氧氣高爐冷態(tài)模型的設(shè)計計算

朱士杰

【摘 要】氧氣高爐煉鐵工藝指的是用全氧鼓風(fēng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的預(yù)熱空氣鼓風(fēng)操作的高爐煉鐵工藝。氧氣高爐相比于傳統(tǒng)高爐具有很多優(yōu)點，比如高噴煤量、高生產(chǎn)率、煤氣熱值高、環(huán)境污染小等。

以鋼鐵研究院設(shè)計的容積為2100 m3的三個氧氣高爐爐型為研究對象，依據(jù)相似原理推導(dǎo)出模擬氧氣高爐物理模型的相似準(zhǔn)數(shù)，建立與實際氧氣高爐相似比為1：20的冷態(tài)物理模型。由于氧氣高爐采用全氧鼓風(fēng)，根據(jù)高爐技術(shù)指標(biāo)如出鐵量、焦比、煤比氧氣量等參數(shù)，依據(jù)相似準(zhǔn)數(shù)計算出模型所需風(fēng)量，依據(jù)高爐內(nèi)礦石焦炭堆密度、粒度、安息角，選取聚乙烯顆粒和麥飯石球作為實驗材料。

【關(guān)鍵詞】氧氣高爐；三維模型；相似準(zhǔn)數(shù)

中國鋼鐵工業(yè)的流程中高爐-轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)產(chǎn)生了約90%左右的產(chǎn)能，而且在該流程的鐵前系統(tǒng)中燒結(jié)、焦化、高爐的能耗約占鋼鐵生產(chǎn)總能源消耗的70%左右。由于在鐵前系統(tǒng)大量的能量被消耗并且污染的排放比較嚴(yán)重，隨著國家對保護環(huán)境的逐漸重視及越來越嚴(yán)格的節(jié)能減排要求，傳統(tǒng)的高爐煉鐵技術(shù)將面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。氧氣高爐具有高噴煤量、高生產(chǎn)率、煤氣熱值高、環(huán)境污染小等特點。

1.物料運動過程相似準(zhǔn)數(shù)的推導(dǎo)

采用量綱分析法對模擬氧氣高爐物料運動過程相似準(zhǔn)數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)。物料運動主要有九個獨立因素，即風(fēng)口直徑D、氣體密度 、氣體流速w、風(fēng)口壓差ΔP、壓力P、顆粒表面積S、顆粒直徑d、動力黏度 、重力加速度g。

顯然高爐風(fēng)口前后的壓差與氣體流速之間理論上存在著流體力學(xué)上的關(guān)系，因此風(fēng)口前后的壓差（ΔP）項可以舍去，可以由氣體流速（w）項來代替；用物料平均表面積（S）項來代替顆粒直徑（d）項。此時，舍去了2個影響因素，表1中還剩下7個獨立的影響因素。其中基本量綱有3個，根據(jù) 定理有 ，即需要4個無因次式。求解無因次式。通過求解得到：

；表示風(fēng)口直徑與顆粒直徑要滿足一定的幾何比例。

； 為佛魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)，表示流體位壓與動壓的比值，它是來描述重力在流體流動過程中其主導(dǎo)作用的無因此式。

； 為歐拉準(zhǔn)數(shù)，表示流體壓差與慣性力的比值，可不考慮。

； 為雷諾數(shù)，表示慣性力與粘性力的比值，由于風(fēng)口處氣體流速很快，風(fēng)口處的流動已經(jīng)到達(dá)第二自?；瘏^(qū)，所以可以不考慮。

2.冷態(tài)模型尺寸的設(shè)計

冷態(tài)實驗?zāi)Ｐ褪且凿撹F研究院設(shè)計的三個2100 m3氧氣高爐為原型。

根據(jù)相似原理，在建立氧氣高爐物理模型時，需要考慮原型與物理模型的幾何相似。幾何相似比可表示為：

式中， -模型幾何尺寸，mm； -實物幾何尺寸，mm。

在保證模型與原型幾何相似的前提下，根據(jù)實驗室條件及現(xiàn)場實際情況，物理模型按1：20的相似比進(jìn)行設(shè)計。

三維半周氧氣高爐模型的13個風(fēng)口由側(cè)壁水平插入，深入爐內(nèi)2 cm。通過使用流量控制閥控制壓縮空氣進(jìn)入風(fēng)口，采用渦街流量計測量氣體的流量。固體物料的排出管與氧氣高爐模型內(nèi)風(fēng)口同心。

3.模型的風(fēng)量

采用全氧鼓風(fēng)，設(shè)計的出鐵量為290t/h，焦比為322.3kg/t，煤比為150kg/t，氧氣量為280.2Nm?/t，煤氣量為247.1 Nm?/t?？梢郧蟮每偯簹饬繛?1258 Nm3/h，氧氣量為71659 Nm3/h，因此求得總氣量為152917 Nm3/h。

由于 ， ， ，可以求得模型的風(fēng)量 為85.48 Nm?/t。

由于采用半周三維模型（13個風(fēng)口，氣量變?yōu)槎种?，因此可以得到半周模型所需氣體流量為42.74 Nm?/h。

4.模型加料量

實驗選取粒度5 mm聚乙烯顆粒和粒度2 mm麥飯石球作為填充料，由于選取的聚乙烯粒子和麥飯石球粒度之比為2.5左右，與高爐中焦炭和燒結(jié)礦粒度比接近，而且它們的密度比接近焦炭與燒結(jié)礦的密度比，所以具有一定的參考價值，其物理性質(zhì)如表2所示。

實驗時需要確定每次加入的爐料的體積，由于采用分層布料，則需要求出每次加入的聚乙烯顆粒和麥飯石球的體積。由于設(shè)計時已經(jīng)給出了礦批重和焦批重（每次加入礦石40 t、焦炭9 t），又由于麥飯石球堆密度為1606 kg/m3，聚乙烯顆粒的堆密度為560 kg/m3，可以求得：

每次需要加入的麥飯石球體積為40*1000/（20*20*20*1606）=3.12L。

每次加入的聚乙烯顆粒體積為9*1000/（20*20*20*560）=2.01L。

通過計算可以求出模型體積為0.26 m3，可以求出麥飯石球在模型內(nèi)所占據(jù)的體積為0.16 m3聚乙烯顆粒在模型內(nèi)所占的體積為0.1 m3。即爐內(nèi)需要加入257 kg的麥飯石球和56 kg的聚乙烯顆粒，考慮到需要循環(huán)加料和顆粒的耗損，所以至少需要準(zhǔn)備1 t的麥飯石球和0.3 t的聚乙烯顆粒。

5.結(jié)語

（1）依據(jù)相似原理計算出氧氣高爐冷態(tài)模型所需滿足的四個無因次式，并根據(jù)實際生產(chǎn)時的各參數(shù)計算半周模型所需氣體流量為42.74Nm?/h。

（2）以鋼鐵研究院設(shè)計的三個2100 m3氧氣高爐為原型，在保證模型與原型幾何相似的前提下，按1：20的相似比進(jìn)行冷態(tài)模型設(shè)計。

（3）根據(jù)高爐內(nèi)礦石、焦炭粒度、堆密度、安息角選取選取粒度5 mm聚乙烯顆粒和粒度2 mm麥飯石球作為填充料，并根據(jù)高爐料批重計算出每次需加入模型3.12L麥飯石球和2L聚乙烯顆粒。

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（作者單位：江陰興澄特種鋼鐵有限公司）