关于高炉风口面积调节方法的探讨_图文

1、第17卷第12期2007年12月中国冶金China M e ta llur gyV ol .17,N o .12Decembe r .2007作者简介:吴狄峰(1982-,男,硕士生;E -mail :w udifeng 0121083 ;修订日期:2007-09-13关于高炉风口面积调节方法的探讨吴狄峰1,程树森1,赵宏博1,王子金2(1.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083;2.莱芜钢铁股份有限公司炼铁厂,山东莱芜271104摘要:通过建立高炉送风系统模型,模拟了风口尺寸对风口速度、流量和鼓风动能的影响,纠正了高炉操作认识上的一些错误。研究表明,缩小少数几个风口面积会减小鼓风动

2、能,但却增大了其它风口的鼓风动能;只有减小多个风口的面积,才会增大所有风口的鼓风动能。减小少数几个风口的操作之所以能抑止边缘气流是其风量明显减少所致。关键词:高炉;风口;风量;面积调节中图分类号:T F54文献标识码:A 文章编号:1006-9356(200712-0055-05Discussion of Tuyere Area Adjusting Method for Blast FurnaceWU Di -feng 1,CH ENG Shu -sen 1,ZH AO H ong -bo 1,WANG Zi -jin 2(1.Scho ol of M etallurg ical a nd E

3、co lo gical Eng ineering ,U nive rsity o f Science and Technology Beijing ,Beijing 100083China ;2.I ronmaking P lant of Laiw u I ron and Steel Co L td ,Laiwu 271104,Shandong ,China Abstract :A djusting tuye re area is an impor tant me tho d fo r blast furnace bo ttom adjustment .By building the bla

4、st sending sy stem o f blast furnace ,this paper simulated the effects of changing tuyere area o n tuye re velocity ,flo w and bla st kinetic energ y ,and cor rected misunde rstanding s o f some blast furnace operato rs as w ell .Re sults sho w that dec reasing the area of minor tuy eres w ill reduc

5、e the kine tic ene rgy o f these tuye res but increase the o the rs .O nly decreasing the area s of majo r tuy eres w ill increase the kine tic energ y of every tuy ere .The reason tha t dec rea -sing the areas of mino r tuyer es could re st rain the edge g as flow lied in the decrease of blast flo

6、w in these tuy eres .Key words :blast furnace ;tuyere ;blast flo w ;area adjusting调节风口面积是高炉下部调剂的重要手段。当出现中心过吹、边缘煤气流过弱,或在中心煤气流太弱、边缘过于发展时均要调节风口面积。通常,高炉操作者认为总送风量不变时缩小风口面积会增大风口速度,相应增加鼓风动能,有利于发展中心气流;而增大风口面积则减小风口速度,即降低鼓风动能,这有利于发展边缘气流1。但上述结论是在假设各风口流量不变时所得。事实上,高炉下部调剂通常只改变少数几个风口的面积,但高炉送风系统是个连通器,热风流量会根据风口面积进行重

7、新分配,面积小的风口则流量小,面积大的风口则流量大,总之,各风口的流量不再均匀。一方面鼓风动能与风口速度及风量有关,另一方面抑止还是发展中心或边缘煤气流,不仅与鼓风动能大小(表征鼓风向炉缸中心穿透的能力有关,还与风口风量(决定炉缸煤气量的多少相关,这样上述结论可能会发生改变,因此有必要定量研究风口面积与鼓风参数间的关系。本文通过建立高炉送风系统模型,用数值模拟的方法讨论了风口尺寸变化对风口速度、流量和鼓风动能的影响,并结合生产实际,分析和讨论了风口尺寸的调节方法。1物理和数学模型1.1物理模型炉容为1200m 3的高炉送风系统模型见图1。假设模型完全对称,则当热风从总管进入围管后即分成两股对称

8、流,且分别沿围管圆周运动半周后相遇。在这一过程中,热风逐一通过支管进入18个风口,再进入炉缸上部。模型中假设炉缸上部水平面上压力恒定,可把热风围管看作一热风分配器,把一股大流分成多股小流后分别进入大容器。由于该送风模型具有对称性,故取一半作为研究对象。为方便叙述,给各个风口编号,离围管入口最近处的风口为1号,对面风口为9号,依次编号,与之相对称的风口分别编为1号、2号、9号。模型尺寸和重要参数为:高炉容积1200m 3,炉缸 8m ,热风主管和围管内径 1.5m ,风口直径可选用 120, 140, 160mm ;风口18个,送风量2350m 3/min ,热风1200,送风压力约300kPa

9、 。图1高炉送风系统模型Fig .1Blast sending system mo del for blast furnace1.2数学模型以热风围管圆环中心为坐标原点、热风主管轴线为x 轴,炉缸轴线为z 轴建立直角坐标系。由于热风主管、围管直至支管的绝热效果较好,使得热风在流动过程中温度基本不变,且模型中热风进出口压力变化较小,故可把热风看作不可压缩流体。这样,热风在高炉送风系统中的流动可看作是不可压缩流体的稳态等温湍流流动。采用标准k -双方程模型来计算流场。基本方程包括连续性方程、动量方程、k -双方程等2;模型边界条件为:根据热风总流量和尺寸求得热风总管入口给定速度为30m /s ,模

10、型中炉缸上部出口给定压力300kPa ;对称面上满足法向物理量梯度为零;管道壁面采用无滑移边界条件,壁面附近流动计算采用标准壁面函数;在1200、300kPa 状态下气体的密度根据理想气体状态方程求得。2计算结果与讨论为比较风口面积对风口速度、风量和鼓风动能的影响,保持总送风量不变,采取了2种情况进行比较:一是采取只改变5号风口直径(根据对称性,5号风口直径也改变,即减小到 120mm 或增大到 160mm ;二是改变2号、4号、6号和8号多个风口直径(2号、4号、6号和8号风口直径也相应改变,可选风口直径同前,且2种状况均与所有 140mm 的风口基准情况作比较。2.1风口面积对风口速度的影

11、响 根据数值模拟结果,图2给出了5号风口分别取 120(变小, 140(不变, 160mm (变大,而其它风口均为 140mm ,各风口速度分布图。图3给出了2号、4号、6号和8号风口分别取 120(变小, 140(不变, 160m m (变大,而其它风口均为 140mm ,各风口速度分布图。根据对称性只给出19号风口的速度。由图可见,每种情况的各风口速度基本相同,偏差很小。缩小一个或多个风口的面积,各风口速度均增大到相同值;反之,增大一个或多个风口的面积,各风口速度均减小到相同值。因此,每种情况各风口的速度值与单个风口面积无关,各风口的速度近似等于总风量除以风口总面积。图25号风口面积调整后

12、各风口速度Fig .2Tuyere velocity with area of tuyere No 5changed图3多个风口面积调整后各风口速度Fig .3Tuyere velocity with area of several tuyeres changed上述现象可解释为:假设炉缸上部出口压力均匀,则各风口的静压均相同,即使改变风口尺寸,静压或都变大或都变小,各风口的静压仍相同。上述3种情况的风口静压平均值见表1,可见在各种情况下9个风口静压值几乎相同。而热风从围管到支管的流动可近似看作等温定常流动,气体粘度很小,忽56中国冶金第17卷略流动的机械能耗损,因此可应用流体伯努利方程4,即

13、:v 22+p+gz =const(1式中v 速度,m /s ;p 静压,Pa ;密度,kg /m 3;g 重力加速度,m /s 2;z 相对于零势能面的高度,m ;const 常数,J /kg 。伯努利方程说明单位质量的热风在进出口的总机械能保持不变。由于各风口的热风都是从同一总管流入,即总能量均相同且在风口处位能和静压都相同,因此各风口的速度也必然都相同,改变风口尺寸不会使各风口的速度产生差异。表1风口面积调整后各风口的压力Ta ble 1Tuyere pressure with area of tuyere changed5号风口直径/mm各风口压力/kPa1号2号3号4号5号6号7号8

14、号9号 120308.4308.5308.7308.5308.6308.4308.5308.5308.9 140308.3308.4308.5308.4308.4308.2308.4308.4308.4 1602.2风口面积对风量的影响由上述分析可知,改变风口尺寸不会使各风口的速度产生差异,在各风口面积不同时其风量将不再相同。改变5号风口直径时各风口的风量见图4。当5号风口由 140mm 减小到 120mm 时则风量减小,而其它风口风量增大;反之,当5号风口由 140mm 增大到 160mm 时则风量增大,而其它风口风量减小。图5示出多个风口面积改变后的各风口风量,其结论同于改变单个风口面积的

15、情况。进一步分析可知风口风量与风口面积成正比,即:V i =S iis i V b(2式中V b 总送风量,m 3/min ;V i 第i 个风口风量,m 3/min ;s i 第i 个风口面积,m 2。可见,调整风口直径是对风口流量的重新分配 ,图45号风口面积调整后各风口风量Fig .4Tuyere blast f low with area of tuyere No 5 changed图5多个风口面积调整后各风口风量Fig .5Tuyere blast flow with area of several tuyeres changed而不是对速度的重新分配。2.3风口面积对鼓风动能的影响

16、在认识上述规律的基础上,讨论改动风口尺寸对鼓风动能的影响。鼓风动能用来表征鼓风克服风口区各种阻力向炉缸中心穿透的能力,对煤气量径向分布特点有影响。鼓风动能越大则煤气流越易向中心发展;反之,鼓风动能越小,煤气流越易向边缘发展。图6示出5号风口分别为 120、 140、 160mm ,其余为 140mm ,各风口的鼓风动能。由图中可知,总风量不变,缩小1个或少数几个风口面积会使其鼓风动能减小,而其它风口的鼓风动能增加;反之,面积增大的风口则其鼓风动能增加,其它的减小。其原因是缩小1个或少数几个风口的截面积,所有风口的速度都增大,但缩小了面积的风口则质量流量也减小,当后者减小更多时鼓风动能就变小。5

17、7第12期吴狄峰等:关于高炉风口面积调节方法的探讨当多个风口尺寸变化时上述结论将发生变化。图7示出2号、4号、6号和8号风口分别为 120、 140、 160mm ,其余仍为 140m m 时,各风口的鼓风动能。与图6对比可知,尺寸变小了的风口,其鼓风动能比原来的都要大;而尺寸变大了的风口,其鼓风动能比原来的都要小。这是因为 :图65号风口面积调整后各风口鼓风动能Fig .6Tuyere kinetic energy with area of tuyereNo 5 changed图7多个风口面积调整后各风口风量鼓风动能Fig .7Tuyere kinetic energy with area

18、of severaltuyeres changedE i =12(s i j s j m b (V b j s j 2s i(j s j 3(3式中E i 第i 个风口的鼓风动能;m b 总鼓风流量,kg /s 。即当风口总截面积的三次方的变化量超过单个风口的变化量时,该风口的鼓风动能就会增加。当多个风口面积缩小时,面积不变的风口鼓风动能比面积改变了的风口则增加更多;反之,当多个风口面积增大时,面积不变的风口鼓风动能比改变了的减少更多。即调整风口面积,不仅会使面积变化了的风口鼓风参数发生改变,且面积不变的风口鼓风参数也会变化,且改变得更多。这在实际操作中是不希望发生的,因此各风口的面积应尽量保

19、持相同,面积变化不能过多。另外,从上式明显看出每个风口的鼓风动能正比于风口面积。此外,各风口总鼓风动能或者平均鼓风动能的变化具有如下规律:缩小风口面积则总鼓风动能增加,增大风口面积则总鼓风动能减小。图5所示3种情况的平均鼓风动能分别为55.04、51.88、48.5kJ /s ,而风口总截面积分别为0.2688,0.2769,0.2864m 2,进一步研究可得平均鼓风动能反比于总鼓风面积的平方。这是因为各个风口的速度相同,有:i E i =i 12m i v 2i =12v 2i m i =12m b (V b i s i 21(i s i 2(4式中m i 第i 个风口的流量,kg /s 。

20、可得出结论,当热风总流量不变时改变风口尺寸会改变总鼓风动能,且总鼓风动能根据各风口面积的大小重新分配。2.4风口面积调节方法的应用当炉缸工作不均匀时,如出现部分风口边缘气流过于发展、部分风口回旋区太大和中心过吹等情况,则需调节风口尺寸。如某高炉少数几个风口上部冷却壁和下部炉缸热电偶数据显示温度较高,波动较大,说明该风口边缘煤气过于发展,通常是采取缩小这些风口面积的方法。传统观念认为,缩小风口面积,风口速度增加,鼓风动能相应增加,煤气流易向中心发展,边缘则相对减弱。从前面讨论可知这种认识并不正确。高炉利用系数不变时则其送风量不变,此时缩小一两个风口的面积,尽管各风口速度会略微增加,但这些风口的风

21、量会明显减少,因此亦会降低鼓风动能。缩小风口之所以能抑制边缘气流,是减少风量导致回旋区产生煤气量明显减少而使边缘煤气流减弱所致。图8是根据风口前碳素燃烧反应计算的煤气量3,设鼓风湿度1.7%,富氧率2%。计算中只改变5号风口直径(5号风口也相应改变,其它风口保持 140mm 。图中横坐标为5号风口直径,左侧纵坐标为煤气量,右侧纵坐标为相对于所有风口均为 140mm 这种基准情况5号风口煤气量增加的百分比。当5号风口由 140mm 减小到 120m m 时,风口煤气量由160.7m 3/min 减少到120.6m 3/min ,减少了24.3%,可见这种变化相当明显。如减小多个风口的面积则其风量

22、仍减少(减少量比缩小一两58中国冶金第17卷图85号风口面积改变后煤气量的变化Fig.8Gas flow of No5tuyere change with its area个风口的情况要小,但鼓风动能却增加,这有利于抑止边缘气流。因此,缩小风口面积,不论是一个或多个,都有利于抑止这些风口附近边缘气流的发展,同时使其它风口的边缘和中心气流均有所增加。反之,增大一个或多个风口的面积,有利于促进这些风口附近边缘气流的发展,同时减弱了其它风口的边缘和中心气流。3结论(1当总风量不变时,减小风口直径会使各风口速度均增大且增大到相同值,但直径减小了的风口流量会变小且风口流量正比于风口面积。(2当总风量不变

23、时,缩小少数几个风口面积会降低其鼓风动能,而增大其它风口的鼓风动能。另外,只有在多个风口的面积都减小时,所有风口的鼓风动能才会都增大。(31个或数个风口尺寸变化会引起其它风口参数的变化。当多个风口面积变化时,面积不变的风口鼓风动能比面积改变了的风口变化更多,这在实际操作中是不希望发生的,因此各风口的面积应尽量保持相同,面积变化不能过多。(4当总风量不变时,单个风口的鼓风动能正比于该风口的面积与风口总面积的三次方的比值;而所有风口的总鼓风动能与风口总面积的平方成反比。(5在实际生产中,当高炉送风量不变时,缩小一两个风口的面积之所以能抑止边缘气流,是缩小风口面积使其风量明显减少而导致回旋区产生煤气量明显减少所致。(6缩小风口面积,不论一个或