矿批对高炉冶炼影响的模拟研究

矿批对高炉冶炼影响的模拟研究杨志超;陈辉;沈海波;郑朋超【摘要】通过建立数学模型，模拟研究了大矿批对煤气稳定性、矿焦层界面效应及软熔带'”焦窗\”透气性的影响，认为:扩大矿批后会对炉况的稳定性和煤气利用起到积极作用;在软熔层数n和焦软比m一定时，增加料层厚度，对软熔体宽度L的形成具有两面性，总的效果是使软熔带沿径向得到发展,不利于软熔带透气性的改善，但变化趋势小于1随软熔层数n的变化;扩大矿批要有\"度\",实行大矿批必须采取有效措施使中心开放，否则透气性变坏.【期刊名称】《河南冶金》【年(卷)，期】2019(027)002【总页数】6页(P1-5,34)【关键词】冶炼;矿批;软熔带;透气性【作者】杨志超;陈辉;沈海波;郑朋超【作者单位】首钢京唐钢铁联合有限责任公司;首钢技术研究院;首钢京唐钢铁联合有限责任公司;首钢京唐钢铁联合有限责任公司【正文语种】中文0引言矿石批重(矿批)对炉料分布的影响是所有装料制度参数中最重要的。批重决定炉内料柱层状结构的厚度，批重越大，料层越厚，软熔带每层〃气窗”面积越大，高炉将因此改善透气性；批重越大，整个料柱的层数减少，因此界面效应减少，有利于改善高炉透气性［1］。但批重过大，会出现边缘、中心两头堵的煤气分布，增加了料柱阻力。杜鹤桂曾经指出了批重对高炉透气性的双重影响：随着高炉矿焦层厚度的增加，软熔带压差升高，而总压差略微下降到某一点后又升高［2］。因此，扩大矿批要有〃度”，实行大矿批必须采取有效措施使中心开放，否则透气性变坏。而无料钟炉顶，由于布料对炉料落点的控制灵活，可以通过布料调整，控制矿石在炉内中心区域的分布量，确保中心开放，以避免对软熔带透气性恶化的不利影响。合理矿石批重系指在顺行条件下最佳煤气利用率时的矿石批重。合理的矿石批重可降低高炉的燃料比，是节能的一项措施［3］。目前国内4000m3级别的高炉，矿批重量达到120~140t。5000m3级别的高炉，矿批重量达到140~180t。韩国浦项4#高炉(5600m3)最大矿批曾经达到180t,当时焦炭负荷达到5.5，高炉运行良好。首钢京唐2#高炉通过采用AB矿的形式，在料罐容积偏小的情况下，实现了165t矿批的长期稳定冶炼［4］。但国内也有部分大型高炉在扩大矿批后，出现煤气不稳定，压差升高，高炉操作困难的情况。因此，有必要进一步模拟研究大矿批对煤气稳定性的影响，笔者将从煤气均匀程度，矿焦界面效应和软熔带〃焦窗”透气性等方面构建数学模型，探究扩大矿批和煤气稳定性之间的关联性。1矿批对煤气稳定性影响的模拟研究1.1模型的构建焦炭的空隙度在所有炉料中最大，其透气性最好。相关文献表明，受炉料颗粒大小的影响，在高炉中矿层的阻力是焦层阻力的8~10倍，焦炭多的地方，煤气阻力小，气流较〃发展”；而矿石多的地方，煤气阻力大，气流受到抑制。由于高炉布料存在不均匀性，煤气流的分布也会不均匀［5］。为便于分析，炉内料柱的简化模型如图1所示。图中焦炭集中处，可以是焦炭和矿石的混合层，也可以是焦炭和矿石的中间层。H表示矿层高度，H'表示焦炭集中处高度；煤气自A-A方向和B-B方面通过矿层的压差用P和P'表示。其中A-A方向不经过焦炭集中处，而B-B方向经过焦炭集中处。假定单位高度的矿层对煤气阻力CP矿)是单位高度焦炭层的N倍(NxaP焦)。图1高炉内料柱的简化模型根据对P与P'的定义可知，P'/P可作为评价煤气分布均匀程度的指标。该值越小则煤气分布越不均匀；该值越大，则煤气分布越均匀。较低的P'/P，表征煤气沿B-B方向形成〃微区管道”的趋势加强，反之则煤气分布的均匀性越好。根据对H与H'的定义可知，H/H'可作为评价炉内矿焦层分布的状态参数。该值越小，则矿层相对较薄，矿焦混和的程度越大，或焦炭集中程度越大；反之，矿层增厚，焦矿混和的程度越小。根据对N值的定义可知，N可作为评价焦炭和矿石物料特性的状态参数。该值越大，则表明矿石层相对焦炭层的透气性越差，表征矿石的物料特性与焦炭的物料特性的分散程度大。通过A-A方向矿层的煤气阻力P和通过B-B方向矿层的煤气阻力P'的计算如下式:P=HxAP矿=HxNx△P焦(1)P'=P矿+P焦=(H-H')xAP矿+^乂游焦=((H-H')xN+H')xAP焦(2)根据式(1)和式(2)可以得出P'/P为：对于混合层中的焦炭集中处，因焦炭和矿石相互掺和，其阻力较全焦大。按掺和的程度可取1~10间的数值，将所有的N值代入式（3）中，则可得到P'/P与H/H'的关系。1.2煤气稳定性和均匀程度解析结果按照1.1提出的大矿批对炉料特性、矿焦层分布以及透气性均匀程度的模型，计算所得P'/P与H/H'的解析结果如图2所示。图2P'/P与H/H'的关系曲线从图2可以看出，焦炭和矿石的物料特性N值以及矿层厚度H/H'对煤气的稳定性有影响。在焦炭和矿石物料特性N值确定的情况下，随着矿层厚度和H/H'的增加，P'/P先是迅速增加，逐渐转为缓慢增加，这说明随着矿层的增重，煤气分布的均匀性先快速提升，而后提高幅度逐渐减小。也就是说，大矿批后会对炉况的稳定性和煤气利用起到积极作用，自小矿批向大矿批的过渡过程中，随着矿批的扩大，煤气透气性的稳定性和均匀程度经历快速提高，当矿批大到一定程度后，稳定性提升的幅度将变得不明显。在矿层厚度H/H'确定的情况下，物料特性N值越大，煤气的稳定性和均匀程度越小。因此，改善入炉原料质量，对煤气的稳定性和均匀程度有积极作用。结合铁前工序的特点，改善原料质量不仅是要改善单种入炉料的性质，改善焦炭和矿石物料的匹配关系也是改善原料质量的重要内容之一，如缩小矿石和焦炭间的粒度差，一是提高入炉铁料粒度水平，二是稳定并提高焦炭粒度的均匀程度。2扩大矿批与矿焦层界面效应的研究在高炉上部块状带，焦炭和矿石均保持固体散状料的特点，且成层状分布。在粗粒度炉料（如焦炭）之上装小粒度炉料（如烧结矿、球团和块矿）时，上层料的一部分小粒子往往钻入下层料的缝隙中，形成一层混合层，煤气通过这个混合层的压力损失比通过非混合层时要大，称为界面压力损失。显然，批重小时，矿焦层数多，界面也多，总的界面压力损失必然大。因此，扩大矿批，减少矿焦层界面的数量，会降低煤气通过块状带的阻力损失。通过仿真模拟的方法对矿批增加与矿焦界面效应间的关系进行研究。2.1模型的构建与实现(1)首先，建立气体流动数学模型，其控制方程及边界条件如下式：⑷⑸f1=150(1-8)2pg/pg(^dp)283(6)f2=1.75(1-8)pg(^dp)83⑺然后，对方程离散化处理，详细计算过程如下：中ij=[A(0+1,j-中i-1,j)+B(中i,j+1-中i,j-1)+C(中i+1,j+中i-1,j+D(中i,j+1+中i,j-1)+F(中i+1,j+1-中i+1,j-1+中i-1,j-1-0-1,j+1)]2(C+D)(8)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(2)沿高炉径向方向和高度方向建立质量流量方程，如下式:Gr=r-1-d^-dl-1(17)Gl=r-1・dpdr-1(18)(19)⑶建立高炉内压力分布模型，方程如下式:Pi,j=[Ai,j+B(Pi+1,j-Pi-1,j)+C(P1+1,j-Pi-1,j)+D(Pi,j+1-Pi,j-1)・[2(C+D)]-1(20)Aij=Gr(Wi+1,j-Wi-1j)2h-1+Gl(Wi,j+1-Wi,j-1)2k-1(21)B=(2hr1)-1(22)C=1・h-2(23)D=1・k-2(24)(4)模型参数。初步选择的模型参数见表2。表2模型参数项目数值模型半径/mZ流函数误差限3.0E-3流函数松弛因子1.6焦炭粒度/m0.04焦炭形状系数0.65焦炭孔隙度0.5入口质量流＞/(kg-m-2-s-1)1.0气体粘度/(m2-s-1)16.77E-6模型M/m2压力误差限3.0E-6压力松弛因子1.0矿石粒度/m0.015矿石形状系数0.7矿石孔隙度0.35气体密度/(kg-m-3)1.252.2层流条件下，矿-焦层界面效应考虑块状带矿焦层按一定的斜率成层分布，为减少计算量，反映煤气通过矿焦层的实际情况，选取其中含矿层和焦层的一剖面矩形为研究单元，物理模型如图3所示。煤气穿过焦炭层，经矿石层后进入焦炭层。图3矩形矿焦料层物理模型自下部向上运动的煤气，计算所得穿过矿焦层的流线分布和流线云图分别如图4、图5所示。图4层流条件下，煤气穿过矿焦层的流线分布图5层流条件下，煤气穿过矿焦层的流线云图从图4、图5可以看出，煤气穿过下部焦炭层基本呈垂直平行状分布，边缘煤气分流线分布较密，越接近中心部位，流线分布越疏松。自下部焦炭层进入矿石层，煤气流线发生偏转，基本垂直于矿焦界面，在矿石层流线分布的疏密程度与下部焦炭层类似。自矿石层进入上部焦炭层，煤气流线再次发生偏转，方向与下部焦炭层基本一致。流线分布和流向偏转的解析结果表明：煤气在穿越块状带矿焦层的过程中，中心区域煤气阻力低于边缘；矿焦界面层对煤气有明显的阻碍作用，使煤气流向发生偏转。事实上，这种煤气流向偏转与炉况的顺行状态有关，煤气流向发生偏转的程度越大，越不利于炉况顺行，矿焦界面层的存在是影响炉况顺行状态的原因之一。煤气穿过矿焦层的压力分布如图6所示。图6层流条件下，煤气穿过矿焦层的压力分布从图6可以看出，下部焦炭层和上部焦炭层的压力梯度较宽松，而矿石层的煤气压力梯度较致密；在下部焦炭层的上表面存在一定的压力梯度，且压力梯度由宽松向致密过渡；矿石层的上表面存在一定的压力梯度，且压力梯度由致密向宽松过渡;上部焦炭层与矿石交界面处的压力梯度较矿石层与上焦炭层界面处的压力梯度更密。2.3湍流条件下，矿-焦层界面效应基于矿焦层分布的物理模型，湍流条件下解析所得的煤气流线分布、流线云图和煤气穿过矿焦层的压力分布分别如图7~图9所示。湍流条件下，与层流条件下煤气穿过矿焦层的流线分布情况类似，但自下部焦炭层进入矿石层以及自矿石层进入上部焦炭层过程中，煤气发生偏转的程度渐小，即煤气保持原有运动特点的能力较强。高炉冶炼过程中，煤气基本处于湍流状态下，矿焦层成层分布对煤气稳定、顺行的有利。因此，高炉下部煤气分布是整个高炉煤气基础，生产中应重视对下部煤气流分布的控制。图7湍流条件下，煤气穿过矿焦层的流线分布图8湍流条件下，煤气穿过矿焦层的流线云图图9湍流条件下，煤气穿过矿焦层的压力分布湍流条件下，与层流条件下煤气穿过矿焦层的压力分布情况类似，焦炭层内煤气阻力损失低于矿石层，存在明显的矿焦层界面效应。不同之处在于湍流条件下，边缘煤气压力梯度较层流条件下宽松，也就是说，实际的冶炼过程中边缘煤气较容易发展，操作上根据实际的煤气分布状态要考虑对边缘煤气进行控制，如装料调整上要保持一定的矿焦平台。3扩大矿批与软熔带〃焦窗”透气性的研究软熔带是块状带和滴落带的过渡部分，与煤气分布互为因果。高炉解剖表明，软熔带是由软熔体与焦炭层相间重叠而成。软熔体的透气性差，煤气流几乎全部由焦炭夹层通过。因此，煤气流动以及煤气流与软熔体间的传热对炉料的软化、熔化和滴落过程有很大影响，并且也影响着软熔带的结构性质。从煤气流动和传热的角度来分析影响软熔带沿径向发展的因素是具有实际意义的。3.1模型建立考虑传热的前提下，决定软熔带结构(如图10所示)的无因次参数有：焦炭夹层厚度与软熔体厚度之比m(简称焦软比)；定长b内软熔化层数n(软熔层数)，其中b=n(L-x)，n为软熔层数」为软熔带宽度，x为上下层软熔体的重叠部分长度；软熔带内倾角正切为tan(e)=n(m+1)h0/b,h0为软熔体厚度。则无因次软熔带宽度和焦炭粒度之经L/d满足如下函数关系：L/d=f(m,n,tan0)(12)式中：d 焦炭平均直径，mm。图10软熔带简化模型根据东北大学采用固态石蜡模拟软熔体的实验结果，统计回归无因次软熔带宽度和焦炭粒度之比L/d满足如下关系：或3.2软熔带〃焦窗”透气性分析3.2.1层数n的影响在软熔带倾角0和焦软比m一定时，软熔带供煤气流通过的焦窗面积不变，每层焦窗的面积随着n的增加而减少。假设单个焦窗为一矩形煤气通道，根据当量直径的定度式可推得焦窗的当量直径近似为：dc=2hc式中：hc 焦窗的厚度，mm。气体在光滑管内湍流流动时，其对流换热关系式为：Nu=0.023xRe0.8xPr0.4式中：Nu——努谢尔数；Re——雷诺数；Pr——普兰特数。根据以上两式可以推导出对流换热系数为：h*dc-0.2随着层数增加，单个〃焦窗”面积减少，煤气流与软熔体之间的对流换热系数增大，软熔体熔化加速；同时，煤气流由于散热快，沿流动方向的温降增大，使软熔体的有效吸热区间变窄。另外，软熔层数n增加，单层软熔体变薄。由于软溶体软化后透气性急剧降低，气流不能由软熔体内通过，所以软熔体获得热量要经过两个环节，一是煤气流与软熔体表面的对流换热，二是软熔体内部的传导传热。上面已分析了由于软熔层数增加对表面对流换热的影响，而层数增加后，又使厚度变薄内部传导阻力减少，传热效果改善。因此，从两个环节上看，增加软熔体层数n都限制了软熔体沿径向发展。日本衫山桥等用聚苯乙稀模拟软熔层和用氧化铝球模拟焦炭进行的数据计算结果也表明：当软熔层模拟物的收缩率达到40%时，软熔化内的温度梯度方向与软熔层厚度方向基本一致。因此，增加软熔层数n从两个环节都强化了煤气流与软熔体之间的热交换，加快了软熔体的熔化滴落速度，煤气温度梯度增加，软熔带的宽度变窄。就高炉冶炼来看，软熔层数n增加，与小矿批相对应，生产在处理炉况顺行状态差的问题时，除减轻焦炭负荷外，在负荷不变的条件下，缩矿批使软熔带宽度变窄，也有利于改善软熔带位置的透气性。3.2.2软熔带倾角0的影响当软熔带的软熔层数n及焦软比m一定时，tan0值完全取决于软熔体厚度h0。通过增加h0来提高tan0使软熔带中的煤气流动和传热过程有以下特点：首先，由于h0增加，内部热传导阻力增加；其次，由于焦窗总面积增加，煤气流速降低，再加上单个焦窗面积增大，这两方面都降低了表面对流换热系数h。增加软熔体内部热阻和降低表面换热都有利于软熔体沿径向发展。但是，由于煤气流速降低，延长了煤气流与软熔体的热交换时间，煤气流度梯度增大，这又限制了软熔体沿径向发展。由此说明，通过增加料层厚度来改变软熔带倾角0,对软熔体宽度L的形成即有限制的一面，又有促进的一面，总的效果是使软熔带沿径向得到发展，但变化趋势小于1随软熔层数n的变化。从tan0=n(1+m)h0/b可知，当软熔体厚度h0和焦软比m不变时，n增加，tan0值随之增加。通过增加n的来提高tan0值时，L/dxn-0.4179。这说明单纯增加n来提高tan0值，软熔带宽度L值随之减小。产生这一结果的原因在于n增加后，焦窗总面积增加，煤气流速急剧降低，温度梯度增大，软熔体的吸热区间变窄。3.2.3焦软比的影响当n和h0不变时，L/dx(1+m)0.2838/m0.1873。考虑生产中的实际焦炭负荷水平，焦软比在1.0~1.7之间，则有(1+m)0.2838/m0.1873与m的关系，具体见表3。表3(1+m)0.2838/m0.1873与m的关系m1.01.21.41.61.7(1+m)0.2838/m0.18731.2171.2091.2041.2011.200由表3可知，焦软比m对L的影响不大，其原因在于改变m所引起的对流换热系数h变化与由于煤气流速的变化导致的温度梯度改变对软熔带宽度L的影响效果相互抵消。因此，无因次软熔带宽度L/d，在其他条件确定时，增加层数n会使L/d缩短，而增加料层厚度会使L/d延长，即过大的料批操作会使软熔带的透气性恶化。4结论通过模拟研究大矿批对煤气稳定性的影响，以及扩大矿批对矿焦层界面效应和软熔带〃焦窗”透气性的影响，得到以下结论：(1)在焦炭和矿石物料特性N值确定的情况下，随矿层厚度的增加，H/H'的增加，P'/P先是迅速上升逐渐转为缓慢增加，说明随矿层的增重，煤气分布的均匀性先快速提升，而后转变为提高幅度减小。也就是说扩大矿批后会对炉况的稳定性和煤