郭俊奎 馬鐵林

(林州市馬氏煉鐵技術(shù)研究開發(fā)有限公司)

高爐風(fēng)口參數(shù)的設(shè)計探討*

郭俊奎 馬鐵林

(林州市馬氏煉鐵技術(shù)研究開發(fā)有限公司)

風(fēng)口是高爐送風(fēng)系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，通過對高爐風(fēng)口參數(shù)進行分析探討，論述了風(fēng)口數(shù)目，風(fēng)口高度，風(fēng)口角度、長度，風(fēng)口直徑對高爐冶煉操作、生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟指標的影響，并從設(shè)計角度提出了風(fēng)口參數(shù)的設(shè)計、計算參考數(shù)據(jù)和建議。

高爐 風(fēng)口參數(shù) 設(shè)計 探討

0 前言

高爐煉鐵是一個綜合的工藝過程，每一項工藝參數(shù)設(shè)計對高爐生產(chǎn)都有不同程度的影響，高爐風(fēng)口是煉鐵高爐重要的送風(fēng)設(shè)備之一，有高爐煉鐵生產(chǎn)工藝以來就存在風(fēng)口，高爐鼓風(fēng)、噴吹的燃料都是通過風(fēng)口進入高爐內(nèi)的。風(fēng)口參數(shù)主要包括風(fēng)口數(shù)量、高度、直徑、角度和長度等數(shù)據(jù)，風(fēng)口參數(shù)對其本身壽命及煉鐵高爐生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟指標有重要影響，是高爐下部調(diào)劑的重要手段之一。筆者結(jié)合節(jié)能減排、降低能耗及新工藝的需要，通過工業(yè)實踐，對風(fēng)口參數(shù)進行了分析探索，提出了一些看法，并從設(shè)計角度提出了風(fēng)口參數(shù)的設(shè)計、計算參考數(shù)據(jù)和建議，以使風(fēng)口參數(shù)更加科學(xué)合理，做好風(fēng)口參數(shù)設(shè)計，從而進一步提高煉鐵生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟指標。

1 風(fēng)口數(shù)目的確定

高爐風(fēng)口數(shù)目是高爐工藝設(shè)計的重要參數(shù)之一，主要取決于爐缸直徑大小和鼓風(fēng)機能力，高爐風(fēng)口數(shù)目增多目前是一種趨勢，增加風(fēng)口數(shù)目有利于高爐的強化冶煉。風(fēng)口數(shù)目在滿足煉鐵工藝要求的同時，還應(yīng)符合風(fēng)口的安裝尺寸和結(jié)構(gòu)要求。

風(fēng)口數(shù)目的計算有多種方法，但還沒有嚴格的理論計算公式，一般按經(jīng)驗公式粗略計算后確定。設(shè)計手冊要求風(fēng)口弧長間距在1200 mm～1400 mm，國內(nèi)曾采用如下公式［1］:

式中:f—風(fēng)口數(shù)目，個;

d—爐缸直徑，m。

式中計算出來的風(fēng)口數(shù)目較少。國外一般采用如下公式［1］:

風(fēng)口數(shù)目一般為雙數(shù)。高爐風(fēng)口數(shù)目的合理設(shè)計與高爐操作、技術(shù)指標有很大關(guān)系。風(fēng)口數(shù)目增多，風(fēng)口弧長間距就小，高爐圓周進風(fēng)相對均勻，可改善煤氣流、溫度分布，減少風(fēng)口之間的“死料區(qū)”，爐缸燃燒均勻，可活躍爐缸，利于爐況順行，有節(jié)焦、增產(chǎn)等作用，更有利于節(jié)能減排。中小高爐其效果十分明顯，大高爐次之。

通過某140 m3級高爐工業(yè)試驗，風(fēng)口由8個改為10個，和同等條件高爐相比，可提高日產(chǎn)量80 t～100 t，降低焦比 10～15 kg/t.Fe。高爐爐缸 8 個風(fēng)口時，風(fēng)口中心線水平間夾角為45°，高爐改為10個風(fēng)口時風(fēng)口中心線水平夾角為36°，兩者相差9°，也就是說8個風(fēng)口時，相當(dāng)于高爐爐缸內(nèi)圓周72°(9°×8)范圍內(nèi)“無風(fēng)口”，極大影響了爐缸的工作制度，對高爐技術(shù)經(jīng)濟指標影響較大。

試驗表明，增加風(fēng)口數(shù)目，爐缸燃料燃燒相對均勻、有效，有利于爐內(nèi)煤氣流的初始分布、溫度分布、熱量分布，可以活躍爐缸，利于爐況順行，降低能耗，提高產(chǎn)量，有利于提高高爐的技術(shù)經(jīng)濟指標和經(jīng)濟效益，是節(jié)能減排的重要手段之一。

風(fēng)口數(shù)目的增加，必須與風(fēng)量、風(fēng)壓及風(fēng)口直徑等參數(shù)緊密配合，才能體現(xiàn)出增加風(fēng)口數(shù)目的意義所在，否則，也會帶來負面影響，達不到預(yù)期效果，反而影響高爐的強化冶煉。

筆者建議風(fēng)口數(shù)目的確定應(yīng)以爐缸風(fēng)口之間的弧長間距為依據(jù)，以縮小風(fēng)口弧長距離為原則，確定風(fēng)口數(shù)目。建議風(fēng)口弧長距離控制在1000 mm～1100 mm，不超過1200 mm。

2 風(fēng)口高度計算和風(fēng)口角度

鐵口中心線至風(fēng)口中心線的垂直高度距離稱為風(fēng)口高度(Hf)。風(fēng)口與渣口的高度差應(yīng)能保障容納上渣量和一定的燃燒空間，風(fēng)口高度計算公式如下［2］:

式中:Hz——渣口高度

K——渣口高度與風(fēng)口高度之比(一般k=0.5～0.6，渣量大取低值)。

從公式(1)可以看出，風(fēng)口高度與渣口高度有一定關(guān)系，而隨著原燃料條件的改善，精料水平的提高，渣量減少是趨勢，因此，可以認為風(fēng)口高度也應(yīng)是趨于減小，而現(xiàn)在設(shè)計中，風(fēng)口高度的確定更多是參閱、類比同級高爐。

通過對高爐風(fēng)口高度數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計、實踐，通過控制適當(dāng)?shù)母邚奖?，趨于矮胖的爐型，使用平風(fēng)口時，風(fēng)口高度與高爐有效高度的比值約為1/8.76。這一數(shù)據(jù)對中小高爐風(fēng)口高度設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義，而且通過實踐，取得了比較好的技術(shù)經(jīng)濟指標。但此值有待在大高爐上實踐、驗證。

高爐是非標準設(shè)備，風(fēng)口高度的大小與高爐內(nèi)直接還原、間接還原的程度，以及高爐爐內(nèi)直接還原區(qū)、間接還原區(qū)大小有很大關(guān)系，似是一個“分界線”，對爐內(nèi)燃料的熱能和化學(xué)能利用有影響。此值不合理，高爐不會有好的生產(chǎn)指標，易引起爐內(nèi)事故，爐況不順，焦比升高，不利于節(jié)能降耗。同時也應(yīng)認識到大中小高爐的風(fēng)口高度在高爐內(nèi)的“適應(yīng)性”是有區(qū)別的。

實踐表明，小高爐的爐缸直徑小，風(fēng)口相對也少，風(fēng)口高度對高爐爐況的影響十分明顯，只要相差正負75 mm，就對生產(chǎn)影響極大。大高爐，特別是特大型高爐，風(fēng)口數(shù)目多，距高爐中心相對遠，風(fēng)口燃燒的放射性鼓風(fēng)作用等引起的風(fēng)口高度“適應(yīng)性”相對小高爐要強，也就是說特大型高爐的風(fēng)口高度調(diào)整余地大，對高爐生產(chǎn)影響相對小，這也是大型高爐目前的風(fēng)口高度差別大，也能適應(yīng)高爐生產(chǎn)變化的一個重要原因。但是，大高爐、特大型高爐也應(yīng)該有個最佳值，對生產(chǎn)才最有利。

風(fēng)口角度是指風(fēng)口中心線向下傾斜的角度，是調(diào)節(jié)高爐生產(chǎn)的手段之一。只要有角度，鼓風(fēng)動能利用相對就差，直觀分析就是三角形直角邊與斜邊的關(guān)系。風(fēng)口有角度，風(fēng)口距離高爐中心就遠，不利于吹透中心。

風(fēng)口高度與風(fēng)口角度有相輔相成的關(guān)系，兩者應(yīng)緊密配合，高爐生產(chǎn)才會有好的技術(shù)指標。一般建議選零度平風(fēng)口，不要有角度。筆者認為，不研究風(fēng)口高度而研究風(fēng)口角度意義不大。

3 風(fēng)口直徑和長度

3.1 風(fēng)口直徑

風(fēng)口直徑一般是指風(fēng)口小套的內(nèi)直徑，表示高爐鼓風(fēng)進入高爐時進風(fēng)面積的大小。風(fēng)口直徑由風(fēng)口的出口風(fēng)速確定，一般風(fēng)口的出口標態(tài)風(fēng)速在100 m/s以上［2］，巨型高爐有的高達200 m/s。風(fēng)口直徑的計算有一些參考公式，主要是要保證風(fēng)口的鼓風(fēng)動能，可以作為一個重要的參考數(shù)據(jù)。推薦的風(fēng)口面積計算公式為［3］:

式中:S——風(fēng)口面積，m2/個;

E——鼓風(fēng)動能，(kg·m)/s;

t——熱風(fēng)溫度，℃;

Pb——熱風(fēng)壓力，kPa;

γ——氣體密度，kg/m3;

Vb——風(fēng)量，m3/min;

n——工作風(fēng)口數(shù)目。

當(dāng)噴吹燃料時，V混(換成 m3/min)代替 Vb，用t混代替t即可。

風(fēng)口直徑的計算涉及變量參數(shù)比較多，特別是有的參數(shù)是瞬間變化的，要取值計算準確比較難。每座高爐有其各自的生產(chǎn)特點和規(guī)律，也是隨時在變化的，而不是一個固定的值。計算值只是一個相對參考值，必須通過生產(chǎn)實踐使用檢驗，應(yīng)該以滿足高爐生產(chǎn)操作工藝要求、爐況順行、效益最大為原則。

改變風(fēng)口面積大小是高爐操作下部調(diào)劑的重要手段之一，是對各風(fēng)口流量的重新分配，從而影響風(fēng)口回旋區(qū)的形狀、大小，影響氣流和溫度的分布以及爐缸的均勻、活躍程度。當(dāng)高爐爐缸煤氣流分布不合理、爐缸工作不活躍時，有必要改變風(fēng)口直徑，調(diào)節(jié)各風(fēng)口的進風(fēng)壓力、流量， 使整個爐缸內(nèi)的燃燒、溫度、煤氣流分布盡可能均勻、合理，達到調(diào)節(jié)爐況順行的目的。有人建議高爐鐵口兩側(cè)的二個風(fēng)口直徑應(yīng)小2 mm～3 mm，這個觀點直觀分析可行，但有待于生產(chǎn)操作實踐的檢驗、證實。

在一定的冶煉條件下，高爐都有其適宜的操作制度與冶煉強度，風(fēng)口直徑一般不宜經(jīng)常變動。

3.2 風(fēng)口長度

風(fēng)口長度有兩個概念，一是風(fēng)口小套的加工成品長度，二是風(fēng)口小套伸入爐缸內(nèi)的長度。我們探討風(fēng)口長度是指風(fēng)口小套伸進爐缸內(nèi)的長度。

設(shè)計手冊要求風(fēng)口小套前端伸進爐缸20 mm～50 mm，但筆者分析認為，在保證風(fēng)壓的前提下，風(fēng)口小套不應(yīng)該伸進爐缸內(nèi)，超出爐墻，反而應(yīng)縮回爐墻內(nèi)。原因如下:

1)縮回爐墻內(nèi)60 mm左右，與伸進爐缸30 mm～50 mm相差約100 mm，對風(fēng)口本身沒有任何影響，但相當(dāng)于“爐缸直徑”大了約200 mm，這對提高產(chǎn)量，促進燃燒，活躍爐缸有益，但必須有風(fēng)壓做保證。

2)風(fēng)口小套全部或部分裸露在爐缸內(nèi)，引起多種弊病:鐵水滴落沖刷風(fēng)口小套，小套損壞風(fēng)險增加;風(fēng)口小套后端和爐墻之間形成一個“回旋區(qū)”，對風(fēng)口套極為不利;冷卻水壓力低時，易損壞，休風(fēng)率高，備件消耗高;而風(fēng)口小套縮回爐墻內(nèi)，可有效解決上述問題。

3)風(fēng)口位于爐缸上部，直接與渣、鐵、高溫氣流接觸，工作條件十分惡劣。風(fēng)口燒損的部位，多為風(fēng)口伸入爐內(nèi)部分的前端上緣和下緣。由于其與渣、鐵接觸，局部區(qū)域的熱流強度超過了風(fēng)口材質(zhì)所能承受的臨界熱流強度，產(chǎn)生過熱而被熔化所致［4］。高爐爐墻沖涮、侵蝕是必然的， 高爐壽命越長，爐缸侵蝕越大，風(fēng)口小套縮回爐墻有利于保護風(fēng)口小套，延長風(fēng)口小套壽命。

風(fēng)口縮回爐墻，一可以保護風(fēng)口，二必然要增加燃燒面積，活躍爐缸。有的學(xué)者提出和爐墻平齊，風(fēng)口縮回爐墻內(nèi)會促進縮回部分耐火磚的破損，也不利于形成合理爐型。但筆者認為，縮回爐墻是方向，定量縮回多少，大中小高爐應(yīng)有區(qū)別。高爐生產(chǎn)爐內(nèi)耐火材料磚襯必然磨損浸蝕，爐缸必然擴大，但是如何使高爐磚襯壽命長，侵蝕小，保持一定的工作爐型很重要。

因此，在保證高爐風(fēng)壓、風(fēng)速的前提下，風(fēng)口小套建議縮回墻內(nèi)50 mm～100 mm，而且隨著爐襯的侵蝕，應(yīng)隨時調(diào)整。通過在中小高爐上的工業(yè)實踐表明，風(fēng)口縮回爐墻，有利于延長風(fēng)口壽命，而且爐況順行，產(chǎn)量高，焦比低，對高爐操作無負面影響。

4 結(jié)論

通過分析研究及實踐，得出以下結(jié)論:

1)高爐風(fēng)口在不影響其安裝、維護的前提下，數(shù)目宜多。

2)風(fēng)口高度應(yīng)有一個相對合理、“固定”的數(shù)值，對高爐的穩(wěn)定操作有益，與爐內(nèi)直接還原和間接還原有很大關(guān)系。

3)風(fēng)口直徑不宜經(jīng)常變動，且應(yīng)使用平風(fēng)口或小角度風(fēng)口，并縮回爐墻內(nèi)。

［1］煉鐵設(shè)計參考資料編寫組.煉鐵設(shè)計參考資料［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1979:139.

［2］張樹勛.鋼鐵廠設(shè)計原理(上冊)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005:77，78.

［3］周傳典.高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊［M］.北京:冶金工業(yè)出版祉，2002:321.

［4］萬新.煉鐵設(shè)備及車間設(shè)計［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2007:50.

DESIGN AND DISCUSSION OF BF TUYERE PARAMETERS

Guo Junkui Ma Tielin
(Research and Development Department of Mashi Iron and Steel Co.，Ltd)

Tuyere is one of the important equipments in blasting system.It introduces the influence of the number，height，angle，length and diameter of tuyere on BF operation and production and economic indices and also gives reference data of tuyere parameters and suggestion.

BF tuyere parameters design discussion

:2011—11—30