（工程热物理专业论文）球团竖炉内气流分流规律的实验研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 球团竖妒内气流分流规律的实验研究 摘要 本文回顾了球团竖炉技术的产生、发展和球团技术研究方面的国内、外现状及部分 成果，并简要介绍了球团竖炉基本工作原理和工艺技术，分析了球团竖炉工艺的影响因 素，提出了进行竖炉内气流分流研究的实际意义。 在此基础上，为了研究竖炉内的气流分流规律，本试验板据相似原理制作了冷态机 理性实验装置，该装置的特点就是结构易于调整，能够对相关参数进行准确地测量。利 用该装置进行定量地研究了竖炉的结构参数、操作参数和料层空隙率等变化情况下竖炉 内气流分流的变化规律。 从实验结果分析我们知道。炉内气流分流主要取决于竖炉的结构参数、操作参数和 料层空隙率。在操作参数中，流入风量比k 是影响气流分流的主要因素：当流入风量比 k 小于临界流入风量比k + 时，焙烧风全部流入焙烧带，冷却风中，开始有少量上行流入 焙烧带，且冷却风量增加得越多或焙烧风量减小得越多，则冷却风中流入焙烧带的比例 越大；当流入风量比k 等于临界流入风量比k 时，焙烧风和冷却风分别全部流入焙烧带 和导风墙；当流入风量比k 大于临界流入风量比k 时，冷却风全部流入导风墙，焙烧风 中，开始有少量下行流入导风墙内，且焙烧风量增加得越多或冷却风景减小得越多，则 焙烧风中流入导风墙的比例越大。在结构参数中，预热焙烧带的高度( 料层高度) 、均 热带的高度、冷却带高度、焙烧带宽度和导风墙宽度是影响气流分流的主要因素。料层 空隙率影响气流通过料层的阻力，进而影响鼓入炉内的焙烧风量，也是影响气流分流的 一个重要因素。 通过本实验研究可以看出，优化竖炉结构、调节流入风量比、减小物料的粉尘含 量进而改善炉内气流分流状况，这是竖炉改造和设计应该采取的重要措施。 关键词：球团；竖炉：冷态；定量；气流分流；实验 东北大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d y o ng a sf l o wd i s t r i b u t i o n i np e l l e t i z i n gs h a f tf u r n a c e a b s t r a c t r n l i sp a p e ri sr e v i e w e dt h ep r o d u c t i o na n dd e v e l o p m e n to f p e l l e t i z i n gs h a f tf u m a c e ( p s f ) t e c h n o l o g y , d e v e l o p m e n t c u r r e n ts t a t u ss t u d yo fp e l l e t st e c h n o l o g yb o mh o m ea n da b o a r da s w e l la sp a r t i a la c h i e v e m e n t s i ta l s oi n t r o d u c e sb r i e f l yt h eb a s i co p e r a t i o np r i n c i p l ea n d p r o c e s s ，a n a l y s e st h ei n f l u e n c ef a c t o r so fp s fp r o c e s s ，a n dp r o p o s e st h ep r a c t i c es i g n i f i c a n c e o f t h es t u d yo ng a sf l o wd i s t r i b u t i o nl a wi np s f o nt h i sb a s i s ，i nt h i se x p e r i m e n 4c o l de x p e r i m e n t a ld e v i c ei sf a b r i c a t e di na c c o r d a n c e 、i t l lt h es i m i l i t u d ep r i n c i p l e sf o rs t u d y i n gt h eg a sf l o wd i s t r i b u t i o nl a wi np s f t h ef e a t u r eo f t h ed e v i c ei se a s i l ya d j u s t e df o rc o n s t r u c t i o n ，a n dm e a s u r e da e c o r a t e l yf o rr e l a t e dp a r a m e t e r s t h i sd e v i c ei sa p p l i e df o rq u a n t i t a t i v es t u d yo nt h eg a sf l o wd i s t r i b u t i o nl a wi np s fw i t h c h a n g eo f t h ec o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s ，o p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n ds p a c i n gm t ee t c ， i ti sc o n c l u d e df r o mt h i se x p e r i m e n t , t h eg a sf l o wd i s t r i b u t i o ni sm a i n l yd e p e n d e do nt h e c o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s ，o p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n dp a r t i c l el a y e rs p a c i n gr a t e a m o n gt h e o p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，r a t i oo fg a si n f l o wki st h ep r i m a r yf a c t o ri n f l u e n c i n gt h eg a sf l o w d i s t r i b u t i o n ：w h i l et h er a t i oo fi n f l o wki sl e s st h a nt h er a t i oo fc r i t i ci n f l o wk + ，r o a s t i n gg a s f l o wi n t or o a s t i n gz o n ec o m p l e t e l y , a m o n gc o o l h a ga i r , s o m eo f w h i c hb e g i n st of l o wu p w a r d s i n t om a s t i n gz o n e ，a n dt h em o r ec o o l i n gg a si n c r e a s e s , t h em o r em a s t i n gg a sd e c r e a s e s ，a n d t h e nt h em o r ec o o l i n ga i rf l o wi n t ot h er o a s t i n gz o n ei n c r e a s e s ；w h i l et h er a t i oo fi n f l o wki s e q u a lt ot h er a t i oo f c r i t i ci n f l o wk + ，m a s t i n ga i ra n dc o o l i n ga i ra l lf l o wi n t ot h er o a s t i n gz o n e a n di n t e r n a lv e r t i c a la i rc h a n n e l ( i v a c ) ；w h i l et h er a t i oo fi n f l o wki sm o r et h a nt h er a t i oo f c r i t i ci n f l o wk + ，t h ec o o l i n gg a sf l o wi n t oi v a cc o m p l e t e l y , a m o n gm a s t i n gg a s ，s o m eo fi t b e g i n st of l o wd o w n w a r d si n t oi v a c ，a n dt h em o r er o a s t i n gg a si n c r e a s e so rt h em o r ec o o l i n g a i rd e c r e a s e s ，a n dt h e nt h em o r er o a s t i n ga i rf l o wi n t oi v a c i nt h ec o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s ， h e i g h to f m a s t i n gz o n e ( h e i g h to f p a r t i c l el a y e r ) ，h e i g h to f s o a k i n g z o n ea n dw i d t ho f r o a s t i n g z o n ea r et h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gg a sf l o w i n g p a r t i c l el a y e rs p a c i n gr a t ea f f e c tt h e r e s i s t a n c eo f a i r f l o wt h r o u g ht h ep a r t i c l el a y e r , c o n s e q u e n t l yt h em a s t i n gg a sf l o wb l a s t e di m o t h ef r i t m c ei sa f f e c t e d ，a n dt h e r e f o r e ，i ti sa l s oak e yf a c t o ri n f l u e n c i n gg a sf l o wd i s t r i b u t i o n i ti sa l s oc o n c l u d e df r o mt h ee x p e r i m e n tt h a tt h eg a sf l o wd i s t r i b u t i o nc a nb ei m p r o v e d b yo p t i m i z i n gp s fs t r u c t u r e , a d j u s t i n gi n f l o wr a t i o ，m i n i m i z i n gt h ed u s tc o n t e n ti np a r t i c l e s n i si sa ni m p o r t a n tm e a n st h a ts h o u l dh ea d o p t e di nr e c o n s t r u c t i o na n dd e s i g no f p s f x e yw o r d s ：p e l l e t ；s h a f if u r n a c e ；c o l d - s t a t e d ；q u a n t i t a t i v e ；g a sd i s t r i b u t i o n ；e x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同丁： 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：後巫留 日期：删一口z 7 2 o 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北大学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、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及意义 到目前为止全球铁矿资源中，已探明的品位大于4 0 的铁矿石约为8 5 0 0 亿吨。 随着钢铁工业的发展，炼铁所需原料将愈来愈大，而可供直接入炉的富矿却愈来愈少。 我国铁储量居世界第5 位，其中含铁5 0 以上的富矿却仅占已探盼储量的4 左右，绝 大郝分为含有害杂质( p 、s 、p b 、z n 、a s ) 的贫矿。这类矿石须细磨精选后造块才能 入炉冶炼。而天然块矿则逐年减少，目前不足3 0 0 万吨，仅占入炉含铁原料的7 。总 之，铁矿资源的变化，人造块矿的优越性，极大地促进了球团技术的不断发展【l j 。 表1 1 近年来国内球团矿产量与需求量【2 l ! 些l 皇l ：! 垒睡g 量豳地兰塑! 墅蛙蓬! l 垡整墼咝￥堕曼丝坠 1 9 9 9 年2 0 0 0 年2 0 0 1 年2 0 0 2 年 2 0 0 3 年 2 0 0 4 年 ( 万吨)( 万吨)( 万吨)( 万吨)( 万吨)( 万吨) 注：上裹中球团矿需求量是根据图象统计同历年统计数据中的“全国历年生铁产量”进行推算 的，其中： 1 生铁需要成品矿按1 ：1 6 计算。 2 我国球团在炉料中占比例按1 1 计算。 近些年来，随着我国钢铁工业的迅猛发展，对球团矿的需求量逐年递增。丽我国的 球团矿生产一直不能满足需求，见图1 1 ，大多靠进口球团矿来补充，2 0 0 4 年我国进口 球团矿更多达1 5 0 0 万吨左右。今后几年，虽然基础设施建设发展将减慢，但国内钢铁 的需求量仍将继续保持在一个增长的态势，氧化球团的市场依然会广阔。 现在，世界上焙烧球团矿的设备主要有三种：竖炉、带式焙烧机和链篦机一回转窑 3 1 。 竖炉是最早用于焙烧球团矿的设备。曾经在球团矿的生产史上起到过重要作用，虽 然由于竖炉难以大型化，单炉产量低等缺陷( 4 1d 】【6 】。竖炉在国外冶金领域已逐渐消失。 但是竖炉作为一种重要的传统球团生产设备，因其成本低、操作简单等优点和我国的具 体国情决定，必将在我国今后的球团生产中继续长期存在。而其缺陷必须不断得到解决， 以适应当前工业发展的需要。我们知道，炉内进行的热工过程在很大程度上受制于炉内 气体流动。因此。作为解决问题的第一步，应该是研究竖炉内气流分流规律。以往对炉 东北大擎硕士学位论文第一章绪论 子的结构参数和操作参数影响炉内气体流动规律的研究很少。而探求这种规律，对予通 过调节竖炉的结构和操作参数，保证炉内气体流动的合理分布，提高球团矿质量，降低 排矿温度，都是很有意义的。因此，本文就竖炉的操作参数和结构参数对炉内气体分流 的影响及其规律进行机理性的分析研究，以探求炉内气流分流的基本规律。因此，本课 题的研究对今后竖炉的大型化设计和改造具有一定意义。 1 2 球团竖炉发展概况 1 2 1 国外球团竖炉发展概况 竖炉是用来焙烧铁矿球团的最早设备。自美国i l l i e 公司1 9 4 7 年投产世界上首座蜷 炉以来，球团竖炉曾得到快速发展，到上世纪6 0 年代初坚炉产球团矿就已占当时全世 界球团矿总最的7 0 。但早期的球团竖炉为“直通式”炉，焙烧风从炉子两侧吹入，冷 却风由炉子下部吹入，冷却风经预热后，一部分作为助燃风流入燃烧室与煤气混合燃烧， 另一部分流入焙烧带与焙烧风混合。为了保证足够的焙烧温度，冷却风量不可能过大， 但同时却使炉子下郁球团矿的冷却效果交差。此外，直通式竖炉由于没有干燥带，湿的 生球团直接入炉进行焙烧。在焙烧过程中，球团水分的蒸汽占用了大部分本应用来焙烧 的热量，从而造成了断面气流不均匀，中间料层烧不透，形成“死料柱”。为了避免焙 烧风吹不透和断面气流不均匀等问题，第一代球团竖炉只能维持在低产状况下运行。出 于竖炉单炉能力较小，对原料适应性较差，故不能满足现代高炉对熟料的要求。因此， 在应用和发展上受到一定限制。从7 0 年代以后，国外除摩洛哥7 0 年代初扩建一座年产 6 0 万吨竖炉以及美国m e a d l a n 公司为阿根廷建成一座2 0 0 万吨竖炉球团厂外，几乎再无 建立。竖炉球团矿比例亦随之下降。至8 0 年代初已降至9 左右【l j 。 1 9 8 6 年底。美国l t v s m c 公司得知中圜开发出“导风墙一烘干床”竖炉，即：s p 技术，经过洽谈，于1 9 8 7 年从中国冶金部技术进出口公司购买了该技术。1 9 8 7 年底 l t v s m c 公司先在其一竖炉上采用s p 技术，在其后的几年里，其它竖炉也陆续进行了 改造。但其应用效果并不理想，经研究表明s p 技术在该厂存在以下两大问题f 7 j ： 一是冷却风流不能从冷却带通过导风墙进入干燥床下部的供风区。 二是生球爆裂影响气流通过烘干床篦板，增大了通过炉喉的气流量，使炉喉区内球 团氧化和熔化。 随后l t v s m c 公司进行了一系列的改造，如：取消导风墙等措施，设备才基本顺 行生产。 目前，在世界的球团生产企业格局中，竖炉球团矿生产能力仅占世界总能力的7 4 左右。可见球团竖炉作为最早的焙烧铁矿球团的设备。在国外已近退出球团生产的历史 舞台朔，参见图1 2 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1 世界球团生产设备现状 f i g t tg e n e r a ls i t u a t i o n o f p e u e t p r o d t t f t i o na i l o v e r t h e w o r l d 注：1 图中统计数据截止日期为2 0 0 3 年年底。 2 其中带式焙烧机球团矿生产能力为2 0 5 亿吨，占世界总能力的6 6 4 3 。链篦机一网转 窑球团矿生产能力为8 0 6 0 万吨，占世界总能力的2 6 1 7 。竖炉球团矿生产能力为2 3 0 0 万吨，占世界总能力的7 - 4 。 i 2 2 我国球团竖炉发展概况 我国采用竖炉生产铁矿球团起步较晚，1 9 5 8 年鞍山矿山设计研究院开始工艺研究工 作，1 9 6 5 年完成了半工业试验，给工业竖炉球团厂设计提供了依据。 我国第一座8 m 2 的球团竖炉于1 9 6 8 年3 月在济南钢铁厂建成投产，经工艺和设备 上的多次攻关改造后，球团竖炉实现了连续正常生产t 叭。 六十年代末我国济南铜厂技术人员通过对国内生产球团用竖炉的分析，提出了在 球团竖炉内设导风墙和烘床等改进措旄唧，也就是s p 技术。s p 技术具有如下设计特点： ( 1 ) 将炉身分成千燥带、预热带、焙烧带、均热带和冷却带。 ( 2 ) 来自炉底的冷却风有7 0 一- 8 0 通过导风墙进入烘干床下部的供风区，这可减少通 过焙烧带与预热带的气流量，从而降低升温速度，在预热带尤其如此。 ( 3 ) 来自炉底的冷却风同焙烧带的高温气流混合，可为烘干床提供温度较低的干燥 用气流。 该技术于六十年代末投入运行。经过几十年的不断改进，已达到了较好的生产水平。 我国第一靡1 6 m 2 大型竖炉经过长时期的酝酿和准备，由鞍山黑色冶金矿山设计院 设计，本钢自行施工，设计能力5 0 万吨，于1 9 8 7 年9 月建成投产。其设计不仅吸收了 国内竖炉的成熟经验，也吸取和移植了国外球团的某些先迸技术，同时在设计上有所剖 新，将我国的竖炉生产技术向前推进了一步。从1 9 8 7 年9 月至1 9 9 0 年7 月先后经历了 3 年时间，进行三项攻关。最后在外部条件好的季节，产量、质量均可达设计指标，竖 东北大学硕士学住论文第一章绪论 炉大型化已获成功i l 。】。 由于竖炉球团与带式焙烧机及链篦机一回转窑比较，具有投资省、设备简单和不需 要耐热台金钢等优点；还由于我困竖炉球团采用了导风墙和烘干床等先进技术后，克服 了竖炉自身的缺陷，竖炉上下部气流可以调节，形成合理的焙烧制度，为竖炉高产、优 质、低耗刨造了有利条件。使得竖炉球团在我国得至憷速发展【10 】。全国球团生产量也从 1 9 8 6 年的1 4 0 万吨增加到1 9 8 8 年的2 8 0 万吨【l j 】。 到1 9 9 0 年，我国球团竖炉的生产厂家有1 3 家，生产竖炉总数为1 9 座。该年全圈 球闭矿产量为5 4 1 2 万吨，其中竖炉球团矿产量为3 4 1 7 万吨【1 2 l 。 到2 0 0 3 年，我国有6 3 座竖炉在生产，总面积超过5 2 0m 2 ，具有2 4 0 0 万吨年左右 的生产能力，球团总产量8 0 以竖妒焙烧为主，带式焙烧球圃设备和链篦机一圆转窑设 备在球团生产中所占份额很少【7 j 。参见下图。 图1 2 我国球团生产设备现状 f i g 1 2g e n e r a l s i t u a t i o no f p e l l e tp r o d u c t i o ni nc h i n a 由于，竖炉工艺存在着规模小、产品质量不稳定、球团矿强度差、f e o 含薰高、抗 压强度低、竖炉因其单炉产量低和不适合菲磁铁精矿琢料生产球团矿等方面的缺点，与 现在炼铁生产的规模化和高炉的大型化不太适应。从圈1 2 可以看出竖炉作为一种传 统的球团矿生产工艺设备，在其它各国已趋予绝迹，只有中国目前还在应用。今后几年， 国内球团矿生产设备将以向大型化发展为趋势。我国烧结的主体装备将以链算机阐转 窑为主，这是我国大中型企业球团制造设备发展的主流。 球团竖炉作为一种传统的球团矿生产设备，虽然在国外已基本退出球团矿的生产舞 台，但在我国，由予其具有设备简单、投资少、建设快、可以利用低热值的高炉煤气为 能源等优点，而这些优势为我国中小型钢铁企业球团矿生产创造了条件。中小企业由于 铁矿资源、能源和投资的限制，仍将使得竖炉稳步发展1 4 1 1 1 3 】。这种由于竖炉的自身优点 和我国的国情决定竖炉还将在中国的球团生产中长期存在，并继续发挥其重要作用。只 是原来以竖炉球团矿为主的格局，将变为以链一回( 含带式) 球团矿和竖炉球团矿各占 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 半，平分天下的新格局。 1 3 国内外关于竖炉气体流动的研究概况 1 3 1 国外研究概况 在国外，与竖炉相关的气体力学研究，早在1 9 2 0 年卡曼科泽尼就提出流体在层流 状态下流过固定床层压力损失的计算公式【1 4 1 0 5 1 ： 等吐学虿p u m ，、 1 9 2 7 年，科泽尼在此基础上把多孔介质看成是许多长度和直径相等的毛细管，求出 k 1 = 6 4 ；后来科泽尼通过拟合悬浮体流过密实体床的实验得出k i = 1 8 0 。 但对于竖炉气体动力学的系统研究则是在二十世纪五十年代以后，随着多孔介质流 体力学理论和填充层气体力学发展起来的。 多孔介质流体力学理论是以流体力学为基础，研究流体在多孔介质中流动的规律。 这些理论在阿拉文和努美洛夫( a r a v i na n d n u m e r o u , 1 9 6 5 ) 的滤流理论，比尔( j a c o b b e a r ) 的多孔介质流体动力学，和a e 薛定谔多孔介质中渗流物理中都有详尽 的阐述。 多孔介质流体力学中的基本公式是达西定律。1 8 5 6 年，h d a r c y 在研究水在直立砂 柱中的流动时，通过实验发现：流体流量与不变横帮 面积及水头差m 1 h 2 ) 成难比，而与 长度成反比。将这些结论综合成公式，我们就得到著名的达西公式： q=kj(1-2) 其中： q = o a ；j = 魄- h d l k 为水力传导系数；j 为水力梯废。 但是，达西定律仅适用于惯性力( 质量x 加速度) 与粘滞力比较可忽略不计，即层 流流动的情况。 由于化工及冶金的需要，人们翠就开始了对此领域中普遍存在的充填层气体流动的 研究。l e w i sw ke r g u ns ，k w a u km 等都进行了许多研究工作。并提出如下几个典型 的方程： 19 4 9 年，l w e i s 等人提出的l w e i s 方程f 1 6 】 一瓦d p = 1 5 4 皆 m 4 、 l e w i s 方程计算简单，但使用雷诺数范围小( r e 1 0 ) 1 9 5 2 年，e r g u n 对这方面资料进行了分析研究，获得了一般情况下压力损失与速度 之间的关系，即e r g u n 方程。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 一扣。皆“，s 警 m 。、 式中，为孔隙率；，为流体黏度；p ，为流体密度；u 自为流体表观速度：d 。为 颗粒直径：妒，为颗粒的形状因数；l 为长度。 该公式使用雷诺数范围广，计算复杂，得到了广泛的应用，但是在后来的研究中， 人们逐渐发现e r g u n 方程在很多情况下存在缺陷垮】，主要表现在： e r g u n 方程是在床径比( 定义为床层直径与颗粒直径的比值) 比较大的情况下得到 的。当床径比很小时，床层内径向孔隙率分布比较明显将直接影响床层内的径向流速 分布，进而影响压降，对此问题应如何处理【19 】【2 0 1 | 2 q ，至今还没有得到普遍的结论。 受颗粒形状的影响： m e d o l l a l d 等1 为将e 喀吼方程应用予复杂情况的床层( 颗粒尺寸沿床层空间内其 有分布性质、纤维层床层等) ，用实验数据对e r g u n 方程中的两个系数重新进行回归， 与e r g u n 方程回归系数( 1 5 0 ，1 7 5 ) 相蓑很大，而且球形颗粒床层的规律性较强，其它 颗粒床层的数据较分散。 f o u m e n y 等人1 的研究则证实r e 5 6 0 0 的范围内颗粒形状对床层压降有明显的影 响。 受颗粒粗糙度的影响； j o r d i 和蛐刚在层流状态下( r e = l - - 6 2 ) 研究了颗粒粗糙度对床层压降的影响， 发现压降明显地随颗粒粗糙度增加而增加，粗糙颗粒床层与光滑颗粒床层的压降之比在 1 7 肌2 7 8 的范围内变动。 气体温度、压力的影响： 气体与不可压缩流体最明显的区别是气体在壁面处的流速不为零( 其大小与气体分 子运动的平均自由程度有关) ，并且气体的密度、流速等参数沿床层空间不断变化，在 布料这些特性的情况下，d u l l i e n i 豁l 推荐使用下式： 硒瓣, 2 _ 2 2 = 4 + 丑( g ，川 1 9 6 3 年，k w a u k l 2 6 1 等人又据出了k w a u k 方程 一蛊= 础一s ) g ( 等 ”p e 吣o t 丝v 归1 _ j m ，、 式中，a p 为颗粒与流体的密度差；g 为重力加速度；p 。为颗粒密度；u 。自为表观 初始流态化速度；m 为压降指数， k w a u k 方程虽然简单，计算方便，物理意义明确。但u m 以及m ( m = 1 - 2 ) 均需 - 6 东北大擎硕士学位论文 第一幸绪论 由实验测定或理论计算。 六十年代末，德国学者j r e s t o c k 和r j e s c h a r 根据充填层内气体流动方程和连续方 程，在忽略惯性力的条件下，建立了竖炉内气体流动的数学模型1 2 7 脚1 。他们提出的充 填层内气体流动的n s 方程为： 9 e ( v a a ) v = f g r a d p + w ( v ) f 1 8 1 稳定条件下的连续性方程为： ， 一、 柳睁矿j = 0 f 】9 、 其中：p 一气体的密度；占一充填层孑l 隙率；p 一气体噩力；v 一气体流速。 作者提出了运用压力作为边界条件求解竖炉气体流动问题的方法。作者在这罩提出 的求解方法，对求解实际竖炉的气流力学问题是很有意义的。 七十年代后期，b i k i t a e r ，y u g , y a r s h e n k o 等人遥过对充填层内微元体的分析，获 得了稳定条件下充填层内气体流动的运动方程和连续性方程，建立了较完疆的充填层气 体流动的数学模型，研究了气体流动的均匀性与炉体结构的关系 2 9 , 1 。 此后随着竖炉在国外逐渐退出球团生产舞台，有关研究亦越来越少见了。 1 3 2 国内研究概况 在国内，我国竖炉工作者对球团竖炉进行研究开始子五十年代末，当时东北工学院 的陆钟武等人引用地下水动力学知识f 3 们。结合竖炉散料层特点，对竖炉内气体流动进行 了定性研究。气体在通过散料屡时的压力梯度与其流速的n 次方成正比，即： 一舻锕= 置矿“ f 1 1 0 1 其中r l 为常数，取决于流动性质，变化在1 2 之间。 作者还分析了平行气流情况下气体在散料层中的流动。讨论了均一散料的串、并联， 以及散料中具有空腔时的气体流动，并推导了气体通过两种均一教料的交界面时应遵循 的折散定律。 七十年代初，济钢的科研工作者对竖炉做出了重大技术革新。在炉子上设导风墙和 干燥床，改变了冷却风对焙烧带的影响，保证了炉内气流的台理分布以及中心“死料 柱”的消除，使焙烧带料层断面等温线趋于平缓，从而有效地解决了国内外竖炉生产的 难题，对于提高竖炉球团质量、降低能耗及改进竖炉工艺有很大作用【3 1 l 。 进入八十年代，科研工作者对竖炉理论研究工作开始活跃。 1 9 8 1 年，鞍山黑色冶金矿山设计研究院的蔡波光对球团竖炉炉型与热工制度进行了 研究，关于我国球团竖炉冷却风是否通过焙烧带进行了探讨，提出为了强化焙烧过程， 预热助燃风或预热氧化风都是有效的理论圈。 1 9 8 2 年，东北工学院的杨挑祥、隋庆瑶对球团竖炉中压力场分布的进行了模型研究。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 采用黄豆( 0 5 , 6n u n ) 模拟球团矿。得出导风墙下沿5 0 - - 6 0r n n l 处压力梯度剧烈增加。 在导风墙两侧的均热带出现压力梯废很小的“压力稳定区”。“压力稳定区”高度随导 风墙的上移和下部风量的增加而降低的结论1 3 3 。 同年，长沙黑色冶金矿山设计院的江兴平对球团骚炉大型化的一些问题进行了探 讨。通过气体实测结果与竖炉模拟试验得出在冷却风口和火口喷出废气之间存在个压 力均衡的“等压面”，根据火口废气与冷却风流董、压力的不同。“等压面”的位要有 所变化的结论彤j 。 1 9 8 3 年鞍山钢铁学院的田济民以1 6 m 2 竖炉的炉型的十分之一制作实验模型。掰绿 豆模拟球团矿，对影晌球团竖炉气流分布的鼠素进行了分析，还对孔隙率进行了研究1 3 5 1 。 1 9 8 4 年5 月鞍山黑色冶金矿山设计研究院的郑逸怀根据竖炉模型的研究提出对当 时蛏炉改造起到重要作用的理论成果。他指出对当时大部分竖炉来说，因受厂房配置条 件限制，炉体的长、宽、高已无法改变。炉型合理与否，最关键的是导风墙参数的选择。 焙烧磁铁精矿的竖炉，要求焙烧气氛中的含氧量达到8 - 1 0 ，才能完全氧化。但是用高 炉煤气作燃料时，燃烧室废气中的含氧量只能达到5 - 6 ，最简单的补充办法是让部 分冷却风通过焙烧带。而导风墙的存在正是起了这个作用。通过模型研究认为，现有的 生产竖炉中，都有不同程度的冷却风通过焙烧带，其数量为1 0 - 2 0 ，通过焙烧带的冷 却风与下列因素有关： 导风墙高度，特别是喷火口以下的高度h 。h 值减小，通过的冷却风就增加。 导风墙的有效通风面积f 。f 越小，通过的冷却风越大。 下部排矿口的漏风程度。减小下部漏风，能相对增加通过导风墙内外的冷风景【3 ”。 同是1 9 8 4 年5 月，鞍山黑色冶金矿山设计研究院的科技工作者蔡波光对杭钢球团 竖炉气氛与炉温进行了测定哪】。 8 0 年代中期，东北大学张志红在参照高炉气体动力学知识的基础上，根据e r g u n 矢量式，用矢量分析的方法建立了炉内气流运动的数学模型，对炉内气流的分布进行了 研究，虽然有一定的局限性，但对竖炉的研究还是具有借鉴价值f 3 9 】。 8 0 年代末期，粱儒全根据日本桑原守、鞭岩的方法1 4 0 【4 1 1 ，利用连续方程和e r g u n 方程，建立了关于流函数的数学模型，对炉内气流运动进行了一些定量研究【4 2 】。 对于改进后的球团竖炉内的气体流动。国内外不少人遴行了研究。都为进步进行 球团竖炉气体力学研究积累了宝贵的经验。 但由于多种原因，近十几年来，在国内，由于竖炉不被炼铁界重视，所以有关球团 竖炉气流的研究也很少，尤其是定量分析的文献少之又少，已有的国内外文献几乎都停 留在2 0 世纪7 0 8 0 年代的水平。 东北大学硕士学位论文第一幸绪论 从2 0 0 0 年后，东北大学的蔡九菊、薰辉等根据现在冶金企业的实际需要，在建立 大型冷态竖炉模型的基础上，研究竖炉内气流运动规律及其影响因素，着重研究操作参 数和结构参数对炉内气流运动的影响，取得了一定的突破性进展，对我国竖炉的设计及 高效化生产发挥了重要的作用1 , 1 3 1 i 】f 1 5 】湖。 1 4 本文研究内容 气流在炉内的气流分流是否合理，这是决定焙烧质量好坏的关键，只有找出竖炉内 部的气流分流规律，才能对竖炉的生产运行及设计改造做出正确的指导。而气漉分流又 是由操作参数和结构参数决定的。因此，本试验把研究的重点放在探讨操作参数和结构 参数对炉内气流的影响上，通过冷态模型进行定量的测试分析，力求找出蛏炉内部影晌 气流运动的因素，探究竖炉内部气流分流的基本规律。本文是在参照和吸收方雨田研究 成果m 的基础上提出的，方雨田的研究是根据炉内的静压分布来判断气流的走势，而不 是直接对炉内气流的流量做出准确蟾测量，本实验装置为了髓够对炉内的气流流量进行 精确测量，引入了转予流重计并加强了模型的密封性，使实验更加灵活而且得到的结果 更加准确。 东北大学硕士学位论文 第二章球团工艺技术及影响因素 第二章球团竖炉工艺技术及影响因素 目前，我国的球团竖炉大部分属于“导风墙一烘干床”式，其本质上也是一种气固 逆流颗粒移动的冶金炉。冶金炉三类变量之间存在如下关系柏】，见图2 1 。 耋篆羹霖舞一，竖炉热工过程参数斗竖炉生产指标 ( 1 ) ( 2 )( 3 ) 圉2 1 球团竖炉三类变量的关系 f i g 2 1r e l a t i o na m o n g3k i n d so f v a - i a b l e sf o rp e l l e t i z i n gs h a f tf u m a c e s ( p s f ) 根据上面的关系式可以看出，影响炉予的单炉产量、成品球团质量和工序能耗等生 产指标的取决于包括炉内气体与球团的传热传质、炉内气体的流动和球团的运动等的炉 内热工过程。而热工过程又是受炉子的结构参数和操作参数影响的，在竖炉内，气流分 流规律是影响竖炉热交换豹主要因素。所以，研究竖炉内气流的滤向、流量等气流分流 规律及其影响因素，对强化竖炉熟交换、提高球团矿产量和质量具有十分重要的意义。 在这三者之间，研究竖炉的结构参数和操作参数与热过程关系，即探求竖炉内气流分流 规律就十分重要了。 因此，本文把研究的着眼点放在研究竖炉内气流分流规律上，通过调节竖炉结构、 操作参数和空隙率等参数，来研究竖炉内气流分流的基本规律及其影响因素，这对于研 究竖炉结构参数和操作参数与竖炉的产量等生产指标之间的关系具有一定意义。 为了便于理解这三类变量的关系，下面对竖炉的工作原理、类型及工艺过程等进行 一下简单介绍。 2 1 球团竖炉的工作原理 竖炉是一种控逆流热交换原砸9 工作的球团矿焙烧设备。生球在炉顶通过布料设备将 生球装入炉内，班均匀的速度连续下降，燃烧室的热气体从喷火口迸入炉内。热气体自 下而上与自上而下的生球进行热交换。生球经过干燥、预热进入焙烧区，在焙烧区进行 高温固结反应，然后在炉子下部进行冷却和捧料，整个过程要在竖炉内一次完成。 2 2 球团竖炉的主要类型 按剖匝结构分类，世界范围穴竖炉结构主要有以下四种形式【i l ：瑞典竖炉、美国竖 炉、日本竖炉、和中国竖炉，如图2 2 所示。瑞典竖炉的构造特点是在竖炉整个高度上 具有相同的截面并有从炉子到燃烧室的空气通路。美国竖炉的结构是从燃烧室火道口以 下增大，到炉底又收缩，没有通风道。而日本竖炉的构造是从燃烧室火道口增大后一童 保持到破碎辊不变，有通风道。中国竖炉为导风墙干燥床结构，采用导风墙，并且炉 东北大学硕士学位论文 第二章婊团工艺技术及影响因素 顶设有干燥床。 日本竖炉 珊典竖炉美甚竖炉 中国竖炉 图2 2 竖炉主要类型 f i g 2 2t y p e so f p e l l e t i z i n gs h nf u r n a n o e ( p s f ) 由于国外竖炉要使下部冷却风通过整个床层风机压力势必增大，所以竖炉焙烧球团 电耗高；又受焙烧带温度的限制，冷却风量也不可能过大。冷却风使炉子下部球团矿的 冷却效果变差。此辨，由于没有干燥带，湿球团不得不直接入炉进行焙烧。在焙烧过程 中，球团水分的蒸发占用了大部分本应用来焙烧的热量，这造成了断面气流不均匀，中 间料层烧不透，易形成“死料柱”现象；国外竖炉一般采用高热值的燃料油或天然气， 丽且仅限于焙烧磁铁矿球团；单炉生产能力小，不适应大型厂的需要。 我国竖炉是在国外竖炉技术基础之上发展起来的。有效地解决了国外竖炉所未能解 决的问题。( 1 ) 竖炉内增设导风墙，有效地缩短了冷却风所遥过的料层，使料层阻力大 大减小，冷风压力可大大降低同时冷却风量可相对增加，冷却效果得到改善。( 2 ) 竖 炉的炉口增设干燥床，解决了生球干燥入炉的问题，回收和利用了预热废气和冷却废气， 同时它能保持边缘气流均匀，使干燥带与预热带分开。( 3 ) 由于大部分冷却风不再通过 均热带和焙烧带等，避免了冷却风带走大量热量。并使得炉内气流分布合理，保证了足 够稳定的均热带，有效避免了中心“死料柱”现象。 2 3 竖炉球团焙烧的工艺过程 竖炉工艺可分为布料、干燥和预热、焙烧和冷却，其工艺流程见图2 3 。 图2 3 竖炉工艺流程图 f i g 2 3p r o c e s sf l o wd i 卿o f p s f 东北大学硕士学位论文第二章球团工艺技术及影响因素 ( 1 ) 布料 我国竖炉采用直线布料。架设在屋脊形干燥床顶部的布料车行走线路与布誊斗线路平 行。这种布料装置大大简化了布料设备，提高了设备作业率，缩短了布料时间。但布料 车沿着炉口纵向中心线平行运行过程中，由于炉顶温度过商，皮带易烧损，因而要求加 强炉顶排风能力，降低炉顶温度，改善炉顶操作条件。 ( 干燥和预热 国外竖炉生球主要依靠自上而下与预热带上升的热废气发生热交换进行干燥，无特 殊干燥设备，我国竖炉干燥采用屋脊形干燥床，生球料层厚约1 5 0 - 2 0 0 r a m 。预热带1 升 的热废气和从导风墙导出的热风( 3 3 0 。c ) 在干燥床的下面混合，其混合气体温度为 5 5 0 7 5 0 c 传过干燥床与干燥床顶部向下滑落的生球进行热交换，达到使生球干燥的目 的。生球在干燥床上经过5 6 r a i n 后基本完成了干燥过程到达炉喉。然后按其自然堆角 向炉子中心滚动并进行再分配，小球和粉末多聚集在炉壁簪f 奇近( 离炉壁2 0 0 m m 左右) ， 太球因具有较大的动能，多滚向中心导风墙处。由于靠炉层处的球层较厚，而聚集的又 多是小球和粉末，因此基本上抑制了边缘气流的过分发达。相反，出于中心球料低，球 径较大，则有利于中心气流的发展。 竖炉采用干燥床干燥生球，提高了生球质量，防止了湿球入炉产生变形和彼此粘结 的现象，改善了炉内料层的透气性，为炉料顺利刨造了条件。此外采用干燥床后，相应 的扩大了干燥面积，实现了薄层干燥，可使热气体穿透生球料层。由于热交换条件的改 善，其炉口温度从5 5 0 7 5 0 降低到2 0 0 ( 2 以下，提高了热利用率，减轻了布料机皮带 的烧损。除此之外，采用干燥床还可将干燥工艺与预热工艺段明显分开，有利于竖炉操 作。 生球干燥机理指表面气化控制、内部扩散控制、干燥速度。扬料与一定温度移湿度 的气体介质相接触时，将排除水分或吸收水分，达到一定数值时，即与介质的湿度相同， 若此时气体介质的温度和湿度保持不变，则该物料的水分亦保持不变，此时的湿度即称 为平衡湿度。当生球的水分超过平衡湿度，与于燥介质( 热气体) 接触时，因生球表面 的水蒸气压大与干燥介质中的水蒸气分压，水分便从球的表面蒸发，水蒸气通过生球表 面的边界层，转移到干燥介质主体。由于球表面的水分气化而形成球酾内部与表面间的 湿度差于是球内部的水分借扩散作用向其表面迁移，又在表面气化，干燥介质连续不断 地将水蒸气带走，使生球达到干燥目的。 预热。生球干燥后，在进入焙烧区之前，存在一过渡阶段，即颈热阶段。预热阶段 的温度范围为3 0 0 1 0 0 0 c 。在预热过程。各种，不同的反应如磁铁矿转变为赤铁矿、结 晶水蒸发、水合物和碳酸盐的分解及硫化物的煅烧等，是平行进行或者是依次连续进行 的。这类反应对成品球的质量和产量都有重要影响。因此，在预热阶段内，预热速度应 东北大学硕士学位论文 第二章球团工艺技术及影响因素 同化合物的分解和氧化协调一致。就磁铁矿而言，氧化对于球团矿的机械强度和还服性 状具有决定性的影响。 ( 3 ) 焙烧 生球经过干燥预热后下降到竖炉焙烧段，焙烧段获得的热量包括下列各项： 从冷却段回收的高温球团矿的显热。这项热量随着冷却风流传递到竖炉上段，与燃 烧室出来的热气体混合。 磁铁矿氧化放出的热量。这项热量占总需要量的4 0 ，它辅助升高炉内温度，并使 热量在横截面上变得较均匀。 由燃烧室内霎油或煤气加助燃空气燃烧所生成的燃烧气体供给的热量。这项热量通 过相应的火道口鼓入竖炉内。 在添加固体燃料的情况下，固体燃料在球层中燃烧放出的热量。热量多少决定于固 体燃料的添加量，一般添加1 左右的缨磨煤