对斜风口消除高炉炉缸堆积作用的分析

对斜风口消除高炉炉缸堆积作用的分析

李小克

(华菱湘钢生产管理中心)

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摘　要: 用计算的方法说明了炉缸铁水在竖直方向的运动是斜风口消除炉缸堆积的原因,是鼓风、焦炭、铁水之间动量守恒的结果。

关键词: 斜风口　炉缸堆积

1　前言

湘钢炼铁厂高炉在2005年以前出现较多的风口烧损。通过使用斜风口以后,取得了较好的效果。高炉表现出的情况为:(1)炉缸活跃,大幅度消除了炉缸堆积,风口烧损量减少;(2)炉底温度升高,中心点温度最高;(3)在炉况失常或发生炉缸冻结事故时,仍然有斜风口烧坏。

2高炉使用斜风口后产生了炉缸铁水在竖直方向的运动

2.1鼓风的垂直分速度产生了气流竖直方向的动量

当高炉用上斜风口后,鼓风的速度可以分解成水平和垂直方向的两个分速度。水平分速度使风量吹向中心,垂直分速度使风量产生的冲力撞击铁水,铁水因而产生相反方向的运动。高炉炉缸内的固、液、气态三种物相运动的状态复杂,都有动量变化,鼓风是动力源。鼓风产生的竖向气流撞击焦炭,焦炭之间互相撞击,焦炭再撞击铁水,这一过程产生动量传递。

为简化计算,分析计算只考虑始末状态,忽略中间过程。设鼓风竖向动量的80%传递到铁水,根据动量守恒:

(m1v1t-m1v10)80%=m2v2t-m2v20… …(1)

v2t=〔(m1v1t-m1v10)80%+m2v20〕/m2… …(2)

式中:

m1、m2———风的质量和铁水的质量,kg;

v1t、v10———风的末速度和初速度,m/s;

v2t、v20———铁水的末速度和初速度,m/s。

风和铁水撞击前,铁水的初速度为0;撞击后,风的末速度为0。则铁水的末速度为:

v2t= -m1v10× 80%/m2… …(3)

负号表示铁水运动方向与风运动方向相反。以4号高炉为例。 4号高炉有关的鼓风参数见表1。鼓风的垂直分速度为风速与斜风口角度正弦值的乘积,质量为风量与鼓风密度的乘积。鼓风竖向动量为:负号表示铁水运动方向与风运动方向相反。以4号高炉为例。 4号高炉有关的鼓风参数见表1。鼓风的垂直分速度为风速与斜风口角度正弦值的乘积,质量为风量与鼓风密度的乘积。鼓风竖向动量为:

m1v10= 62× 1.28× 204×sin5= 1411kg.m/s。

2.2炉缸铁水竖直方向速度的变化

高炉的鼓风动量是确定的,炉缸中的铁水量在变化。由(3)式得出,铁水在竖直方向(简称竖向)的运动速度随铁水量的不同而变化。当动量一定时,速度与质量成反比,见表2。

当铁水竖向运动时,把铁水当作一个系统,系统中所有的物质也都有竖向运动,而炉底是不动的,这样,高炉炉底的堆积物在竖向运动中离开炉底,达到消除炉缸堆积的目的。铁水竖向运动速度越大,离开炉底的堆积物会越多,炉底温度也会更高。

2.3炉缸铁水呈现波的运动

炉缸铁水的竖直方向运动,并不是以某个速度离开了炉底,而是在炉缸内以某个速度作竖直方向的循环运动。液体分子间距较大,局部之间的速度不一样。气流撞击后,末速度为0,又会转向,在压差的作用下流向炉顶。在气流撞击来去的过程中,焦炭、铁水同步地作上下来回循环运动,由此产生的波沿径向传播。这种竖向的循环和径向的传播运动,使高炉炉缸铁水活跃。

3炉缸中心铁水竖向运动速度大于任何一处的竖向速度。

4号高炉炉底温度分布见表3。在炉底将底面分成3个圆环和1个中心圆,每个圆环和中心圆都有测温点。假设沿径向是等距划分,炉底大圆的半径取4个单位长度,中心圆的半径取1个单位长度,圆环之间等距为1个单位长度。设炉缸中铁水为均匀分布,当铁水高度一定时,每个圆环和中心圆面积区域的铁水质量比率,就是相应的面积比率。取铁水质量100t,每个区域铁水质量的数值就是该区域面积比率的数值,如表3所示。要说明炉基中心温度最高的原因,只要证明炉缸中心的铁水竖向速度最大。

3.1炉底温度和铁水动量的比率系数设定

生产实践表明,当炉缸出现堆积时,炉底温度下降;当堆积消除时,炉底温度上升。两者有相关关系。铁水的竖向动量能消除炉缸堆积。因此,炉底温度高低与铁水竖向动量的大小呈正比关系。

设:T=A×m2×v2,

A=T/(m2×v2)… …(4)

式中:

A—比率系数,kg.m/s。

T—炉底温度,等于炉底实测温度,K。

铁水是均质物质,可以认为比率系数在系统中处处相等。

A=Ti/(m2i＊ V2i)… …(5)

式中:

i—炉缸底面任意一点。m2i和V2i-铁水在i点的质量和竖向速度。

根据式(5):

T1/(m21V21)=T2/(m22V22)=… 

… =Ti/(m2iV2i)=… … =Tn/(m2nV2n),

各个区域铁水竖向速度可表示为:

V22=V21(m21/m22T2/T1),

V2.3=V21(m21/m2.3T3/T1),… … ,

V2i=V21(m21/m2iTi/T1),… … ,

V2n=V21(m21/m2nTn/T1)… …(6)。

3.2用动量守恒定理确定铁水竖向运动速度

根据动量守恒,鼓风竖向动量同样等于各区域铁水动量之和:

m1v1*80%= -(m21V21+m22v22+… … +m2iV2i+… … +m2nV2n),

鼓风竖向动量见表1,铁水各区域的质量m2i和炉底温度Ti为已知,各个区域的铁水竖向速度即可得出。

从表3中可以看到,中心区域的铁水竖向速度最大。当铁水总量变化时,这种趋势也不会改变。

在高炉中心开放的情况下,中心的气流动量大于边缘,这是促使中心开放的动力。炉缸中心开放到什么程度,可以用上述的计算值表示出来。表3显示,炉缸中心区域的动量占总动量的1/3。通过竖向运动的分析计算和炉底中心温度最高可以看到,以往认为的中心焦炭死料柱其实并不死,它依然是运动的。在径向方面,由于有炉料阻力作用,气流运动速度会下降,而单位面积的动量反而增大,说明沿中心方向,有来自各个风口的气流质量叠加,质量叠加程度大于速度递减程度,密度在增大,即存在着鼓风吹透中心。

4烧坏平、斜风口的主要直接原因都是风口前铁水的滞留

4.1平、斜两种风口的特性与共性

斜风口与平风口比较,多产生了一个铁水在竖直方向的运动,这是斜风口独特的地方,为其特性。除此之外,斜风口的材质、结构、冷却方式和平风口相差不大,都怕与铁水直接接触,这是它们的共性。能烧坏平风口的因素,也就能烧坏斜风口。

4.2严重炉缸堆积时会烧坏斜风口

除了因炉况不顺而引起炉料从炉内管道直接砸在风口上和出铁之前崩料引起铁水溅到风口上,以及冷却条件发生了意外而烧坏风口之外,烧坏平、斜风口的主要直接原因就是风口前铁水的滞留。产生铁水滞留的主要原因是炉缸堆积和炉缸冻结(或炉凉)的解冻过程。炉缸堆积是炉缸内风量的分布不合适而引起。在鼓风吹不透、扫不到的地方,就会出现呆滞区,这些呆滞区会形成堆积物。风量的分布与鼓风参数的选择有关,是人为的。除了鼓风参数之外,还与原料条件尤其是焦炭质量有关。当焦炭强度不好,在炉内破碎,小焦炭充添在大焦炭之间,粉末堵塞空隙,风就会吹不进、吹不透,呆滞区和堆积物就必然会产生。斜风口的鼓风参数和角度是一定的,它的能力不能无限扩大,在炉缸状况变差时,斜风口比平风口更能保持正常工作、抵抗炉况恶化的时间要长一些。当斜风口大量被烧坏时,说明此时的炉缸堆积已相当严重,在高炉生产流程中已出现了不可忽视的问题。

风口前产生的铁水不能滞留在风口前,要流向炉缸。堆积物对铁水流动有阻碍,就会产生铁水滞留。在一定的时间内,风口前产生的铁水多于流走的铁水,铁水与风口有了直接接触,在接触点便产生过热、熔融。

4.3炉缸冻结会加大斜风口的烧损

炉缸冻结发生后,消除炉缸冻结的首要措施是建立送风风口之间和与渣口、铁口之间的连通,但此时风口、渣口、铁口之间连通的难度很大。在处理炉缸冻结过程中,风口的烧坏完全是因风口前铁水的滞留所引起。在连通不好时,在风口前产生了渣铁,而此时周围的渣铁还是冷凝的。熔化的渣铁如果来不及流向其它空间,就会反过来将送风的风口烧坏。在没有渣口的高炉,连通的难度更大,斜风口的烧损情况更严重。

　　 4号高炉在2006年9月因炉缸冻结烧坏风口20个,处理时间较长,这与高炉无渣口排渣有一定的关系。象4号高炉只有两个铁口而无渣口的大高炉,可考虑设置一个事故渣口。平常不动它,就象一块冷却壁,不会将渣口烧坏,也许一代炉役都没用上。一旦发生炉缸冻结,用事故渣口排渣,便可缩短处理时间,减少风口烧损,降低炉缸冻结造成的损失。

5建议研究椭圆斜风口

5.1椭圆斜风口有利于降低风口之间的呆滞区

高炉因有风口与风口之间的死角和呆滞区。为了挖掘高炉潜力,可考虑将风口喷出的鼓风气流适当压扁,往横向扩展,以缩小这些死角区域,扩大炉缸生产容积,提高煤气利用率和产量。不管对日常生产,还是对炉缸冻结的处理,可能都会有利。

5.2减小炉缸边缘的呆滞区不是发展边缘气流

在高炉使用平风口时,要活跃边缘就要将风口直径扩大,这样就会使得风口风速降低,炉缸中心的活跃就受到影响。椭圆斜风口可保持风口面积不变,用改变风口几何形状的方式扩大炉缸边缘活跃区域,而不增大边缘气流量的比率,这样,炉缸中心的活跃程度就不会减弱。

5.3对椭圆斜风口的初步设想

椭圆斜风口形状可采用外圆内椭。外圆可以使得风口中、大套的形状都保持圆形,内椭可以改变入炉气流的状态。椭圆的长短主轴的比率可依据“0.618黄金分割法”来确定,即短轴是长轴的0.618倍或接近2/3。对直径为120mm的风口,在保持圆面积不变的情况下,椭圆的长轴可为150mm,短轴为95mm左右。椭圆长轴略大于圆的直径,考虑到风口内部冷却介质所需要的空间,椭圆斜风口的外圆和风口中、大套的直径都可相应做大一点。

6结语

(1)斜风口消除高炉炉缸堆积的原因是斜风口产生了一个炉缸铁水在竖直方向的运动,没有这种运动,堆积物不会自己起来。

(2)炉缸铁水竖直方向运动的产生是高炉鼓风、焦炭和铁水之间动量守恒的结果。炉缸中心处铁水竖向运动速度最大,堆积物量最少,因此炉底中心温度最高。

(3)斜风口可进一步向椭圆型方向发展,以扩大高炉炉缸边缘的活跃区,增大高炉炉缸工作容积,提高煤气利用率和铁水产量。