舒有武  李寶峰  武樹永

（太原鋼鐵集團(tuán)煉鐵廠）

摘  要  分別對太鋼六高爐風(fēng)口燃燒帶和塊狀帶煤氣流工作參數(shù)進(jìn)行了計算，進(jìn)一步對風(fēng)口回旋區(qū)的形狀參數(shù)即最大深度，寬度，高度和體積等，塊狀帶徑向不同部位的煤氣流運動壓力損失進(jìn)行了解析，局部透視了高爐爐內(nèi)工況，有利于更好地指導(dǎo)高爐操作。

關(guān)鍵詞  風(fēng)口燃燒帶  塊狀帶  煤氣流工況   運動壓力損失

高爐是一個復(fù)雜的高溫豎式逆流移動床反應(yīng)器，它內(nèi)部的爐料和煤氣流的相對運動是決定高爐穩(wěn)定、高效運行的重要動力學(xué)問題。太鋼六高爐長期受全爐壓差高困擾，雖然通過監(jiān)測和計算能對爐內(nèi)局部煤氣流工作參數(shù)進(jìn)行分析，但局限性仍較大，對煤氣流分布和運動仍認(rèn)識不充分和透徹。為此，本文通過計算對風(fēng)口燃燒帶的回旋區(qū)形狀參數(shù)，塊狀帶的煤氣流壓力運動損失分布進(jìn)行了解析，可以幫助高爐操作者更好透視相關(guān)爐內(nèi)工況，指導(dǎo)操作和爐況調(diào)整。

1  風(fēng)口燃燒帶工況

1.1  計算公式

選用了高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊[1]中的部分公式，以對風(fēng)口回旋區(qū)的形狀：最大深度、寬度、高度和體積等參數(shù)進(jìn)行了計算。

1.2  參數(shù)現(xiàn)狀

BV：6100m3/min   O2：26000m3/h   BT：1210℃  BH:5g/m3  加濕：4.5t/h  TP：220kPa  BP：405kPa   風(fēng)口平均直徑：0.124m  工作風(fēng)口個數(shù)：38個   料線：1.4m  

礦石綜合品位：62%   噴煤量: 60t/h 焦比：362kg/t   燃料比：510kg/t 

爐料結(jié)構(gòu)：65%燒結(jié)+35%酸性球團(tuán)   焦炭密度：0.53 kg/m3  焦炭粒徑：0.052m  

1.3  計算解析

高爐風(fēng)口燃燒帶回旋區(qū)是高爐穩(wěn)定操作不可缺少的重要反應(yīng)區(qū)，其形狀對高爐下部氣流、爐缸活躍程度及爐料下降影響很大，其尺寸大小將直接影響高爐下部煤氣的分布、上部爐料的均衡下降以及整個高爐內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程。

風(fēng)口回旋區(qū)也是高爐煤氣的發(fā)源地，決定著爐內(nèi)煤氣流一次分布。回旋區(qū)內(nèi)焦炭的運動是在氣、固、液三相的相對運動中進(jìn)行的，由焦炭與煤氣的運動和焦炭的燃燒疊加而成，是物理運動與化學(xué)反應(yīng)的耦合結(jié)果，在復(fù)雜的交互作用下進(jìn)行著一系列質(zhì)量、動量和熱量的傳遞。從上述公式（1）可以得知，風(fēng)口回旋區(qū)的大小與煤氣量成正比，與煤氣溫度成正比，與焦炭粒徑成反比，欲使回旋區(qū)空腔長度向爐內(nèi)延伸，必須提高風(fēng)量和風(fēng)溫，減小焦炭粒徑等，但這些參數(shù)又影響著透氣性等，因此選擇參數(shù)時必須兼顧與統(tǒng)一。

太鋼六高爐爐缸直徑為14.2m，風(fēng)口小套深入爐內(nèi)長度為0.368m，通過計算可以得出爐缸橫截面上風(fēng)口回旋區(qū)有效面積與爐缸面積比值n=0.469，而大高爐為了保證爐缸有足夠透氣性和活躍性，n值在0.5-0.6為宜。因此可知六高爐下部回旋區(qū)面積占爐缸面積的比例目前偏小，導(dǎo)致爐缸橫截面有效通過面積過小，進(jìn)風(fēng)通道小而窄，故下部壓差居高不下，繼而入爐風(fēng)量嚴(yán)重偏低，又加劇了軟熔帶根部下移和加厚，進(jìn)一步使下部通道縮小，壓差矛盾加劇。

通過測算，在保證其他參數(shù)不變條件下，維持高爐風(fēng)量BV：6900 m3/min，O2：30000m3/h時能使n值達(dá)到0.52，能使風(fēng)口中心線以上死焦堆高度Hc由6.5m降至6.18m，風(fēng)口中心線以上死焦堆體積Vc由208.78m3減至181.88 m3，死焦堆體積縮小幅度為12.9%，具體變化如下圖。

改善爐內(nèi)透氣性和降低風(fēng)壓，關(guān)鍵在于提高徑向有效通過面積和縱向有效體積容量。通過增加風(fēng)量，提高鼓風(fēng)動能可以增大回旋區(qū)面積，擴(kuò)大進(jìn)風(fēng)有效通道，回旋區(qū)高度HR由1.167 m增加到1.192 m，回旋區(qū)高度增加了2.14%。在其他參數(shù)不變條件下，料層高度和下料過程會對回旋區(qū)回旋區(qū)高度有一定影響，但影響不大[2]。回旋區(qū)總體積VR也由27.664m3增加到34.2m3，風(fēng)口回旋區(qū)體積增加幅度為23.63%。而有效體積容量包括回旋區(qū)工作體積和料柱空隙體積。風(fēng)口燃燒帶的向內(nèi)延伸，回旋區(qū)體積增大，可以增大高爐的有效體積容量，改善風(fēng)口帶透氣性，緩解下部風(fēng)壓高的矛盾。

2  塊狀帶煤氣流工況

塊狀帶的原燃料物理特性、布料制度和布料方式?jīng)Q定著高爐徑向的礦焦比，而對塊狀帶而言在假定小于5mm粉末因子影響不變條件下，對透氣性起著決定性作用的就是礦焦比，它顯著影響著煤氣流的第三次分布。

2.1  靜壓分布

六高爐爐身上共設(shè)5層靜壓檢測（標(biāo)高17.952 m、19.360 m、21.352 m、25.096 m、29.504 m），每層4個檢測點（方位81°、171°、261°、351°）共20個靜壓孔。爐身靜壓開孔的鉆頭直徑分為兩種，分別為φ80、φ63，開孔深度對應(yīng)為395mm和763mm（靜壓法蘭盤外表面至爐內(nèi)的深度）。目前每層的靜壓測量平均值如圖3所示。圖中曲線為推移平均趨勢線。風(fēng)口—17m靜壓值陡降，說明此處為壓力損失集中處，可以判斷該區(qū)間應(yīng)為軟熔帶根部形成位置。

根據(jù)相關(guān)資料[3]表明，軟熔帶透氣性約為焦炭的1/52，煤氣流第二次分布只能在軟熔層的焦窗層中穿行做之字形運動，煤氣流的60-80%的壓力損失集中在這一區(qū)域。表2為六高爐爐身縱向料線—靜壓層—風(fēng)口各區(qū)間壓力損失的分布，從表中可得知19m—風(fēng)口的壓力損失占比為66.49%，故可判斷六高爐軟熔帶完全在這一區(qū)間，從而我們將這一區(qū)間以上部分即19m—料線這段區(qū)間視為塊狀帶，塊狀帶總壓力損失為62 kPa，損失比例為33.51%。

2.2  邊界條件

六高爐目前采用中心加焦模式，中心焦比例為13.8%，煤氣流在自我調(diào)控作用下總會往孔隙率最大透氣性最好的區(qū)域流動，在現(xiàn)有中心加焦模式下這種現(xiàn)象尤其明顯。我們假定塊狀帶中心處完全為大塊焦炭無礦石，邊緣和中間環(huán)帶處為全部燒結(jié)和球團(tuán)與剩余的焦炭自由混合，混合料按照布料制度進(jìn)行分配。

2.3  計算解析

煤氣流壓力損失可根據(jù)厄根公式[4]計算，由于高爐內(nèi)塊狀帶煤氣流分布偏向于紊流狀態(tài)，可忽略摩擦壓力損失，直接采用運動壓力損失。即公式（6）的后面一部分。

2.3.1  爐料及煤氣特性

通過計算可知燒結(jié)礦等比表面積粒徑為12.07mm，焦炭等比表面積粒徑為46.65mm，球團(tuán)等比表面積粒徑為12mm。取燒結(jié)礦的形狀系數(shù)為0.65，球團(tuán)礦形狀系數(shù)為0.92，焦炭形狀系數(shù)為0.72，則綜合爐料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加權(quán)平均形狀系數(shù)為0.74，比表面積粒徑為13.94mm。

由于燒結(jié)礦的低溫還原粉化，球團(tuán)礦的還原膨脹，焦炭的受重壓縮的變化，塊狀帶下部爐料會出現(xiàn)體積收縮，根據(jù)經(jīng)驗及資料[1]，在邊緣處及環(huán)帶處焦比為315 kg/t，可推出綜合爐料堆密度為1.717 kg/m3 ，也可更方便地采取實測高爐綜合爐料的堆積密度，而視密度根據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)加權(quán)平均為3.139 kg/m3，則計算該處爐料綜合孔隙率?為0.454。

2.3.2.1  運動壓損分析

由靜壓數(shù)據(jù)可知，目前六高爐19m-料線平均總壓損為62 KPa，而通過厄根公式計算可得徑向處運動壓力損失，中心焦處壓損為26.31 KPa，邊緣及環(huán)帶處壓損為95.313 KPa，中心焦處壓損減小幅度為57.56%，邊緣及環(huán)帶處壓損增加幅度為53.73%，中心加焦保證了煤氣流主通道，確實對改善上部塊狀帶透氣性有益。

也可假定無中心焦?fàn)t料按裝料制度完全平鋪，塊狀帶煤氣流運動壓力壓損維持62KPa的情況下，反算出綜合爐料的空隙率?為0.504，將其與表5對比，我們可知這個結(jié)果是偏高，不可接受的。這說明取消中心焦后煤氣流運動壓損肯定會升高，假如維持綜合爐料空隙率?在0.482，則19m-料線區(qū)間內(nèi)壓損將增加至74 KPa。

3  結(jié)語

（1）通過對風(fēng)口燃燒帶計算解析，表明太鋼六高爐在目前參數(shù)狀況下，風(fēng)口回旋區(qū)長度及體積偏小，n值僅為0.47時，當(dāng)保持BV：6900 m3/min，O2：30000m3/h時能使n值達(dá)到0.52，風(fēng)口以上死焦堆體積能減少12.9%，大幅增加下部進(jìn)風(fēng)通道，改善透氣性。

（2）通過對塊狀帶煤氣流計算解析，在塊狀帶綜合壓力損失為62 kPa時，煤氣流的運動壓力損失在中心焦處減小幅度為57.56%，在邊緣及環(huán)帶處增加幅度為53.73%。

（3）通過厄根公式及靜壓數(shù)據(jù)，可以反算出爐內(nèi)綜合孔隙率，有利于對原料特性和煤氣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而指導(dǎo)上部調(diào)節(jié)等。

4  參考文獻(xiàn)

[1]周傳典.高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2005年.

[2]曾華峰.攀鋼2000m3高爐風(fēng)口回旋區(qū)特性的研究[D].重慶大學(xué)；2007年.

[3] 朱仁良.寶鋼大型高爐操作與管理.北京:冶金工業(yè)出版社[M].2015年.

[4] 吳勝利，王筱留，等.鋼鐵冶金學(xué)（煉鐵部分）[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2021年.