（钢铁冶金专业论文）鞍钢烧结矿分级入炉技术研究.pdf

鞍山科技大学硕士学位论文摘要 摘要 烧结矿分级入炉技术在国外，特别是在日本各大高炉已得到普遍的推广。国 内宝钢等少数企业也已应用。其主要有改善炉料的透气性、控制粒度偏析、改善 炉内料层的不稳定性、有利于高炉的顺行、有利于抑制边缘煤气流过分发展和延 长高炉寿命等特点。 尽管烧结矿分级入炉的说法提出的较早，但具体的试验研究工作却做的相对 较少，如何装入以及装入后对高炉一些参数如压力场与速度场的变化等的影响， 目前在国内外发表的文章中尚很少见到。 为了掌握分级布料规律，使该技术在鞍钢高炉上发挥出良好作用，鞍钢技术 中心与鞍山科技大学材料科学与工程学院合作，在鞍山科技大学气体力学实验室 内进行了试验研究，得出以下结论： ( 1 ) 鞍钢现有炼铁原料分级入炉后能够达到降低阻损、提高透气性的效果； ( 2 ) 考虑到高炉现有上料能力，在小粒矿只能与大粒矿同样以独立批次入炉的 情况下，应从边缘向中间调整，适当加重边缘； ( 3 ) 在调整小粒矿的同时，对大粒矿和焦炭的布料也应进行适当的调整，以期 实现烧结矿分级入炉的理想效果。 关键词：烧结矿分级入炉压力场速度场高炉透气性粒度 鞍山科技大学硕士学位论文 a k s i 吼0 1 c h a r g i n gs i n t e r i n gu s i n gc l a s s i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi n t ob l a s tf u m a c eh a dw i d ea p p l i c a t i o n i nf o r e i g nc o u n t r i e s ，e s p e c i a l l yi nj a p a n i nc h i n a ，af e wa m o u n to fe n t e r p r i s ea l r e a d y h a v eh a dt h ea b i l i t yt oa p p l y i n gt h i st e c h n o l o g yi n t oi n d u s t r yp r a c t i c e i t sb e n e f i t sa r e i n c l u d ei m p r o v i n gp e r m e a b i l i t y , c o n t r o l l i n gg r a i ns i z e d e v i a t i o n ，r e t a r d i n g t h e e x c e s s i v ed e v e l o p m e n to fg a sf l o wi nt h eb l a s tf u r n a c ec l o s et ot h ew a l l ，s ot h a tl e a d i n g t oe x t e n dw o r k - l i f eo ft h ei n t e r l i n i n gm a t e r i a la n di m p r o v et h ew o r ks t a b i l i z a t i o no ft h e b l a s tf u r n a c e a l t h o u g ht h ep r o p o s a lo ft h i st e c h n o l o g yh a v ek n o w nf o ral o n gt i m e ，b u tr e s e a r c h w o r k ，s u c ha si t se f f e c to nt h eo p e r a t i o n a lp a r a m e n t e r sa n dd i s t r i b u t i o no fg a sp r e s s u r e a n dv e l o c i t yi nt h eb l a s tf u r n a c e ，i ss e l d o ms e e ni np u b l i c a t i o n f o rm a s t e r yo ft h ef u n d a m e n t a lr u l ea n da p p l y i n gi tt oe n h a n c ep e r f o r m a n c eo f b l a s tf u r n a c ei na n s h a ni r o n & s t e e lc o r p o r a t i o n w ec o o p e r a t e 、i t l la n s h a ns c i e n c e a n dt e c h n o l o g yu n i v e r s i t ya n dc a r r yo u td e t a i l e dr e s e a r c hw o r ki nt h i sf i e l d t h e c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a p p l i c a t i o nt h i st e c h n o l o g yt ot h ep r a c t i c ec a nr e d u c et h er e s i s t e n c eo f g a sf l o w i nt h eb l a s tf u r n a c e ，i e i m p r o v et h ep e r m e a b i l i t y ( 2 ) c o n s i d e r i n gc u r r e n tc h a r g i n gb u r d e na b i l i t y , c a l lb u ta d o b tc h a r g i n gm e t h o d w i t ho n eb yo n ei n d e p e n d e n t l y , s oa d j u s t m e n ts e q u e n c ei st h a tt h ep o r t i o no ft h es m a l l p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t e sf r o mp e r i p h e r yt oc e n t r ea r e ag r a d u a l l y , a n da p p r o p r i a t ei n c r e a c e l o a da tp e r i p h e r ya r e a 0 ) f o r t h ep u r p o s eo fb e t t e rr e s u l t ，a d j u s t i n gt h es m a l lp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no n t h er a d i u sm u s tg ow i t l lt h ea d j u s t m e n to fl a r g ep r a c t i c a ls i z ea n dc o k ea tt h es a m et i m e k e y w o r d s ：c l a s s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ；b u r d e nd i s t r i b u t i o n ，p e r m e a b i l i t y , p r e s s u r el o s s ， g a sf l o wr e s i s t a n c e ，b l a s tf u r n a c e 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，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 获得鞍山科技大学或其它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 的说明并表示了谢意。 签名：至垂菹日期：醚：笸 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 缒 鞍山科技大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 分级布料技术的发展与现状 在高炉冶炼中，各种过程都是在炉料和煤气不断相向运动的条件下进行的。 高炉内煤气流的合理分布，应以既保证煤气能量的充分利用，又保证炉况顺行为 原则，只有这样才能使高炉生产获得良好的技术经济指标，而炉料在炉内的分布 影响还原气体的分布，影响气固相的接触，最终影响高炉效益和产量。因此，高 炉炉顶布料控制技术已成为近代高炉强化冶炼的重要因素。 炉顶布料主要满足以下四个目的：煤气流合理分布，煤气利用率高；炉身寿 命长，能防止风口及炉内砖衬的破损；有长期稳定的良好炉内透气性；保证炉况 顺行，炉体热损失低。 炉顶布料受原料粒度和质量、高炉大小以及高炉装料设备等因素影响。 由于高炉各种炉料的物理性质不同，各种炉料的透气性不同；炉顶布料不均， 各处的炉料种类及粒度必然有差异，炉料下降时发生再分布，有较多焦炭挤向边 缘，这些都使高炉料柱的空隙度分布不均。由于高炉内煤气流分布的不均匀性是 正常的，那么，究竟怎样形式的煤气分布是合理的，因此，我国七十年代普遍认 为：边缘和中心都得到适当发展的“两道煤气流”为好，到七十年代末，有人依据日 本高炉的资料，提出“喇叭花形”为好“。其实，煤气流分布形式要依据具体的冶炼 条件而定，如果原料条件不好，不适当发展边缘就不能正常生产。在一定的冶炼 条件下，应该寻求煤气的能量利用好，炉况顺行的切实合理的煤气流分布形式。 在高炉上部块状带，煤气流和炉料分布的关系可用厄冈公式检验2 ，3 】 - 等- = 1 7 5 豢 罢 m t ， 式中：p 为压力损失；l 为料层厚度；为料层孔隙度；妒为形状系数即与颗 粒同体积的球表面积；d 。为炉料颗粒当量直径，即4 颗粒横断面积颗粒周长：g 为煤气流速；p 。为煤气重度。 由公式( 1 1 ) 重新整理，可得出炉料透气性指数托 k = p 。j i 肚l - o ，s ( 辔 m z ， 鞍山科技大学硕士学位论文 第一章绪论 k 和炉料颗粒当量直径皿形状系数3 1 一s 成正比，各种炉料的性质包括& d c 、研透气性指数k 的数值见表1 - l 表1 - 1 高炉炉料性质 空隙度当量直径d e 炉料 静止角o形状系数透气性置 m m 焦炭 3 6 4 4 o 53 9 1 20 7 24 0 l 球团矿2 8 3 2 0 3 6 1 2 7 0o 9 2o 4 8 烧结矿 3 2 3 6 0 4 8 7 1 lo 6 5o 5 6 白云石 3 6 2 8 0 4 l3 0 4 80 8 71 7 5 从表1 1 中可知，焦炭透气性大大超过矿石，因此在块状带总气体阻力主要取 决于矿石粒度，在很大程度上取决矿石料层的厚度。为此可用增加矿石粒度来增 加料柱透气性，但这会使矿石还原恶化，因此，最好的办法是将粉料筛除以提高 料柱的透气性。 两种不同粒度的炉料同时或分别装入炉内，在布料界面上互相渗透，也有混 合，并形成混合层，混合层堵塞空隙时，透气性恶化。在炉料中，矿石和焦炭的 粒度差越大，混合层所占比例越高。武钢在l ：1 模型上进行了实验1 4 】，倒装时大 钟开启焦炭先落到料面，其后焦炭与烧结矿混合料落到料面，将先落的焦炭部分 挤向中心，最后烧结矿落到焦炭上面，其中部分粒度较小的烧结矿渗透到焦炭层 的空隙中，形成矿焦混合层，另外有部分小块烧结矿穿过焦层，形成新的矿石层， 进而增加料柱的透气阻力。 两种不同炉料在界面上形成的混合层对煤气分布影响很大，傅士敏等人定量 地测量表n t 5 】：界面层附近的阻力损失相当于每层料总阻力损失的9 2 6 。界 面问的混渗程度以渗混数r 表示：r = d p v 层p 上层。 从理论上分析，炉料为不同粒径混合物时，料层的空隙度殖降低，料层空隙 度同大小块直径以及大小块数量比的关系如图l l 所示【6 】。因为炉料粒度均匀性 及粉末含量对料层的空隙度占均有影响。当炉料为单一的均匀颗粒时，识与粒子 的堆积状态有关，而与粒径无关。炉料为不同粒径混合物时，g 值降低。这些小粒 级与大中块混在一起入炉，极大地影响了炉料的透气性及高炉操作的稳定与顺行。 鞍山科技大学硕士学位论文第一章绪论 由于小粒原料对料柱气体动力学有不利的影响，高炉冶炼对小粒原料的使用进行 了限制，入炉时将小粒度的原料筛出。由于大量的小粒原料被返回，不仅浪费了 原料和能源，而且也降低了烧结矿的成品率。 为达到资源合理利用，国内外对小粒原料的入炉冶炼进行了探索，烧结矿分 级入炉技术在国外，特别是在日本各大高炉已得到普遍的推广，国内宝钢、马钢 等企业相继开展的此方面的工作。 04 0 3 6 0 3 2 蜊 霸0 + 2 8 晕0 2 4 些0 2 0 1 6 012 01 02 03 04 05 0 6 07 0 8 09 010 0 大块含量体积 图1 1 料层空隙度与小大块直径之比及大块含量的关系 1 - - 0 0 1 ：2 一o 0 5 ：3 - - 0 1 0 ：4 0 2 0 ；5 一o 3 0 ；6 - - 0 4 0 ：7 一o 5 0 ( 1 7 所示值为小大块直径之比) 5 0 年代以来，我国高炉工作者以上部调剂作为控制高炉行程和改善能量利用的 重要手段，而炉顶布料是上部调剂的核心部分。 早期的钟式高炉布料手段比较单一，主要是通过调整料线高低、装料次序、 批重大小等手段，控制炉料的落点、滚动及堆积状态来控制炉喉矿焦比分布；随 着高炉的大型化，炉喉直径也不断增大，钟式高炉中心布矿过少的现象就更突出； 中心料面和边缘料面高度之差，随炉喉直径增大而增大。为解决上述矛盾，出现 了变径炉喉，第一个变径炉喉是于1 9 6 4 年西德克虏伯公司建设成的。日本多座高 炉和宝钢l 号高炉均采用了变径炉喉进行布料控制。变径炉喉通过挡板的不同档 次来推焦或推矿，可以有效地灵活调节径向的矿焦比，对调节炉内煤气流分布起 很大作用。由卢森堡渥斯公司( p a n lw u r t h ) 设计出的无料钟炉顶，并在1 9 7 2 年 鞍山科技大学硕士学位论文第一章绪论 首次投产于西德汉博恩厂，由于无料钟炉顶具有灵活的布料方式，布料手段灵活、 布料均匀等优点，很快得到推广，我国目前新建高炉基本都采用了无钟炉顶，无 钟炉顶为原料分级入炉创造了条件1 7 1 。 随着高炉大型化及无钟炉顶的普及，影响高炉布料的因素很多。其中，炉料的下 落高度和下落速度增大了，由炉料自身下落速度产生的潜体阻力不可忽略，特别是 小粒度的炉料所受的潜体阻力已与炉料所受重力接近，对炉料落到料面的位置和粒 度偏析产生一定的影响。料流是由一个单元离散体组成的。每一块料所受的潜体 阻力的大小不仅与炉喉内煤气速度有关，也与块料自身速度有关。每块料的潜体阻 力f 的计算方法由文酬8 - 9 给出f = 1 2 c 。4 p ( a + 口。) 2 。 东北大学车传仁教授分析了高炉长寿与炉顶布料的关系，中心加焦可促进中 心气流发展、减轻煤气对炉墙的冲刷；环布碎焦可有效隔热且避免矿石粘结炉墙， 使炉墙免遭侵蚀并消除结厚、结瘤，可使高炉长寿、热损失减少，故亦有利节能。 环布碎焦指沿炉喉边缘很小范围1 0 c m 以内，布加粒度1 0 r a m 以下碎焦，但非粉末。 借助碎焦透气性差使炉墙边界层内只有少量煤气通过，由此使炉衬免遭高温气流 的冲刷侵蚀，并使矿石与炉墙隔绝进而消除炉墙粘结的装料方法，通过实验室实 验证实了环布碎焦的预期效果 1 0 - 1 7 】。 日本新日铁为了减少小粒原料的渗透，实验提出用小粒原料和小粒焦炭的入 炉方法。在大型高炉上对小焦炭工艺进行了实验探索1 1 8 1 。对烧结矿按不同的粒级 分别装料时进行了透气性推定实验。对上下两层和环状两层型两种装料方法进行 了比较，发现后者透气阻力较分级前减少了1 1 1 5 。因此为了保证烧结分级入 炉时高炉操作稳定顺行，采用环状两层型的装入方法是合适的。新日铁对大小粒 级烧结矿的装入顺序在名古屋厂1 号高炉( 内容积3 8 9 0 m 3 ) 进行了应用实验研究， 结果表明，当采用c $ o s j o l l ( c 为焦炭，o s 为小粒级烧结矿，o l 为大粒级烧结矿) 时，由于小粒级烧结矿容易受到煤气流的影响时，很难将其保留在预想的边缘， 结果造成中心气流不稳定；而选用c $ o l j o s j 的装入方法，小粒度与大粒度呈环状 两层分布时，其中心气流的可控性比较好，炉子下部活跃且边缘气流稳定。这一 点也从所得到的操作效果可证明：烧结矿分级入炉后燃料比降低4 3 k 卧铁，矿仓 烧结矿粉化率降低1 8 ，生铁含硅降低0 0 5 【1 9 1 。 鞍山科技大学硕士学位论文第一章绪论 另外水岛3 号高炉也采用了分级入炉多用小粒烧结矿工艺，使小粒烧结矿的 配比从l l 提高到1 8 ，不仅得到倒嵘t j n a 花的炉喉煤气流分布曲线，提高了烧结 矿的利用率，并且没出现大的操作问题，高炉稳定顺行2 0 1 。 国内宝钢新建高炉上采用烧结矿分级入炉技术，由于所使用的烧结矿粒度下 限由分级前的5 r n m 降低到3 m m ( 烧结厂供矿的下限粒度和入炉烧结矿的使用下限 粒度皆为3 m m ) ，提高了烧结矿的成品率。经核算每年约增产8 0 万吨成品烧结矿， 解决了上海地区高炉生产与烧结矿生产的不平衡的问题。采用烧结矿分级入炉技 术综合经济效益每年为4 0 0 0 万元，相当于每吨生铁成本降低1 2 4 3 元。增加投资 的还本期仅为1 3 4 个月。烧结矿分级入炉技术所带来的冶炼效果非常显著，在无 料钟炉顶装料设备普遍采用的今天若使该技术得到普遍的推广采用，可使企业以 较少的投资，收到显著的经济效益【2 l 】。 马鞍山钢铁公司2 5 0 0 m 3 高炉通过对原小粒度烧结矿回收系统的改造，小粒度 烧结矿( 3 m m 5 m m ) 满足了高炉的入炉要求，较好地控制了入炉粉末，通过采 用分级布料等合理措施，将小粒矿单独装入，布在中间，由于煤气利用最好的是 在中间，加上小粒矿单独装入，粒度均匀不会恶化高炉料柱透气性，较好地解决 了小粒度烧结矿对气流分布影响，缓解了高炉用料紧张的局面，节约了能源，获 得了显著的经济效益【2 2 l 。 因此，从国内外的实验研究和生产实践看，烧结矿分级入炉可改善料柱的透 气性，减少输送及装料过程的偏析，降低炉料粒度使用下限等，这些无疑会带来 高炉操作的稳定顺行，降低吨铁成本。此外，烧结矿分级入炉可起到抑制边缘气 流的发展，提高煤气利用率，在降低燃料比的同时提高了高炉寿命，其综合经济 效益是相当可观的。 1 2 分级布料技术对高炉冶炼的意义 综合上述论述，由于烧结矿分级后粒度整齐，可使炉料的透气性得以改善， 同时可以降低炉料的使用下限粒度，使烧结矿利用率提高，系统能耗降低，生铁 成本下降；烧结矿分级后可使炉料在输送过程和装料装置中发生的粒度偏析得以 控制，因而可以改善炉内料层的不稳定性，有利于高炉的顺行；采用环状多层的 分级装入方式，可以将小颗粒的烧结矿布在高炉边缘区，这有利于抑制边缘煤气 鞍山科技大学硕士学位论文 第一章绪论 流的发展，形成更合理的气流分布，提高煤气利用率。同时，可使冷却设备的热 流强度降低且比较稳定，这样不但降低了冷却系统的运行成本，而且能有效的保 护炉衬，并在稳定生产的前提下延长了高炉的寿命。 1 3 分级布料技术对鞍钢高炉的作用及需要解决的问题 鞍钢目前的烧结矿粒度差别较大，特别是5 m m 1 2 r a m 的小粒级在成品矿中所 占的比例已达到4 0 左右。如果将这些小粒级筛分出来，与大中块分别入炉，会 极大地改善炉料的透气性，有利于高炉操作的稳定与顺行。因此，鞍钢1 l 号高炉 和新l 号( 3 2 0 0 m 3 ) 高炉均采用了烧结矿分级入炉技术，这对鞍钢炼铁生产的技术进 步具有重要意义。 尽管烧结矿分级入炉的说法提出的较早，在国内外进行了实验室试验及工业 应用，取得了预期的效果，但对于鞍钢应用此项技术还是首次，具体的试验研究 工作没用开展，鞍钢的小粒烧结矿粒度偏小，小于1 2 r a m 的烧结矿比例接近一半， 小粒烧结矿如何装入以及装入后对炉内料柱阻损，透气性指数、煤气流分布、压 力场与速度场等一些参数的变化的影响规律还不掌握。为了掌握分级布料规律， 使该技术在鞍钢高炉上发挥出良好作用，鞍钢技术中心与鞍山科技大学材料科学 与工程学院合作，在鞍山科技大学气体力学实验室进行了烧结矿分级布料的模拟 试验研究，通过实验发现和探索一些变化规律与趋势，指导高炉实际生产应用。 1 4 小结 1 1 烧结矿分级布料技术在日本得到广泛的应用，国内宝钢、马钢也采用了该技术， 资源得到了合理利用并均收到了显著的经济效益。 2 ) 鞍钢目前的烧结矿粒度差别较大，特别是5 m m 1 2 m m 的小粒级在成品矿中所 占的比例已达到4 0 左右，开展烧结矿分级布料技术研究是十分必要的。 鞍山科技大学硕士学位论文第二章分级布料的技术原理 第二章分级布料的技术原理 2 1 散料层的物理特性 2 1 1 平均当量直径( 平均粒度) 随着散料颗粒形状和大小的不同，表示方法也各异，对球形料其大小以直径 表示，而对非球形料则用当量直径表示。对高炉料而言，则多用当量直径，即与 颗粒某种物理性质相同的直径来表示。具体计算时，将体积与非球形颗粒体积相 等的球体直径视为非球形颗粒的当量直径( d ，设颗粒体积为v ，则： d 。= ( 6 q , d 帕 ( 2 1 ) 由于求颗粒粒径平均值的方法很多，所以求颗粒层平均当量直径的方法也很 多，澳大利亚的s t a n d i s h e 2 3 - 2 4 总结出计算高炉散料平均当量直径的通式为： ( 吐= 黼 而 p z ， 式中：一混合料中i 粒级的体积( 重量) 百分比； p ，1 一混合料中i 粒级的当量直径： m ，h 一常数，取决于采用平均值的计算方法。 当需要计算高炉内某单元炉料沿高炉高度上的当量直径时，也可采用下述公 式口4 】： d p = a ( “) 声埘b ， 式中：a 一单元内矿石层高度和焦炭层高度之和； s 一单元内的平均孔隙； c = 。( 1 - - e i ) p p l e l ) + ：( 1 一占：) p ，：s ：) ； d - - - o - s ：) p ：) 一。咱) p ，。e 。) i 豳一增届) ： 崩，声： 分别为矿石和焦炭的堆角，角注1 、2 分别表示料层中矿石和焦 炭。 2 1 2 平均形状系数巾 相同质量的颗粒在流体中运动时，其所受阻力随形状不同而异，对由不同形 鞍山科技大学硕士学位论文第二章分级布料的技术原理 状组成的散料层，+ 常以颗粒形状与它同体积的球形颗粒的偏差程度( 球形度) 来 描述，称形状系数m ： m ：塑型嘿冀骡避( 2 - 4 ) 颗粒表面积 焦炭的形状系数一般取0 5 5 - 4 ) 7 0 【2 5 1 。对于多种炉料组成的混合散料的平均形状 系数m ，可用类似求平均粒径的方法来求得，即： 中= n 。( 2 - 5 ) 式中：一i 粒级料的形状系数； 一混合料中i 粒级的体积( 重量) 百分数，。 2 1 3 散料层的孔隙度 散料层的空隙度是散料层的一个重要特性，它对气体流动有较大影响。通常 用散料层中颗粒间的孔隙所占体积与整个散料层体积之比来表示： 占= 障层= o ，辩层一) 层2 1 一，堆y 假 ( 2 6 ) 式中：v a m - - 散料颗粒之间的体积，m 3 ； 矿“一散料颗粒的总体积，m 3 ； 矿辑目一散料床层体积，m 3 ； 一散料层堆密度，k g m 3 ； ，假一散料层假密度，k g m 3 。 由上式可见，空隙度大小随糯和不同而异，而又与散料排列和填充方式 有关。实际高炉中可以利用实测煤气在炉内停留时间的平均值来计算高炉内实际 料柱中的空隙度。 煤气在炉内停留的时间f 与孔隙度占有以下关系式： ，= s 吁q g ( 2 。7 ) 式中：v r 一高炉风口平面以上的炉料体积，舻； q 一高炉内煤气的体积流量，m 3 s 。 测得煤气在炉内停留的时间由上式即可以计算出占，这可采用氦或氪8 5 等示踪 原子的示踪技术来实现，如1 9 6 4 年p l a s t i n i n 等人口叼用氦示踪原子附设质谱仪， 鞍山科技大学硕士学位论文 第二章分级布料的技术原理 测得高炉内任意一点的含氦量，从而获得煤气在炉内的停留时间。根据实测煤气 流停留时间而计算的空隙度s 如果用来表示的话，则与静止床中炉料空隙度 8 静相比，一般较大，最大时可为占静的1 5 倍，这是由于炉料在气流作用下 处于松动状态的结果。 空隙率与散料颗粒排列状态有关，例如均匀球体，排列成斜方六面体时最密， e = o 2 6 0 ；排列成正立方体时最疏，e = 0 4 7 6 。高炉内炉料空隙率一般在o 3 5 o 4 5 之间。 两种或多种粒度混合的散料层，其空隙率与大小粒直径比和含量比有关，大 小粒径差别越大，下降愈烈。在大粒度级含量占6 0 7 0 ，其余为一种或两 种小粒级时，空隙率最低。 2 2 气体在高炉料柱中的流动阻力 高炉是气体、液体和固体三相流共存的反应器，在炉内在气体与液体、固体 流的逆向运动中，完成冶炼过程的传热、传质和传动量过程。这些流体的力学过 程就构成了高炉冶炼的基础过程。因此控制和调节高炉内煤气流的流动和分布， 谋求热能和化学能的充分利用是高炉强化生产的核心问题之一。 高炉内煤气在散料层中的流动与散料床层的性质有密切关系。气体在散料床 层中的压力损失符合厄冈( e r g u n ) 公式【2 7 】： 等_ 1 5 0 等簪“7 5 钙学( 2 - 8 ) 乩 矿d ；s 3妊，8 5 式中：等一流体单位长度上的压力损失，p a m ； u 二流体在床层截面的表观平均( 空炉) 流速，m s ； g 一床层的空隙率； i 卜一流体的粘度，p a s ； 西一颗粒形状系数； p 一流体密度，k g m 3 ： d 0 一散料平均粒度，i t r f l 。 厄冈( e r g u n ) 公式中右边第一项表示粘性力所造成的压力损失，在层流区 起支配作用；第二项表示因动能引起的压力损失，在紊流区起支配作用。在高炉 9 鞍山科技大学硕士学位论文第二章分级布料的技术原理 条件下可将厄冈公式的粘性阻力项忽略，因而料柱内单位高度上的阻力损失为： 箸“，s 夥p u 2 = 1 7 5 芳删等( 2 - 9 ， 式中：p 一流体压力，p a 。 z _ 流体温度，k 。 如果料柱微元上的压差梯度为d p d l ，从料柱底面至料柱表面之间在等温流 动条件下积分得： 等以s 。嚣- 等op o t h p 柳 式中：h - 一料柱高度，m m ； k 透气阻力指数。 由公式( 2 - 1 0 ) 可以分析影响料柱透气性的因素有以下几方面： ( 1 ) 炉料粒度：由k 。c ，显然提高粒度平均直径可以降低透气阻力。 弘l p ( 2 ) 炉料粒度均匀性及粉末含量：粒度均匀性和粉末含量对植有影响，由 于足。上善，随着啪降低，上急剧增大，当粉矿含量由5 增至1 0 和1 5 时，透气性阻力指数增加2 2 6 和5 0 。因此炉料在入炉前应进行整粒、分级。 2 3 分级布料的技术特点 分级后粒度整齐，可使炉料的透气性得以改善，同时可以降低炉料的使用下 限粒度，使烧结矿利用率提高，系统能耗降低，生铁成本下降； 分级后可使炉料在输送过程和装料装置中发生的粒度偏析得以控制，因而可 以改善炉内料层的不稳定性，有利于高炉的顺行： 分级后可将小粒级的烧结矿布在高炉边缘区域，从而有利于抑制边缘煤气流 过分发展，有效的保护炉衬，延长高炉寿命。 2 4 分级布料技术的实施方法 上槽皮带头分级法：通过分析烧结矿在皮带上的料层结构，结果显示，料层 粒度分布很有规律，自上而下粒度由大到小，大块覆盖表层，中间有序排列，因 此利用挡板将皮带上料流从中心线处截分两股，形成大小两组粒级分别入槽，分 1 0 鞍山科技大学硕士学位论文第二章分级布料的技术原理 级装置如图2 1 所示。 否霸 、i 佥多罗攀 蚤 彬 飞 、 型 图2 - 1 卸料小车示意图 槽下过筛分级法：通过在槽下烧结矿振筛中间再加一层筛片的方法实现烧结 矿的分级。 烧结整粒分级法：在烧结厂对烧结矿进行整粒、筛分、分级，由皮带将分级 后的烧结矿运输到矿槽的方法。 2 5 小结 1 ) 提高粒度平均直径可以降低透气阻力。 2 ) 粒度均匀性和粉末含量对疆有影响，由于足* 专，随着e 的降低，与急 剧增大，当粉矿含量由5 增至1 0 和1 5 时，透气性阻力指数增加2 2 6 和5 0 。 因此炉料在入炉前应整粒、分级。 3 ) 两种或多种粒度混合的散料层，其空隙率与大小粒直径比和含量比有关，大 小粒径差别越大，i 下降愈烈。在大粒度级含量占6 0 7 0 ，其余为一种或两 种小粒级时，空隙率最低。 4 ) 分级布料的实施方法分为上槽皮带头分级法、槽下过筛分级法及烧结整粒分 级法。 鞍山科技大学硕士学位论文第三章冷态模型及数学模型的设计 第三章冷态模型及数学模型的设计 3 1 模型的设计思想 试图通过实验室的静态冷态模拟实验，探讨分级布料的不同料制对煤气流分 布的影响，对模拟高炉冶炼过程的各料层进行测定，并用以描述其流场分布，将 模拟结果与理论上的数学模型的数值解析进行对比讨论，以达到综合分析不同分 级布料制度对高炉冶炼的影响过程。 3 2 模拟试验的理论依据 相似定理1 2 8 1 为保证模拟实验与原型( 实际生产工况) 的流体流动等现象相似，就 应保证： 模型与原型中的流动具有相同的数学表达式，并且单值条件相似： 模型与原型的内部轮廓几何相似； 模型与原型的各物性相似； 模型与原型进出口速度分布相似： 在非稳定态时，初始条件应相似； 模型与原型的定性准数相等。 要完全满足上述条件是困难的，有些情况下几乎是无法实现的，尤其对高炉 冶炼这一个含有传质、传热、传动量的多相逆流移动反应床，过程极为复杂，完 全模拟原型就更难以实现，一般采用近视模拟研究的方法，既满足在所研究的问 题中起主导作用的相似条件，其它作近似保证或忽略不计。 流体流动相似理论还认为，当流体流动的雷诺准数( r e ) 处于自模区内，其相似 准数r e 值不相等也自行相似。而高炉内煤气流动均处于第二自模区内。r e 为惯 性力与粘性力的比值，当r e 大时惯性力起主导作用，r e 小时粘性力起主导作用， 高炉中一般为雷诺数范围，即要使模型中的r e 值处于第二自模区范围内。模型实 验中只考虑流体流动，在模型中气体流速较小，不超过风速的o 5 倍2 9 1 ，在低马 赫数情况下，气体可视为不可压缩流。粘性不可压缩流体稳态下，不等温受迫运 动完整方程的解可写成如下准则方程： f ( e u ，r e ，p r ) = 0 f 3 - 1 1 其中欧拉准数e u 是非定性准则，含有被决定的p ，固上式又可写成： 鞍山科技大学硕士学位论文第三章冷态模型及数学模型的设计 e u = f ( r e ，p r ) ( 3 2 1 又p r 不受压力、温度影响，p r = 常数，上式变成 e u = f ( r e ) ( 3 3 1 要使试验模型中气流特征与实际高炉相一致，需要的风量非常大，试验室根 本无法实现。根据流体自模化特征，当气流进入自模化区以后，即可满足工作状 况相似的的要求，不必遵守r e 相等的原则。 为了找到自模化区域，一般在模型中进行测量e u 和r e 的对应关系，当r e 达到一定值后，e u 就不变化了 3 3 模型设计 以鞍钢原料分级为基础，进行模拟化计算与设计阻”1 。研究高炉内的气体动力 学实验的模型，有二维的也有三维的，实验证明：二维的实验结果，与其研究对 象的规律基本是符合的，为了便于观察测量，本实验冷态模型做成二维的，呈扁 平状。 炉型外型由1 2 5 m m 槽钢和1 0 m a n 厚的有机玻璃构成，外加角钢固定。模型中 的软融带由实验矿石层厚决定。其结构见图3 1 所示。 3 3 1 模型几何尺寸 表3 - 1 鞍钢新1 号高炉及试验模型尺寸 项目新1 号高炉试验模型项目新1 号高炉试验模型 炉缸直径d炉喉高度h s ( m m ) 1 2 4 0 06 2 02 0 0 01 0 0 ( m m ) 炉腰直径d 1 3 7 0 06 8 5 有效高度h 。 3 0 2 0 01 4 1 0 ( r a m )( n l m ) 炉喉直径d ， 9 0 0 04 5 0 风口高度h f 4 4 0 0 1 2 0 ( m m )( m m ) 炉缸高度h ， ( m m ) 4 9 0 01 4 5 炉腹角 7 9 0 2 8 4 5 ”7 9 0 2 8 4 5 ” 炉腹高度h 2 3 5 0 01 7 5 炉身角1 3 8 1 0 1 6 4 2 ”引0 1 6 4 2 ” ( m m ) 炉腰高度h 3 ( m m ) 2 0 0 01 0 0风口数量( 个)3 2 炉身高度h 4 ( m m ) 1 7 8 0 08 9 0 鞍山科技大学硕士学位论文 第三章冷态模型及数学模型的设计 高炉模型的炉型剖面尺寸与3 2 0 0 m 3 高炉内型几何相似，比例为l ：2 0 ( 见表 3 - 1 ) ；按炉型纵向剖面制作，材料为有机玻璃，厚度为1 2 5 m m ；模型的中、下部 设有卸料孔。 3 3 2 试验装置与流程 试验装置如图3 1 所示，实验设备主体为二维高炉模型( 见图3 2 ) ，炉料由上部 模拟溜槽装料装置装入炉内，布料器能够任意调整布料溜槽的角度，模拟无钟布 料的效果( 见图3 3 ) ，形成自然料面和料层分布；鼓风则从模型下部的两个风口进 入，在它们的供风管道上分别装有转予流量计和风量调整阀门，总管上有入口压 力计；选用叶氏5 号鼓风机，额定风量为2 5 2 n m 3 h ，出口风压2 0 k p a 。模型右侧 图3 1分级布料试验工艺示意图 疏 壁 计 风口以上按高度设置有1 4 层测压孔，并在左侧炉身上部按径向设置3 排共9 个测压孔，采用可移动的管针测量炉内的静压力。在料面气体出口处，还有一个 可将料面分割成若干小测量区的分割装置，采用热电风速仪测量气体流速径向分 布i ”1 。用转子流量计测量风口进风量【3 4 】；由于堆角变化的规律对了解和控制逆向 运动中料层透气性的变化十分重要，因此须在装完料时用透明的方格纸描绘出堆 角，然后再测量炉料的堆角| 3 5 , 3 6 。 ! ! ：盈选盔堂塑主堂垡堕奎 第三章冷态模型及数学模型的设计 图3 - 2 高炉试验模型 3 3 3 模拟风量的确定 图3 3模型布料器 为使模型中气流特征与实验高炉一致，应计算模型的最低风量。 鞍钢1 1 号、新1 号高炉及本模型各部尺寸如表3 2 所示。 表3 - 2 鞍钢1 1 号( 大修后) 及新1 号高炉及本模型各部尺寸 部位鞍1 1 号高炉 鞍新1 号高炉本模型 直径( d ) r a m1 1 5 0 01 2 4 0 06 2 0 炉缸 高度m m3 9 0 04 9 0 01 4 5 炉腹角n 7 8 0 5 9 ，4 7 ”7 9 0 2 87 4 5 ” 7 9 0 2 8 4 5 ” 炉腹 高度m m3 6 0 03 5 0 01 7 5 直径( d ) m m 1 2 9 0 01 3 7 0 0 6 8 5 炉腰 高度n u n 2 0 0 02 0 0 01 0 0 炉身角8 8 2 0 5 2 - 3 0 ”8 l o l 6 t 4 2 ”8 1 。1 6 4 2 ” 炉身 高度m m1 7 6 0 01 7 8 0 08 9 0 直径( d 1 ) m m 8 5 0 09 0 0 0 4 5 0 炉喉 高度m m 2 3 0 02 0 0 0 1 0 0 有效高度( h 。) n u n 2 9 4 0 03 0 2 0 01 4 1 0 注：考虑到对实验效果无影响，实验模型的炉缸高度h 比计算值减小1 0 0 r a m 为使测量风速较平稳，模型 炉喉处加高l o o m m 表3 - 3 新1 号高炉的指标 有效容积利用系数，t d综合焦比喷煤量 富氧 平均鼓风湿度 f u ，m 3 执，m 。足f ，k g t h mm e ，k g t i - i m 疗。 ， 3 2 0 02 o5 1 2 1 5 0 1 51 4 1 由表3 3 知新l 号高炉的一些指标，吨焦耗风量2 7 5 0 m 3 t i - i m ，则实际风量为： 鲰：竖。：i i 一 ： noa 一“ t ，u u k n u 2 7 5 0 3 2 0 0 x 2 4 2 0 6 x 0 0 5 1 2 2 7 5 06 2 8 5m 3 m i ( 3 - 4 ) 1 m 3 风产生的炉缸煤气量的计算： 1 m 3 风含氧量： 一些坐箅型0 2 _ 1 + 0 2 9 f + m ：0 _ 2 2 5 7m 3 ( 3 - 5 ) l + 万l + 口 1 6 鞍山科技大学硕士学位论文第三章冷态模型及数学模型的设计 则每立方米鼓风生成的煤气量为： y = ：+ k 1 0 + ： 其中：= ：q o ：= 2 x o 2 2 5 7 = 0 4 5 1 4m 3 n ：上一! ：! ! 墅：0 0 1 3 9m 3 一079(1-f)079x(1-141)：o767 m 3 ”2 1 + 口1 + 1 5 v = ，+ + ：= 0 0 1 3 9 + 0 4 5 1 4 + 0 7 6 7 = 1 2 3 2 3 m 3 每秒产生的炉缸煤气量为：v # = 1 2 3 2 3 6 2 8 5 6 0 = 1 2 8 5 3 m 3 s 炉缸的空炉速度： w 煤气= _ 1 2 8 5 3 = 竽= 1 0 6 5 m s 兰d 2兰1 2 4 2 炉缸处雷诺数：r e ：一2 。1 。型 3i 一占“ 式中：一形状系数，取矿= o 8 ； s 一空隙度，占= 0 2 ： 磊一平均直径而= o 0 6 m ： p 一气体密度，1 3 2 1 k g m 3 ； v 一模型内实际流速m s ： 一粘度，= 1 6 7 1 0 - 5 p a s 。 r 。：一2 。i - ! ：! ! ! ：堕! ! ：! ! ! ! ! ：堕：3 4 2 3 3 。31 0 2 1 6 7 1 0 5 。 如令r e = r e 模，则可计算模型风量v * ： 3 4 2 3 3 ：兰上 31 一占 彬p 刖镇 对模型中的炉料其部分参数为： 妒一形状系数，= o 8 3 s 一空隙度，s = o 3 2 ； 瓦一平均直径，岙= o 0 0 7 7 8 m ； 1 7 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 一1 4 ) 鞍山科技大学硕士学位论文第三章冷态模型及数学模型的设计 p 一气体密度，p = 1 3 4 2 k g m 3 ； 一黻。等等属一圳气而1 + 1 2 丽2 2 7 3 j 鬻 = 1 6 6 8 x 1 0 p a s 。 代入上式，便可计算出：w * = 6 7 2 m s 。v 檀= w 檀a 棋= 6 7 2 o 6 2 o 1 2 5 = 0 5 2 1n m 3 s = 1 8 7 5 1 5 n m 3 h 。 显然这个i k 数还是相当大的，得到的风量也较大，实验室的风机能力有限， 要达到这个风量是相当困难的，前面曾提过，当气流进入自模化区后，可不必遵 守r e 相等的原则，因此，只要找到自模化区域，就可以减少鼓风量而不影响工作 状况的相似。为了找到自模化区，一般在模型中进行测量e u 和r - e 的对应关系当 r e 数达到一定值后，e u 数就不变化了，此时的r c 值已进入模化区。故在进行模 拟实验之前需进行自模化的实验以确定实验所需风量【3 7 。3 8 】 3 3 3 1 自模化实验 可根据模拟风量，在模型上进行测定自模化的实验，料柱为烧结矿和焦炭。 r e 准数与f u 准数由以下公式求出： r e ：昙。上。西d p p v ( 3 - 1 5 ) 31 一占“ 式中：一形状系数，取妒= o 8 3 ； s 一空隙度，占= o 3 2 ； 瓦一平均直径，r f l n a ； p 一气体密度，k g m 3 ； v 一模型内实际流速，m s ； 刖一粘度，p a s 。 p ：鱼：j ：坠：1 3 4 2 k 时 1 + 所1 1 0 2 7 3 。 y ：旦： 望 ：0 0 1 3 3 q r r d s a 60 3 2 0 1 2 5 0 5 1 6 3 6 0 0 。等等属彻圳- 5 而1 + 1 2 2 丽2 7 3 j 鬻爿鼬4 鞍山科技大学硕士学位论文 第三章冷态模型及数学模型的设计 式中：t = 2 7 3 1 0 = 2 6 3 ，o = 1 7 2 x 1 0 p a s ，c = 1 2 2 。 e u 准数由公式计算( 3 - 3 ) e u ：l 5 6 1 5 3 2 3 p ( 3 - 1 6 ) 2 再2 ( 0 0 1 3 3 q ) 2 p2