張躍輝

(本鋼板材股份有限公司, 遼寧 本溪 117000)

0 引言

高爐根據(jù)內(nèi)部爐料存在形態(tài)可劃分為塊狀帶、軟熔帶、滴落帶、燃燒帶、渣鐵盛聚帶五個區(qū)域，風口回旋區(qū)的形狀和大小決定了煤氣流的初始分布，內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)決定了煤氣流的再次分布[1-2]。在冷態(tài)模擬研究中，研究者[3-12]多通過在二維模型或偽三維模型來研究內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)對煤氣流分布的影響，以此得出不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)對煤氣流分布的影響規(guī)律。本研究通過建立三維冷態(tài)物理模型，采用物理模擬實驗的手段，研究高爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)對高爐煤氣流分布的影響，并獲得了高爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)對煤氣流分布狀態(tài)的影響規(guī)律，進而為高爐工藝的生產(chǎn)過程提供一定的理論基礎和參考依據(jù)。

1 實驗裝置與實驗方法

1.1 實驗裝置簡介

依據(jù)實際高爐本體，按1∶20的比例設計制作了高爐模型。實驗裝置平臺如圖1所示，包括高爐主體及輔助系統(tǒng)。高爐的每個風口由側(cè)壁向下4°的傾角插入，深入爐內(nèi)2 mm。模擬物料采用聚乙烯顆粒，直徑大約為2.5 mm，密度為921 kg/m3。由頂部加料漏斗加入爐中。壓縮空氣通過氣體圍管均勻地進入各個風口，采用轉(zhuǎn)子流量計控制鼓風量。為模擬回旋區(qū)內(nèi)焦炭的燃燒消耗，與風口回旋區(qū)同心相連排料器，物料由排出管排出，排料速度由連接排出管的螺旋給料機控制。

1、爐身主體，2、布料器，3、壓力測試點，4、螺旋排料器，5、爐料回收箱6、底座平臺，7、氣體圍管，8、加濕器，9、氣體流量計，10、儲氣罐，11、空壓機。

1.2 實驗方法及方案

在高爐冷態(tài)模型的觀察面板上有三十六個測壓點，排列為9行4列?？v向上，由高爐邊緣至中心位置均勻排列，相鄰測壓點距離為10 cm；橫向上，由爐缸部位至爐頂部位均勻分布測壓點。實驗開始后，通過測得各點位置壓力值變化來表征煤氣流的變化程度，以此來研究不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)和操作條件對煤氣流分布的影響。具體實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗操作參數(shù)

2 高爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)對煤氣流分布的影響

2.1 爐內(nèi)死料柱位置對煤氣流分布的影響

爐內(nèi)死料柱位置如圖2所示，(a)死料柱下沿位于風口水平線上5 cm，(b)死料柱下沿與風口水平線相平，(c)死料柱下沿位于風口水平線下5 cm。標準鼓風量和固定料層高度下實驗結(jié)果如圖3所示，死料柱下沿位置與風口水平線相平時的壓強值比死料柱下沿位于風口上下5 cm處的壓強值都大，說明形成此位置時的死料柱形態(tài)致使煤氣流分布較合理，垂直高度上煤氣流變化程度很小，說明煤氣流分布很均勻。因此，在高爐內(nèi)部形成死料柱時，其下沿位置與風口水平線相平時對高爐內(nèi)煤氣流分布有利，煤氣流利用系數(shù)高。

(a)風口上5 cm (b)風口處 (c)風口下5 cm

圖3 不同死料柱位置下的壓強值

2.2 高爐軟熔區(qū)域形狀對煤氣流分布的影響

高爐內(nèi)軟熔區(qū)域位置和形狀如圖4所示，(a)“V”型，(b)平型，(c)“倒V”型。標準鼓風量和固定料層高度下實驗結(jié)果如圖5所示，第二列為高爐邊緣，第四列為高爐中心，從高爐邊緣以及中心煤氣流分布狀態(tài)可以看到，煤氣流在高爐內(nèi)自下而上流動過程中，由于軟熔區(qū)域的影響，在爐頂上部壓強值較低，說明軟熔區(qū)域的存在阻礙了煤氣流的發(fā)展；從不同軟熔區(qū)域位置和形狀下的煤氣流分布可以看到，煤氣流的分布隨軟熔區(qū)域形狀和位置的變化而相應變化。高爐邊緣煤氣流分布狀態(tài)顯示，平型軟熔區(qū)域壓強最大，邊緣氣流發(fā)展，接近風口回旋區(qū)時變化很大，說明煤氣流分布不均勻；而“倒V”型自上到下煤氣流壓強較大且分布均勻穩(wěn)定；高爐中心煤氣流分布狀態(tài)顯示，發(fā)展中心氣流倒“V”型軟熔區(qū)域煤氣流分布最好。因此，綜合分析可知，“倒V”型軟熔區(qū)域結(jié)構(gòu)爐內(nèi)煤氣流分布均勻、穩(wěn)定。

(a)“V”型 (b)平型 (c)“倒V”型

第二列

3 操作條件對煤氣流分布的影響

3.1 鼓風量對煤氣流分布的影響

固定料層高度、死料柱下沿位置與風口水平線相平和“倒V”型軟熔區(qū)域條件下進行實驗，研究不同鼓風量對煤氣流分布的影響。實驗結(jié)果如圖6所示，靠近高爐邊壁處(第二列)和中心處(第四列)各測壓點壓強隨鼓風量增加各點壓強值增大，當鼓風量為21 m3/h時，邊緣和中心氣流壓強值較小，致使在高爐內(nèi)氣固反應不充分，對于發(fā)展邊緣和中心煤氣流都不利；鼓風量為69 m3/h、85 m3/h時邊緣和中心處壓強值過大，致使高爐內(nèi)過吹，煤氣流分布紊亂，對于發(fā)展邊緣和中心煤氣流都不利，煤氣流分布不均勻，煤氣利用率低，鼓風量為53 m3/h時爐內(nèi)煤氣流分布均勻，煤氣利用率較高，為最適宜鼓風量。

第二列

3.2 料層高度對煤氣流分布的影響

固定最適宜鼓風量、死料柱下沿位置與風口水平線相平和“倒V”型軟熔區(qū)域條件下進行實驗，研究不同料層高度對煤氣流分布的影響。實驗結(jié)果如圖7所示，由圖可知，靠近邊壁處(第二列)和中心處(第四列)各測壓點的壓強值隨著料層高度的增加而增大。這是因為料層增高，鼓風自風口水平進入爐內(nèi)向上流動進入自由空間的阻力增大，各測壓點處的壓強值相應增大。

第二列

4 結(jié)論

文章通過物理模擬實驗研究了高爐爐內(nèi)不同結(jié)構(gòu)形態(tài)和操作條件對煤氣流分布的影響，采用測定爐身壓力方法研究高爐內(nèi)煤氣流分布情況，得到了不同死料柱和軟熔區(qū)域以及不同操作條件對高爐內(nèi)煤氣流分布的影響，結(jié)論如下：

(1)死料柱位置對煤氣流分布影響較大，煤氣流發(fā)展隨著死料柱位置的變化而變化。生產(chǎn)過程中死料柱位置過低會影響鐵水的排放；死料柱位置過高會影響煤氣流分布不均勻，實驗結(jié)果表明，死料柱下沿位置與風口水平線相平時對煤氣流分布有利，煤氣流利用系數(shù)高。

(2)煤氣流發(fā)展隨軟熔區(qū)域形狀不同而相應變化，“倒V”型的軟熔區(qū)對發(fā)展邊緣和中心煤氣流都有利，活躍了中心料柱，抑制了邊緣煤氣流的過分發(fā)展?！暗筕”型軟熔區(qū)域結(jié)構(gòu)使煤氣流分布均勻、穩(wěn)定，能充分進行還原，還能提高高強度冶煉，延長高爐的壽命。

(3)鼓風量對煤氣流影響顯著，隨著鼓風量增大各測壓點的壓強值增大，實驗結(jié)果表明，鼓風量過小時，煤氣流雖分布均勻但壓強值過低，致使還原不充分；鼓風量過大時，煤氣流分布不均勻，煤氣利用率低，鼓風量為53 m3/h時爐內(nèi)煤氣流分布均勻，煤氣利用率較高，為最適宜鼓風量。

(4)隨料層高度增加各測壓點的壓強值增大，鼓風自風口水平進入爐內(nèi)向上流動進入自由空間的阻力增大。壓強值隨著料層高度增加而增加。實際生產(chǎn)時，可根據(jù)高爐的有效容積，有效調(diào)整裝料制度，確定較為適宜的料層高度。