第五章高炉炉料和 煤气运动(全)

第五章高炉炉料和煤气运动高炉冶炼各过程都是在炉料和煤气相向运动、互相接触的过程中进行的。

没有炉料和煤气的相向运动，其它过程就停止。

没有炉料和煤气的接触，传热和传质等过程就不能顺利进行。

煤气上升与炉料下降，双方互为阻力，彼此依赖，互为消长。

下降的炉料是上升煤气的阻力，而上升的煤气是下降炉料的阻力。

这个矛盾贯穿于高炉冶炼全过程，支配着其它矛盾。

生产实践证明，改善料柱透气性，保证煤气流合理分布，使炉料顺利下降，是矛盾统一的关键，也是保证高炉顺行，获得高产、优质、低耗的前提。

第一节炉料下降的条件及力学分析对固体炉料下降的基本要求：1、能够被上升煤气充分加热和还原；2、均匀下降；3、有利于煤气流合理分布一、炉料下降的条件基本条件：高炉下部能不断提供使其炉料下降的空间。

产生空间的原因：1、风口前焦炭燃烧；2、直接还原、渗碳消耗固体碳；3、矿石熔化、炉料下降过程中小块料填充到大块料之间引起的体积收缩；4、定期排放渣铁。

二、炉料下降受力分析炉料下降空间只是炉料下降的必要条件，炉料能否顺利下降，还取决于力学条件。

使炉料下降的力是其本身重力（W料）；阻止炉料下降的力有：1、炉墙对炉料以及料块之间的摩擦力（P摩）；2、上升煤气对炉料的阻力（P气）；3、炉缸液态渣铁对炉料的浮力（P液）。

因此，炉料下降的有效作用力（P）：P=W料—P摩—P液—P气=P有效—P气P有效= W料—P摩—P液，炉料有效重量。

从上面可看出，只有P>0,即P 有效>P 气，炉料才能顺利下降，才能保证冶炼顺利进行。

若P ≤0，即P 有效≤P 气，炉料不能顺利下降，炉料将被煤气托起，造成悬料或被流化。

由此可见，要是炉料顺利下降，必须是 P>0,即P 有效>P 气，这要从二方面着手：一是增大P有效，二是降低P 气。

增加P 有效；1、增加W 料，即提高焦炭负荷，增加炉料堆比重；2、减小P 摩，可适当减小炉身角β，增大炉腹角α，适当发展边缘气流，以及保证炉墙光滑等。

3、减小P 液， P 液随渣铁排放而周期性变化。

现代大型高炉采用多铁口轮流出铁，作到渣铁常流，有利炉料均匀下降。

在一定冶炼条件下（即原料、炉型以及操作制度等），P 有效变化不大，因此，增加P主要是降低P 气。

P 气：是由于高压、高速的煤气流强行通过料柱而产生的压力损失，其值大小可用煤气通过料柱的总压差△P 来表示：△P =P 热—P 顶P 热、P 顶—分别表示热风压力和炉顶煤气压力。

第二节 高炉料柱压差（ △P ）及其降低方向一、料柱压差（ △P ）表达式料柱压差（ △P ），即料层对煤气的阻力通常用Ergun 方程来表示：上式中，H —料柱高度，m ； u —空炉速度，m/s ；ε—料柱空隙率； φ—修正系数；d P —颗粒当量直径，m 。

二、影响料柱压差（ △P ）的因素及降低方向上式是在散料层固定床中实验得到的，不能用于高炉的定量计算，但可用来定性分析各种因素对料柱压差（ △P ）的影响。

由公式可见，料柱压差（ △P ）主要取决于气流速度和料柱透气性（ε）。

降低煤气流速，改善料柱透气性，是降低△P ，改善高炉顺行的主要途径。

三、煤气流速与△P 讨论32)1(75.1εερp d u H P Φ-=∆根据Eergun公式，△P∞u2，△P随煤气流速增加而迅速增加。

因此，曾有人担心提高冶炼强度，会因流速增加，△P迅速升高而破坏高炉顺行。

其实，这是一种静止的观点。

高炉实践证明，△P与u大致呈一次方的关系（见图）。

从图可以看出，随着冶炼强度的提高，△P开始直线增加，当冶炼强度达到一定水平后，△P几乎不再增加。

这是因为高炉炉料处于不断的运动状态，随着冶强的提高，风量加大，燃烧带扩大，下料加快，炉料处于松动状态，导致料柱空隙率（ε）增加的结果。

那么，冶强提高到一定程度后，△P不再升高，是否就可以任意提高冶炼强度？若冶炼强度（I）过高，风量过大，超过料柱透气性允许的程度，便会引起煤气流分布失常，形成局部过吹的现象，导致炉况恶化以及大量煤气能得不到利用。

因此，不是冶炼强度越高越好。

不过，只要风量的增加能与料柱透气性相适应，保持较高的冶炼强度操作，而能耗又不升高是完全可能的。

第三节改善料柱透气性一、料柱透气性指数（ξ）料柱透气性指数（ξ）是用来表示高炉透气性好坏的重要指标。

ξ=V风/△P上式中，V风—高炉入炉风量，m3/min；△P—料柱压差，Mpa。

透气性指数把风量和压差联系起来，表示单位压差允许通过的风量。

透气性指数能更好地反映出风量与料柱透气性相适应的规律。

实践证明，在一定的条件下，透气性指数有一个适宜的范围，超过或低于这个范围，说明风量与料柱透气性不相适应，应予调整，否则将引起炉况不顺。

由于高炉内各部位料柱状态不同，其影响料柱透气性因素各异，因此，下面就炉内不同部位分别讨论改善料柱透气性问题。

二、改善快状带料柱透气性—“整粒”原理三、改善软熔带状况在高炉软熔带及其以下区域（包括滴落带），煤气的压力损失要比上部块状带大（见在软熔带是靠焦炭夹层即焦窗透气，在滴落带，是靠焦块之间的空隙透液、透气。

因此，提高焦炭强度，对改善这个区域的透气性有重要意义。

另外，改善造渣过程也是改善软熔带、滴落带透气性，降低压差的重要方向（如提高矿石品位，减少渣量，提高矿石冶金性能等）。

改善软熔带状况，获得适宜的软熔带形状、位置和结构，不仅是告诉高炉下部而且是改善整个料柱透气性的关键环节。

软熔带形状、位置和结构对煤气阻力△P有重大影响，它决定高炉中部煤气流分布（二次分布）状况，并对块状带和炉喉煤气流分布有重要影响。

根据解体研究，软熔带有以下三种基本形状。

（a）“∧”软熔带：中心气流发展，有利活跃、疏松中心料柱，有利高炉强化冶炼，同时边缘气流相对减弱，可减轻炉衬的热负荷和冲刷作用，减少热损失，保护炉衬。

（b）“V”软熔带：是中心过重、边缘气流过分发展而使软熔带根部升高，顶部降低中心堆积，料柱紧密、透气性差，大量煤气从边缘溜走，不利煤气能利用和高炉强化、顺行，对高炉寿命也不利。

（c ）“W”软熔带：适当发展边缘和中心气流，是高炉操作的传统型式，能保持顺行，同时在一定程度上改善煤气能利用，但不能满足进一步强化和降低燃料的要求。

根据实验室研究，气流通过软熔带阻力损失与软熔带各参数间的关系为：△P 软—软熔带单位高度上的阻力指数；k —系数； L —软熔带宽度；n —焦炭夹层数； h C —焦炭夹层高度；ε—焦炭夹层空隙率。

L 主要取决于矿石软化特性，而ε主要与焦炭质量和粒度组成有关。

在软熔带高度一定条件下，n 和h C 主要取决于料批大小，料批增加，则h C 增大，n 减小。

由图可见，料批有一个适宜值，此时整个料柱总压差较小。

总结以上分析，上升煤气流和下降炉料之间的矛盾是高炉强化冶炼的主要矛盾。

解决这个矛盾的关键是改善料柱透气性，改善煤气流分布和降低煤气流速。

只要料柱透气性能与风量相适应，高炉就可进一步强化冶炼。

煤气流运动失常1、流化：在散料层中若气流速度不断增加，达到一定数值时，压力损失与粒子的质量相平衡。

若再继续加大流速，则一部分粒子将从表面开始向上运动，最终使散料颗粒变成悬浮状态，即所谓流化。

在高炉内煤气流速是随风量的增加而增加，且压差增大。

当流速达到一定值时，会使散料颗粒变成悬浮状态，使整个散料变成固态的流体，此时，散料即处于流态化状态，这时的流速就是散料流态化的临界流速。

当煤气流速进一步增加，颗粒就会随煤气一起上升（颗粒被带走），便形成所谓的管道。

颗粒愈大，密度愈大，料层孔隙率愈大，愈不易流化。

高炉炉料中，一般焦炭先于矿石流化，小颗粒比大颗粒易于流化。

生产中，加强原料整粒，筛除粉末，高压操作，大料批等利于减少和防止流化产生。

74.393..46.0183.0εC h n L k P =∆软2、“液泛”现象：当高炉下部（滴落带）煤气流的压力降大到使液态渣铁不能下落，以致被煤气流夹带上升，这种现象称为“液泛”。

液泛产生与煤气流流速、液体粘度、液体数量等因素有关。

煤气流速愈大，液体粘度愈大，液体数量多，愈易产生“液泛”。

第四节改善煤气流分布状况在高炉料柱透气性良好的前提下，炉内煤气和炉料的矛盾统一于煤气流的合理分布，而合理的煤气流分布又促进料柱的透气性改善，它是高炉顺行的重要标志之一。

煤气流合理分布的标志：1、炉料顺利下降，炉况稳定顺行，炉温充足，料柱透气性好；2、煤气能利用充分，焦比（燃料比）低。

炉况顺行与煤气流合理分布密切相关。

寻求合理的煤气流分布，一直是高炉冶炼过程中倍受重视的问题之一。

前面论述了如何改善煤气流初始分布（燃烧带）和二次分布（软熔带），下面着重讲述三次分布（炉喉）的问题。

一、炉喉煤气流分布状况的判断生产中主要是利用沿炉喉载面积不同半径方向上煤气的温度和CO2分布曲线来判断煤气流分布状况的。

取样和测温位置一般在炉喉料面下1~2米处，在不同半径方向上进行5点取样。

测定结果见图。

二、合理煤气流分布曲线1、边缘CO2低（温度高），中心CO2高（温度低），表明中心焦炭负荷过重，边1、11111边缘气流过分发展。

在此情况下，大量煤气未经充分利用而从边缘逸出高炉，造成炉顶温度高，混合煤气CO2低。

其对应软熔带为“V”型。

下部炉缸中心严重堆积，燃烧带短，煤气难以到达中心，造成边缘气流发展，中心气流弱的初始气流分布。

2、边缘CO2高而中心CO2很低，表明边缘焦炭负荷过重，甚至堆积、结厚，中心煤气流过分发展的情况。

对应软熔带为“∧”型。

相应燃烧带长而伸向中心，形成中心气流过分发展的初始气流分布。

3、中心和边缘CO2大致相等的典型“双峰式”曲线。

此时，煤气分布较为合理，能量利用较好，高炉顺行。

其对应软熔带为“W”型。

4、为典型的“管道气流”曲线，此时，大量煤气未经充分利用而通过“管道”溜走，是一种严重失常的煤气分布情况。

怎样煤气流分布曲线是合理的？合理的煤气流分布曲线不是一成不变，而是随着生产水平的发展而发展的。

煤气流分布曲线的发展见图所示。

由传统的“双峰式”向“平峰式”过度，意味着冶炼指标的改善和操作水平的提高，是高炉操作努力的方向。

但这种曲线需维持高压差操作，技术水平要求很高。

随着高炉大型化，炉缸直径扩大，易产生炉缸堆积。

因此，下部要扩大燃烧带，吹透中心，中部形成“∧”软熔带，上部抑制边缘发展中心气流，形成“中心开放式”气流。

它是在“平峰式”高炉基础上，保持边缘温和中间部分CO2的高水平，而适当打开中心以保证中心料柱活跃和良好透气性，保证顺行、高产、低耗。

如何控制煤气流的合理分布，其基本原理就是下部控制燃烧带，中部控制软熔带，上部通过炉顶布料，控制炉料在炉喉内的分布，以控制煤气流，获得合理的炉喉煤气流分布曲线。

第五节炉顶布料——上部调剂原理一、炉料在炉喉内分布几个基本概念：1、焦炭集中的地方，透气性好，阻力小，通过煤气就多；2、大块集中地方，透气性好，阻力小，通过煤气多；3、料层薄的地方，阻力小；4、在炉料堆尖处，小块和粉末多，阻力大，煤气通过少。