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高炉煤气运动(gasflowinBlastfurnace)
高炉炼铁过程中在风口燃烧带产生的炽热煤气穿过料柱上升到炉顶的过程。煤气在运动过程中,将热量传给下降的炉料而本身则被冷却,同时煤气中的C0和H2作为还原剂参加铁矿石的还原反应。(见高炉铁矿石还原)并转化成CO2和H2O。煤气与铁矿石的接触时间、紧密程度及分布的均匀性将直接影响煤气的热能和化学能的利用程度,即影响燃料消耗;而煤气的机械运动既遇到炉料的阻力又给炉料以支撑力(△声),其大小直接影响高炉进风量的多少,又影响炉况的顺行情况。因此,使煤气流与炉料充分接触,而对炉料的支撑力又最小乃是获得良好高炉操作技术指标的重要条件。研究高炉煤气运动主要是研究高炉内的压力场和煤气流量的分布,煤气运动过程中成分和温度的变化以及影响上述过程的主要因素,以期获得最好的高炉技术经济指标。
高炉的压差高炉炉缸产生的煤气,在炉缸与炉喉的压差(△p)的作用下,穿过整个料柱运动到炉喉的料面上。这个压差所反映的能量损失也称压头损失,它主要消耗在克服炉料对煤气运动的阻力上,而阻力损失主要有:一是由于煤气并非理想气体,有一定黏度,会与通道壁产生摩擦而损失能量,这一部分称摩擦阻力损失;另一则由于气体通过料层时,路径时宽时窄,质点的轨迹十分曲折,要克服湍流、漩涡和截面突然变化而造成的能量损失,这一部分称为局部阻力损失。这些阻力损失直接决定着炉内的压力变化和气流分布,气流总是在阻力小的地方通过得多些,阻力大的地方少些。研究高炉煤气运动规律的基本目的是如何减少气体的阻力,多鼓风,多出铁,同时使气流分布均匀,煤气的热能和化学能得到充分的利用,降低冶炼能耗。
块状带Ap的表达式    在研究类似高炉炉料的散料层中的气体运动时,通常将气体通过料块空隙的运动,假设为气体沿着彼此平行、有着不规则形状和不稳定截面、互不相通的管束的运动。这样,就可以应用流208体力学中关于气体通过无填充管道的压头损失的一般公式,并通过试验,修正公式中的阻力系数得到半经验公式。在研究分析高炉煤气运动时,经常应用的表达式有扎沃隆科夫公式
(1)
和厄根公式
 
(2)
式中γ,ρ为气体的密度,kg/m3;ω为气体的空炉速度,m/s;v为气体的运动黏度系数,m2/s;ε为炉料的空隙度(量纲为1);g为重力加速度,m/s2;d为炉料中通道的当量直径,m;dp为炉料的平均直径,m;ф为形状系数,即炉料颗粒与球粒的差异程度(量纲为1)。扎沃隆科夫公式过去为俄国学派普遍采用,他认为高炉内煤气运动处在不稳定紊流区,相当于层流转变为紊流的过渡区。厄根公式是欧美学派的代表,他认为高炉煤气运动是紊流状态。现在冶金工作者普遍认为高炉煤气运动是处在紊流区内,所以它已取代扎沃隆科夫公式而广泛应用于世界各国的研究工作和文献中。
影响△p的因素主要是原料特性和煤气特性。原料特性主要是指它的粒度组成和空隙度,煤气特性主要是指煤气流速、温度、黏度和压力;前者决定了炉料的透气性,后者决定了煤气通过料层的能量大小,并集中地反应在△声的表达式中。
(1)炉料粒度及其组成。定性地讲,粒度愈大、粒度愈均匀炉料透气性愈好,但是在实际生产中炉料都是由大小不同的颗粒所组成。为了定量地描述料层的粒度组成特性,首先应进行筛分分析,确定各粒级的质量百分数或体积百分数含量,然后计算出组成散料层的颗粒大小的特性指数,即当量直径。
当量直径实质是个假想的概念.有算术平均直径、等体积平均直径、等表面积平均直径等多种表达方式。冶金中的很多过程都涉及与颗粒的表面积密切相关的传热,传质问题,因此通常采用等表面积的平均直径,其估算公式为巩一-p西式中玩为与非规则形状体积相等的当量球的直径;中为形状系数或球形度。当量球的直径巩对球形料来说,如果是大小均一的,可以用球的直径表示;如果是粒度范围较宽的多种球形,则为它的等表面积的当量球平均直径,计算式为
(3)
式中Ni为料中i粒级的分数(质量百分数);(dp)i为料中i料级的直径。形状系数ф的定义式
( 4 )
它的物理意义是,实际炉料不是规则的球形,式(3)求出的当量球直径所反应的表面积和实际颗粒料的表面积仍有差异,因此还需进行换算。由ф的定义式可见,ф是个等于或小于1的数值,因为实际炉料,其大小与球的粒度相同时,它的表面积总是大于球的。球形度较好的球团矿ф=0.85,焦炭与烧结矿ф=0.63~0.75。经过上面换算后,得到的dPф所代表的等表面积平均直径de就可以作为实际炉料的粒度特征。
(2)炉料空隙度(ε)。指单位散料层中空隙的份额。空隙度愈大,对气体的阻力愈小,压力降愈低。通常用颗粒间空隙所占体积V空隙与整个散料体积V料层之比来表示,即
(5)
式中V料是料块所占体积,m3;γ堆为散料层的堆密度,t/m3;γ块为散料的假密度,t/m3。空隙度是散料层的重要参数。如果散料层是由等直径的球体组成,则主要与排列方法有关,最大值为0.476,最小值为0.257,而与粒度无关。而散料由两种或多种不同粒度的圆球组成时,空隙度降低,其降低的程度随粒径大小和掺和量的多少而变(见图1)。高炉常用的炉料,如焦炭、烧结矿和球团矿等也有类似的性质,即粒度均匀时空隙度大些,粒度变化范围较宽时空隙度低些。这也是炉料分级入炉能改善料柱透气性的原因。
(6)
(3)煤气空炉速度。通过散料层的气体量愈多,流速愈大,则压力降愈大。在高炉气体动力学中,通常用空炉速度(w)进行运算:
(6)ω=V/A
式中V为气体流量,m3/s;A为管路断面积,m2。若流过的是炉膛,则称为空炉速度。如果管中填充固体颗粒,则气流受阻,只能穿过颗粒间的空隙而流动,此时实际流速w’将按下式增大
(7)w’=w/ε
严格地说w’也是一个假定的平均值,因为任何一个多孔床层的气体流动都是不均匀的流动体系,在空隙中的不同位置流速不同,正像管道中的气体流动一样,靠近管壁表面处的流速低些,离管壁远些的流速高些,在中心处最大。
(4)温度和压力对Δp的影响。方程式(2)中的ρ及w为工作参量,与标准条件下的关系是
(7)
式中下脚标“o”代表标准状态,而T、p分别为绝对温度和压力,即T0=273K,p0=0.1012MPa,由此可知,ΔP或气流阻力是随温度升高而增加,随体系压力的升高而降低的。这便是炉凉时ΔP降低、加热时ΔP升高和高压操作时ΔP降低的理论解释。
透气性指数将式(2)用于高炉,可以认为炉内ρ为常数、空炉速度硼与风量成正比,在料线稳定时,ΔH亦为常数,则式(2)可转化为
(8)
式中Q为实际入炉风量,m3/min; △p为风口到炉喉的压力降,Pa。Q2/△p反映了炉内空隙度的变化和原料粒度组成dp的变化,所以高炉工作者称之为高炉透气性指数,也有的工厂更简化为Q/△p,可见,透气性指数有因炉而异的相对性。式(9)很好地说明了空隙度对提高料柱透气性的重要作用,ε由0.40提高到0.44,即提高10%,ε3(1—ε)便由0.107增加到0.157,即透气性指数提高约50%;该式同时也说明颗粒当量直径对透气性指数的重要作用。透气性指数已成为高炉操作重要的监测手段、指数升高,表示可能是炉况向凉,或原料条件改善;指数降低,可能是炉况向热或原料粒度变差。也有的高炉在炉身中部增设一层静压力计,分测上部压差和下部压差,以便判断透气性变化的位置。
软熔带的阻力损失软熔带是高炉冶炼过程中透气阻力最大的区域,一般认为,它的阻力损失要占料柱总阻力损失的50%以上。虽然有人对这个阻损做了一些探索性工作,寻求独自描述该阻力损失的表达式。例如,假定软熔层内无气流通过,煤气全部流经焦窗,再利用块状带阻力损失公式计算焦窗,以及软熔带的阻力损失或将块状带阻力损失方程中的阻力系数与料层收缩率联系加以修正后用来计算软熔带的阻力损失等。但至今尚未得到满意结果。因此,这一问题还有待继续深入研究。
滴落带的阻力损失在滴落带内有煤气、液体渣和铁以及固体炉料(主要是焦炭)的运动。它们的流动互有影响,情况比较复杂,至今尚未求出适用于高炉滴落带的计算煤气压头损失的经验公式。只能定性地说,由于在滴落带的焦炭层中,有液相渣铁的存在,减小了空隙度,因此其阻力损失比起无液相的“干区”有所增加,且液体流速愈高,压力损失愈大。
滞流率反映散料体中停留液体量多少的指标,用单位体积中液体所占的百分数表示。有液体流过滴落带的焦炭层时,有部分液体滞留其中,其滞留率与液体的物理性质,焦炭的粒度组成和表面性质等因素有关。液体的滞留率可分为:与液体流速无关的静滞留率(hs)和随其流速而变的动滞留率(hd)。日本学者福武刚根据模型试验结果推算,在正常情况下,高炉内液体渣和铁的hs值约为0.03,相应的hd为0.01,两者之和为总滞留率。显然,总滞留率为0.04,则空隙度ε即相应地减少0.04,而,因此滞留率会引起高炉t下部压差升高。
沿高炉高度煤气成分变化离开回旋区的煤气含c035%左右和少量的H。,其余为N。(见炉缸反应)。煤气在上升过程中成分不断变化,其规律如图2所示。N。不参加化学反应,其绝对量不变,但比值在不断降低;在高炉下部,由于直接还原使CO量不断增加,当到达中上部间接还原区时,由于部分c0参加间接还原,cO量不断减少,而生成等量的C0:,所以COz量210高炉图2沿高炉高度煤气成分的夏化有所增加。煤气在上升过程中,由于哆收焦炭的有机氢和挥发分中的Hz,Hz含量略有增加;在间接还原区域,由于H:参加还原而有部分转化为H:O。穿过料柱到达炉喉料面上的煤气一般含C017%~25%。焦比高的高炉,C0高;焦比低的C0低。随冶炼铁种和煤气利用率的不同而异。冶炼含si,Mn等难还原元素多的铁种,以及煤气C0利用率低时,炉喉煤气中含C0高。CO。与c0正相反,焦比低,C0利用率高的高炉,其C0。高。铁氧化物氧化度高的炉料和石灰石用量多时,c0。高些。在一般情况下,C0+C0。之和在39.5%~42%之间,基本上是常数。H。的多少除与初始含量有关外,还与H:参加还原的程度,即H。的利用率有关,利用率高的炉顶煤气中H。低;反之,则H:高。一般H。的利用率为30%~45%。此外,在冷却设备漏水时,煤气中H。含量也会升高。在采用富氧鼓风时,根据富氧率大小,煤气成分将有相应变化,主要是N。%减少,c0%和C0:%升高。
料面上的煤气由炉顶导入重力除尘器,这里的煤气称为混合煤气,生产中便根据它的成分变化来衡量煤气化学能的利用程度。
沿高炉高度煤气温度分布由回旋区出来的煤气温度,由于测试困难,还缺少实测数据,但可根据热平衡和物料平衡作理论上的计算,计算所得结果称为风口前理论燃烧温度。该值一般在2000~2350℃范围内。在实际应用中此值不应过高,主要原因是:温度过高造成Si()的大量挥发会给操作带来困难。风温低、焦比高的中小型高炉也有低于2000℃者,但这肯定是不经济的。高温煤气在上升过程中很快将热量传给渣、铁和炉料,而自身被冷却,由料面逸出时的温度也即炉顶温度与冶炼条件有关,一般为100~400℃。煤气温度的变化过程也是激烈的热交换过程。炉顶温度是高炉内热能利用的重要标志,该温度愈低,说明热交换愈充分,热能利用愈好;反之,则说明热能利用愈差(见高炉热交换)。
沿高炉高度煤气压力的变化炉缸产生的煤气,在炉缸与炉喉的压力差(Δp)作用下,穿过整个料柱运动到炉喉料面上。总的压力变化规律是,在正常情况下,沿着炉子高度压力逐渐降低,基本上呈一直线。若某处偏离正常直线,说明该部位透气性发生了变化。炉缸煤气的压力主要决定于风量、风压、炉顶压力和料柱透气性。风量愈大,风温越高炉顶压力愈高,料柱透气性愈差则炉缸煤气压力愈高;反之则愈低。由于高炉上不常测量炉缸压力,生产中在计算炉缸与炉喉之间的压力差时,常用热风压力代替炉缸煤气压力,故而在使用△声时,应该考虑到,其中包括从热风围管、热风支管、到风口一段的压头损失。
多数高炉在炉身下部装有测压装置,这样就可以测量出风压与炉身下部之间的压差Δp下和炉身下部与炉顶之间的压差Δp上。利用Ap下和Δp上可以算出高炉下部透气性指数和上部透气性指数,并借此判断高炉行程。例如,当出现崩料,悬料(见悬料与坐料)等现象时,就可以利用上、下部压差的变化,判断故障发生的位置并采取相应的措施。也有的高炉在炉身部分设2~3层测压装置,连同风压和炉顶压力便可以取得高炉3~4个区域的压差(图3),这对分析高炉操作很有帮助。对于沿高炉高度上静压力变化的研究表明,炉料的透气性发生变化和装料制度变更时,主要对高炉上部压差有影响;而风温,风量,造渣制度(初渣数量和初渣性质)等则主要影响下部压差。当炉况不顺,出现悬料时,在悬料区段压差升高,而在管道行程时,该区段压差降低

高炉内煤气流速的变化煤气流速对还原过程、热交换过程,煤气的压头损失以及煤气的分布均有很大影响。特别是随着高炉冶炼的日益强化,煤气流速不断增加,煤气运动问题显得愈来愈重要。为此,人们克服高温,粉尘等困难,采用毕托管、示踪原子、热线风速仪、局部煤气速度计等进行了大量的直接测量研究,并用高炉操作数学模型进行了计算分析,但因高炉内影响煤气流速的因素较多,也较复杂,所以获得的结果都不够准确。尽管如此,从众多的测量结果和数模中还是总结出了一些规律:(1)高压操作使炉内煤气流速降低,而且流速与C0。%和温度有关,流速高处,煤气温度高,CO。含量低。
(2)用同位素氡、氪85和水银蒸气作示踪原子,测量得到:

由此推算煤气的线速度在2.5~6.8m/s之间。并且可以利用所测得的停留时间估算出料柱在运动状态下的空隙度,其中Qg为单位时间的煤气体积流Vf量,m2/s;Vf为风口中心线以上的炉子容积,m3。计算结果是固定床空隙度为0.416~0.42的炉料在运动时空隙度达到0.457~0.634,也就是增加了1.09~1.51倍。
(3)生产高炉的炉体半径上煤气分布是不均匀的,中心区煤气流速高。但在半径的任何位置上,从料面向下3~4m处煤气流速都达到最大,而在炉腰附近煤气流速最低,再向下在靠近炉缸处速度又有所增加。

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