高炉炉料运动发表评论(0)编辑词条

高炉炉料运动         (flow dynamics of burden in bIast furnace)
在高炉炼铁过程中从高炉炉顶加入的原、燃料在炉内的运动过程。冶炼中炉料不断下降，并与上升的高温煤气流相接触，矿石和熔剂被加热、分解、还原，经软化、熔融，最后形成铁水和熔渣，积存于炉缸，定期或连续排出炉外；焦炭则被氧化形成上升的煤气流。
力学分析       炉料在高炉内连续下降的条件是炉料下方不断提供空间和炉料本身的重力超过它在下降过程中遇到的阻力。炉料得以下降的空间是由3个过程提供的：(1)焦炭中的碳在直接还原中被铁矿石中的氧所氧化和在风口前燃烧气化而消耗；(2)炉料下降过程中料块重新排列，小块不断充填于大块之间，且随温度升高逐渐软熔使体积缩减；(3)排渣、出铁。这些因素中以风口前焦炭燃烧引起的体积缩减最大，因而对炉料运动状态的影响也最大。炉料下降所遇到的阻力有：(1)炉墙与炉料间的摩擦力；(2)不同下降速度的料块间摩擦力；(3)煤气流的支托力，这种力相当于炉料在流体中受到的浮力。这种关系可用数学式表述：
F=(W料 - p墙 - p料) - Δp = W效 - Δp
式中F为决定炉料下降的力W料为料重；p料，P墙为料、墙间和料块间摩擦力的垂直分量；Δp为煤气通过料层的总压差；W效为料自重扣除炉料间及料、墙间摩擦力(其垂直分量)后的质量，称为炉料的有效质量。显然，只有F>0时炉料才能下降。F值愈大W效较Δp大得愈多，愈利于炉料顺行；F≈0或F<0时，炉料将难以下降或沿断面出现局部性流态化。
影响炉料下降的因素可分为影响 W效和Δp的两类。高炉炉料可认为是散料体。它与其他流体的区别在于其内部没有或很少有结合力，但具有很大的摩擦力。由料块组成的料柱其质量所产生的压力，从一块传到另一块，对周围炉墙产生很大的侧压力和摩擦力。因此，料柱本身质量在克服了各种摩擦力后作用于底部的那部分，亦即有效质量要比实际料重小得多。模型实验及高炉测定结果表明，各因素对有效质量的影响如下：(1)炉身角愈小或炉腹角愈大，则炉墙对炉料的摩擦力愈小，有效质量愈大。但炉身角过小会使炉墙边缘煤气流过分发展，炉腹角过大时炉腹砖衬易被烧坏，故应取适宜值；(2)随料柱增高，有效质量系数(W效／W料)减小，表明炉墙对料柱摩擦力相对量增加；(3)风口增多或风口前焦炭燃烧的空间(燃烧带)分布愈接近风口而远离炉子中心，则有效质量愈大。因为燃烧带上面的炉料是运动的，运动的炉料愈多且更多地靠近炉墙，可更多地减少炉墙对炉料的摩擦力；(4)其他条件不变时，炉料平均堆密度大，则风口平面上料柱的有效质量也大，故有利于顺行。风口喷吹燃料后，由于焦炭负荷(每批料中矿石与焦炭质量之比)稍有增大，炉料堆密度相应增大，这对由高炉喷吹燃料引起的煤气量增大和因此时料柱透气性变坏对怕料下降的不利影响，有部分抵消效果。此外，初渣性质、炉料下降均匀性和炉墙表面状态等对W效 也有影响。原料准备不好，初渣过黏，渣量过大，会使炉料间及料墙间摩擦力增大；炉墙长瘤或冷却水箱裸露出来，也会使炉墙对下降料柱的摩擦力增大，故加强原料准备，改善造渣制度，保持炉衬平整有利于炉料顺行。设法活跃炉缸中心，减少中心“死”料对周围炉料下降的阻力，也利于炉况顺行。影响炉料下降的另一类因素是煤气压差△p(见高炉煤气运动)。
运动形态     按物理状态，高炉自上而下大致可分为块状带、软熔带、滴落带、风口回旋区及炉缸渣铁贮存区5个部分。炉料在各区内物理状态不同，运行特性也不一样。风口区以上属固-气二相区或固-气-液三相区。炉料运动指的是固体料的运行及其中矿石软熔后的流动状态；风口区以下的炉缸内，汇集流下的渣和铁因密度不同而分层存在(渣上铁下)，固态焦炭浸没在渣铁之中。随着冶炼进行，渣、铁层逐渐增厚并定期或连续排出，所以此区内的炉料运动主要指液态渣、铁的流动和焦炭的沉浮状态。
固体料流     受装料设备特性的限制，炉料入炉后料面呈中心低、边缘高的斜面。但由于风口上方的焦炭不断落入回旋区燃烧，而风口区位于炉子边缘，加上炉身逐渐扩展的形状影响，故边缘比中心下料快，使料层愈往下愈趋平坦。就整体而言，在炉身块状带，炉料大体上是呈活塞流动状态向下运行。虽然相间分布的焦炭与矿石在层间界面处略有混杂，宏观上却仍呈明晰的层状缓缓下降。高炉下部(大体上指软熔带以下风口区以上)炉料运行则如图1。

在上部，炉料仍呈活塞流，料块大体上是垂直下降的，但到一定高度(图中Lc )后，散料则分为三个区间，其中A区内的散料(焦炭)呈近似漏斗状，以较快速度从上方落入风口区进行燃烧；C区通常被称为死料柱，它和与其相连的浸没在液体渣铁中的焦炭，基本上处于沉浮蠕动状态；因为碳的溶解、直接还原以及被渣铁浮起的焦炭少部分从燃烧带下方挤入燃烧带内气化等使C区内的焦炭缓慢消耗，高炉解体调查结果表明，大体上10天左右更新一次，而B区内的焦炭则沿死料柱形成的斜坡滑入风口区，其速度比A区的焦炭下落速度慢。A—B界面与水平的夹角θ1为60。～65。 ，死料柱角度日θ2约为45。 。
液体流动       炉料在下降过程中不断地从上升的高温煤气获得热量，在降至一定位置、被加热到一定温度时即开始软化熔融。在滴落带内形成的液滴穿越焦炭层下降，其中一些液滴又相互聚集成流沿焦炭缝隙流入炉缸。
高炉解剖和模型实验研究表明，软熔带形状、滴落带各部位空隙率和煤气流运动的流向和托力对液体的滴落有重大影响。例如在煤气流横向穿过软熔带的焦窗时，有把刚形成并下滴的液流推向边缘的作用；又如在风口区正上方，由于刚形成的初始气流有很大的托力，致使相当多的液体转向回旋区四周流下。尽管对风口区是否存在液流无法通过的“干区”还有不同认识，但液流形成后，较多液流是先流向外侧，再沿曲折的路径流进炉缸是没有争议的。
炉缸液流形态          滴落带内的铁水和熔渣穿过焦炭流下的流动属于在透液性不均的充填层内缓慢的黏性流动。通过对这种流动的研究及对生产高炉的解剖调查，得到如下认识：(1)在刚出完铁的炉缸内积存渣、铁很少时，焦炭床将沉坐在炉底死铁层上；在渣、铁量达到一定水平，致使液体对焦炭床的上浮力大于上部料柱传递给它的压力时，焦炭床将在铁水中浮起(熔渣、铁水、焦炭的密度分别约为2．0、7．0和1．0t／m3 )。此时焦炭床底层的表面一般向下凸起，即中心较贴近炉底，边缘与炉底距离较大。(2)日本的原行明和田内森研究了焦炭床“沉坐”和“浮起”两种情况下铁水的流动形态，分别以图2中a和b来说明。在焦炭沉坐时，滴下的铁水距铁口愈远，它在炉内存留时间愈长；而在底部形成无焦层，也即焦炭床浮起的情况下，图中p点外侧滴下的铁水在近乎垂直穿过焦炭床后，会以很快速度流过炉底无焦层奔向铁口，最后再进入焦炭床从铁口排出。
无焦层内铁水的高速流动加速了炉底耐火材料的侵蚀。当焦炭床呈向下凸起的形态浸没于铁水时，由于炉底四周无焦，经焦炭床流过的铁水更多，以致形成周边铁水环流，造成炉底周围碳砖熔蚀严重(即通常所谓蒜头形侵蚀)，生产中采用适当控制出铁速度并增加死铁层深度的措施，来减轻炉底侵蚀。在高炉出铁结束时，炉缸内仍会有部分熔融渣、铁残存。由于熔渣黏度通常为铁水的100倍以上，故残存熔体主要是炉渣。炉渣愈黏，初始渣面水平愈高，焦炭块度愈小(尤其是粉末愈多)，出铁速度愈快，则残留量愈大。炉缸内熔体残存过多对上部炉料顺利下降不利。采用黏度较低的炉渣，维持焦床内焦炭均整(尤其是无粉末)，改善其透液性，适当增加出铁次数，减缓出铁速度等都对减少炉缸内残渣有益。改善包含死料柱在内的炉缸焦炭床的透气性和透液性，对维持炉料顺利运行进而改善高炉操作是有重要意义的。由炉顶中心多加部分焦炭，使中心区矿焦比减小，可以促进中心气流发展，改善炉缸焦床的透气性和透液性。

料速及下料异常      炉料在炉内的平均下降速度约3～4m／h或50～60mm／min，但在不同高度上降落速度不同。一般炉喉下料快，进入炉身后随炉型扩展，速度减慢，软熔后速度又加快。此外，同一高度上径向不同点的料速不同。炉墙边缘处于风口焦炭燃烧区上方，下料最快；处于死料柱正上方的炉子中心区域下料最慢；中间区则介于两者之间。据前苏联马格尼托哥尔斯克冶金联合工厂高炉实测结果，在料线附近的炉墙处炉料下降速度为111mm／min，高炉中心处是20mm／min，而中间区是67mm／min。就总体而言，料速主要取决于风量。风量增加则单位时间内燃烧的焦炭多，风口前能及时腾出空间，故料速加快。炉料在下降过程还存在超越现象，即某种物料装入后提前到达炉缸的现象。这是由于各种物料的理化性质不同。质重、块小、光滑的物料容易穿过料层间隙提前落下，易熔矿石在较高位置熔化很快流入炉缸。一般说来，球团矿与烧结矿同时入炉时，球团矿容易超越烧结矿。在正常操作中，前后超越效果互相抵消，故不易察觉，但当变料或正常制度破坏时，这一现象就显现出来。如当改变铁种时，由于组成新料批的各种物料不是同时下到炉缸，故会得到中间产品，仅当新料全部下达炉缸后生铁成分才能稳定下来。在高炉渣碱度过高致使炉渣过黏且不稳定时，从炉顶适量加入河砂(SiO2 )，由于超越作用，这部分河砂会很快下达炉缸来中和过高的CaO，使炉渣性能改善。
块状带的主要下料异常是悬料(见悬料与坐料)和管道行程；滴落带除悬料、管道行程之外还有液泛。由于某种原因使炉料透气性变坏，致使炉料下降力F近于零时，可能出现下料不畅，称为炉况难行；在各风口进风不均，使得局部区域料速过快或过慢，称为炉况偏行；在炉料下降力F≤0时，炉料悬而不落，即为悬料；此时若采用减风措施来减小煤气上托力，则可能重新使F>0使炉料继续下降，这一操作称为坐料。原料粉末太多或煤气量过．大时，粉料可能向运行阻力小的方向流动或被吹向炉顶；由此在料柱内形成一个没有规整形状的上下连通的管道状区域，此区内料极疏松，煤气上升阻力极小，这种现象即称管道行程。在滴落带，焦炭充填层内向下流动的熔渣与逆向上升的煤气流相遇，当煤气流速达到某一数值时，熔渣会被吹到上方，即发生液泛，被吹回上方的熔渣在低温区重新凝固，有可能引起悬料；液泛如发生在边缘，则可能导致炉墙结厚甚至结瘤。悬料、液泛等均属炉料下降的不正常状况。需通过改善原料、改进操作予以消除。
检测及研究动向        高温作业给高炉内测定带来很多困难，直至20世纪中叶，人们对炉内运行状况并不很清楚。20世纪60年代开始，前苏联、日本等国进行了大量炉体解剖调查，即在正常冶炼情况下突然停风，采用水冷或惰性气体冷却尽可能使炉内保持中断冶炼时的原状，然后自上而下逐层解体，观察、取样并做理化分析，由此判断炉料存在、运动及各种反应进行的状况。除了生产高炉，在小型试验炉上也进行过解剖调查。炉体解剖是认识高炉过程的有力手段。但限于人力、物力，不可能经常进行，而且也不易确定单因素的影响。为此，50年代以后，一些国家进行了炉内运行规律的模型实验研究。模型内型与生产高炉相似，在风口部位设排焦装置以模拟焦炭燃烧消耗。这样顶部装料、下部排料(装入及排出量按相似原理计算设定)使炉料运行状态与高炉实际相近。另外，也采用蜡球等易熔物模拟矿石，焦粒模拟炉内焦炭，从风口鼓入热风，使蜡球软化、熔滴，以了解不同送风制度下软熔带形成状况。这样的模型可随时“停炉”，然后横向放置，去除上层炉料使剖面暴露出来，借以了解炉料运行状态。靠这种模型可模拟不同炉型，各种装料制度，送风制度及炉墙结厚、破损等条件下炉料的运行状态，以供实际操作参考。
炉料料块运行方向和速度为其力学条件所支配。料层内的应力通常是用可移式土压计来测定。土压计为一光滑盒体，受压面由附有应变计的应变板支撑，土压计在某处、某方向上承受的压力以各支撑点的平均应变形式转换为电信号输出，这种土压计可埋置在料层内随料下降，受压面的压力信号通过导线输出。这种测压装置用于冷模型实验极为方便，50年代前苏联也曾用于点火前的炉内测定，但尚未能用于高温的生产高炉。近来已开始将粉体工程学的实验方法引入高炉内炉料运行的研究。由于高炉过程极为复杂，这种研究尚不成熟。炉缸内液态渣、铁的流动形态仍多用水槽法进行观测。但激光等新技术也已用于液流研究。