高爐煤氣流分布影響因素的實(shí)驗(yàn)研究

張躍輝

(本鋼板材股份有限公司, 遼寧 本溪 117000)

0 引言

高爐根據(jù)內(nèi)部爐料存在形態(tài)可劃分為塊狀帶、軟熔帶、滴落帶、燃燒帶、渣鐵盛聚帶五個(gè)區(qū)域，風(fēng)口回旋區(qū)的形狀和大小決定了煤氣流的初始分布，內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)決定了煤氣流的再次分布[1-2]。在冷態(tài)模擬研究中，研究者[3-12]多通過在二維模型或偽三維模型來研究內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)煤氣流分布的影響，以此得出不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)煤氣流分布的影響規(guī)律。本研究通過建立三維冷態(tài)物理模型，采用物理模擬實(shí)驗(yàn)的手段，研究高爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)高爐煤氣流分布的影響，并獲得了高爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)煤氣流分布狀態(tài)的影響規(guī)律，進(jìn)而為高爐工藝的生產(chǎn)過程提供一定的理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置簡介

依據(jù)實(shí)際高爐本體，按1∶20的比例設(shè)計(jì)制作了高爐模型。實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái)如圖1所示，包括高爐主體及輔助系統(tǒng)。高爐的每個(gè)風(fēng)口由側(cè)壁向下4°的傾角插入，深入爐內(nèi)2 mm。模擬物料采用聚乙烯顆粒，直徑大約為2.5 mm，密度為921 kg/m3。由頂部加料漏斗加入爐中。壓縮空氣通過氣體圍管均勻地進(jìn)入各個(gè)風(fēng)口，采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制鼓風(fēng)量。為模擬回旋區(qū)內(nèi)焦炭的燃燒消耗，與風(fēng)口回旋區(qū)同心相連排料器，物料由排出管排出，排料速度由連接排出管的螺旋給料機(jī)控制。

1、爐身主體，2、布料器，3、壓力測試點(diǎn)，4、螺旋排料器，5、爐料回收箱6、底座平臺(tái)，7、氣體圍管，8、加濕器，9、氣體流量計(jì)，10、儲(chǔ)氣罐，11、空壓機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及方案

在高爐冷態(tài)模型的觀察面板上有三十六個(gè)測壓點(diǎn)，排列為9行4列?？v向上，由高爐邊緣至中心位置均勻排列，相鄰測壓點(diǎn)距離為10 cm；橫向上，由爐缸部位至爐頂部位均勻分布測壓點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)開始后，通過測得各點(diǎn)位置壓力值變化來表征煤氣流的變化程度，以此來研究不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)和操作條件對(duì)煤氣流分布的影響。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)操作參數(shù)

2 高爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)煤氣流分布的影響

2.1 爐內(nèi)死料柱位置對(duì)煤氣流分布的影響

爐內(nèi)死料柱位置如圖2所示，(a)死料柱下沿位于風(fēng)口水平線上5 cm，(b)死料柱下沿與風(fēng)口水平線相平，(c)死料柱下沿位于風(fēng)口水平線下5 cm。標(biāo)準(zhǔn)鼓風(fēng)量和固定料層高度下實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，死料柱下沿位置與風(fēng)口水平線相平時(shí)的壓強(qiáng)值比死料柱下沿位于風(fēng)口上下5 cm處的壓強(qiáng)值都大，說明形成此位置時(shí)的死料柱形態(tài)致使煤氣流分布較合理，垂直高度上煤氣流變化程度很小，說明煤氣流分布很均勻。因此，在高爐內(nèi)部形成死料柱時(shí)，其下沿位置與風(fēng)口水平線相平時(shí)對(duì)高爐內(nèi)煤氣流分布有利，煤氣流利用系數(shù)高。

(a)風(fēng)口上5 cm (b)風(fēng)口處 (c)風(fēng)口下5 cm

圖3 不同死料柱位置下的壓強(qiáng)值

2.2 高爐軟熔區(qū)域形狀對(duì)煤氣流分布的影響

高爐內(nèi)軟熔區(qū)域位置和形狀如圖4所示，(a)“V”型，(b)平型，(c)“倒V”型。標(biāo)準(zhǔn)鼓風(fēng)量和固定料層高度下實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，第二列為高爐邊緣，第四列為高爐中心，從高爐邊緣以及中心煤氣流分布狀態(tài)可以看到，煤氣流在高爐內(nèi)自下而上流動(dòng)過程中，由于軟熔區(qū)域的影響，在爐頂上部壓強(qiáng)值較低，說明軟熔區(qū)域的存在阻礙了煤氣流的發(fā)展；從不同軟熔區(qū)域位置和形狀下的煤氣流分布可以看到，煤氣流的分布隨軟熔區(qū)域形狀和位置的變化而相應(yīng)變化。高爐邊緣煤氣流分布狀態(tài)顯示，平型軟熔區(qū)域壓強(qiáng)最大，邊緣氣流發(fā)展，接近風(fēng)口回旋區(qū)時(shí)變化很大，說明煤氣流分布不均勻；而“倒V”型自上到下煤氣流壓強(qiáng)較大且分布均勻穩(wěn)定；高爐中心煤氣流分布狀態(tài)顯示，發(fā)展中心氣流倒“V”型軟熔區(qū)域煤氣流分布最好。因此，綜合分析可知，“倒V”型軟熔區(qū)域結(jié)構(gòu)爐內(nèi)煤氣流分布均勻、穩(wěn)定。

(a)“V”型 (b)平型 (c)“倒V”型

第二列

3 操作條件對(duì)煤氣流分布的影響

3.1 鼓風(fēng)量對(duì)煤氣流分布的影響

固定料層高度、死料柱下沿位置與風(fēng)口水平線相平和“倒V”型軟熔區(qū)域條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究不同鼓風(fēng)量對(duì)煤氣流分布的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，靠近高爐邊壁處(第二列)和中心處(第四列)各測壓點(diǎn)壓強(qiáng)隨鼓風(fēng)量增加各點(diǎn)壓強(qiáng)值增大，當(dāng)鼓風(fēng)量為21 m3/h時(shí)，邊緣和中心氣流壓強(qiáng)值較小，致使在高爐內(nèi)氣固反應(yīng)不充分，對(duì)于發(fā)展邊緣和中心煤氣流都不利；鼓風(fēng)量為69 m3/h、85 m3/h時(shí)邊緣和中心處壓強(qiáng)值過大，致使高爐內(nèi)過吹，煤氣流分布紊亂，對(duì)于發(fā)展邊緣和中心煤氣流都不利，煤氣流分布不均勻，煤氣利用率低，鼓風(fēng)量為53 m3/h時(shí)爐內(nèi)煤氣流分布均勻，煤氣利用率較高，為最適宜鼓風(fēng)量。

第二列

3.2 料層高度對(duì)煤氣流分布的影響

固定最適宜鼓風(fēng)量、死料柱下沿位置與風(fēng)口水平線相平和“倒V”型軟熔區(qū)域條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究不同料層高度對(duì)煤氣流分布的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，由圖可知，靠近邊壁處(第二列)和中心處(第四列)各測壓點(diǎn)的壓強(qiáng)值隨著料層高度的增加而增大。這是因?yàn)榱蠈釉龈?，鼓風(fēng)自風(fēng)口水平進(jìn)入爐內(nèi)向上流動(dòng)進(jìn)入自由空間的阻力增大，各測壓點(diǎn)處的壓強(qiáng)值相應(yīng)增大。

第二列

4 結(jié)論

文章通過物理模擬實(shí)驗(yàn)研究了高爐爐內(nèi)不同結(jié)構(gòu)形態(tài)和操作條件對(duì)煤氣流分布的影響，采用測定爐身壓力方法研究高爐內(nèi)煤氣流分布情況，得到了不同死料柱和軟熔區(qū)域以及不同操作條件對(duì)高爐內(nèi)煤氣流分布的影響，結(jié)論如下：

(1)死料柱位置對(duì)煤氣流分布影響較大，煤氣流發(fā)展隨著死料柱位置的變化而變化。生產(chǎn)過程中死料柱位置過低會(huì)影響鐵水的排放；死料柱位置過高會(huì)影響煤氣流分布不均勻，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，死料柱下沿位置與風(fēng)口水平線相平時(shí)對(duì)煤氣流分布有利，煤氣流利用系數(shù)高。

(2)煤氣流發(fā)展隨軟熔區(qū)域形狀不同而相應(yīng)變化，“倒V”型的軟熔區(qū)對(duì)發(fā)展邊緣和中心煤氣流都有利，活躍了中心料柱，抑制了邊緣煤氣流的過分發(fā)展?！暗筕”型軟熔區(qū)域結(jié)構(gòu)使煤氣流分布均勻、穩(wěn)定，能充分進(jìn)行還原，還能提高高強(qiáng)度冶煉，延長高爐的壽命。

(3)鼓風(fēng)量對(duì)煤氣流影響顯著，隨著鼓風(fēng)量增大各測壓點(diǎn)的壓強(qiáng)值增大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鼓風(fēng)量過小時(shí)，煤氣流雖分布均勻但壓強(qiáng)值過低，致使還原不充分；鼓風(fēng)量過大時(shí)，煤氣流分布不均勻，煤氣利用率低，鼓風(fēng)量為53 m3/h時(shí)爐內(nèi)煤氣流分布均勻，煤氣利用率較高，為最適宜鼓風(fēng)量。

(4)隨料層高度增加各測壓點(diǎn)的壓強(qiáng)值增大，鼓風(fēng)自風(fēng)口水平進(jìn)入爐內(nèi)向上流動(dòng)進(jìn)入自由空間的阻力增大。壓強(qiáng)值隨著料層高度增加而增加。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，可根據(jù)高爐的有效容積，有效調(diào)整裝料制度，確定較為適宜的料層高度。