（冶金工程专业论文）攀钢2000m3高炉风口回旋区特征的研究.pdf

中文摘要 摘要 高炉风口回旋区是高炉稳定操作不可缺少的重要反应区。风口回旋区的形状 对高炉下部气流、炉缸活跃程度及炉料下降影响很大。此外，高炉生产所需化学 能和热能主要来源于燃料在风口回旋区燃烧产生的煤气风口回旋区的尺寸大小 将直接影响高炉下部煤气的分布、上部炉料的均衡下降以及整个高炉内的传热传 质过程。所以，根据攀钢2 0 0 0m 3 高炉的工艺条件，研究鼓风参数对回旋区的形状、 大小及反应特性等特征的影响规律，对优化高炉冶炼条件和工艺操作是十分必要 的为此，本论文针对攀钢2 0 0 0 m 3 高炉分别做了冷态和非等温冷态的模拟实验 冷态模型实验以相似理论为基础，在1 ：1 0 的比例模型上进行了冷态下高炉风 口回旋区的模拟实验，通过改变风口直径，风口倾角以及鼓风风量等对高炉风口 前缘所形成的回旋区的运动行为进行了观察分析。根据实验结果，推导出风口回 旋区深度计算公式，并计算出攀钢2 0 0 0 m 3 高炉在一定工艺操作条件下的风口直径 与回旋区深度的关系 非等温冷态模型实验在1 ：1 5 比例模型上进行，采用p 3 0 红外热像仪检测的温 度场的变化来反映风口回旋区的特性通过改变风口直径，风口插入深度、风口 角度以及鼓风风量等对高炉风口前缘所形成的高温区的特性进行了观察实验结 果指出，影响高炉风口回旋区的诸多因素的主次顺序是风口直径、插入深度、风 口角度，得出了风口插入深度、风口直径、实际鼓风量等因素与炉缸工况活跃程 度的关系，并对攀钢2 0 0 0 m 3 高炉的工艺操作参数提出了合适的建议同时也研究 了风口角度对回旋区深度和面积的影响，并提出了参考的工艺操作参数 关键词：高炉，炼铁，风口回旋区，鼓风动能，冷态模型，非等温冷态模型 英文摘要 t u y e r er a c e w a yi s a l l i m p o r t a n tr e a c t i o na r e ai n d i s p e n s a b l et ob f ss t a b l e o p e r a t i o n p r o f i l eo ft u y e r er a c e w a yi sg r e a t l ya f f e c t i n gt h ea i r f l o wa tt h eb o t t o mo fb f , a c t i v i t yo fh e a r t ha n dc h a r g ef a l l i n g w h a t sm o r e ，c h e m i c a le n e r g ya n dh e a te n e r g y n e e d e df o rp r o d u c t i o ni nb f , m a i n l yc o m ef r o mt h ec o a lg a s , w h i c hi sp r o d u c e sb yf u e l b r u n ti nt h et u y e r er a c e w a y s i z e so f t u y e r er a c e w a yw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h eh e a tt r a n s t e r a n dm a s st r a n s f e ri nt h ew h o l eb f , t h eg a sd i s t r i b u t i n ga tt h eb o t t o mo fb fa n dt h e c h a r g ef a l l i n gp r o p o r t i o n e d t h e r e f o r e , b a s e do nt h et e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o no fb f 2 0 0 0 i 3f o rp i s c ，t oo p t i m i z et h es m e l tc o n d i t i o na n d t e c h n o l o g i c a lo p e r a t i o n , i ti sq u i m n e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h er u l et h a tb l a s tp a r a m e t e ri sa f f e c t i n gt h ep r o f i l e , s i z ea n d r e a c t i v i t yo fr a c e w a y i nt h i st e x t ，c o l dc o n d i t i o na n dn o n i s o t h e r m a lc o l dc o n d i t i o n s i m u l a t i o n sh a v e b e e nd o n ei na l l u s i o nt ob f2 0 0 0 m 3f o r p i s c e x p e r i m e n to fc o l dm o d e li sb a s e do nt h es i m i l a r i t yt h e o r y ac o l dc o n d i t i o n s i m u l a t i o no ft u y e r er a c e w a yf o rb fh a db e e nd o n eo nt h es c a _ l eo f1 ：1 0 b yc h a n g i n g t h et o y e r ed i a m e t e r , t u y e r ea n g l ea n db l a s tv o l u m e , m o v e m e n to fr a c e w a yf o r m e da tt h e l d i n gc d g ei nb ft u y e r eh a db e e no b s e r v e da n da n a l y s e d b a s e do nt h er e s u l t so f e x p e r i m e n t , f o r m u l af o rr a c e w a yd e p t hc a l c l l l a t i n gh a db e e nd e d u c e d a n dt h er e l a t i o n b e t w e e nt u y e r ed i a m e t e ra n dr a c e w a y d e p t hw a sc a l c u l a t e du n d e rag i v e nt e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o no fb f2 0 0 0 m 3f o rp i s c e x p e r i m e n to fn o n i s o t h e r m a lc o l dm o d e lw a sb a s e do nt h et h es c a l eo f1 ：1 5 c h a g e o ft h et e m p e r a t l l r e ，w h i c hi sm e n s u r a t e db yt h e r m a li n f r a r e di m a g e rp 3 0 , w a su s e df o r r e f l e c t i n gt h es p e c i a l i t yo ft u y e r er a c e w a y b yc h a n g i n gt h et u y e r ed i a m e t e r , t u y e r e d e p t h , t u y e r ea n g l e , b l a s tv o l u m ea n ds oo n , s p e c i a l i t yo fh i 曲t e m p e r a t u r es p a c e f o r m e da tt h el e a d i n ge d g ei nb ft u y e r eh a db e e no b s e r v e d r e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t s h o wt h a t , s e q u e n c i n go fa l lt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt u y e r er a c e w a yi st u y e r ed i a m e t e r , d e p t ho fp e n e t r a t i o na n dt u y e r ea n g l e r e l a t i o n sb e t w e e na c t i v i t yo fh e a r t ha n dt h e 缸咖娼o ft u y e r ed e p t h , t u y e r ed i a m e t e r , b l a s tv o l u m ea n ds oo nw e r ee d u c e d a n d p r o p e rs u g g e s t i o n sf o rt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sw o r eg i v e no u ti na l l u s i o nt ob f 2 0 0 0 m 3f o rp i s c f u r t h e rm o r e ，a f f e c to ft u y e r ea n g l et or a c e w a yd e p t ha n da r e ah a d m 重庆大学硕士学位论文 b e e ni n v e s t i g a t e d , a n dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sr e f e r e n c e dw a r ea l s og i v e no u tf o ri t k e y w o r d s ：b l a s tf u r n a c e , i r o nm a k i n g , t n y e r er a c e w a y , e n e r g yo fb l a s t ，c o l dm o d e l ， n o n i s o t h e r m a lc o l dm o d e l i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 葫竿磷 j 签字日期：御7 年月2 oe t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打。”) 学位论文作者签名： 冶嗜垮 签字日期：硼7 年1 月7 日 导师签名： 佘篁二易 签字日期。砷年，月弦日 1 高炉鼓风动能与回旋区的关系 1 高炉鼓风动能与回旋区的关系 1 1 鼓风动能的物理意义 鼓风动能就是鼓风所具有的动能，在实际的生产中，鼓风动能是高炉操作下 部调节的重要参数。鼓风动能的大小直接影响炉内燃烧带的形状和大小，影响炉 内气流的合理分布，对高炉顺行起着至关重要的的作用鼓风动能不仅影响燃烧 带的大小，而且是促使焦炭作循环运动的动能原因【1 4 1 风口前的煤气流以回旋区放射中心沿短径并沿长径向炉缸中心扩展回旋区 形状和范围适宜，则炉缸周围和径向的气流分布也就均匀合理，回旋区过大或过 小，都导致煤气流分布失常，影响高炉顺行增大鼓风动能，相应的增大了回旋区。 增大了燃烧带，但是燃烧带不是随鼓风动能的增大成比例地向中心扩展，而是在达 到某个值后在风口前出现向上和向下旋转的两股气流向上的气流过大很可能造 成风口烧坏。但是煤气流过小会造成边缘气流发展，同样使气流分布不合理所 以，回旋区的大小和形状反映了高炉进风量和鼓风动能的状态，影响了高炉炉缸 内气流和温度分布，以及炉缸中心活跃的程度 但是在实际的生产中，很多高炉操作在下部调节的送风制度上是按照自己的 经验，没有从理论的量上去研究鼓风动能对高炉生产的影响和影响鼓风动能的因 素，没有着重去研究鼓风动能与高炉顺行的关系，这是因为风口前回旋区难以观 测。 鼓风动能的大小直接影响风口前回旋区的大小，由于焦炭中的碳和由风口喷 入的辅助燃料是在风口前缘区和氧进行燃烧而产生煤气的，而产生的煤气又是高 炉内铁矿石等含铁炉料还原所需化学能和热能的主要提供者和携带者因而风口 前缘回旋区的形状和大小将直接影响着高炉下部煤气的分布，上部炉料的均衡下 降，以及整个高炉内的传热传质过程。所以，回旋区的大小对高炉顾行起到至关 重要的作用也即反映到鼓风动能的大小。 鼓风动能过大对高炉冶炼会产生副作用：一方面对中心煤气流过大，导致煤 气流失常；另一方面，随着鼓风动能的增大，燃烧带并不是成比例向中心扩展， 而是在达到某个值后在风口前出现逆时针与顺时针方向的两股气流顺时针( 向 风口下方) 回旋区的涡流阻碍下部过渡层及碎焦层的移动和更新，常引起风口前 沿下端的频繁烧损风口喷吹燃料工艺的推广的初期，由于尚未掌握此项新工艺 的操作规律，鼓风动能过大( 部分原因是喷吹的辅助燃料在直吹管内已提前部分 燃烧，是总气量增大所造成) ，曾出现大量风口烧坏后采取扩大风口直径措施后， 此现象消失。 重庆大学硕士学位论文 所以，合理的鼓风动能保证了炉内煤气流的合理分布，对高炉的顺行起到至 关重要的作用。 1 2 鼓风动能的计算式 鼓风动能，顾名思义就是鼓风所具有的动能，由动能公式： e ! 臃v 2 (11)2 、， 来计算鼓风动能，这里的肘为鼓风的质量， ，为鼓风的风速。按通常情况e 的 单位为焦耳或千焦，但是这里的m 是单位时间内吹进高炉的鼓风的质量其量纲 为k g s 1 ，因此炼铁工艺计算中的鼓风动能，实际表示的是功率，而非能量依据 动能公式，可以导出高炉操作中实际鼓风动能的计算式。 高炉鼓风通过风口时所具有的速度，称为风速，它有标准风速与实际风速两 种表示方法，而所具有的机械能，叫鼓风动能风速和鼓风动能决定初始气流分 布情况，选择适宜风速或鼓风动能是改善煤气流分布的关键。在不富氧的条件下 鼓风动能计算嘲见下式： 1 ) 鼓风量 k - v b x p 1 4 4 0( 1 2 ) 风口内混合气体量v h 的计算 k - v b + b m g 哝+ 1 2 4 4 x g 畎吼d 魄+ 5 6 g 叹巩岛( 1 3 ) 式中：b 一煤粉在风口气化和燃烧比率，此处取5 0 3 ) 混合气体“的计算 【船( 1 2 9 3 0 4 8 9 f ) 1 + 嚷o - a ) b , + g 羹h 2 0 k 】，k ( 1 4 ) 式中：a 一煤粉中的灰分含量 混合气体温度的计算 混合气体热含量 n ， - v b b m c r a t j + 6 输g k c ，+ g l 多，q k r( 1 5 ) 式中：f j ，f i i 分别为进入高炉时的热风温度和输送煤粉的载气温度， c ，c ，- 在温度和时的比热容k j ( m ) q 0 煤粉的低发热值，取3 1 4 0 0l d k g 混合气体组成：混合气体由c 0 ，h 2 0 及其它双原子气体组成。 c 0 2 等x 学 ( 1 6 ) 1 2k ”7 2 1 高炉鼓风动能与回旋区的关系 h z o - 【1 1 2 如+ 2 2 4 1 8 + g 畋日2 + v b ，+ g 耿，1 ，吒 ( 1 7 ) 2 一i - c 0 2 一日2 d( 1 8 ) 5 1 鼓风动能e 的计算 n 3 筋c 嘏2x 络，k j i s l 0 1 3 2 5 p m 、 + k n jxj z 、 其中：p r 风压，k p a n 风口数目，5 高炉为1 8 个 一风口横截面积，m 2 表1 1 中列出的喷煤鼓风动能是指煤粉在风口的燃烧率为5 0 时的鼓风动能， 当煤粉燃烧率不同时鼓风动能也不同 高炉富氧鼓风提高了煤比，降低了焦比，在不同富氧条件下的鼓风动能如下， 表1 1 富氧率对高炉鼓风动能的影响 i a b k1 1t h e e f f e c t o f o x y g e n b l a s tr a t e t o b f k i n e t i c e n e r g y 6 2 0 m 3 高炉 1 2 0 0 m 3 高炉 3 8 0 m 3 高炉 篡搠一, 口k j 鼓l s f 。, k j s 动单翕鼍嚣徽嚣黼聋誉 1 3 风口回旋区的产生及其机理 回旋区内高温、高压条件下，由气、固、液三相流之间进行着复杂耦合机械 力学过程和化学反应过程的影响【明，致使目前仍没有形成严格的回旋区理论 s 1 虽然高炉风口回旋区内发生着非常复杂的物理化学变化，其中煤粉在燃烧过程中 也包括复杂的微观过程，但它们的宏观特性却具有很明显的规律性实际上高炉 内炉料的运动是一个很大的移动床，铁矿及焦炭的向下运动与高炉煤气的向上运 动过程中完全接触并发生物理化学反应唧一般认为，鼓风离开风口时具有很强的 动能，它吹动风口前的焦炭并与之发生燃烧反应在风口前缘形成一疏松且近似 呈椭唾形的气相空穴另外风口前的煤气流以回旋区为放射中心，分别沿长径向 炉缸中心发展，沿短径向两侧发展，与此同时自空穴上部和两侧不断有新的焦炭 重庆大学硕士学位论文 补充进来使得焦炭在空腔内作回旋运动我们称这个区域为高炉风口回旋区，又 简称为风口区或回旋区f 埘回旋区示意图如图1 1 所示。 图1 1 风口回旋区示意图 f i g 1 1s k e t c ho ft h er a c e w a y 旋区 高炉风口回旋区是整个高炉生产的热量和能量之源，是高炉稳定操作不可缺 少的重要反应区，堪称高炉的“心脏”i i l 】首先，高炉中的炉料由于燃料中碳的燃 烧和熔化渣铁的不断滴落，逐渐降落到燃烧所出现的空间，使燃烧和熔化过程不 断进行，从而导致了高炉中炉料的运动。使整个冶炼过程连续、稳定的顺利进行； 其次，焦炭回旋区的形状( 包括回旋区深度、宽度及高度) 对高炉下部气流及炉料下 降影响相当大l 再次，由于焦炭中的碳和由风1 3 喷入的辅助燃料( 如煤粉，重油等) 是在回旋区与鼓风中的氧进行燃烧而产生煤气的，而所产生的煤气又是高炉生产 所需化学能和热能的主要供给和携带者所以，风口回旋区的形成和反应情况， 将直接影响着高炉下部煤气的分布、上部炉料的均衡下降、以及整个高炉内的传 热传质过程【1 2 1 风口回旋区内物理和化学反应机理的研究，对创造最佳化的高炉 冶炼条件十分必要，对提高炼铁效率和提高钢铁质量也就有了很实际的意义。由 于风口回旋区在整个高炉冶炼过程中的重要作用，国内外许多学者积极投身于高 炉冷态模型和非等温冷态模型，以及实验高炉和生产高炉上有关回旋区形成机理， 大小和形状计算方面的研究【t 3 , 1 4 1 。 从流体动力学上来看，在沿炉缸水平方向，由于气体不断鼓入，空穴逐渐向 中心发展空穴的发展程度取决于鼓风参数、炉型结构参数、焦炭颗粒自身属性 及焦炭层的下降速度等因素随着气流在运动中伴随着粉尘和燃料颗粒运动，其 动能不断减少，导致在风口前床密度增加，从而阻碍了位于焦炭层前端气体排出。 最终在前面焦炭层阻力和后面气体冲力的作用下达到平衡。平衡后气流在气压的 作用下受迫向上运动，并在垂直方向上发展，导致形成此方向上的气相空穴。应 4 1 高炉鼓风动能与回旋区的关系 该指出，回旋区包括不同平面上二个空穴，并不允许发展其自身内部的回旋气流 垂直空穴形成的直接原因不是由于气体回旋运动，而是由于气体从风口连续鼓入 所致。另外，掉进回旋区空穴气流中的部分焦炭颗粒燃尽反应，部分随气流高速 循环运动风口回旋区内的焦炭运动在高温鼓风的作用下，它在运动中不断进行 着燃烧和气化反应，从而确保高炉上部炉料不断下降和高温还原煤气的不断产生 由于焦炭和煤气的运动以及炭的燃烧反应，在整个回旋区内就存在一个物理环境 和一个化学环境【1 习。焦炭颗粒与煤气流之问的动量传递、二者之间的运动过程以 及相互作用构成了回旋区内的物理环境同时，焦炭在运动中还进行着燃烧反应， 并与鼓风带进来的气流进行着质量、热量的传递在此整个燃烧以及传质传热过 程就构成了回旋区内的化学环境。风口回旋区正是在物理过程和化学过程相互耦 合作用下产生。 实际上回旋区内发生的燃烧主要有两种状态一类是鼓风气流与焦炭层发生 的燃烧反应，这里焦炭是相对静止的，是回旋区形成并向炉缸中心发展的主要原 因另一类是焦炭颗粒和煤粉在剧烈的高速旋转运动中气化反应风口前燃料燃 烧同时也是在空气量一定且有过剩焦炭的条件下进行的，故具体反应式为t c + o s - c o s( 1 1 0 ) c + c 0 2 7 c 0( 1 1 1 ) 由于完全燃烧所生成的c 0 2 又同过剩的炭反应生成c o ，其反应式也可写成式 ( 1 1 2 ) 另外，如果考虑鼓风中水分在高温条件下与焦炭发生的反应，则生成h 2 和 c o ，反应式如( 1 1 3 ) 所示 2 c + 0 2 2 c o( 1 1 2 ) 日2 d + c - a s + c o( 1 1 3 ) 因此，风口回旋区以至炉缸内煤气的最终成份以c o 、h 2 和n 2 为主 1 4 风口回旋区的研究现状 风口回旋区的形成和反应情况，将直接影响着高炉下部煤气的分布、上部炉 料的均衡下降、以及整个高炉内的传热传质过程同时风口回旋区的传热传质过 程还影响到炉缸内渣铁的形成和质量。为此高炉研究者们在冷态和非等温冷态模 型、实验高炉和生产高炉上，对回旋区的尺寸、形状及形成机理进行了研究 炼铁作为钢铁行业的源头，国内外学者都在为提高高炉生产水平做着不懈的 努力。高炉生产过程中，高炉基本上是一个“黑箱”，故操作者十分关注高炉风口回 旋区的工作状态，而且回旋区的工作状态也成为判断和控制高炉的重要依据之一 1 1 6 - 1 s l 。过去由于用于小高炉的风机能力比较小，鼓风速度低，风口前焦炭的燃烧 和焦炭的气化过程可以近似认为是不动的焦炭层燃烧因此，在1 9 3 5 年前苏联学 重庆大学硕士学位论文 者m a 巴甫洛夫提出了风口前焦炭燃烧的层状理论。随着现代炼铁技术的进步和 高炉的大型化，鼓风速度提高到了1 0 0 2 0 0 m s ，这时风口前的焦炭受到强烈的流 体动力作用。并在风口前缘形成了一个焦炭在其内作回旋运动的空腔。因而出现 了风口前焦炭呈循环运动的理论同时国内外学者对高炉风口回旋区也做了大量 研究，研究方法众多，其主要是借助冷态模型研究和建立数学模型，进行数值模 拟等。 日本的羽田野道春等1 1 9 1 通过冷态模型用大豆、谷子、小麦和不同粒径的砂子 代替焦炭颗粒模拟了风口回旋区内的压力和速度场。指出当回旋区内部完全处于 端流状态时，流动的流线大致恒定，静压力分布系数也趋于稳定，这时回旋区深 度就达到了最大值h i r o s h it a k a h a s h i 等【捌通过二维和三维冷态模型研究固体 颗粒在回旋区的运动以及死料柱的大小与形状指出高炉下部主要包括三个特征 区t 快速流动区、保持静止的死料柱以及位于死料柱上方的准滞留带。并且对各 区域特性作了相应的描述。m o r i m a s ai c h i d a 等【2 1 l 对运用三维物理模型对高炉风 口回旋区内喷煤燃烧状况做了详细的研究，最终发现喷煤率和煤粉颗粒大小对炉 料下降和煤气渗透性的影响日本的桑原守等人用高速摄影机对二维冷态模型中 焦炭运动进行摄影，描绘出了焦炭在回旋区内的不同运动状态 为研究高炉风口回旋区内焦炭与煤气的动力学作用及化学作用对回旋区的影 响，日本学者羽田野道春等人建立了同时考虑动量、热量、质量和化学反应等的 数学模型；福武刚等提出的炉缸内气、固、液态的力学平衡关系；b 砭杜尔诺夫等 阎用建立回旋区的动力学模型描述了焦炭在回旋区运动、燃烧的重要特性；前苏 联冶金热工科学研究所的杜尔诺夫等人团】建立了一个扇形模型，扇形代表高炉风 口区，模型的一壁是玻璃，直接目测了回旋区1 日本中村等人在模型实验中测定 了回旋区的形状，根据实验结果，认为回旋区是呈以深度为长轴与鼓风喷射区相 内接的一个椭圆并提出回旋区宽度b r 与回旋区深度k 之间的关系为【1 9 列： 以b _ = 2 c o t 3 0 0 卜笔) 似 式中：k _ “数 功r 一风口直径 3 0 k 指焦炭流入回旋区与风口中心线之间的夹角 在国内，首钢较早的对2 3 m 3 的实验小高炉进行停炉解剖，用充填镁砂的办法 将生产状态下的风i = 1 前回旋区形状完整保存下来，并测得l 程- - 0 5 8 m 、h r = 0 5 2 m 、 b r 旬3 4 m 。从整个形状来看，近似于一个扁平椭球腔体，其回旋区形状系数为1 1 2 温良英等人【箱洲建立高炉回旋区煤粉燃烧与辐射图像之间的关联关系，以燃烧过 程数值模拟和辐射图像信息与燃烧空间温度分布的关联性为基础，建立了二维辐 6 1 高炉鼓风动能与回旋区的关系 射图像信息与高炉风口回旋区内三维辐射能的关系提出了一种利用二维成像技 术测量三维温度场的方法。陈举华等人1 1 , 2 7 - 3 1 】根据相似及模化理论，建立了高炉风 口回旋区的三维冷态模型，并首次应用三维激光相位多普勒分析仪( p h a s ed o p p l e r a n a l y z e r - - p d a ) 对不同空气压力、空气流速和模拟颗粒下的模型进行了气体和颗 粒的三维速度、粒度和通量等参数的测量，并研究了工况与回旋区结构参数的关 系邹祖桥等【聊】对高炉富氧喷煤燃烧过程的三维数值模拟进行研究，取得了满意 的实验效果，同时对煤粉颗粒的运动轨迹进行数学模拟，并应用于武钢4 号高炉。实 验结果与高炉生产实际情况相符俞宏晔m l 通过建立简化数学模型，对回旋区的 深度、高度做了较高精度的计算，较好地反映出真实回旋区深度的变化情况，为 深入了鼹回旋区内实际情况及指导高炉生产提供了帮助 目前为止对高炉炉身下部风口回旋区的分析和研究，形成了许多关于回旋区 的形成机理、形状大小以及回旋区内焦炭颗粒流和煤气流之间传热、传质、传动 量的诸多理论和模型近年来，很大注意力都集中在高炉的数学模型上面，并把 高炉内部的空间变化与操作条件联系起来，操作者们用它可直接进行有效的操作 吲。但是。至今关于该领域的多数研究报告主要限制在测定物理行为方面，很少 有人研究回旋区的化学行为，而全面考虑回旋区形状大小、物理及化学行为的综 合数学模型更是很少。由于内部存在多组分气体、固体焦炭、液态炉渣、铁水之 间复杂的耦合力学过程和化学反应过程，目前仍没有形成严格的风口回旋区理论， 对高炉下部风口前缘回旋区的研究还有待于进一步的探索 1 5 鼓风动能与回旋区尺寸的关系 鼓风离开风口时具有很强的动能，它吹动风口前的焦炭并与之发生燃烧反应， 在风口前缘形成一疏松且近似呈椭圆形的气相空穴可见鼓风动能与风口回旋区 尺寸的大小有着很大的关系 在鼓风动能变化范围不大的一段区间内，回旋区的长度可用鼓风动能e 的线 性函数表示出来： 1 z = 0 1 1 8 x l f f 3 e + 0 7 7m ( 1 1 5 ) 回旋区的宽度b r 和回旋区的深度k 存在以下关系： b r = 2 6 3 p d m ( 1 1 6 ) 式中：d 一为风口直径，m 回旋区的高度为：h r = l r 0 6m 回旋区的体积为：v = 0 5 3 i _ z b r i k 7 ( 1 1 7 ) ( 1 1 8 ) 重庆大学硕士学位论文 鼓风动能不仅反映鼓风气流本身的动力学条件，而且关系到燃烧反应的剧烈 程度，是引起焦炭颗粒在回旋区内循环运动的直接原因【3 6 】随着风口鼓风流量的 增加，回旋区逐渐增大。但鼓风流量也不能任意增大，风量过大将会出现“崩料” 现象嗍 1 6 风口回旋区的经验计算公式 对于风口回旋区的计算，采用数学模型估算回旋区可以实现对风口区的连续 和即时测量，使对回旋区的动态实时预报成为可能。对此，国外已经开展了不少 研究工作【蚓如l ( 1 ) 日本的羽田野掣叫通过对单个粒子的分析得出以下关系： d t | d t 一妲p 1 1 | t 民p l d i s r t 曲 q 1 9 ) 式中，d r 、d r 分别为回旋区深度和风口直径；p 、p o 分别为鼓风压力和1 标准大 气压；p 咖“分别为标准态下鼓风密度和入炉粒子密度；v 为风量；d - 为粒子直 径；s 为风口面积若以p f = d r d r 表示穿透因子( p e n e t r a t i o nf a c t o o , r f = ( p p , o v ) l ( 4 见吒孓暑) 表示回旋区因子( r a c e w a yf a c t o r ) ；再通过冷态模型模拟 风口区内的力场和速度场，用大豆、谷子、小麦和不同粒径的砂子代替焦炭颗粒。 并向实验炉内吹冷空气代替热鼓风，推得两者之问的关系表达式； p f = 2 0 8 1 8 x 1 0 2 r f + 0 9 6 4 5 ( 1 2 0 ) 上式是在“冷态”纯物理条件下得出的。后又在此基础上结合高炉实测数据修正 了以上模型【伽，最终得到以下关系式： p f = 1 3 7 4 4 x 1 0 2 r f + 1 5 5 0 ( 1 2 1 ) ( 2 ) 中村等t 4 1 l 通过对实际高炉的研究和解剖试验也得出了相应的计算公式 式中，墨为待定系数；中。为焦炭形状因子5 气为焦炭孔隙率；以、办分别为鼓 风密度和焦炭密度；u o 为风速：d r c 为焦炭入炉直径并确立回旋区深度与宽度之 间的关系式。 ；珥v 2 c o t 3 0 。- 卜2 玎 m 铆 珥 【 d rj 、 7 式中，w r 为回旋区宽度；l 白为待定系数更多实验【4 2 l 证明d r 、w r 之间的关系为： 8 1 高炉鼓风动能与回旋区的关系 ( w r d r ) 一( d p 时 其中a 为一常数，a = 0 2 0 6 以上关系已被大量实验和现场实际数据所证实，并 为全面计算回旋区形状和大小提供了重要的帮助和理论依据 ( 3 ) 另外，还有人【郴l 在更早提出了一些经验计算公式，包括w a g s t a f f 的公 式： d r = c s * v 2( 1 柳 t a y l o r 的公式： 珥d rg b 按 ( 1 2 5 ) g a r d n e r 的公式i 鲁- c f 羔冬1 ” ( 1 狮 d r i g d 胛p r 一以i 、7 式( 1 2 4 ) ( 1 2 6 ) 中c 、b 均为待定系数；c 为风口面积与炉底直径问的关系 以上模型大多单纯从物理角度出发。未对回旋区内化学反应造成的气体体积、 温度变化及炉内粒子颗粒属性改变等影响因素作出特别说明和讨论，因此会与回 旋区实际情况有所差异从回旋区边界上力的平衡角度出发。结合中村等得出的 回旋区深度与宽度之间的关系。并考虑回旋区内温度、焦炭颗粒属性变化及化学反 应等的影响而建立一计算回旋区的简化模型 1 7 风口回旋区重庆大学计算式 重庆大学对昆钢2 0 ( 0 3 高炉的研究总结得出了部分经验公式，发现风口回旋 区的长度和鼓风动能、喷吹燃料比、风口数存在一定的关系其经验公式为。 风口回旋区深度： d 一0 8 8 + 0 0 0 2 9 e - 0 0 1 7 6 m n ( 1 2 7 ) 风口回旋区高度： h - 7 0 s 5 6 ( v 2 9 峨) “，d 删 ( 1 锄 风1 2 1 回旋区宽度： - - - 2 6 3 1 f 鲁广 ( 1 2 9 ) 一， id f 公式中： e ：鼓风动能k j s m ：煤比 k g t 9 重庆大学硕士学位论文 n ：风口数目个 v ：风速m s d 。：装入焦炭平均粒度m 阱：风口长度m d ：回旋区深度m h ：回旋区高度m w x ：回旋区宽度 m 1 8 论文的研究内容 攀钢2 0 0 0m 3 高炉冶炼钒钛磁铁矿，炉渣中t i 0 2 高达2 1 ，炉缸直径1 0 米， 对于钒钛矿冶炼的高炉来说，这是攀钢突破1 2 0 0 1 3 0 0 m s 高炉的又一个新的创举。 在2 0 0 0 m s 高炉冶炼钒钛矿过程中，大家非常关心风口回旋区的大小，风口前氧化 带向炉内延伸的程度这直接关系炉缸活跃程度及钛的还原抑制，关系高炉的正 常冶炼因此论文的研究内容为： 1 ) 2 0 0 0 m 3 高炉正常冶炼条件下，适宜的鼓风动能与风速值 2 ) 按照经验公式，2 0 0 0 m s 高炉风口回旋区的特征，冶炼强度与回旋区尺寸的 互动关系，适宜的回旋区大小值。 3 ) 采用冷态物理模型，研究2 0 0 0 m 3 高炉单风口回旋区的运动及大小，提出 回旋区大小计算式 4 ) 采用非等温冷态物理模型，研究2 0 0 0 1 1 1 3 高炉单风口回旋区的运动及大小， 综合计算及试验结果提出回旋区大小计算式。 技术创新t 1 ) 钒钛矿2 0 0 0 m s 高炉风口回旋区特征的研究在国内是首次进行 2 ) 研究回旋区大小和钛还原的关系，对进一步扩大钒钛矿高炉冶炼的容积有 重大的现实意义 3 ) 提出钒钛矿高炉进一步扩大的可能性 2 攀钢2 0 0 0 米3 高炉的生产指标 2 攀钢2 0 0 0 m 3 高炉的生产指标 2 1 攀钢2 0 0 0 m 3 高炉生产概况 2 1 1 全厂工艺及设备情况 ( 1 ) 高炉工艺及主体设备 攀钢炼铁厂共有五座高炉，分一、二、三期工程建成一期工程建有3 座高 炉，一高炉于1 9 7 0 年7 月1 日开炉，设计炉容1 0 0 0 m s ，钟式炉顶结构，1 9 8 9 年 1 1 月至1 9 9 0 年6 月进行改造性大修，扩容至1 2 0 0 m s ，并改为无钟炉顶结构二 高炉于1 9 7 1 年9 月6 日开炉。三高炉于1 9 7 3 年8 月1 7 日开炉二期工程建成的 甜高炉于1 9 8 9 年9 月2 5 日开炉三期工程攀钢2 0 0 0 m s 高炉于2 0 0 5 年1 2 月1 0 日开炉目前一高炉、二高炉、三高炉有效容积均为1 2 0 0 m 3 ，一高炉配有四座内 燃式热风炉，二高炉、三高炉分别配有三座内燃式热风炉，每座高炉有1 个出铁 口、2 个出渣口、1 8 个风口，上料方式为料车斜桥上料。错高炉有效容积为1 3 5 0 m s ， 配有4 座外燃式热风炉、2 个出铁口，2 个出渣口、1 8 个风口，上料方式为皮带上 料。一高炉、四高炉为无钟炉顶结构，二高炉、三高炉为钟式炉顶结构。攀钢2 0 0 0 m 3 高炉于2 0 0 5 年1 2 月1 0 日开炉，设计炉容2 0 0 0 m 3 ，无料钟式炉顶结构。配有4 座外燃式热风炉、3 个出铁口、2 个出渣口、2 6 个风口，上料方式为皮带上料 图2 1 高炉内型图 f i g 2 1p r o f i l eo f b l a s tf u m a e e 1 l 五座高炉年产铁量5 2 0 万吨。高炉结构示意图如图2 1 所示。攀钢5 座高炉结 构尺寸如表2 1 所示 表2 1 五座高炉炉体结构情况 h b k2 1s t r u c t u r eo ft h ef i v em a s tf i l m a s 序号 项目一高炉二高炉三高炉四高炉2 0 0 0 l n 3 高炉 c 2 ) 烧结工艺及主体设备 攀钢炼铁厂共有六台带式抽风烧结机，分一，二期工程建成。一期工程建成 五台烧结机。有效烧结面积分别为：1 荸、2 州尧结机由| 3 0 m 2 改为1 4 5 m 2 ，错、错、 5 襻为1 3 0 m 2 。伴随着四高炉投产，二期工程建成1 3 0 m 2 甜烧结机一台，2 0 0 1 年大 修改造为1 7 3 6 m 2 。其中1 5 别尧结机生产能力均为1 6 0 t h ，错烧结机生产能力为 2 4 0 t h 1 # 、甜、豁、错、5 臌结机为2 0 0 m 2 抽风环式冷却机，错烧结机为1 4 5 m 2 鼓风环式冷却机目前年生产能力可达8 5 0 万吨，保证了高炉的正常生产 1 2 2 攀钢2 0 0 0 米3 高炉的生产指标 ( 3 ) 全厂设备系统有关指标 炼铁厂主要设备为5 座高炉、6 台烧结机、3 台翻车机、1 台铸铁机及相关辅 助设备。设备总台数4 1 8 3 台( 套) ，总吨位为6 0 0 0 2 1 1 吨占地面积4 0 万m 2 ， 工业建筑面积2 2 0 4 7 2 1 m 2 。 2 1 2 主要技术经济指标 2 0 0 6 年攀钢2 0 0 0 1 1 1 3 高炉主要技术经济指标主要见表2 2 表2 2 攀钢2 0 0 0 m 3 高炉2 0 0 6 年主要技术经济指标 r a b k2 2m a i nt e c h n i ce c o n o m i ct a r g e to fb f2 0 0 0 l n 5f o rp i s ci n2 0 0 6 时间譬平酱产絮癸薷入舒位戥 嚣譬休驴 1 月1 4 0 5 7 94 5 3 40 022 6 713 2 35 11 44 5 90 81 2 9 4 71 2 4 409 9 2 月1 2 2 4 4 54 3 7 40 02 1 8 712 8 85 09 55 0 10 11 0 99 41 2 3 15 0 4 3 , q1 2 1 6 2 93 9 2 40 0 19 6 211 5 45 10 3 5 0 1 8 9 1 1 02 5 1 1 9 555 9 4 月1 1 4 8 5 93 8 2 80 019 1 41 1 7 15 1 1 55 1 23 9 1 1 09 1 1 2 0 31 1 4 5 月1 4 1 0 7 04 5 5 00 02 2 7 51 2 7 15 15 74 6 73 51 1 4 1 01 2 5 500 0 从表2 2 可见，5 月的平均日产还可以，2 、3 、4 、6 月平均日产都不高1 月 的成本较低，其余时间成本偏高。 1 月产量1 4 0 5 7 9 吨，平均日产4 5 3 4 吨，较计划超产5 7 2 9 吨，利用系数2 2 6 7 t m 3 d 。 全月以攻风为主，风量由4 3 5 0 m 3 m i n 加至5 0 0 0m 3 m i n 左右，逐渐加重料制， 日批重稳定在3 0 1 2 2 t 至3 5 , 0 0 4 t 之间，负荷在4 1 2 5 t 至4 4 7 4 t 之间波动，2 3 日风 口面积由0 3 5 4m 2 调整为0 3 5 6 m 2 由于炉温波动较大。渣铁分离差，高炉铁损较 高( 8 7 6 ) 。 2 月完成生铁产量1 2 2 4 4 5 吨，较计划超6 4 5 吨。平均日产4 3 7 4 吨，较上月下 降1 6 0 吨，利用系数2 1 8 7t m 3 d ，较上月下降0 0 8t m 3 d r 焦比4 7 3k e , t ，较上月 上升1 1 k g t ；煤比1 0 9 u k g t ，较上月下降1 7 0 8 k g t l 风温下降l y c ：煤气c 0 2 上升0 0 4 ；休风率上升了4 0 5 ，渣铁比上升了4 1 k g t 。 重庆大学硕士学位论文 全月以守风为主，风量维持在4 8 0 0 4 9 5 0 m 3 m i n 左右，料制较上月稳定，挡 位采用1 1 、1 0 、9 、8 、6 、1 挡，矿石由2 、2 、3 、3 逐渐加至3 、3 、2 、2 ，焦碳 由1 、2 、3 、1 、3 、1 变为1 、2 、3 、2 、2 、1 ，批重稳定在3 2 t 至3 4 t 之间，负荷 在4 0 1 1 至4 2 9 5 之间，2 2 日风i = l 面积由0 3 5 6 m 2 调整为0 3 2 9 m 2 ( 1 8 个大风口) 。 因操作及设备原因，全月生产波动较大，由于炉况及原料条件，渣铁流动性差， 全月共坏渣口9 个，多次造成减风由于炉温波动大，渣铁分离较差，铁沟长及 铁罐运输线路长，加之炼钢检修压罐时间长等原因，高炉铁损高。 3 月完成生铁产量1 2 1 6 2 9 吨，较计划欠产1 3 8 4 1 吨，平均日产3 9 2 4 吨，较上 月下降4 5 0 吨l 焦比上升了3 8 k g t ：煤比上升0 7 2 k g t ；风温下降“l 休风率上 升了0 5 5 s 慢风率上升了1 0 6 7 ；渣铁比下降1 2 k g t ：灰铁比上升4 1 5 k g t ：铁 损高达9 7 6 ，较上月上升0 9 7 全月以守风为主，风量维持在4 8 0 0 4 9 5 0 m 3 m i n 左右，料制较为稳定，挡位 大