第43卷第2期200钢铁V01.43。No.2February20088年2月IronandSteel高炉上部煤气流调剂影响研究朱清天1’2,程树森1(1.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083;2.宝山钢铁股份有限公司宝钢分公司,上海200941)摘要:利用数值模拟对煤气流的流场及温度场进行了计算。根据高炉不同部位的煤气流速分布,分析得出炉料分布对中上部煤气流分布和软熔带形状有决定作用,而鼓风制度可快速改变下部煤气流分布,并结合实际高炉中的现象及操作讨论了炉料分布的重要性。结果表明:在高炉生产中,有一个合理的布料制度是高炉操作的关键,径向煤气流分布受炉料透气性分布影响很大,初始煤气流对其影响较小,下部煤气流分布信息很难在上部反应。关键词:高炉;煤气流;布料,鼓风}数值模拟中图分类号:TF537文献标识码:A文章编号:0449—749X(2008)02—0022—04onPreliminaryStudyEffectsofChargingSystemofGasFlowDistributionCHENGShu-senlBlastFurnaceonZHUQing-tianl”。(1.SchoolofMetallurgyandEcologicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBering。Beijing2.BaosteelBranch,BaoshanIronandSteelCo.,Ltd.,Shanghai200941,China)100083,China;Abstract:Gasflowdistributionaffectsdirectlythecampaignandefficiencyofblastfurnace(BF).Theproperandop—timumdistributionofgasflowshouldbeprovided.However,theclosenessandcomplexitybringgreatdifficultygasmeasuringthegasflow.Inpractice,gasflowdistributioninstackisestimatedbymeasuringtopRecently,numericalsimulationisturedistribution.newandeffectivemethodforresearchtOgasflow,Theflowfieldandtempera—partsfieldofgaswerecalculatedwithnumericalsimulation.AccordingthevelocityfieldofgasindifferentgasofBF,itwasfoundthatburdendistributionisdeterminantfactorofrationalgasflowdistributioninthemidandup—perstackandformationofcohesivezone.Inaddition,theflowdistributioninlowerstackbecontrolledbyblastingmode.TheimportanceofburdendistributionisdiscussedwithpracticeofBF.Theconclusionis:agoodchargingsystemisthekeystoneofBFoperation,theeffectofburdenpermeabilityisgreatwhiletheeffectofinitialbereflectedbytopgasgasradialdistributionofgasflowtoflowdistributionissmall,andthegasflowdistributioninlowerstackishardflow.Keywords;blastfurnace;gasflow;burdendistribution;blasting;numericalsimulation高炉要想达到高效长寿,合理控制煤气流分布就是关键因素之一。煤气流的分布关系到炉内温度分布、软熔带结构、炉况顺行、煤气利用率和高炉长寿。高炉操作也主要是围绕获得合理、适宜的煤气流分布来进行的,生产中通过上下部调剂来实现。作为上部调剂的装料制度在实际操作中有着重要作用。中心死焦堆不活跃,将直接影响高炉生产,处理此失常炉况的措施,国内外高炉的操作基本一致,如文献[1]中,宝钢2号高炉为活跃炉缸,采取中,ban焦措施,加快炉缸死料柱的更换,达到了预期目的。文献Ez-i中提到国外解决高炉死焦堆不活跃的首要措施也是中心加焦,而且加入的为大块焦炭。国外高炉研究人员进行了死焦堆的更换实验[3],结果表明:在炉料下降过程中,中心区域的焦炭能更换基金项目:国家自然科学基金资助项目(60672145)作者简介:朱清天(1981一),男,硕士,工程师}下部死焦堆,这也说明通过装料制度在中心加焦,加快死焦堆的更换,从而活跃炉缸。因而炉料的分布对下部影响是相当大的。目前高炉操作究竟应该以哪个调剂为主还有很大争论,实际中主要依靠经验,缺乏必要的理论基础,因而对高炉煤气流分布研究是十分必要的。然而高炉的封闭性和复杂性,对实测煤气流分布带来很大困难。实际生产中,高炉以间接观察和经验操作为主,仅仅通过炉顶煤气流分布来研究判断煤气流在料柱内的分布情况。同时,炉内煤气流受炉料分布、软熔带、回旋区等影响进行3次分布,其中软熔带对煤气流阻力最大,而软熔带由炉料温度场决定。在众多煤气流分布的影响因素中,煤气流的研究一直是高炉工作的难题之一。E-mall:zqt81@yahoo.tom.cn;修订日期;2007—06—20万方数据 第2期朱清天等:高炉上部煤气流调剂影响研究本文利用数值模拟方法,计算高炉煤气的流场和温度场。通过不同部位的煤气流分布,分析煤气流分布的影响因素及影响关系。并结合实际高炉中的现象及操作来讨论上下部调剂对煤气流影响的差别,从而为高炉实现合理煤气流分布奠定坚实的理论基础。1平,如图1(b)所示。模型中焦炭和矿石的主要物性参数见表1。‘高炉内风口进入煤气初始温度为2400K(理论燃烧温度),煤气流量为2.0kg/s(半风口)。模型中加入的矿石和焦炭初始温度为303K,炉料下降速度为0.00180~o.00075m/s。根据模型计算得到研究模型本文以1800m3高炉为研究对象。图1为高炉高炉煤气流分布,炉料和煤气流的温度场,并根据炉料温度场可以确定软熔带位置。2模拟结果以各料层的径向透气性分布均匀为基本模型,模拟得到的煤气流场在料层倾斜、炉料分布均匀的情况下,软熔带形状成平坦的“倒V”型。料柱内煤气流在“焦窗”有较大分布,其次为料表面中心,从流速云图中可清楚看出炉顶中心较强煤气流的分布。煤气在料表面流动方向垂直料面,由于外界为空区且中心料面低于边缘,这样能最大地减小压损,从流线图可清楚看出在料表面煤气流线变向,并趋于垂直料面。因而料面形状引起炉顶中心分布有较强的煤气流。受软熔带影响,煤气在“焦窗”煤气流分布较大,但煤气进入透气性分布均匀的料层后,煤气流发生重新分布(简称“整流”),即煤气流径向分布随各料层透气性的分布而变化,从软熔带以上块状带内煤气流速在径向分布基本不变,可清楚看出块状带对煤气流的“整流”作用,均匀的炉料分布得到径向均匀分布的为煤气流。可见在均匀分布的料层,只要厚度够大,不同初始煤气流分布将“整流”趋于均匀。比较圆周上不同对称面的煤气流分布情况可看出,除炉缸回旋区部位煤气流分布略有差别外,炉身及其余部位煤气分布基本相同。可见,风口回旋区对煤气流场的影响只限于其附近,随煤气上升回旋区的影响减小,圆周上的煤气流分布也越趋于均匀,因而在炉身及上部认为高炉轴对称,使用二维简化模型是可行的。这也充分说明炉料对煤气流的“整流”,由于圆周上分布均匀的炉料,出回旋区后不均匀分布的煤气流在上升过程中趋于分布均匀。煤气流模拟的三维物理模型。数学模型包括煤气流在多孔介质的流动模型、炉料与煤气间的传热模型,具体模型见参考文献E43。(a)物理模型;图lFig.1(b)模型区域划分高炉煤气流模型示意图Modelofgasflowinblastfurnace高炉装料制度决定了炉料的分布,实际高炉中受装料设备所限,装入的各料层均存在一定倾角。随着炉料的下降,由于炉料和煤气的几次再分布,使料层结构沿料层高度发生很大变化。高炉解剖及大量模型实验研究结果表明,随炉料往下运动,料层分布形状逐渐由M型变为水平型,即炉料在炉内的堆角逐渐变/j,E引。因而模型假设焦炭与矿石层倾角相等,在料柱表面倾角为30。,随炉料下降料层成为水裹1模型中炉料主要物性参数Table1Burdenpropertiesofthemodel万方数据 钢铁第43卷为分析炉内煤气流分布情况,在模型中分别取不同标高下煤气流速径向分布曲线,见图2(z=1.2ITI为风口中心线,此标高煤气流速在径向变化很大,中心与边缘回旋区的煤气流速过渡使用断点,表示流速的突变)。从图中平行料面(z一5.8m)的煤气流分布可看出,在炉身内部单一料层的煤气流速基本相等,这充分显示了均匀料层对煤气流的“整流”作用。但矿石层与焦炭层内煤气的流速不等,从2—20rrl处温度曲线可见,由于此高度中心为矿石层,则水平面交替经过矿石与焦炭层,从曲线的波动可看出煤气在矿石层的速度相对要大,这是由于其空隙度小而引起的。从料表面的煤气流分布可清楚看出料面形状对炉顶煤气分布的影响,中心煤气流速大,且随靠近壁面煤气流速递减,可见料面倾角的存在,较低的中心料面促进了炉顶中心煤气流的发展。比较图中不同高度煤气流速径向分布可见,从回旋区(z--1.2m)标高下边缘较大分布的初始煤气流在上升过程中径向分布逐渐均匀变化,可见初始煤气流对上部煤气流分布的影响较小,不同高度煤气流分布随炉料透气性分布在“整流”变化。图2煤气流速在径向的分布曲线Fig.2Radialdistributionofgasflowrateatdifferent高炉中焦炭层与矿石层交替分布,煤气上升过程中常在透气性小的矿石层受阻,为达到煤气流经过路径最短、压损最小,煤气流动方向趋于垂直科面。由于轴向上方的矿石层影响,在透气性较好的焦炭层,则煤气流动方向偏向于壁边。可见在某一层中,煤气的流动方式趋于固定,这也正是“整流”的结果。因而可知,煤气在上升过程中在不断地改变流动方向以减小压损,中心流动成竖直向上,边缘流动沿炉壁上升,而处于两者间的煤气成波动状流动,且这种波动会随料层倾角和料层厚度的增大而变得剧烈。标高z=1.2m横截面经过风口中心,此流速万 方数据分布图反映了流体从风口进入回旋区后的一次分布情况,进口流速相当大,而后向料柱分散流动,煤气流速逐渐减小,分布逐渐均匀,并分别向中心和炉壁流动,相对中心死焦堆和炉壁的煤气流分布较小,而回旋区内流速很大。随着煤气上升,风口横截面上的煤气分布影响在逐渐消失。比较z=2.5m和z=3m处流速分布可见,在z=2.5ITI处受下部回旋区煤气流分布的影响,煤气流分别向中心和边缘流动,而随高度增大,在2—3m处煤气流受软熔带影响均向中心流动。可见,初始煤气流出回旋区后受滴落带透气性分布而发生改变,向边缘流动的煤气流加剧炉腰及炉腹的侵蚀。在块状带2—18m处,在矿石层有较大的流速向中心流动,这是由于料层倾角存在,在矿石层煤气流垂直料层向中心,减小压损,因而其在横截面上煤气有较大的向中心流动的速度。而在焦炭层,空隙度大流速小,透气性好,煤气流向偏向炉墙,因而存在较小的向边缘流动的速度分量。从以上分析可见,高炉煤气流的分布受炉料透气性影响较大,不同标高煤气流分布均趋于适应散料层透气性的分布,初始煤气流的影响相对较小,如在回旋区所形成的初始煤气流,回旋区上部一定距离有影响,随煤气上升,煤气流分布在按炉料透气性不断发生改变。3煤气流分析为分析下部调剂对煤气流的影响,本文模拟了堵风口时煤气流分布情况。由于风口数减少,研究的三维模型所占角度变大,进口煤气量和回旋区均增大。从流速分布可见,两个轴对称面下部煤气流分布有很大差别,由于风口回旋区在圆周下不连续分布,且堵风口后风口间距增大,因而在远离风口的轴对称面上煤气流速相对较低,尤其在炉壁边缘,由于回旋区增大,原始煤气流分布偏向中心,因而在炉壁边缘煤气流分布较小,炉温较低,减少了炉壁侵蚀。随着煤气流上升,煤气流在圆周上分布逐渐趋于均匀,且在块状带由于炉料分布均匀同,径向煤气流分布也相对均匀。可见堵风口对下部煤气流分布有很大影响,但随着煤气流上升,影响在逐渐减小,软熔带以上的煤气流已基本不受风口的影响。当然这种影响受下部炉料的透气性分布影响较大,透气性小,“整流”作用强,影响距离就小。图3为软熔带和炉顶煤气流速在径向分布曲线,比较2曲线也证实风第2期朱清天等:高炉上部煤气流调剂影响研究图3堵风口后煤气流速径向分布曲线Fig.3Radialdistributionofgasflowwithpluggedtuyeres口及软熔带对上部煤气分布影响很小,用炉顶煤气分布无法反映下部情况。图4为不同标高下煤气流矢量分布,图4(a)为三维矢量图,图4(b)为流速在横截面上的投影图。从图4(a)可清楚看出,在z=3.5In以下区域煤气流分布受风口回旋区影响很大,此区域内边缘煤气流分布很小,且有一定煤气在流向边缘,这正是散料层对煤气的“整流”,煤气在上升过程中在逐渐按透气性在分布,初始煤气流对上部影响较小,但其确实改变了下部煤气流的分布,减弱了炉腹边缘煤气流的分布。比较横截面流速分布可看出,风口数减少,回旋区增大,在相同标高下煤气流分布影响增大,但回旋区的影响同样在随煤气上升逐渐减小,仅仅是其影响距离略有增大。从横截面上的煤气分布也可看出下部炉墙附近煤气流分布很小,导致煤气有很大趋势流向炉壁,从而说明下部调剂对改变下部煤气流分布的显著作用。在实际操作中也可见炉料对煤气流的“整流”作用。在济钢、莱钢等高炉的实测热电偶温度发现,炉图4堵风口后不同标高煤气流速矢量分布Fig.4Vectorsofgasflowatdifferent万 方数据身下部在圆周上受出铁影响相对在出铁口角度的热电偶温度较高,而温度在圆周上分布的不均匀必然是煤气流分布不均引起的,因而可见在炉身下部煤气在圆周上分布不均匀。但实测炉顶煤气流温度在圆周上分布却是均匀的,也就是炉顶煤气流在圆周上已经分布均匀。比较可知,下部煤气流分布对上部影响较小,也很难通过炉顶煤气流来反映下部炉况,这正是由炉料的“整流”造成的。从炉料对煤气流的“整流”作用可见,布料是高炉操作的关键,也是解决失常炉况的根本方法。实际高炉操作中,当出现中心不活跃时,首要操作就是在中心加大块焦,后加风量、富氧及提高理论燃烧温度,使热区向中心扩展,后者其实是为了加速炉料下降和更替,使中心焦炭更换,中心透气性变好,发展中心,活跃死焦堆。通过此操作可得到活性较好的死焦堆,解决死焦堆不活跃带来的一系列问题,此操作过程需要约4周[2]。可见要有一个好的煤气流分布,整个料柱合理的炉料分布是关键,但用其来调整煤气流分布见效速度较慢。综合以上分析可知,在软熔带及下部影响的煤气流分布仅是进入块状带的一个初始状态,由于块状带较厚,透气性差及炉料分布各异,料层对煤气流的“整流”相当严重,因而下部煤气流分布情况很难在炉顶煤气流中反映,甚至在块状带内部出现的特殊煤气流分布,也会在上升过程中快速重新分布,以适合所在料层的分布情况。所以煤气流出软熔带后,其分布状况在不断变化,不断发生“整流”,特别当煤气上升到料面附近,此时煤气流将受到料面形状及透气性分布的影响,使炉顶煤气流分布变化。因此,料层“整流”作用的存在,更突出了炉料分布的重要性。由于整个块状带的合理分布才能有一个好的煤气流分布,所以通过装料制度来调节整个块状带的煤气流分布是一个较慢的过程。而鼓风制度却是一种及时改变下部煤气流分布的有效辅助手段。在实际高炉操作中,常运用鼓风制度来快速处理失常炉况,如增减风量和风温、改变风口大小、堵风口等,但其不能决定整个块状带的煤气流分布。因而布料操作才是达到煤气流合理分布的根本,没有好的炉料分布,达到高炉稳定、高效地生产很难。4结论(1)煤气流分布趋向于适合料层透气性的分布,(下转第34页)钢铁第43卷表4反应前后炉渣中B05含量Table4Changingof(2)实验结果表明,在17731923K温度范围P205inslag内,气化脱磷率随着温度的升高而增大;当13%<w(FeO)<19%时,脱磷率随着Fe0含量增加而上升,当19%<叫(FeO)<25%时,脱磷率随着FeO含量增加而下降;当2.4<R<3.6时,气化脱磷率随着碱度的升高变化不明显。(3)增加氮气流量,气化脱磷率升高,因为流动更新的氮气会明显降低气体产物的分压,供氮强度对流动氮气氛条件下熔渣气化脱磷效果有明显影响;实际溅渣供氮强度满足熔渣还原气化脱磷反应稀释气化产物的要求。述褥链婆参考文献:[1]黄志芳,周永强,杨钊.谈谈钢渣综合利用的有效途径[刀.有色金属设计,2005,(2)#51.(HuANGZhi-{ang,ZHOUYong-qiang,YANGZhao.DiscussionAboutComprehensivelyUtilizingSteelDesign,2005,(2):51.)EffectiveWayforSlag[J].NonferrousMetalsN2流量“rIl3.h。)图4不同N:流量水平对脱磷率的影响Fig.4Effectofnitrogenflowdephosphorizationrate[2]吴胜文.溅渣层炉渣特性及气化脱硫[D].北京:北京科技大学,2000。[3]RyuJY,FruehanVaporizationfromRJ,MoralesAT.KineticsofPhosphorusrate伽SlagEJ].I&SM,1999,(1)159.[4]盛利寅,莆罔明,圆分春生.冶金用叉于少加岛力氯化脱硫[J].铁匕鲷,1999,69(6):582.[5]李光强,张峰.高温碳热还原进行转炉渣资源化的研究[J].材料与冶金学报,2003,2(3):167.(LIGuang-qiang,ZHANGFeng.RecycleofbonThermalConverter4结论(1)通过正交实验极差分析得出,在影响转炉SlagbyHighTemperatureCar-渣气化脱磷的炉渣成分因素中温度对气化脱磷率的影响最大,FeO含量次之,碱度最小。(上接第25页)料层透气性好煤气流发展,反之抑制。初始的煤气流分布影响距离相当有限,而初始的炉料分布在下降过程中时时影响煤气流的分布,煤气流趋向于按炉料透气性分布而分布,这就是炉料的“整流”作用。(2)炉料对煤气流分布有“整流”作用,因而布料才是达到煤气流合理分布的关键,好的煤气流分布需要合理的炉料分布。利用装料制度来调节整个料柱的煤气流分布是一个较慢的过程。(3)回旋区增大改变下部煤气流分布,使边缘煤气流分布较少,保护炉墙,但对上部煤气流影响有限。鼓风制度是调整下部煤气流分布的一种快速辅助手段。参考文献:[1]徐万仁,朱仁良,张龙来,等.宝钢2号高炉炉缸侧壁侵蚀原因[5][4][3]Reduction[J].JournalofMaterialsandMetallur—gY,2003,2(3)l167).七七电电女七电’专七七电七女女电七电七电女女女电七七七电电弋弋专七弋七电七电弋弋弋七弋弋电专★弋★及控制实践[J].钢铁,2007,42(1):8.(XUWan-ren,ZHURen—liang,ZHANGEPracticeLong-lai,eta1.ReasonErosionandControlBaosteelofHearthSidewallofNo.2BF[J].IronandSteel,2007,42(1):8.)MKalevi鼢pala.DeadmanKawaiH,TakahashimaninandHearthPhenomenainBlastFurnace[J].ScandinavianJournalofMetallurgy,2000,29:39.H.SolidBehaviorFurnaceinShaftandDead-ColdModelofBlastWithFloating-SinkingandMotionofHearthPackedNumericalDEM(7):1140.BedStudiedbyExperimentalAnalyses[J].ISUInternational,2004,44朱清天.高炉内煤气流分布的研究[D].北京:北京科技大学,2007.(ZHUQing-tian.AStudyGasFlowDistributioninBlastFurnace[D].Beijing:UniversityofScienceandTechnol—ogyBeijing。2007.)傅世敏,刘子久,安云沛.高炉过程气体动力学[M].北京:冶金工业出版杜,1990.万方数据 高炉上部煤气流调剂影响研究
作者:作者单位:
朱清天, 程树森, ZHU Qing-tian, CHENG Shu-sen
朱清天,ZHU Qing-tian(北京科技大学冶金与生态工程学院,北京,100083;宝山钢铁股份有限公司宝钢分公司,上海,200941), 程树森,CHENG Shu-sen(北京科技大学冶金与生态工程学院,北京,100083)钢铁
IRON & STEEL2008,43(2)3次
刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
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