高炉炉料和煤气流的运动

高炉炉料和煤气流的运动计算机在冶金中的应用第1页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——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：

P＝G料－P料－P墙－P液－P气＝G料－（P摩＋P液＋P气）

P＞0炉料下降；P≤0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。第2页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——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）ΔP。降低ΔP，则P气减少，有利于炉料下降。第3页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——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－ΔP

由此可见，增加P值，一方面要增加G有效，另一方面要降低ΔP。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ΔP。第4页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动5.2

高炉料柱压差及其降低一、料柱压差ΔP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ΔP表示：

ΔP＝P缸－P喉≈P热－P顶根据研究表明，ΔP的影响因素咳表示为以下通式：第5页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——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（Re≤50~60）时，c=100，m=1；过渡紊流（Re≤60~7000）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。

第6页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动二、影响ΔP的因素及降低ΔP的方向由公式可见，在料层高度一定和温度、压力一定的情况下，γ变化不大，f在强化高炉的条件下，基本上是一个常数。因此，ΔP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ΔP，改善炉料顺行的主要途径。第7页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动5.3

关于降低煤气流速与ΔP的讨论由公式可看出，ΔP∝ω2，ΔP随煤气流速增加而迅速增加。因此，降低煤气流速ω可明显降低ΔP。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，ΔP与ω不是二次方关系，而是一次方关系；随着冶炼强度的提高，ΔP开始直线增加，当冶炼强度达到一定水平后，ΔP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。第8页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动因此，增加风量，提高冶炼强度，有使ω增加，从而使ΔP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ΔP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，ΔP开始随I直线增加，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ΔP不再增加。问题：冶炼强度提高到一定程度后，ΔP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ΔP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。第9页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——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（ξ）来表示高炉料柱的透气性好坏或透气状态。

ξ=V风/ΔP

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律。增加料柱空隙率和煤气通道的当量直径，可降低ΔP，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，第10页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——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ε，改善料层透气性，降低ΔP。其次，实行“整粒”，改善粒度组成。由前式可知，d∝1/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ΔP∝1/D。因此，增大原料粒度对改善料层透气性，降低ΔP有利。精料政策：高、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第11页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——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ΔP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。第12页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——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ΔP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。第13页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——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，从而使高炉压差ΔP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”形软熔带中型过重，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，ΔP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。第14页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——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。

第15页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动第16页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动第17页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——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。第18页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——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。第19页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动二、炉喉煤气流的合理分布

1炉喉煤气流分布状况的判断生产中主要是利用沿炉喉截面不同半径方向上煤气的温度和CO2分布曲线来判断煤气分布状况。（“五点取样法”）

第20页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动通过图可判断煤气沿炉喉截面和径向（东、西、南、北）的分布状况和利用情况。凡CO2低处，CO必然高，煤气温度也高，说明该方向煤气流发展，煤气利用不好。反之，该方向煤气流较少，煤气利用好。

2合理煤气流分布曲线的讨论第21页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动图a边缘CO2很低（温度较高），中心CO2很高（温度较低）的典型“馒头状”CO2曲线。表示中心焦炭负荷过重（堆积、堵塞），边缘煤气流过分发展的情况，故称为边缘气流。在此情况下，大量煤气未经充分利用而从炉喉边缘逸出高炉，造成炉顶温度升高，炉顶混合煤气CO2低（CO高）。可以推断，相应的软熔带为“V”形。由于炉缸中心严重堆积，死料堆扩大，燃烧带缩短而靠近风口，煤气很难达到炉缸中心，造成边缘激烈发展，中心气流很弱的初始煤气流分布。图b边缘CO2较高，中心CO2很低（温度较高）的典型“漏斗状”CO2曲线。它表示边缘焦炭负荷过重，甚至堆积、结厚，中心煤气流过分发展的情况，故称中心气流。此时，大量煤气未经充分利用而从炉喉中心溜走，同样造成炉顶温度升高，炉顶煤气CO2低，CO高的局面。可以推断，软熔带形状为紧缩向中心的狭窄的“”形。但因边缘过重，经二次分布后的煤气涌向中心，相应的燃烧带狭长而伸向炉缸中心，形成炉第22页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动缸中心，形成炉缸边缘堆积，气流很弱，而中心过分发展的初始煤气流分布。图c为维持中心和边缘CO2含量大致相等，而较中间区域为低的典型的“双峰形”曲线。表示在高炉的边缘和中心具有适当发展的“两道气流”。此时，煤气流分布比较合理，利用较好，高炉顺行。可以推断，其相应的软熔带为“W”形，而燃烧带得到适当扩大，初始煤气流分布比较合理。图dCO2最低点不在中心，也不在边缘，而在某特定位置产生的典型“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，能量利用很差，高炉不顺，属煤气分布严重失常的情况。三、合理煤气流分布曲线原则：在保证炉况顺行的前提下，尽量提高CO2水平，以提高炉顶第23页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动混合煤气CO2总含量，最充分地利用煤气能量，使燃料消耗最低。

第24页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动第25页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动5.6

炉顶布料——上部调剂原理一、炉料物理性质对炉料和煤气分布的影响高炉内煤气流分布与炉料分布相互影响，密切相关，在其他条件一定的情况下，炉喉煤气分布主要取决于炉料的分布。因此，可以通过布料来控制煤气分布。炉料的种类、粒度、自然堆角、料层厚度等对煤气分布有重要影响。①焦炭与矿石比较，焦炭集中的地方，透气性好，阻力小，通过的煤气多；矿石集中的地方，透气性差，阻力大，通过的煤气少。②大块与小块比较，大块集中的地方，透气性好，阻力小，通过的煤气多；小块集中的地方，透气性差，阻力大，通过的煤气少。③料层厚度料层薄的地方，阻力小，煤气通过多；料层厚处阻力大，煤气通过少。第26页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动④炉料偏析的影响在炉料堆脚处，大块多，阻力小，煤气通过量大；堆尖处，小块和粉末多，阻力大，煤气通过量小。二、炉料在炉喉内的分布

以钟式装料设备为例，当大料钟下降将炉料装入高炉内时，炉料沿钟面按一定抛物线轨迹，先布向炉墙而后滚向中心。如果堆尖离炉墙一定距离（b、c线），则按堆角和偏折规律，一部分大块布向炉墙，一部分大块滚向中心。小块和粉料则集中在离炉墙较近的堆尖处。因而有利于形成边缘和中心两道气流。如果堆尖紧靠炉墙，则炉料按a线分布，大块滚向中心，小块、粉料堆积于边缘，并形成周围高，中心低的漏斗状料面，起着抑制边缘，发展中心气流的作用。如果边缘分布矿石机较多，中心分布焦炭相对较多，则同样起到抑制边缘，开发中心气流的作用。第27页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动三、布料规律影响炉喉布料的因素很多，如炉料堆角、粒度、比重、形状的原料因素；装料设备形式、参数，炉喉直径和间隙等设备因素和装料工艺制度方面的因素。第28页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动5.7

应用装料制度改善布料和煤气分布装料制度是高炉上部调剂的主要手段，正确选择装料制度是保证高炉顺行，获得合理煤气分布，充分利用煤气能量的重要环节。装料制度的内容包括料线高低、批重大小和装料顺序。一、料线大钟下降位置下沿至料面的垂直距离称为料线。高炉装料按料线分批进行，当料线降到规定位置时，则装入下一批炉料。料线越深，料面越低。如料线深度低于正常水平位置，则称为低料线操作；如料线高于正常水平位置，则称为高料线操作。当料线位于炉料与炉墙的碰撞点A时，炉料堆尖紧靠炉墙，压制边缘气流。提高料线时，随着料线水平的提高，炉料堆尖逐步远离炉墙，促使边缘气流发展；降低料线正好相反。在碰撞点以下时，从大钟上落第29页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动下的炉料先撞击炉墙，再反射后分布，炉料堆尖也离开炉墙。在这种情况下，将打乱炉料分布规律，而不能有效控制煤气分布，使煤气利用变坏。炉料堆尖位置除受料线影响外，还受冶炼强度、矿石特性及大钟倾角的影响。二、批重装入高炉的每一批炉料是由焦炭、矿石和熔剂按一定重量比例组成的。三者的总重量称为料批重。其中矿石的批重称为矿批重，焦炭的批重称为焦批重，矿石和焦炭的重量比称为焦炭负荷（即单位重量焦炭负荷的矿石量）。提高焦炭负荷，意味着高炉热量有余，可以增大矿批重。由于矿石批重增加，使矿石沿炉喉径向分布更趋于均匀，相对有较多的矿石布向中心，起着抑制中心，发展边缘煤气流的作用。反之，发展中心气流。第30页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动当焦炭负荷不变时，采用大料批（增大批重）操作，则焦炭批重和矿石批重相应都增加，矿石沿径向的分布比小料批时均匀得多，矿石布向中心相对较多。不仅抑制中心，也抑制边缘，因而气流稳定、分布均匀。更重要的作用还在于焦炭批重增加，软熔带焦炭夹层高度相应增加，有利于提高软熔带透气性，改善煤气流的二次分布，也利于提高炉喉煤气CO2曲线的水平，改善能量利用。因此，目前高炉一般都主张大料批操作。当然，料批重不能无限扩大，它受装料设备容积的限制；同时受适宜矿、焦层厚度的约束。批重亦不宜过小。当批重小于某一数值时，矿石便分布不到中心，此称为临界批重，即控制料批下限的临界值，或料批极小值。在此临界值以下，增加批重，只能抑制边缘，或其作用不明显。所以只有当批重大于此临界值时，增大批重才能起到均匀布料，稳定气流的作用。也可以说，每座高炉在各自具体条件下，有其适宜的批重，它随条件的改变而改变。第31页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动第32页，共37页，2022年，5月20日，21点2分，星期四炼铁学——高炉炉料和煤气的运动三、装料顺序在料线适宜和批重确定的情况下，主要靠炉料落入炉内的先后次序，装料顺序来控制炉料和煤气分布，是高炉操作最常用的上部调剂方法之一。同装法：将一批料重的焦炭和矿石都聚集在大料斗中，由大料钟一次下降同时装入炉内。分装法：将一批料钟的焦炭与矿石分别装入炉内，大钟先后开启两次。正装法：矿石先装入炉，焦炭后装入炉。倒装法：焦炭先装入