基于布料數(shù)學(xué)模型分析球團比例對料面形狀的影響

趙德勝，范崇強，姜喆

（1.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山 114021；2.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；3.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著鋼鐵市場競爭日益激烈，努力降低煉鐵生產(chǎn)成本，降低燃料消耗，節(jié)能減排已成為鋼鐵企業(yè)能否持續(xù)生存和發(fā)展的關(guān)鍵。與燒結(jié)礦相比，球團礦具有品位高、粒度均勻、球形度高、冷態(tài)強度高、含粉末少等優(yōu)點。同時，球團生產(chǎn)工序能耗較低，污染排放物少，且球團中氧化亞鐵含量低、還原性好。因此，提高球團配比，減少燒結(jié)礦使用量，可增加高爐利用系數(shù)和降低燃料消耗，最終達到低碳煉鐵和提高規(guī)模效益的目的[1-3]。

隨著高爐產(chǎn)能逐年增加，鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠（以下簡稱“鞍鋼”）燒結(jié)礦產(chǎn)能不足，煉鐵生產(chǎn)面臨燒結(jié)礦供料緊張和高爐用料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定問題。為此,有必要提高球團入爐配比，實現(xiàn)燒結(jié)機一機對一爐的穩(wěn)定供料方式，保證高爐穩(wěn)定順行。然而爐料球團比例提高后，由于球團自然堆角小，滾動能力強，會造成爐喉料面形狀和徑向礦焦比發(fā)生變化，最終影響高爐內(nèi)煤氣流分布。為了給高爐冶煉高比例球團提供布料理論依據(jù)，以鞍鋼7號（2580 m3）無料鐘高爐布料規(guī)律和爐料結(jié)構(gòu)參數(shù)為依據(jù)，利用無料鐘布料數(shù)學(xué)模型，模擬計算出不同球團比例條件下料面形狀，并找出其變化規(guī)律，本文對此做一介紹。

1 布料模型開發(fā)

1.1 料面內(nèi)堆角

料面形狀受球團比例影響很大，爐料內(nèi)堆角隨著球團比例增加而降低。王國斌等對不同球團比例爐料的自然堆角進行了測試，得出球團比例與自然堆角關(guān)系[4]，如表1所示，筆者沿用此測試數(shù)據(jù)。

1.2 料面外堆角

高爐爐料外堆角計算公式為經(jīng)驗公式，具體見式（1）、（2）[5]。

式中，θ為爐料外堆角，°；α為溜槽傾角，°。

1.3 計算程序框圖

采用計算機迭代的方式先計算出不同落點的爐料體積，再通過擬合得到高爐布料的整個料面形狀。高爐布料計算程序框架圖如圖1所示。

圖1 高爐布料計算程序框架圖Fig.1 Framework Diagram for BF Burden Calculation Program

布入高爐內(nèi)爐料的體積為新、舊料面形成的旋轉(zhuǎn)體的體積，計算公式見式（3）[6-7]。

式中，V：爐料體積，m3；f1（x）：半徑為x處的新料面表面，m；f2（x）：半徑為x處的舊料面表面，m。

2 料面形狀影響分析

2.1 不同球團比例料面形狀計算

圖2 不同球團比例條件下布料料面形狀Fig.2 Burden Surface Shape under Different Pellet Ratios

由圖2可以看出，隨著球團比例的提高，由于球團自然堆角較燒結(jié)礦小，爐料向爐喉中心滾動，造成爐喉中心無礦區(qū)越來越小。

球團比例與爐喉中心無礦區(qū)半徑對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出，爐喉無礦區(qū)半徑從球團比例為20%時的1.22 m降到100%時的0.69 m。尤其是當(dāng)球團比例超過40%后，中心無礦區(qū)面積減小趨勢更加明顯，勢必會降低高爐中心區(qū)域透氣性。因此，當(dāng)球團比例提高后，為保證爐喉中心一定的透氣性，應(yīng)適當(dāng)提高中心加焦比例。

圖3 球團比例與爐喉中心無礦區(qū)半徑對應(yīng)關(guān)系Fig.3 Corresponding Relationship between Pellet Ratio and Radius of Region Being No Iron Ore Distributed in Center of Furnace Throat

不同球團比例條件下爐喉徑向O/C如圖4所示。由圖4可以看出，與爐喉中心區(qū)域O/C比變化趨勢相反，爐喉邊緣O/C比反而隨著爐料中球團比例的增加而變小。

圖4 不同球團比例條件下爐喉徑向O/CFig.4 Radial O/C of Furnace Throat under Different Pellet Ratios

分析認(rèn)為，由于隨著球團比例增加，爐料自然堆角減小對爐料內(nèi)堆角影響更大，內(nèi)堆角快速減小，而外堆角在邊緣環(huán)位不變時幾乎不變，勢必會造成有一部分原先落在邊緣的礦石向爐喉中心滾動，因此高爐邊緣礦石減少。這應(yīng)該也是唐鋼和太鋼等高爐開展大比例球團冶煉工業(yè)試驗[8-9]時，邊緣煤氣流發(fā)展的一個重要原因。因此，為了保證爐料中球團比例提高后高爐內(nèi)煤氣流分布穩(wěn)定，從布料矩陣上來看，應(yīng)該首先提高中心加焦比例，擴大爐喉中心焦堆體積，將礦石擋在平臺上。

2.2 中心加焦比例對料面形狀影響

如2.1所述，球團比例提高后，應(yīng)提高中心加焦量來保證中心氣流通暢。將中心加焦圈數(shù)由3圈分別增加到4圈和5圈，計算球團比例分別為40%，60%，80%和100%時布料料面形狀。矩陣為的料面形狀分別如圖5、6所示。

圖5 矩陣為的料面形狀Fig.5 Burden Surface Shape for Matrix of

圖6 矩陣為的料面形狀Fig.6 Burden Surface Shape for Matrix of

由圖5、6可以看出，中心焦堆明顯增大，爐喉無礦區(qū)面積也增加。中心加焦圈數(shù)與中心無礦區(qū)半徑關(guān)系如圖7所示。

圖7 中心加焦圈數(shù)與中心無礦區(qū)半徑關(guān)系Fig.7 Relationship between Number of Turns for Adding Coke to Center and Radius of Region Being No Iron Ore Distributed in Center

當(dāng)中心加焦圈數(shù)由3圈增加到4圈后，球團比例分別為40%，60%，80%和100%的爐料布在高爐爐喉所產(chǎn)生的無礦區(qū)半徑分別增加1.34，1.42，1.56，1.63 m；中心加焦圈數(shù)由3圈增加到5圈后，球團比例分別為40%，60%，80%和100%的爐料布在高爐爐喉所產(chǎn)生的無礦區(qū)半徑分別增加2.38，2.51，2.76，2.89 m。球團比例越高，提高中心加焦量后，中心無礦區(qū)面積增加越大，也就是說改善高爐中心氣流透氣性越明顯。當(dāng)中心加焦圈數(shù)提高到4圈后，球團比例為40%的中心無礦區(qū)面積基本與中心加焦圈數(shù)為3圈、球團比例為20%的中心無礦區(qū)面積相當(dāng)。當(dāng)中心加焦圈數(shù)提高到5圈后，球團比例為60%的中心無礦區(qū)面積基本與中心加焦圈數(shù)為3圈、球團比例為20%的中心無礦區(qū)面積相當(dāng)。因此，提高中心加焦量是保證高比例球團冶煉高爐中心煤氣流通暢的一個重要方法。

2.3 批重對料面形狀影響

高爐煤氣流幾乎都是從焦窗中穿過，批重的大小不僅決定著焦窗的厚度，還影響著高爐徑向O/C。當(dāng)爐料中球團比例提高后，由于球團的中心滾動效應(yīng)，批重對料面形狀和高爐透氣性的影響將會更加明顯。筆者通過數(shù)學(xué)模型計算，研究了球團比例提高后，入爐總O/C比不變時，批重對邊緣O/C、中心無礦區(qū)半徑的影響。

不同批重下球團比例與邊緣O/C關(guān)系如圖8所示。可以看出，同一球團比例下，隨著批重的增加，邊緣O/C并沒有太大變化，說明批重對邊緣煤氣流影響不大；隨著球團比例增加，邊緣O/C逐漸降低。

圖8 不同批重下球團比例與邊緣O/C關(guān)系Fig.8 Relationship between Pellet Ratio and O/C at Edge under Different Batch Weights

不同批重下球團比例與中心無礦區(qū)半徑關(guān)系如圖9所示。可以看出，同一球團比例下，隨著批重的增加，中心無礦區(qū)半徑逐漸降低，說明批重增加會加重中心；隨著球團比例增加，中心無礦區(qū)半徑逐漸降低，且當(dāng)球團比例超過40%后，無礦區(qū)半徑減小會更加明顯。因此，在球團比例超過40%后，在保證爐喉焦炭層厚度條件下，礦石批重不宜過大。

圖9 不同批重下球團比例與中心無礦區(qū)半徑關(guān)系Fig.9 Relationship between Pellet Ratio and Radius of Region Being No Iron Ore Distributed in Center under Different Batch Weights

3 結(jié)論

（1）隨著球團比例的提高，爐喉中心無礦區(qū)面積將減小，尤其是當(dāng)球團比例超過40%后，中心無礦區(qū)面積減小趨勢更加明顯；爐喉邊緣O/C隨著球團比例的增加而變小。

（2）球團比例提高后，提高中心加焦量是保證高比例球團冶煉爐況順行的一個重要方法。

（3）球團比例提高后，批重的變化對邊緣O/C影響不大，但中心無礦區(qū)半徑卻隨著礦石批重的增加而稍微降低，從而加重中心。因此，在保證爐喉焦炭層厚度條件下，礦石批重不宜過大。