行的主要途徑。第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動5.3

關(guān)于降低煤氣流速與ΔP的討論由公式可看出，ΔP∝ω2，ΔP隨煤氣流速增加而迅速增加。因此，降低煤氣流速ω可明顯降低ΔP。對一定容積和截面的高爐，煤氣流速和煤氣量及風量成正比。在焦比（燃料比）不變的情況下，風量、冶煉強度又同高爐生產(chǎn)率成正比，形成了強化和順行的矛盾。但是，上述關(guān)系是從固定床中得到的。強化高爐實踐表明，ΔP與ω不是二次方關(guān)系，而是一次方關(guān)系；隨著冶煉強度的提高，ΔP開始直線增加，當冶煉強度達到一定水平后，ΔP幾乎不再升高。原因在于高爐處于不斷的運動狀態(tài)，隨著冶煉強度的提高，風量加大，燃燒帶擴大，焦炭加速燃燒，下料加快，爐料處于松動活躍狀態(tài)，導致料柱空隙率增加。通過料柱而上升的煤氣不僅對爐料下降有阻礙作用，而且還有松動料層、增加料層空隙率的作用。第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動因此，增加風量，提高冶煉強度，有使ω增加，從而使ΔP升高的一面；但同時也有松動料層，增加料柱空隙率和氣流通道當量直徑，改善料柱透氣性，使ΔP降低的作用。松動強化理論：在強化的高爐上，或在高爐強化冶煉的過程中，ΔP開始隨I直線增加，當I提高到一定程度后，上述兩種相反的作用，相互抵消，以至使得ΔP不再增加。問題：冶煉強度提高到一定程度后，ΔP不再升高，是否可任意提高冶煉強度？冶煉強度過高，風量過大，超過了料柱透氣性允許的程度，會引起煤氣流分布失常，形成局部過吹的煤氣管道，此時盡管ΔP不會過高，但大量的煤氣能未能充分利用，必然導致爐況惡化。第九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動5.4

改善料柱透氣性和軟熔帶狀況一、透氣性的表示目前，高爐普遍采用透氣性指數(shù)（ξ）來表示高爐料柱的透氣性好壞或透氣狀態(tài)。

ξ=V風/ΔP

物理意義：單位壓差所允許通過的風量。透氣性指數(shù)較高爐全壓差計能更好地反映出風量必須與透氣性相適應的規(guī)律。增加料柱空隙率和煤氣通道的當量直徑，可降低ΔP，改善料柱透氣性。但高爐料柱不同部位應分別討論透氣性問題。二、改善塊狀料帶透氣性——“整粒”理論首先應提高焦炭和礦石的強度，減少入爐料粉末。特別是提高礦石的熱強度，增加其在高溫還原狀態(tài)下抵抗摩擦、擠壓、膨脹、熱裂的能力，第十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動減少或避免在爐內(nèi)產(chǎn)生粉末，以增大當量直徑和ε，改善料層透氣性，降低ΔP。其次，實行“整?！保纳屏６冉M成。由前式可知，d∝1/S，而單位容積塊料的總表面積又與料塊的平均直徑（D）成反比，故煤氣通道當量直徑d∝D，即ΔP∝1/D。因此，增大原料粒度對改善料層透氣性，降低ΔP有利。精料政策：高、穩(wěn)、熟、小、勻、凈三、改善軟熔帶狀況——軟熔帶理論軟熔帶區(qū)域內(nèi)礦石、熔劑逐漸軟化、熔融、成渣，變成液態(tài)的渣、鐵，而只有焦炭保持著固體狀態(tài)。熔融而粘稠的初渣或中渣充填于焦炭空隙間并向下滴落，大大增加了料柱阻力第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動軟熔帶依靠焦窗透氣，滴落帶和爐缸靠焦塊之間的空隙透氣、透液。因此，提高焦炭高溫強度對改善該區(qū)域透氣（液）性具有重要意義。同時，改善焦炭粒度組成，并實施分級入爐，以充分發(fā)揮其料柱骨架作用。改善造渣是改善軟熔帶、滴落帶透氣性，降低ΔP的另一個重要方向。這意味著首先要實施精料政策，以減少渣量，降低透氣性差的軟熔層厚度，同時相對增加了氣流在這個區(qū)域的可通截面。其次要提高礦石的高溫冶金性質(zhì)，一方面可降低軟熔帶位置，另一方面可降低寬度，從而減小對煤氣的阻力。改善初渣性質(zhì)，降低粘度，增強其穩(wěn)定性，使其順利滴落，可大大改善高爐下部料柱的透氣（液）性。改善軟熔帶狀況，獲得適宜的軟熔帶位置、結(jié)構(gòu)和形狀，不僅是高爐下部，而且是改善整個高爐透氣性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動軟熔帶理論；（1）高爐料柱結(jié)構(gòu)有塊料帶、軟熔帶、滴落帶、燃燒帶、渣鐵盛聚帶和中心焦炭料塊組成。在軟熔帶以下，只有焦炭保持著固體狀態(tài)。（2）爐料從上部塊料帶進入軟熔帶中，明顯保持按裝料順序形成的礦/焦分層的狀態(tài)。（3）隨著爐料下降，溫度升高，礦石逐漸還原、軟化、熔融、造渣，直至完全熔化滴落。從軟化到熔滴，溫度區(qū)間按等溫線分布，形成同焦炭夾層相間分布的若干軟熔層。軟熔層依靠焦窗透氣。（4）軟熔帶形狀、結(jié)構(gòu)（位置、尺寸）對煤氣流運動阻力ΔP有重大影響。它決定高爐中部煤氣流分布，即二次煤氣流分布，并對塊料帶和爐喉煤氣流分布，即三次煤氣流分布有重要影響。（5）軟熔帶形狀隨原料條件和操作條件的變化有所不同。第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動軟熔帶形狀基本有三種類型：“”形，“V”形和“W”形。（1）“”形軟熔帶促進中心氣流發(fā)展，有利于活躍、疏松中心料柱，使燃燒帶產(chǎn)生的大量煤氣易于穿過中心焦炭料柱，并橫向穿過焦窗，然后折射向上，從而使高爐壓差ΔP降低。同時改善了煤氣流的二次分布狀況，增加了煤氣流與塊狀帶礦石的接觸面和時間，加速了傳熱、傳質(zhì)過程。此外，由于中心氣流發(fā)展，邊緣氣流相對減弱，可減輕爐襯熱負荷和沖刷作用，既能減少熱損失，又能保護爐襯，延長高爐壽命。（2）“V”形軟熔帶中型過重，邊緣氣流過分發(fā)展致使根部升高，頂部降低的結(jié)果。在這種情況下，中心堆積，料柱緊密，透氣性差，ΔP升高；大量煤氣從邊緣溢走，不利于煤氣能利用和高爐強化、順行以及高爐長壽。第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動（3）適當發(fā)展中心和邊緣兩道氣流的結(jié)果，是高爐長期操作的傳統(tǒng)形式，能夠確保高爐順行；同時在一定程度上能改善煤氣能量利用，但不能滿足進一步強化和降低燃料消耗的作用。高爐解剖表明，強化程度高，燃料消耗低的高爐，其軟熔帶呈“”型?！啊毙诬浫蹘У奈恢糜懈叩椭?。高位倒“”形軟熔帶，焦窗多，總斷面大，透氣性好，有利于強化，屬高產(chǎn)型。低位倒“”形軟熔帶其上部塊料帶間接還原區(qū)相對擴大，直接還原相對減少，煤氣利用率高，屬低焦比型。焦炭夾層對軟熔帶透氣性有決定性影響。軟熔帶越窄，焦炭夾層層數(shù)越多，夾層越厚，空隙率越大，則軟熔帶透氣性指數(shù)越小，透氣性越好。反之，透氣性越差。

第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動軟熔帶寬度決定于礦石的軟化特性。焦炭夾層的空隙率決定于焦炭的質(zhì)量和粒度組成。在軟熔帶高度和其他條件一定的情況下，焦炭夾層的層數(shù)和高度主要取決于料批的大小。若焦炭負荷不變，料批增大，礦焦層厚度相應增加，層數(shù)減少?？偨Y(jié)以上分析，上升煤氣流和下降爐料之間的矛盾是高爐強化操作的主要矛盾。解決的關(guān)鍵在于改善料柱透氣性，改善煤氣分布和降低煤氣流速。改善煤氣分布必須以改善料柱透氣性為基礎(chǔ)。因此，在一定條件下，料柱透氣性對高爐強化和順行起主導作用。只要料柱透氣性與風量、煤氣量相適應，高爐即可進一步強化。從這個意義上說，料柱透氣性的極限就是高爐強化冶煉的極限。改善料柱的透氣性必須改善原、燃料質(zhì)量，改善造渣，改善操作，獲得適宜的軟熔帶形狀和最佳煤氣分布。第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動5.5

改善煤氣流分布一、改善煤氣流分布合理的煤氣流分布促進料柱的透氣性改善，是高爐順行的重要標志之一。高爐順行的主要標志：爐料順利下降，煤氣分布合理，爐缸工作均勻、活躍，爐溫充沛穩(wěn)定，生鐵質(zhì)量良好?？偟慕Y(jié)構(gòu)是焦比低、產(chǎn)量高、質(zhì)量好。煤氣合理分布的標志：（1）爐料順利下降，爐況穩(wěn)定順行，爐溫充足，整個料柱透氣性好；（2）煤氣能量利用充分，爐頂溫度低，而CO利用率高，最終表現(xiàn)為焦比、燃料比降低。第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動二、爐喉煤氣流的合理分布

1爐喉煤氣流分布狀況的判斷生產(chǎn)中主要是利用沿爐喉截面不同半徑方向上煤氣的溫度和CO2分布曲線來判斷煤氣分布狀況。（“五點取樣法”）

第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動通過圖可判斷煤氣沿爐喉截面和徑向（東、西、南、北）的分布狀況和利用情況。凡CO2低處，CO必然高，煤氣溫度也高，說明該方向煤氣流發(fā)展，煤氣利用不好。反之，該方向煤氣流較少，煤氣利用好。

2合理煤氣流分布曲線的討論第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動圖a邊緣CO2很低（溫度較高），中心CO2很高（溫度較低）的典型“饅頭狀”CO2曲線。表示中心焦炭負荷過重（堆積、堵塞），邊緣煤氣流過分發(fā)展的情況，故稱為邊緣氣流。在此情況下，大量煤氣未經(jīng)充分利用而從爐喉邊緣逸出高爐，造成爐頂溫度升高，爐頂混合煤氣CO2低（CO高）?？梢酝茢啵鄳能浫蹘椤癡”形。由于爐缸中心嚴重堆積，死料堆擴大，燃燒帶縮短而靠近風口，煤氣很難達到爐缸中心，造成邊緣激烈發(fā)展，中心氣流很弱的初始煤氣流分布。圖b邊緣CO2較高，中心CO2很低（溫度較高）的典型“漏斗狀”CO2曲線。它表示邊緣焦炭負荷過重，甚至堆積、結(jié)厚，中心煤氣流過分發(fā)展的情況，故稱中心氣流。此時，大量煤氣未經(jīng)充分利用而從爐喉中心溜走，同樣造成爐頂溫度升高，爐頂煤氣CO2低，CO高的局面?？梢酝茢啵浫蹘螤顬榫o縮向中心的狹窄的“”形。但因邊緣過重，經(jīng)二次分布后的煤氣涌向中心，相應的燃燒帶狹長而伸向爐缸中心，形成爐第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動缸中心，形成爐缸邊緣堆積，氣流很弱，而中心過分發(fā)展的初始煤氣流分布。圖c為維持中心和邊緣CO2含量大致相等，而較中間區(qū)域為低的典型的“雙峰形”曲線。表示在高爐的邊緣和中心具有適當發(fā)展的“兩道氣流”。此時，煤氣流分布比較合理，利用較好，高爐順行?？梢酝茢?，其相應的軟熔帶為“W”形，而燃燒帶得到適當擴大，初始煤氣流分布比較合理。圖dCO2最低點不在中心，也不在邊緣，而在某特定位置產(chǎn)生的典型“管道氣流”曲線。此時，大量煤氣未經(jīng)充分利用而通過“管道”溜走，能量利用很差，高爐不順，屬煤氣分布嚴重失常的情況。三、合理煤氣流分布曲線原則：在保證爐況順行的前提下，盡量提高CO2水平，以提高爐頂?shù)诙摚踩唔?，編輯?023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動混合煤氣CO2總含量，最充分地利用煤氣能量，使燃料消耗最低。

第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動5.6

爐頂布料——上部調(diào)劑原理一、爐料物理性質(zhì)對爐料和煤氣分布的影響高爐內(nèi)煤氣流分布與爐料分布相互影響，密切相關(guān)，在其他條件一定的情況下，爐喉煤氣分布主要取決于爐料的分布。因此，可以通過布料來控制煤氣分布。爐料的種類、粒度、自然堆角、料層厚度等對煤氣分布有重要影響。①焦炭與礦石比較，焦炭集中的地方，透氣性好，阻力小，通過的煤氣多；礦石集中的地方，透氣性差，阻力大，通過的煤氣少。②大塊與小塊比較，大塊集中的地方，透氣性好，阻力小，通過的煤氣多；小塊集中的地方，透氣性差，阻力大，通過的煤氣少。③料層厚度料層薄的地方，阻力小，煤氣通過多；料層厚處阻力大，煤氣通過少。第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動④爐料偏析的影響在爐料堆腳處，大塊多，阻力小，煤氣通過量大；堆尖處，小塊和粉末多，阻力大，煤氣通過量小。二、爐料在爐喉內(nèi)的分布

以鐘式裝料設(shè)備為例，當大料鐘下降將爐料裝入高爐內(nèi)時，爐料沿鐘面按一定拋物線軌跡，先布向爐墻而后滾向中心。如果堆尖離爐墻一定距離（b、c線），則按堆角和偏折規(guī)律，一部分大塊布向爐墻，一部分大塊滾向中心。小塊和粉料則集中在離爐墻較近的堆尖處。因而有利于形成邊緣和中心兩道氣流。如果堆尖緊靠爐墻，則爐料按a線分布，大塊滾向中心，小塊、粉料堆積于邊緣，并形成周圍高，中心低的漏斗狀料面，起著抑制邊緣，發(fā)展中心氣流的作用。如果邊緣分布礦石機較多，中心分布焦炭相對較多，則同樣起到抑制邊緣，開發(fā)中心氣流的作用。第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動三、布料規(guī)律影響爐喉布料的因素很多，如爐料堆角、粒度、比重、形狀的原料因素；裝料設(shè)備形式、參數(shù)，爐喉直徑和間隙等設(shè)備因素和裝料工藝制度方面的因素。第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動5.7

應用裝料制度改善布料和煤氣分布裝料制度是高爐上部調(diào)劑的主要手段，正確選擇裝料制度是保證高爐順行，獲得合理煤氣分布，充分利用煤氣能量的重要環(huán)節(jié)。裝料制度的內(nèi)容包括料線高低、批重大小和裝料順序。一、料線大鐘下降位置下沿至料面的垂直距離稱為料線。高爐裝料按料線分批進行，當料線降到規(guī)定位置時，則裝入下一批爐料。料線越深，料面越低。如料線深度低于正常水平位置，則稱為低料線操作；如料線高于正常水平位置，則稱為高料線操作。當料線位于爐料與爐墻的碰撞點A時，爐料堆尖緊靠爐墻，壓制邊緣氣流。提高料線時，隨著料線水平的提高，爐料堆尖逐步遠離爐墻，促使邊緣氣流發(fā)展；降低料線正好相反。在碰撞點以下時，從大鐘上落第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動下的爐料先撞擊爐墻，再反射后分布，爐料堆尖也離開爐墻。在這種情況下，將打亂爐料分布規(guī)律，而不能有效控制煤氣分布，使煤氣利用變壞。爐料堆尖位置除受料線影響外，還受冶煉強度、礦石特性及大鐘傾角的影響。二、批重裝入高爐的每一批爐料是由焦炭、礦石和熔劑按一定重量比例組成的。三者的總重量稱為料批重。其中礦石的批重稱為礦批重，焦炭的批重稱為焦批重，礦石和焦炭的重量比稱為焦炭負荷（即單位重量焦炭負荷的礦石量）。提高焦炭負荷，意味著高爐熱量有余，可以增大礦批重。由于礦石批重增加，使礦石沿爐喉徑向分布更趨于均勻，相對有較多的礦石布向中心，起著抑制中心，發(fā)展邊緣煤氣流的作用。反之，發(fā)展中心氣流。第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動當焦炭負荷不變時，采用大料批（增大批重）操作，則焦炭批重和礦石批重相應都增加，礦石沿徑向的分布比小料批時均勻得多，礦石布向中心相對較多。不僅抑制中心，也抑制邊緣，因而氣流穩(wěn)定、分布均勻。更重要的作用還在于焦炭批重增加，軟熔帶焦炭夾層高度相應增加，有利于提高軟熔帶透氣性，改善煤氣流的二次分布，也利于提高爐喉煤氣CO2曲線的水平，改善能量利用。因此，目前高爐一般都主張大料批操作。當然，料批重不能無限擴大，它受裝料設(shè)備容積的限制；同時受適宜礦、焦層厚度的約束。批重亦不宜過小。當批重小于某一數(shù)值時，礦石便分布不到中心，此稱為臨界批重，即控制料批下限的臨界值，或料批極小值。在此臨界值以下，增加批重，只能抑制邊緣，或其作用不明顯。所以只有當批重大于此臨界值時，增大批重才能起到均勻布料，穩(wěn)定氣流的作用。也可以說，每座高爐在各自具體條件下，有其適宜的批重，它隨條件的改變而改變。第三十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動第三十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期六煉鐵學——高爐爐料和煤氣的運動三、裝料順序在料線適宜和批重確定的情況下，主要靠爐料落入爐內(nèi)的先后次序，裝料順序來控制爐料和煤氣分布，是高爐操作最常用的上部調(diào)劑方法之一。同裝法：將一批料重的焦炭和礦石都聚集在大料斗中，由大料鐘一次下降同時裝入爐內(nèi)。分裝法：將一批料鐘的焦炭與礦石分別裝入爐內(nèi)，大鐘先后開啟兩次。正裝法：礦石先裝入爐，焦炭后裝入爐。倒裝