高炉炉料和煤气流的运动规律

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1、炼铁学高炉炉料和煤气的运动 第五章 高炉炉料和煤气的运动 5.1 炉料下降的条件及力学分析 5.2 高炉料柱压差及其降低方向 5.3 关于降低煤气流速与P的讨论 5.4 改善料柱透气性和软熔带状况 5.5 改善煤气流分布 5.6 炉顶布料上部调剂原理 5.7 应用装料制度改善布料和煤气分布 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 5.1 炉料下降的条件及力学分析 一、炉料下降的原因 燃料燃烧和消耗、炉料的熔化和渣、铁的周期性排除是炉料下降的主 要因素。除此以外，直接还原和渗碳引起的碳素溶解损失、炉料下降过 程中小块充填于大块之间引起的体积收缩。 二、炉料下降的力学分析 炉料下降的力学条件： PG料P料P墙

2、P液P气G料（P摩P液P气） P0 炉料下降； P0 炉料不能顺利下降，产生难行或悬料 （1） 增加G料 提高矿石品位，增加焦炭负荷（每批料中单位焦炭负担的矿石重量 ），增加炉料的堆比重。 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 （2） 减少摩擦阻力 改进炉型，适当减小炉身角，增大炉腹角，适当发展边缘气流，可 减小炉料对炉墙的摩擦力。扩大燃烧带，减少中心和边缘炉料呆滞区， 使料柱松动活跃，可使料块与料块之间的摩擦力减小，同时也可使P墙 减小。减小渣量，改善造渣，降低炉渣粘度，也可使摩擦力减小。 （3）减小P液 实行多铁口轮番连续出铁，做到渣、铁常流，对促进炉料下降有利 。 （4）减小P气 煤气对料柱的支撑

3、力是由于高压、高速煤气流强行通过料柱而产生 的压力损失。其值的大小可近似地用煤气通过料柱的总压差（静压差） P。降低P，则P气减少，有利于炉料下降。 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 由于料柱受到摩擦阻力和渣、铁浮力的作用，料柱本身的重力并没 有全部作用在风口水平面或炉底上，真正起作用的是克服摩擦阻力和渣 铁浮力后剩下的重力，称为有效重力（G有效）。 G有效G料（P摩P液） 则，炉料下降的力学条件可写成： P=G有效 P 由此可见，增加P值，一方面要增加G有效，另一方面要降低P。在 原料、炉型操作制度一定的情况下，改善炉料下降的主要条件是降低 P。 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 5.2 高炉料柱压差及

4、其降低 一、料柱压差P的表达式 煤气通过料柱（自炉缸风口水平面至炉喉料线水平）的压力损失， 可近似地采用高炉料柱的全压差P表示： P P缸P喉 P热P顶 根据研究表明， P的影响因素可表示为以下通式： 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 常数c和m的数值取决于气体流动状态。 层流（Re50 60）时，c=100，m=1； 过渡紊流（ Re60 7000 ）时， c=3.8，m=0.2； 紊流（ Re 7000）时， c=0.65，m=0；此时f与Re无关。强化高炉内 煤气流基本处于紊流状态，故f实际为一无因次常数。 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 二、影响P的因素及降低P的方向 由公式可见，在料层高度一定

5、和温度、压力一定的情况下，变化不 大，f在强化高炉的条件下，基本上是一个常数。因此，P主要决定于 气流速度和料层通道的当量直径，实质也就是料柱的透气性。降低煤气 流速，改善料柱透气性，提高通道当量直径，是降低P，改善炉料顺 行的主要途径。 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 5.3 关于降低煤气流速与P的讨论 由公式可看出， P2， P随煤气流速增加而迅速增加。因此， 降低煤气流速可明显降低P。对一定容积和截面的高炉，煤气流速和 煤气量及风量成正比。在焦比（燃料比）不变的情况下，风量、冶炼强 度又同高炉生产率成正比，形成了强化和顺行的矛盾。 但是，上述关系是从固定床中得到的。强化高炉实践表明，P与不

6、是二次方关系，而是一次方关系；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几乎不再升高。原因在于高炉 处于不断的运动状态，随着冶炼强度的提高，风量加大，燃烧带扩大， 焦炭加速燃烧，下料加快，炉料处于松动活跃状态，导致料柱空隙率增 加。通过料柱而上升的煤气不仅对炉料下降有阻碍作用，而且还有松动 料层、增加料层空隙率的作用。 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 因此，增加风量，提高冶炼强度，有使增加，从而使P升高的一 面；但同时也有松动料层，增加料柱空隙率和气流通道当量直径，改善 料柱透气性，使P降低的作用。 松动强化理论：在强化的高炉上，或在高炉强化冶炼的过程中， P 开始随I直

7、线增加，当I提高到一定程度后，上述两种相反的作用，相互 抵消，以至使得P不再增加。 问题：冶炼强度提高到一定程度后， P不再升高，是否可任意提高 冶炼强度？ 冶炼强度过高，风量过大，超过了料柱透气性允许的程度，会引起 煤气流分布失常，形成局部过吹的煤气管道，此时尽管P不会过高， 但大量的煤气能未能充分利用，必然导致炉况恶化。 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 5.4 改善料柱透气性和软熔带状况 一、透气性的表示 目前，高炉普遍采用透气性指数（）来表示高炉料柱的透气性好坏 或透气状态。 =V风/ P 物理意义：单位压差所允许通过的风量。透气性指数较高炉全压差 计能更好地反映出风量必须与透气性相适应的规

8、律。 增加料柱空隙率和煤气通道的当量直径，可降低P，改善料柱透气 性。但高炉料柱不同部位应分别讨论透气性问题。 二、改善块状料带透气性“整粒”理论 首先应提高焦炭和矿石的强度，减少入炉料粉末。特别是提高矿石的 热强度，增加其在高温还原状态下抵抗摩擦、挤压、膨胀、热裂的能力 ， 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 减少或避免在炉内产生粉末，以增大当量直径和，改善料层透气性， 降低P。 其次，实行“整粒”，改善粒度组成。由前式可知，d1/S，而单位 容积块料的总表面积又与料块的平均直径（D）成反比，故煤气通道当 量直径d D，即P 1/D。因此，增大原料粒度对改善料层透气性， 降低P有利。 精料政策：高、

9、稳、熟、小、匀、净 三、改善软熔带状况软熔带理论 软熔带区域内矿石、熔剂逐渐软化、熔融、成渣，变成液态的渣、 铁，而只有焦炭保持着固体状态。熔融而粘稠的初渣或中渣充填于焦炭 空隙间并向下滴落，大大增加了料柱阻力 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 软熔带依靠焦窗透气，滴落带和炉缸靠焦块之间的空隙透气、透液 。因此，提高焦炭高温强度对改善该区域透气（液）性具有重要意义。 同时，改善焦炭粒度组成，并实施分级入炉，以充分发挥其料柱骨 架作用。 改善造渣是改善软熔带、滴落带透气性，降低P的另一个重要方向 。这意味着首先要实施精料政策，以减少渣量，降低透气性差的软熔层 厚度，同时相对增加了气流在这个区域的可通截

10、面。其次要提高矿石的 高温冶金性质，一方面可降低软熔带位置，另一方面可降低宽度，从而 减小对煤气的阻力。改善初渣性质，降低粘度，增强其稳定性，使其顺 利滴落，可大大改善高炉下部料柱的透气（液）性。 改善软熔带状况，获得适宜的软熔带位置、结构和形状，不仅是高 炉下部，而且是改善整个高炉透气性的关键环节。 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 软熔带理论； （1） 高炉料柱结构有块料带、软熔带、滴落带、燃烧带、渣铁盛聚 带和中心焦炭料块组成。在软熔带以下，只有焦炭保持着固体状态。 （2）炉料从上部块料带进入软熔带中，明显保持按装料顺序形成的 矿/焦分层的状态。 （3）随着炉料下降，温度升高，矿石逐渐还原、软

11、化、熔融、造渣 ，直至完全熔化滴落。从软化到熔滴，温度区间按等温线分布，形成同 焦炭夹层相间分布的若干软熔层。软熔层依靠焦窗透气。 （4） 软熔带形状、结构（位置、尺寸）对煤气流运动阻力P有重大 影响。它决定高炉中部煤气流分布，即二次煤气流分布，并对块料带和 炉喉煤气流分布，即三次煤气流分布有重要影响。 （5） 软熔带形状随原料条件和操作条件的变化有所不同。 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 软熔带形状基本有三种类型：“ ”形，“V”形和“W”形。 （1）“ ”形软熔带 促进中心气流发展，有利于活跃、疏松中心料柱，使燃烧带产生的 大量煤气易于穿过中心焦炭料柱，并横向穿过焦窗，然后折射向上，从 而使高

12、炉压差P降低。同时改善了煤气流的二次分布状况，增加了煤 气流与块状带矿石的接触面和时间，加速了传热、传质过程。此外，由 于中心气流发展，边缘气流相对减弱，可减轻炉衬热负荷和冲刷作用， 既能减少热损失，又能保护炉衬，延长高炉寿命。 （2）“V”形软熔带 中心过重，边缘气流过分发展致使根部升高，顶部降低的结果。在 这种情况下，中心堆积，料柱紧密，透气性差， P升高；大量煤气从 边缘溢走，不利于煤气能利用和高炉强化、顺行以及高炉长寿。 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 （3） 适当发展中心和边缘两道气流的结果，是高炉长期操作的传统 形式，能够确保高炉顺行；同时在一定程度上能改善煤气能量利用，但 不能满足进

13、一步强化和降低燃料消耗的作用。 高炉解剖表明，强化程度高，燃料消耗低的高炉，其软熔带呈“ ”型 。“ ”形软熔带的位置有高低之分。高位倒“ ”形软熔带，焦窗多，总 断面大，透气性好，有利于强化，属高产型。低位倒“ ”形软熔带其上 部块料带间接还原区相对扩大，直接还原相对减少，煤气利用率高，属 低焦比型。 焦炭夹层对软熔带透气性有决定性影响。软熔带越窄，焦炭夹层层数 越多，夹层越厚，空隙率越大，则软熔带透气性指数越小，透气性越好 。反之，透气性越差。 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 软熔带宽度决定于矿石的软化特性。焦炭夹层的空隙率决定于焦炭 的

14、质量和粒度组成。在软熔带高度和其他条件一定的情况下，焦炭夹层 的层数和高度主要取决于料批的大小。 若焦炭负荷不变，料批增大，矿焦层厚度相应增加，层数减少。 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操作 的主要矛盾。解决的关键在于改善料柱透气性，改善煤气分布和降低煤 气流速。改善煤气分布必须以改善料柱透气性为基础。因此，在一定条 件下，料柱透气性对高炉强化和顺行起主导作用。只要料柱透气性与风 量、煤气量相适应，高炉即可进一步强化。从这个意义上说，料柱透气 性的极限就是高炉强化冶炼的极限。 改善料柱的透气性必须改善原、燃料质量，改善造渣，改善操作， 获得适宜的软熔带形状和最佳煤气分布。 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 5.5 改善煤气流分布 一、改善煤气流分布 合理的煤气流分布促进料柱的透气性改善，是高炉顺行的重要标志 之一。 高炉顺行的主要标志：炉料顺利下降，煤气分布合理，炉缸工作均 匀、活跃，炉温充沛稳定，生铁质量良好。总的结构是焦比低、产量高 、质量好。 煤气合理分布的标志： （1） 炉料顺利下降，炉况稳定顺行，炉温充足，整个料柱透气性 好； （2） 煤气能量利用充分，炉顶温度低，而CO利用率高，最终表现 为焦比、燃料比降低。 炼铁学高炉炉料和煤气的运动 二、