高爐風(fēng)口參數(shù)的設(shè)計(jì)探討*

郭俊奎 馬鐵林

(林州市馬氏煉鐵技術(shù)研究開(kāi)發(fā)有限公司)

高爐風(fēng)口參數(shù)的設(shè)計(jì)探討*

郭俊奎 馬鐵林

(林州市馬氏煉鐵技術(shù)研究開(kāi)發(fā)有限公司)

風(fēng)口是高爐送風(fēng)系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，通過(guò)對(duì)高爐風(fēng)口參數(shù)進(jìn)行分析探討，論述了風(fēng)口數(shù)目，風(fēng)口高度，風(fēng)口角度、長(zhǎng)度，風(fēng)口直徑對(duì)高爐冶煉操作、生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響，并從設(shè)計(jì)角度提出了風(fēng)口參數(shù)的設(shè)計(jì)、計(jì)算參考數(shù)據(jù)和建議。

高爐 風(fēng)口參數(shù) 設(shè)計(jì) 探討

0 前言

高爐煉鐵是一個(gè)綜合的工藝過(guò)程，每一項(xiàng)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)高爐生產(chǎn)都有不同程度的影響，高爐風(fēng)口是煉鐵高爐重要的送風(fēng)設(shè)備之一，有高爐煉鐵生產(chǎn)工藝以來(lái)就存在風(fēng)口，高爐鼓風(fēng)、噴吹的燃料都是通過(guò)風(fēng)口進(jìn)入高爐內(nèi)的。風(fēng)口參數(shù)主要包括風(fēng)口數(shù)量、高度、直徑、角度和長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)，風(fēng)口參數(shù)對(duì)其本身壽命及煉鐵高爐生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有重要影響，是高爐下部調(diào)劑的重要手段之一。筆者結(jié)合節(jié)能減排、降低能耗及新工藝的需要，通過(guò)工業(yè)實(shí)踐，對(duì)風(fēng)口參數(shù)進(jìn)行了分析探索，提出了一些看法，并從設(shè)計(jì)角度提出了風(fēng)口參數(shù)的設(shè)計(jì)、計(jì)算參考數(shù)據(jù)和建議，以使風(fēng)口參數(shù)更加科學(xué)合理，做好風(fēng)口參數(shù)設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步提高煉鐵生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

1 風(fēng)口數(shù)目的確定

高爐風(fēng)口數(shù)目是高爐工藝設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，主要取決于爐缸直徑大小和鼓風(fēng)機(jī)能力，高爐風(fēng)口數(shù)目增多目前是一種趨勢(shì)，增加風(fēng)口數(shù)目有利于高爐的強(qiáng)化冶煉。風(fēng)口數(shù)目在滿足煉鐵工藝要求的同時(shí)，還應(yīng)符合風(fēng)口的安裝尺寸和結(jié)構(gòu)要求。

風(fēng)口數(shù)目的計(jì)算有多種方法，但還沒(méi)有嚴(yán)格的理論計(jì)算公式，一般按經(jīng)驗(yàn)公式粗略計(jì)算后確定。設(shè)計(jì)手冊(cè)要求風(fēng)口弧長(zhǎng)間距在1200 mm～1400 mm，國(guó)內(nèi)曾采用如下公式［1］:

式中:f—風(fēng)口數(shù)目，個(gè);

d—爐缸直徑，m。

式中計(jì)算出來(lái)的風(fēng)口數(shù)目較少。國(guó)外一般采用如下公式［1］:

風(fēng)口數(shù)目一般為雙數(shù)。高爐風(fēng)口數(shù)目的合理設(shè)計(jì)與高爐操作、技術(shù)指標(biāo)有很大關(guān)系。風(fēng)口數(shù)目增多，風(fēng)口弧長(zhǎng)間距就小，高爐圓周進(jìn)風(fēng)相對(duì)均勻，可改善煤氣流、溫度分布，減少風(fēng)口之間的“死料區(qū)”，爐缸燃燒均勻，可活躍爐缸，利于爐況順行，有節(jié)焦、增產(chǎn)等作用，更有利于節(jié)能減排。中小高爐其效果十分明顯，大高爐次之。

通過(guò)某140 m3級(jí)高爐工業(yè)試驗(yàn)，風(fēng)口由8個(gè)改為10個(gè)，和同等條件高爐相比，可提高日產(chǎn)量80 t～100 t，降低焦比 10～15 kg/t.Fe。高爐爐缸 8 個(gè)風(fēng)口時(shí)，風(fēng)口中心線水平間夾角為45°，高爐改為10個(gè)風(fēng)口時(shí)風(fēng)口中心線水平夾角為36°，兩者相差9°，也就是說(shuō)8個(gè)風(fēng)口時(shí)，相當(dāng)于高爐爐缸內(nèi)圓周72°(9°×8)范圍內(nèi)“無(wú)風(fēng)口”，極大影響了爐缸的工作制度，對(duì)高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響較大。

試驗(yàn)表明，增加風(fēng)口數(shù)目，爐缸燃料燃燒相對(duì)均勻、有效，有利于爐內(nèi)煤氣流的初始分布、溫度分布、熱量分布，可以活躍爐缸，利于爐況順行，降低能耗，提高產(chǎn)量，有利于提高高爐的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益，是節(jié)能減排的重要手段之一。

風(fēng)口數(shù)目的增加，必須與風(fēng)量、風(fēng)壓及風(fēng)口直徑等參數(shù)緊密配合，才能體現(xiàn)出增加風(fēng)口數(shù)目的意義所在，否則，也會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響，達(dá)不到預(yù)期效果，反而影響高爐的強(qiáng)化冶煉。

筆者建議風(fēng)口數(shù)目的確定應(yīng)以爐缸風(fēng)口之間的弧長(zhǎng)間距為依據(jù)，以縮小風(fēng)口弧長(zhǎng)距離為原則，確定風(fēng)口數(shù)目。建議風(fēng)口弧長(zhǎng)距離控制在1000 mm～1100 mm，不超過(guò)1200 mm。

2 風(fēng)口高度計(jì)算和風(fēng)口角度

鐵口中心線至風(fēng)口中心線的垂直高度距離稱(chēng)為風(fēng)口高度(Hf)。風(fēng)口與渣口的高度差應(yīng)能保障容納上渣量和一定的燃燒空間，風(fēng)口高度計(jì)算公式如下［2］:

式中:Hz——渣口高度

K——渣口高度與風(fēng)口高度之比(一般k=0.5～0.6，渣量大取低值)。

從公式(1)可以看出，風(fēng)口高度與渣口高度有一定關(guān)系，而隨著原燃料條件的改善，精料水平的提高，渣量減少是趨勢(shì)，因此，可以認(rèn)為風(fēng)口高度也應(yīng)是趨于減小，而現(xiàn)在設(shè)計(jì)中，風(fēng)口高度的確定更多是參閱、類(lèi)比同級(jí)高爐。

通過(guò)對(duì)高爐風(fēng)口高度數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)、實(shí)踐，通過(guò)控制適當(dāng)?shù)母邚奖龋呌诎值臓t型，使用平風(fēng)口時(shí)，風(fēng)口高度與高爐有效高度的比值約為1/8.76。這一數(shù)據(jù)對(duì)中小高爐風(fēng)口高度設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義，而且通過(guò)實(shí)踐，取得了比較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。但此值有待在大高爐上實(shí)踐、驗(yàn)證。

高爐是非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，風(fēng)口高度的大小與高爐內(nèi)直接還原、間接還原的程度，以及高爐爐內(nèi)直接還原區(qū)、間接還原區(qū)大小有很大關(guān)系，似是一個(gè)“分界線”，對(duì)爐內(nèi)燃料的熱能和化學(xué)能利用有影響。此值不合理，高爐不會(huì)有好的生產(chǎn)指標(biāo)，易引起爐內(nèi)事故，爐況不順，焦比升高，不利于節(jié)能降耗。同時(shí)也應(yīng)認(rèn)識(shí)到大中小高爐的風(fēng)口高度在高爐內(nèi)的“適應(yīng)性”是有區(qū)別的。

實(shí)踐表明，小高爐的爐缸直徑小，風(fēng)口相對(duì)也少，風(fēng)口高度對(duì)高爐爐況的影響十分明顯，只要相差正負(fù)75 mm，就對(duì)生產(chǎn)影響極大。大高爐，特別是特大型高爐，風(fēng)口數(shù)目多，距高爐中心相對(duì)遠(yuǎn)，風(fēng)口燃燒的放射性鼓風(fēng)作用等引起的風(fēng)口高度“適應(yīng)性”相對(duì)小高爐要強(qiáng)，也就是說(shuō)特大型高爐的風(fēng)口高度調(diào)整余地大，對(duì)高爐生產(chǎn)影響相對(duì)小，這也是大型高爐目前的風(fēng)口高度差別大，也能適應(yīng)高爐生產(chǎn)變化的一個(gè)重要原因。但是，大高爐、特大型高爐也應(yīng)該有個(gè)最佳值，對(duì)生產(chǎn)才最有利。

風(fēng)口角度是指風(fēng)口中心線向下傾斜的角度，是調(diào)節(jié)高爐生產(chǎn)的手段之一。只要有角度，鼓風(fēng)動(dòng)能利用相對(duì)就差，直觀分析就是三角形直角邊與斜邊的關(guān)系。風(fēng)口有角度，風(fēng)口距離高爐中心就遠(yuǎn)，不利于吹透中心。

風(fēng)口高度與風(fēng)口角度有相輔相成的關(guān)系，兩者應(yīng)緊密配合，高爐生產(chǎn)才會(huì)有好的技術(shù)指標(biāo)。一般建議選零度平風(fēng)口，不要有角度。筆者認(rèn)為，不研究風(fēng)口高度而研究風(fēng)口角度意義不大。

3 風(fēng)口直徑和長(zhǎng)度

3.1 風(fēng)口直徑

風(fēng)口直徑一般是指風(fēng)口小套的內(nèi)直徑，表示高爐鼓風(fēng)進(jìn)入高爐時(shí)進(jìn)風(fēng)面積的大小。風(fēng)口直徑由風(fēng)口的出口風(fēng)速確定，一般風(fēng)口的出口標(biāo)態(tài)風(fēng)速在100 m/s以上［2］，巨型高爐有的高達(dá)200 m/s。風(fēng)口直徑的計(jì)算有一些參考公式，主要是要保證風(fēng)口的鼓風(fēng)動(dòng)能，可以作為一個(gè)重要的參考數(shù)據(jù)。推薦的風(fēng)口面積計(jì)算公式為［3］:

式中:S——風(fēng)口面積，m2/個(gè);

E——鼓風(fēng)動(dòng)能，(kg·m)/s;

t——熱風(fēng)溫度，℃;

Pb——熱風(fēng)壓力，kPa;

γ——?dú)怏w密度，kg/m3;

Vb——風(fēng)量，m3/min;

n——工作風(fēng)口數(shù)目。

當(dāng)噴吹燃料時(shí)，V混(換成 m3/min)代替 Vb，用t混代替t即可。

風(fēng)口直徑的計(jì)算涉及變量參數(shù)比較多，特別是有的參數(shù)是瞬間變化的，要取值計(jì)算準(zhǔn)確比較難。每座高爐有其各自的生產(chǎn)特點(diǎn)和規(guī)律，也是隨時(shí)在變化的，而不是一個(gè)固定的值。計(jì)算值只是一個(gè)相對(duì)參考值，必須通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐使用檢驗(yàn)，應(yīng)該以滿足高爐生產(chǎn)操作工藝要求、爐況順行、效益最大為原則。

改變風(fēng)口面積大小是高爐操作下部調(diào)劑的重要手段之一，是對(duì)各風(fēng)口流量的重新分配，從而影響風(fēng)口回旋區(qū)的形狀、大小，影響氣流和溫度的分布以及爐缸的均勻、活躍程度。當(dāng)高爐爐缸煤氣流分布不合理、爐缸工作不活躍時(shí)，有必要改變風(fēng)口直徑，調(diào)節(jié)各風(fēng)口的進(jìn)風(fēng)壓力、流量， 使整個(gè)爐缸內(nèi)的燃燒、溫度、煤氣流分布盡可能均勻、合理，達(dá)到調(diào)節(jié)爐況順行的目的。有人建議高爐鐵口兩側(cè)的二個(gè)風(fēng)口直徑應(yīng)小2 mm～3 mm，這個(gè)觀點(diǎn)直觀分析可行，但有待于生產(chǎn)操作實(shí)踐的檢驗(yàn)、證實(shí)。

在一定的冶煉條件下，高爐都有其適宜的操作制度與冶煉強(qiáng)度，風(fēng)口直徑一般不宜經(jīng)常變動(dòng)。

3.2 風(fēng)口長(zhǎng)度

風(fēng)口長(zhǎng)度有兩個(gè)概念，一是風(fēng)口小套的加工成品長(zhǎng)度，二是風(fēng)口小套伸入爐缸內(nèi)的長(zhǎng)度。我們探討風(fēng)口長(zhǎng)度是指風(fēng)口小套伸進(jìn)爐缸內(nèi)的長(zhǎng)度。

設(shè)計(jì)手冊(cè)要求風(fēng)口小套前端伸進(jìn)爐缸20 mm～50 mm，但筆者分析認(rèn)為，在保證風(fēng)壓的前提下，風(fēng)口小套不應(yīng)該伸進(jìn)爐缸內(nèi)，超出爐墻，反而應(yīng)縮回爐墻內(nèi)。原因如下:

1)縮回爐墻內(nèi)60 mm左右，與伸進(jìn)爐缸30 mm～50 mm相差約100 mm，對(duì)風(fēng)口本身沒(méi)有任何影響，但相當(dāng)于“爐缸直徑”大了約200 mm，這對(duì)提高產(chǎn)量，促進(jìn)燃燒，活躍爐缸有益，但必須有風(fēng)壓做保證。

2)風(fēng)口小套全部或部分裸露在爐缸內(nèi)，引起多種弊病:鐵水滴落沖刷風(fēng)口小套，小套損壞風(fēng)險(xiǎn)增加;風(fēng)口小套后端和爐墻之間形成一個(gè)“回旋區(qū)”，對(duì)風(fēng)口套極為不利;冷卻水壓力低時(shí)，易損壞，休風(fēng)率高，備件消耗高;而風(fēng)口小套縮回爐墻內(nèi)，可有效解決上述問(wèn)題。

3)風(fēng)口位于爐缸上部，直接與渣、鐵、高溫氣流接觸，工作條件十分惡劣。風(fēng)口燒損的部位，多為風(fēng)口伸入爐內(nèi)部分的前端上緣和下緣。由于其與渣、鐵接觸，局部區(qū)域的熱流強(qiáng)度超過(guò)了風(fēng)口材質(zhì)所能承受的臨界熱流強(qiáng)度，產(chǎn)生過(guò)熱而被熔化所致［4］。高爐爐墻沖涮、侵蝕是必然的， 高爐壽命越長(zhǎng)，爐缸侵蝕越大，風(fēng)口小套縮回爐墻有利于保護(hù)風(fēng)口小套，延長(zhǎng)風(fēng)口小套壽命。

風(fēng)口縮回爐墻，一可以保護(hù)風(fēng)口，二必然要增加燃燒面積，活躍爐缸。有的學(xué)者提出和爐墻平齊，風(fēng)口縮回爐墻內(nèi)會(huì)促進(jìn)縮回部分耐火磚的破損，也不利于形成合理爐型。但筆者認(rèn)為，縮回爐墻是方向，定量縮回多少，大中小高爐應(yīng)有區(qū)別。高爐生產(chǎn)爐內(nèi)耐火材料磚襯必然磨損浸蝕，爐缸必然擴(kuò)大，但是如何使高爐磚襯壽命長(zhǎng)，侵蝕小，保持一定的工作爐型很重要。

因此，在保證高爐風(fēng)壓、風(fēng)速的前提下，風(fēng)口小套建議縮回墻內(nèi)50 mm～100 mm，而且隨著爐襯的侵蝕，應(yīng)隨時(shí)調(diào)整。通過(guò)在中小高爐上的工業(yè)實(shí)踐表明，風(fēng)口縮回爐墻，有利于延長(zhǎng)風(fēng)口壽命，而且爐況順行，產(chǎn)量高，焦比低，對(duì)高爐操作無(wú)負(fù)面影響。

4 結(jié)論

通過(guò)分析研究及實(shí)踐，得出以下結(jié)論:

1)高爐風(fēng)口在不影響其安裝、維護(hù)的前提下，數(shù)目宜多。

2)風(fēng)口高度應(yīng)有一個(gè)相對(duì)合理、“固定”的數(shù)值，對(duì)高爐的穩(wěn)定操作有益，與爐內(nèi)直接還原和間接還原有很大關(guān)系。

3)風(fēng)口直徑不宜經(jīng)常變動(dòng)，且應(yīng)使用平風(fēng)口或小角度風(fēng)口，并縮回爐墻內(nèi)。

［1］煉鐵設(shè)計(jì)參考資料編寫(xiě)組.煉鐵設(shè)計(jì)參考資料［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1979:139.

［2］張樹(shù)勛.鋼鐵廠設(shè)計(jì)原理(上冊(cè))［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005:77，78.

［3］周傳典.高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版祉，2002:321.

［4］萬(wàn)新.煉鐵設(shè)備及車(chē)間設(shè)計(jì)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2007:50.

DESIGN AND DISCUSSION OF BF TUYERE PARAMETERS

Guo Junkui Ma Tielin
(Research and Development Department of Mashi Iron and Steel Co.，Ltd)

Tuyere is one of the important equipments in blasting system.It introduces the influence of the number，height，angle，length and diameter of tuyere on BF operation and production and economic indices and also gives reference data of tuyere parameters and suggestion.

BF tuyere parameters design discussion

:2011—11—30