陳輝¹ ，鄭朋超² ，沈海波² ，武建龍¹ ，陳艷波²

( 1． 首鋼技術(shù)研究院; 2． 首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司)

摘要：通過建立爐料在空區(qū)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，模擬研究了煤氣阻力對(duì)高爐布料的影響。通過研究認(rèn)為: 爐料在“空區(qū)”運(yùn)動(dòng)，是開爐或停風(fēng)測(cè)料面與理論布料模型間存在差別的原因之一，煤氣阻力是爐料在“空區(qū)”運(yùn)動(dòng)不同于靜態(tài)的拋物運(yùn)動(dòng)的根本原因; 煤氣阻力會(huì)使?fàn)t料沿水平、圓周切向的分速度均降低; 煤氣阻力的作用效果主要是促使?fàn)t料的主落點(diǎn)位置靠近高爐中心，在料線越深、布料傾角越大以及顆粒直徑越小時(shí)其作用效果越明顯; 隨著高爐冶煉強(qiáng)度的提高，煤氣所能吹出的最小顆粒直徑也迅速增大。

關(guān)鍵詞：高爐；煤氣阻力；布料

0 前言

目前大型高爐的布料設(shè)備基本上都采用料罐加溜槽的無鐘設(shè)備，溜槽布料靈活，可實(shí)現(xiàn)單環(huán)、多環(huán)、螺旋和定點(diǎn)布料，且設(shè)備密封性好，適應(yīng)了大型高爐的高頂壓操作。溜槽在布料的過程中，爐料的落點(diǎn)及形狀分布會(huì)受到爐料粒度、溜槽傾角、煤氣阻力以及科式力等眾多因素的影響。目前已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)高爐布料進(jìn)行了研究，其中包括建立顆粒運(yùn)動(dòng)及料流軌跡數(shù)學(xué)模型，實(shí)測(cè)高爐料流軌跡，以及研究爐頂設(shè)備參數(shù)等對(duì)高爐布料的影響^［1－5］。

通過實(shí)際高爐料流落點(diǎn)測(cè)定，焦炭與礦石的落點(diǎn)存在很大差異，即使相同的爐料顆粒由于粒徑不同，料流寬度變化也相當(dāng)大^［6］。這是由于顆粒出溜槽后在空區(qū)下降時(shí)，除受自身重力外還受煤氣浮力的作用，這些阻力隨顆粒的密度、粒徑、形狀等因素不同而變化，導(dǎo)致顆粒的落點(diǎn)也發(fā)生很大的偏差^［7］。

劉云彩研究認(rèn)為^［8］: 在一般冶煉條件下，煤氣阻力只相當(dāng)于直徑10 mm 粒度的礦石質(zhì)量的0．5%～8%，相當(dāng)于10 mm 焦炭質(zhì)量的1% ～ 2%; 但對(duì)于粒度在5 mm 以下的爐料，不容忽視。由于煤氣速度對(duì)布料作用的影響，在日常操作中，凡改變冶煉強(qiáng)度、富氧鼓風(fēng)、爐頂壓力等使煤氣體積發(fā)生變化的操作，均影響爐料分布，盡管這期間裝料制度不變，煤氣分布也會(huì)有變化。

高爐開爐實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)室的模擬實(shí)驗(yàn)表明: 礦石在相同檔位和相同料線下的主落點(diǎn)位置一般有所差異，不同物理性質(zhì)下得到的結(jié)論是不一樣的。這就有力地說明了煤氣阻力對(duì)爐料在空區(qū)運(yùn)動(dòng)的影響，在開發(fā)無鐘布料模型時(shí)是應(yīng)該考慮煤氣阻力的影響。

以首鋼京唐1#高爐( 5 500 m³ ) 的物料條件和設(shè)備參數(shù)為基礎(chǔ)，模擬了在生產(chǎn)條件下，煤氣阻力對(duì)爐內(nèi)布料的影響，以期對(duì)高爐布料的調(diào)整提供參考。

1 爐料運(yùn)動(dòng)模型的建立及計(jì)算

固體顆粒在氣體和液體中運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)受到氣體、液體對(duì)固體顆粒的阻力。前人的研究表明，固體顆粒在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力可以用式( 1) 來計(jì)算:

式中: CD———阻力系數(shù);

A_P———等表面積球體的平均面積，m² ;

ρ_f———流體的密度，kg /m³ ;

w_s———固體和流體之間的相對(duì)速度，m/s;

F_D———流體阻力，N。

對(duì)于高爐實(shí)際布料過程而言，非規(guī)則的爐料顆粒在空區(qū)運(yùn)動(dòng)的過程中受到的煤氣阻力仍可以采用式( 1) 來計(jì)算，但是對(duì)于形狀不規(guī)則的固體顆粒其阻力系數(shù)CD 并不是一個(gè)固定的常數(shù)。1989 年，Haider 和Levenspiel 首先提出非規(guī)則顆粒的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)和形狀系數(shù)的關(guān)系如式( 2) 所示:

式中: R_e———顆粒的雷諾數(shù);

A～D———系數(shù)，并且是顆粒形狀系數(shù)的函數(shù)。

顆粒形狀系數(shù)的函數(shù)計(jì)算過程為:

爐料以一定初速度進(jìn)入空區(qū)，在重力、浮力以及煤氣阻力的作用下，以斜拋運(yùn)動(dòng)的方式下降并最終落到料面上( 或者被煤氣帶走) 。由于煤氣阻力的作用導(dǎo)致不同的爐料種類和粒徑大小在空區(qū)的運(yùn)動(dòng)形式是不同的，大體可以分為以下三種類型: 爐料加速運(yùn)動(dòng)到達(dá)料面、爐料減速運(yùn)動(dòng)到達(dá)料面以及爐料被煤氣吹出。不同的運(yùn)動(dòng)類型導(dǎo)致爐料在空區(qū)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和落點(diǎn)位置是不一樣的。爐料在空區(qū)的運(yùn)動(dòng)形式如圖1 所示。

爐料在空區(qū)的運(yùn)動(dòng)方程如式( 3) 所示:

式中: v_x、v_y、v_z———爐料在X、Y、Z 方向上的分速度，m/s;

α、β、γ———爐料運(yùn)動(dòng)方向和X、Y、Z 的夾角，°;

ρ_g、ρ_s———煤氣的密度和爐料顆粒的視密度，kg /m³。

由于爐料顆粒在空區(qū)運(yùn)動(dòng)的過程中相對(duì)速度是不斷變化的，其大小的改變直接引起雷諾數(shù)R_e 變化，從而進(jìn)一步帶來煤氣阻力大小改變; 其方向的改變會(huì)引起煤氣阻力方向變化，即α、β、γ 發(fā)生變化，并直接影響爐料的最終落點(diǎn)位置( MSP) 。因此，計(jì)算爐料顆粒在整個(gè)空區(qū)的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，是必須考慮煤氣阻力的大小和方向的變化，而不能視為常數(shù)。料流運(yùn)動(dòng)軌跡子模型中采用原始料面逼近法計(jì)算爐料的最終主落點(diǎn)位置( MSP) 和其在空區(qū)的運(yùn)動(dòng)軌跡，其計(jì)算流程如圖2 所示。

從圖2 可以看出，爐料在空區(qū)的下落過程中采用Z 方向的步進(jìn)法逐步向原始料面靠近，步進(jìn)量設(shè)定為0．03 m。在每次計(jì)算時(shí)，分別計(jì)算爐料在這一小段的通過時(shí)間以及位置和速度，從而得到爐料在空區(qū)的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于原始料面對(duì)爐料主落點(diǎn)位置也會(huì)產(chǎn)生影響，所以程序在處理過程中加入Feedback(Z) 反饋程序，通過Z 方向的輸入給出原始料面在該處的半徑位置R’。最后比較R 和R’，當(dāng)兩者的絕對(duì)值相差0．01 m 時(shí)程序就認(rèn)為爐料已經(jīng)達(dá)到料面。

下面以焦炭為例，說明煤氣阻力對(duì)顆粒在空區(qū)運(yùn)動(dòng)以及最終落點(diǎn)的影響。計(jì)算所需焦炭的相關(guān)物性參數(shù)、裝料操作參數(shù)和部分設(shè)備參數(shù)分別見表1、表2。焦炭物性參數(shù)、裝料操作參數(shù)和設(shè)備參數(shù)均為首鋼京唐1#高爐實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)。其中，煤氣流速度為1#高爐正常操作條件下爐頂煤氣的平均流速。

2 煤氣阻力影響焦炭分布的模擬結(jié)果

2．1 煤氣阻力和料線高度對(duì)焦炭主落點(diǎn)的影響

通過料流運(yùn)動(dòng)軌跡子模型計(jì)算，得到受煤氣阻力影響料線高度SL 與焦炭主落點(diǎn)位置MSP－coke的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果見表3 和圖3。

由表3 和圖3 可知，隨著料線高度的提高，焦炭主落點(diǎn)位置均增大，焦炭布向邊緣。但是由于煤氣阻力的作用使焦炭主落點(diǎn)位置比不考慮煤氣阻力時(shí)更小，焦炭更難布到邊緣; 此外需要注意的是，料線越深煤氣阻力對(duì)焦炭的落點(diǎn)半徑越明顯。這主要是因?yàn)槊簹庾枇Φ拇嬖谑菇固吭诳諈^(qū)的停留時(shí)間變長(zhǎng)，與此同時(shí)焦炭在x、y 方向上做減速運(yùn)動(dòng)而并不是勻速運(yùn)動(dòng)，所以焦炭在空區(qū)下降的過程中，其在x、y 方向上發(fā)生的位移量減小，落點(diǎn)位置更靠近高爐中心?？傮w而言，由于煤氣阻力的作用使通過變料線操作來控制爐料主落點(diǎn)位置的效果降低。

2．2 煤氣阻力和顆粒直徑對(duì)焦炭主落點(diǎn)的影響

通過料流運(yùn)動(dòng)軌跡子模型計(jì)算，得到受煤氣阻力影響顆粒直徑Dp 與焦炭主落點(diǎn)位置MSP－coke的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果見表4 和圖4。

從表4 和圖4 可知，不考慮煤氣阻力的情況下，焦炭顆粒直徑的變化對(duì)其落點(diǎn)位置幾乎沒有影響。實(shí)際上，由于煤氣阻力的作用使大粒度更容易布向邊緣一側(cè)，而小粒度布向中心一側(cè)，而當(dāng)粒度越小煤氣阻力帶來的影響越大。由于小顆粒自身的重力小，而煤氣阻力與重力的比值( F /mg) 大，因此對(duì)其落點(diǎn)位置影響明顯。高爐實(shí)際裝入的爐料是粒度不同的顆粒組成的，其粒度組成情況對(duì)不同粒度的顆粒的落點(diǎn)位置影響較大，最直接的表現(xiàn)為料流寬度的變化。一般而言，爐料的粒度組成越不均勻，其料流寬度也越寬。

2．3 煤氣阻力和溜槽傾角對(duì)焦炭主落點(diǎn)的影響

通過料流運(yùn)動(dòng)軌跡子模型計(jì)算，的得到受煤氣阻力影響溜槽傾角CA 與焦炭主落點(diǎn)位置MSP－coke的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果見表5 和圖5。

從表5 和圖5 可以看出，隨著溜槽傾角的增大，無論是否考慮煤氣阻力的影響焦炭主落點(diǎn)位置都是呈現(xiàn)增加的趨勢(shì); 但是，考慮煤氣阻力的作用以后，焦炭主落點(diǎn)位置向高爐中心靠近，在溜槽傾角較大時(shí)這種趨勢(shì)越明顯。這主要有兩方面的原因，一是，溜槽傾角的增大帶來相同料線情況下，焦炭在空區(qū)的運(yùn)動(dòng)距離增大，帶來料線的變相增大; 二是，溜槽傾角變大帶來Z 方向速度的降低，煤氣阻力作用效果更大。

無鐘高爐開爐的重要任務(wù)之一就是制定檔位劃分方案，由于開爐過程中沒有上升的煤氣，因此實(shí)際布料檔位角度應(yīng)該在開爐實(shí)測(cè)布料檔位傾角的基礎(chǔ)上加上一個(gè)修正值，從而消除實(shí)際生產(chǎn)高爐和開爐時(shí)的爐況差異帶來的影響。

2．4 煤氣阻力對(duì)焦炭的上下臨界直徑的影響

焦炭從溜槽進(jìn)入空區(qū)以后，由于顆粒直徑大小的差異導(dǎo)致不同直徑顆粒在空區(qū)的運(yùn)動(dòng)形式是不一樣的。大體可以分為三種類型: 爐料加速運(yùn)動(dòng)到達(dá)料面、爐料減速運(yùn)動(dòng)到達(dá)料面以及爐料被煤氣吹出。因此，存在兩個(gè)臨界直徑來劃分不同的運(yùn)動(dòng)類型。其中以下臨界直徑表示顆粒能被吹出的最大直徑，與煤氣流速有關(guān); 上臨界直徑表示所有以加速運(yùn)動(dòng)的方式下降到料面的最小顆粒直徑，與顆粒進(jìn)入空區(qū)的初始速度和煤氣流速有關(guān)。不同煤氣流速下，焦炭的上下臨界直徑與煤氣流速的關(guān)系見表6 和圖6。

從表6 和圖6 可以看出，焦炭顆粒的上、下臨界直徑均隨煤氣平均流速的增大而增大。在煤氣平均流速為1．32 m/s 時(shí)，上臨界直徑為17．3 mm，下臨界直徑為0．68 mm。當(dāng)焦炭顆粒大于17．3 mm 時(shí)( 即A 區(qū)) ，其將以加速運(yùn)動(dòng)的方式下降到料面; 焦炭顆粒小于0．68 mm( 即C 區(qū)) ，其將會(huì)被煤氣吹出; 焦炭顆粒介于兩者之間時(shí)( 即B 區(qū)) ，其將以減速運(yùn)動(dòng)的方式下降到料面。對(duì)于A、B 區(qū)的焦炭來說，由于其速度變化后所受到的煤氣阻力也會(huì)變化，如果料線較深，其有可能最終以勻速的方式達(dá)到料面。

同時(shí)，計(jì)算了爐頂煤氣流速對(duì)燒結(jié)礦下臨界直徑的影響，并與焦炭下臨界直徑進(jìn)行了對(duì)比，如圖7所示。

由圖7 可知，相同煤氣流速下，燒結(jié)礦的下臨界直徑低于焦炭，且焦炭和燒結(jié)礦臨界直徑的差隨煤氣流速的增加而增大。如煤氣流速為2 m/s 時(shí)( 工況條件下) ，焦炭的下臨界直徑為1．445 mm，而燒結(jié)礦的下臨界直徑為1．18 mm。爐料的下臨界直徑表征高爐冶煉條件下，隨煤氣進(jìn)入爐塵的顆粒大小，原料中含該臨界直徑的顆粒越多，則爐塵量可能增加。

對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)高爐，爐頂料面以上的“空區(qū)”，煤氣流速在爐頂分布是不均勻的，這種不均勻性主要由裝料制度決定。一般而言，煤氣在中心以及邊緣的流速較快，因此在中心和邊緣區(qū)域其對(duì)應(yīng)的爐料的臨界直徑都更大。這意味著中心和邊緣區(qū)域可以將更大直徑的顆粒吹出，而這些顆粒會(huì)在煤氣流速低于平均流速的位置再次沉降下來，這將導(dǎo)致該區(qū)域的透氣性更差，促使煤氣分布向不均勻性方向發(fā)展。

另外，爐料所含的小顆粒爐料、粘附的小顆粒以及爐料下落沖擊新產(chǎn)生的顆粒，由于在爐頂料面以下的區(qū)域內(nèi)，煤氣流速高于“空區(qū)”，爐料的下臨界值會(huì)進(jìn)一步增大，甚至達(dá)到10 幾個(gè)毫米，進(jìn)入“空區(qū)”低煤氣流速區(qū)域再下落，進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致在爐喉料面間分布的均勻性變差，透氣區(qū)域更透氣、不透氣區(qū)域更不透氣。

3 結(jié)論

根據(jù)爐料在空區(qū)的受力和運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)際情況，建立相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程和數(shù)學(xué)模型，充分考慮了煤氣阻力對(duì)料流軌跡的影響，對(duì)爐料在“空區(qū)”的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了有意義的探索，豐富了無料鐘爐頂布料的理論內(nèi)涵，促進(jìn)了無料鐘爐頂裝料技術(shù)的完善。對(duì)爐料在空區(qū)的研究得到如下結(jié)論:

( 1) 爐料在“空區(qū)”運(yùn)動(dòng)，是開爐或停風(fēng)測(cè)料面與理論布料模型間存在差別的原因之一，煤氣阻力是爐料在“空區(qū)”運(yùn)動(dòng)不同于靜態(tài)的拋物運(yùn)動(dòng)的根本原因。

( 2) 煤氣阻力的作用使?fàn)t料沿水平、圓周切向的分速度均降低，其作用效果主要是促使?fàn)t料的主落點(diǎn)位置靠近高爐中心，在料線越深、布料傾角越大以及顆粒直徑越小時(shí)其作用效果越明顯，隨著高爐冶煉強(qiáng)度的提高，煤氣所能吹出的最小顆粒直徑也迅速增大。

( 3) 京唐1#高爐條件下，α = 36 °、料線1．6 m時(shí)，是否考慮“空區(qū)”煤氣阻力的作用，焦炭主落點(diǎn)遠(yuǎn)離爐墻、位置相差約0．12 m。

( 4) 京唐1#高爐條件下，焦炭的上臨界直徑為17．3 mm，下臨界直徑為0．68 mm。即當(dāng)焦炭顆粒大于17．3 mm 時(shí)，將以加速運(yùn)動(dòng)的方式下降到料面; 焦炭顆粒小于0．68 mm，其將會(huì)被煤氣吹出; 焦炭顆粒介于兩者之間時(shí)，其將以減速運(yùn)動(dòng)的方式下降到料面。

( 5) 同一煤氣流速條件下，燒結(jié)礦的下臨界直徑低于焦炭。

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