盧 瑜 張明星 趙華濤 杜 屏

(江蘇省沙鋼鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

無鐘爐頂設(shè)備由于布料靈活、質(zhì)量輕、高度低、拆裝方便等特點(diǎn)，自1972年首次應(yīng)用以來，已在世界范圍內(nèi)得到大規(guī)模的推廣，新建的大型高爐普遍采用無鐘爐頂，甚至部分500 m3小高爐在大修時(shí)也改用了無鐘爐頂設(shè)備[1]。因此，研究無鐘爐頂?shù)牟剂弦?guī)律，對(duì)深入理解無鐘布料的特點(diǎn)，進(jìn)一步提高無鐘爐頂操作技術(shù)水平，有著重要而現(xiàn)實(shí)的意義。

由于高爐是一個(gè)高溫密閉容器，高爐操作人員只能通過爐頂十字測(cè)溫、煤氣成分分析等檢測(cè)數(shù)據(jù)，憑經(jīng)驗(yàn)間接地推斷爐料在爐內(nèi)的分布狀況，缺乏理論指導(dǎo)和客觀依據(jù)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，高爐無鐘爐頂布料的數(shù)學(xué)模型[2- 9]陸續(xù)被開發(fā)出來。但是由于模型的建立均需要做一些參數(shù)的簡(jiǎn)化和條件的假設(shè)，計(jì)算結(jié)果是否正確，仍需要試驗(yàn)驗(yàn)證。其中以相似性原理為基礎(chǔ)的物理模擬方法，采用真實(shí)爐料在比例模型上進(jìn)行無鐘布料試驗(yàn)，能直觀地呈現(xiàn)無鐘布料過程，并且能對(duì)計(jì)算模型需要的參數(shù)進(jìn)行修正，從而對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，目前已越來越多地被冶金工作者所采用。杜鶴桂等[10]采用1 513 m3高爐1∶11無鐘爐頂模型進(jìn)行布料模擬試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果建立了裝料方式與爐料分布之間的數(shù)學(xué)模型，討論了溜槽角度和轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)爐喉徑向礦焦比分布的影響。張建良等[11]運(yùn)用相似性理論建立了實(shí)驗(yàn)室無鐘爐頂布料模型，將理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)室模擬相結(jié)合得到的參數(shù)代入布料數(shù)學(xué)模型，可以直觀地呈現(xiàn)高爐內(nèi)多環(huán)布料料面。李志全等[12]采用1∶10物理模型對(duì)邯鋼5號(hào)高爐的布料規(guī)律進(jìn)行了模擬研究，分析了兩種布料制度下料面形狀的差異。Jimenez等[13]利用1∶10半圓形高爐爐身模型，結(jié)合圖像處理技術(shù)重現(xiàn)了高爐內(nèi)塊狀帶的形成過程，并利用模型研究了焦炭的坍塌行為以及氣流對(duì)塊狀帶爐料分布的影響。

本文以相似性原理為基礎(chǔ)，建立了按500 m3高爐1∶6比例縮小的180°無鐘爐頂模型，模擬了爐料從料罐到高爐塊狀帶的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，得到了試驗(yàn)條件下的料層徑向礦焦比分布、氣流速度分布和徑向粒度分布。并利用該模型研究了邊緣平臺(tái)寬度對(duì)爐喉徑向料層分布和氣流分布的影響，為設(shè)計(jì)合理的布料制度提供了技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 試驗(yàn)材料

為了更真實(shí)地模擬高爐布料過程，在保證試驗(yàn)材料粒度分布與實(shí)際爐料粒度分布相似的同時(shí)，還需要保證礦石和焦炭在試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂諈^(qū)運(yùn)動(dòng)軌跡和爐料在高爐空區(qū)運(yùn)動(dòng)軌跡的相似性。制粒的可行性、中心喉管下料和下部振動(dòng)機(jī)排料的順暢性也是需要考慮的重要因素。制粒原料為實(shí)際高爐用的燒結(jié)礦和焦炭，利用破碎機(jī)對(duì)其破碎，篩分機(jī)篩分得到不同粒度級(jí)別的均勻顆粒，再將不同粒度級(jí)別顆粒進(jìn)行混合，得到試驗(yàn)用材料。在滿足相似性原理的前提下[9]，經(jīng)過反復(fù)的制粒、混合和布料試驗(yàn)，最后確定了燒結(jié)礦和焦炭的縮小比例為1∶7.5和1∶10，試驗(yàn)材料的粒度分布見表1和表2，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭惺褂玫臒Y(jié)礦平均粒徑為2.5 mm，焦炭平均粒徑為4.4 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

圖1 所示為試驗(yàn)設(shè)備示意圖。從圖中可以看出，無鐘爐頂模型是按500 m3高爐1∶6比例縮小的180°冷布料模型，由料罐系統(tǒng)、布料系統(tǒng)、爐體系統(tǒng)、排料系統(tǒng)和送風(fēng)系統(tǒng)5個(gè)部分組成。料罐系統(tǒng)由兩個(gè)并列的料罐和底部的插板閥、料流調(diào)節(jié)閥組成。料流調(diào)節(jié)閥下部直接與布料系統(tǒng)的中心喉管和旋轉(zhuǎn)溜槽相連。布料過程如下：兩個(gè)料罐交替使用將爐料送入中心喉管，通過旋轉(zhuǎn)溜槽以設(shè)定角度和旋轉(zhuǎn)速度將爐料布于爐喉平面。同時(shí)，試驗(yàn)爐體下部均布20個(gè)風(fēng)口，鼓風(fēng)由送風(fēng)系統(tǒng)的儲(chǔ)氣罐通過減壓設(shè)備送入風(fēng)口內(nèi)。試驗(yàn)過程中，為了保持料線的恒定，在布料完成后，由電動(dòng)排料機(jī)將爐料從爐體下部排出。

表1 實(shí)際高爐用燒結(jié)礦和物理模型用燒結(jié)礦的粒度分布對(duì)比Table 1 Comparison of particle size distributions of sinters used in actual blast furnace and the scaled model %

表2 實(shí)際高爐用焦炭和物理模型用焦炭的粒度分布對(duì)比Table 2 Comparison of particle size distributions of cokes used in actual blast furnace and the scaled model %

圖1 按1∶6比例縮小的冷布料模型Fig.1 Cold charging model reduced to 1/6- scale

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)際高爐檔位和角度的設(shè)計(jì)

為了減少試驗(yàn)次數(shù)，提高試驗(yàn)質(zhì)量，將實(shí)際高爐爐喉按照等面積法則，劃分成11個(gè)面積相等的區(qū)域，固定各區(qū)對(duì)應(yīng)的角度，使每一次試驗(yàn)都在有限的固定角度下進(jìn)行。500 m3高爐爐喉半徑為2.3 m時(shí)，計(jì)算得到的溜槽角度和落點(diǎn)位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 溜槽角度和落點(diǎn)位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 3 Variation of the distance from the center with titling angle

根據(jù)高爐休風(fēng)觀測(cè)料面結(jié)果，結(jié)合劉云彩[1]的布料數(shù)學(xué)模型， 得到實(shí)際高爐在每一個(gè)檔位的落點(diǎn)到爐墻距離(s)和爐喉半徑(R)之比與布料角度之間的關(guān)系，用式(1)表示：

(1)

式中：θ是布料角度，單位°，c1=-0.032，c2=1.509，礦石和焦炭通用。

1.3.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋n位和角度的確定

為了保證礦石和焦炭在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械穆潼c(diǎn)位置和爐料在高爐爐喉的落點(diǎn)位置的相似性，在完成實(shí)際高爐檔位和角度的設(shè)計(jì)后，需要找到試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭信c之對(duì)應(yīng)的檔位和角度。本文進(jìn)行了一系列的單環(huán)布料試驗(yàn)，分別得到了試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械V石和焦炭的布料角度與落點(diǎn)位置之間的關(guān)系，用式(2)表示。

(2)

式中：β為試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟剂辖嵌?，單位°；k1和k2為系數(shù)，對(duì)礦石k1=48.42，k2=-1.46，對(duì)焦炭k1=49.95，k2=-1.48。

通過聯(lián)立式(1)和式(2)，得到了實(shí)際高爐角度θ和模型角度β之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.3.3 試驗(yàn)參數(shù)的確定和布料制度的設(shè)計(jì)

根據(jù)相似性原理，模型的最小流態(tài)化速度與爐喉煤氣流速的比值和實(shí)際高爐的最小流態(tài)化速度與爐喉煤氣流速的比值應(yīng)相等，求得物理模型風(fēng)量為4.8 Nm3/min，物理模型設(shè)定料線為168 mm，溜槽轉(zhuǎn)速為192 ℃/s，詳細(xì)步驟參考文獻(xiàn)[9]。燒結(jié)礦批重為40 kg，焦炭批重為10 kg，得到焦炭負(fù)荷為4.0，與實(shí)際高爐焦炭負(fù)荷保持一致。通過反復(fù)的試驗(yàn)，得到了礦石和焦炭的各自布料時(shí)間和料流閥開度的關(guān)系，當(dāng)總布料圈數(shù)為12圈時(shí)，燒結(jié)礦的料流閥開度為17.5 mm，而焦炭的料流閥開度為35 mm。

根據(jù)小高爐現(xiàn)行布料理念，即大α角，大礦角布料方式，本文設(shè)計(jì)了3組不同的布料制度，見表4。具有以下特點(diǎn)：礦焦同角，而且角度比較大，焦炭和礦石圈數(shù)相同，焦炭圈數(shù)均勻，這樣更利于形成焦炭平臺(tái)。

1.3.4 料面形狀的測(cè)量

表4 設(shè)計(jì)布料制度Table 4 Designed charging patterns

為了縮短試驗(yàn)時(shí)間和降低試驗(yàn)強(qiáng)度，試驗(yàn)前，預(yù)先向爐體中直接裝入粒度均勻的焦炭，直至料線，并將料面攤平。再按照設(shè)計(jì)的焦炭布料制度將粒度均勻的焦炭通過旋轉(zhuǎn)溜槽布入爐內(nèi)，一批料布完后，將爐料從下部排出，直至料線降至168 mm，反復(fù)6次，直至料面收斂。最后按照設(shè)定的布料制度，將6批混合料按照先焦炭后礦石的順序裝入爐內(nèi)，再排料，直至料面收斂。

在布第6批料時(shí)測(cè)量料面形狀以及礦石和焦炭徑向厚度，測(cè)量方法如圖2所示。沿冷布料模型爐喉直徑取11個(gè)測(cè)量點(diǎn)，爐墻附近料面形狀變化較大，因此靠近爐墻一側(cè)測(cè)量點(diǎn)布置較密。將布最后一批焦炭前后料面各點(diǎn)距離0料線的垂直距離相減便得到每一點(diǎn)上焦炭厚度Ci(i=1,2…11)。排料并等焦炭料面降至168 mm，布最后一批礦石。將礦石布料前后料面各點(diǎn)距離0料線的垂直距離，分別記為OUi(礦石料面)和OLi(焦炭料面)，兩者相減得到每一點(diǎn)的理論礦石厚度Oi=OLi-OUi。假設(shè)焦炭料面降至168 mm料線過程中，焦炭層厚度不變，則原始料面，記為CCi，可根據(jù) CCi=OLi+Ci求得。研究表明[14]，礦石落下時(shí)，會(huì)將焦炭推向中心，本文利用礦石測(cè)厚儀測(cè)量了徑向礦石層的實(shí)際厚度Oi’，得到發(fā)生坍塌后的焦炭料面OLi’=OUi+Oi’。同時(shí)，利用風(fēng)速儀還可以得到徑向氣流速度分布。

圖2 礦石和焦炭徑向厚度的測(cè)量方法Fig.2 Measurement scheme of the coke and ore layer distributions

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同布料制度下的料面形狀

3種不同布料制度下高爐無鐘爐頂布料的物理模擬試驗(yàn)結(jié)果見圖3。圖中O是礦石測(cè)厚儀測(cè)得的真實(shí)礦石層，陰影部分M是焦炭和礦石混合區(qū)域，正三角形、圓形和倒三角形圍成的區(qū)域C是焦炭。料面形狀呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：邊緣為平臺(tái)，中間為漏斗，中心為平臺(tái)。布料制度a的邊緣平臺(tái)邊界(白色箭頭所在位置)在第3檔焦炭結(jié)束后，平臺(tái)寬度占爐喉半徑比例為8.2%；而布料制度b的邊緣平臺(tái)邊界在第5檔焦炭布完后，平臺(tái)寬度占爐喉半徑比例為17.7%。兩者相比可見，邊緣平臺(tái)寬度越寬，混合層就越小。布料制度c的邊緣平臺(tái)寬度與布料制度b相同，平臺(tái)邊界是在第5檔而非第8擋焦炭布完后形成的，這說明在沒有中心焦炭的情況下，平臺(tái)不是在最末檔焦炭布料結(jié)束后才形成的，而是在相鄰兩個(gè)檔位焦炭布料量相差較大時(shí)形成的，這一點(diǎn)驗(yàn)證了文獻(xiàn)[15]的結(jié)論。與此同時(shí)，布料制度c在6、7、8檔(漏斗區(qū))加入少量的焦炭或者礦石后，降低了料面的坡度，使焦炭料面更穩(wěn)定，焦炭的坍塌減小，混合層減小，這一點(diǎn)也與文獻(xiàn)[15]的結(jié)論相符。可見，在沒有中心加焦的情況下，邊緣平臺(tái)寬度和中心礦石加入量共同決定了混合層的寬度。

圖3 不同布料制度下的料面形狀Fig.3 Burden profile under different charging patterns

2.2 不同布料制度下的徑向礦焦比

根據(jù)礦石層和焦炭層厚度的測(cè)量結(jié)果，通過計(jì)算得到了不同平臺(tái)寬度下徑向礦焦比分布，如圖4所示。布料制度a的礦焦比在半徑方向呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：在爐體邊緣的平臺(tái)區(qū)域，礦焦比比較穩(wěn)定(白箭頭所在位置為平臺(tái)邊界)，維持在8.98較高水平。隨著取樣點(diǎn)向中心移動(dòng)，從平臺(tái)邊緣位置開始，真實(shí)礦石層厚度逐漸減小，礦焦比也迅速減小，在進(jìn)入混合層區(qū)域時(shí)(黑箭頭所在位置為混合層區(qū)域的開始點(diǎn))，礦焦比僅為0.48左右，混合區(qū)域的礦焦比一直保持在0.48。布料制度b 的礦焦比分布也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律，即邊緣平臺(tái)區(qū)礦焦比大，中間區(qū)礦焦比變化急劇，混合區(qū)礦焦比最小。布料制度c在漏斗區(qū)加入少量的礦石，加大了中間斜面區(qū)的礦焦比。

圖4 平臺(tái)寬度對(duì)徑向礦焦比分布的影響Fig.4 Influence of the width of the terrace on the radial ore to coke ratio distribution

2.3 徑向粒度分布

根據(jù)試驗(yàn)觀察，布礦前高爐徑向粒度分布如圖5(a)所示。布礦前粒度在徑向上的分布呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：堆尖附近為混合料，中等粒度爐料占比例較大；漏斗斜面底部，即料面次中心存在大量滾落和坍塌的粗粒焦炭，而正中心大量細(xì)粒焦炭聚集。這是因?yàn)闊o鐘布料每圈爐料在已穩(wěn)定的料面上滑動(dòng)或滾動(dòng)而形成薄層，料流緩慢，布料時(shí)間長(zhǎng)，由于斜面上部坡度較大，粗粒爐料會(huì)迅速沿著斜面朝底部滾動(dòng)，隨著斜面下部坡度的突然減小，粗粒爐料滾動(dòng)動(dòng)力不足，最終停留在斜坡底部附近，使粗粒爐料在高爐次中心聚集，而細(xì)粒爐料小部分落在堆尖附近，另一部分由于料面的反彈作用，落在正中心，使正中心細(xì)粒爐料聚集。

圖5(b)是布礦后高爐徑向粒度分布。從圖中可以看出，由于礦石的撞擊和推擠作用，將表面的粗粒焦炭進(jìn)一步推向漏斗底部。從爐墻至混合層開始點(diǎn)間的區(qū)域，上層為礦石，下層為焦炭，由于礦石孔隙率明顯比焦炭孔隙率小，因此礦石孔隙率是決定性因素。混合區(qū)開始點(diǎn)至爐體次中心位置(R/8)的爐料主要由大顆粒礦石和焦炭組成，混合層孔隙率也較高。而混合區(qū)結(jié)束區(qū)域，即高爐正中心，是小粒度爐料集中區(qū)，使整個(gè)中心孔隙率低于平均水平。

圖5 布礦前、后的料面形狀和徑向粒度分布的觀察結(jié)果Fig.5 Burden profile and radial particle size distribution before and after charging ores

2.4 不同布料制度下的氣流速度分布

利用風(fēng)速儀測(cè)量了高爐徑向上各點(diǎn)的氣流速度，得到了3種布料制度下高爐徑向氣流速度分布，如圖6所示。三種布料制度下邊緣平臺(tái)區(qū)域，由于上層礦石混合料的透氣性差，加之焦炭負(fù)荷較重，因此對(duì)應(yīng)的氣流速度均較小。隨著礦焦比的減小，中間區(qū)的氣流速度緩慢增加。在混合區(qū)開始點(diǎn)至爐體次中心位置(R/8)，礦焦比雖小，但是爐料粒度大，透氣性較好，因此氣流速度均較大。而混合區(qū)結(jié)束段，即高爐正中心，雖然焦炭負(fù)荷較輕，但是小粒度礦石和焦炭聚集，使氣流速度較小?？梢?，在混合區(qū)礦焦比不變的情況下，爐料粒度大小對(duì)氣流速度影響明顯。

圖6 平臺(tái)寬度對(duì)徑向氣流速度分布的影響Fig.6 Influence of the width of the terrace on gas flow velocity distribution

三者相比較，布料制度a由于平臺(tái)寬度較小，在爐體中心形成大面積混合層，由于混合層中焦炭量較大，透氣性比礦石層透氣性好，使中心氣流環(huán)帶過寬，煤氣利用差。與a相比， b制度的平臺(tái)寬度為17.7%，混合層體積輕微減小，中心氣流環(huán)帶區(qū)域減小，煤氣利用有較大改善。而c制度在漏斗區(qū)域加入等量的礦石和焦炭，混合層體積進(jìn)一步減小，中心氣流環(huán)帶進(jìn)一步收窄，此時(shí)要防止中心過窄引起的中心氣流減弱。因此，各高爐應(yīng)根據(jù)各自原料條件和順行狀況選擇一個(gè)合適的平臺(tái)寬度范圍和漏斗區(qū)加礦量。

3 結(jié)論

利用1∶6無鐘爐頂模型模擬了不同布料制度下高爐爐喉料面的形成過程，討論了不同布料制度對(duì)高爐爐喉徑向礦焦比分布、徑向粒度分布和氣流速度分布的影響，得到如下結(jié)論：

(1)在中心沒有加焦炭的情況下，邊緣平臺(tái)是在相鄰兩檔焦炭布料量差距較大時(shí)形成的。邊緣平臺(tái)寬度和中心礦石加入量決定了高爐中心混合層的寬度，混合層過大，煤氣利用差；混合層過小，中心氣流太弱，高爐難行，因此混合層合適的寬度范圍在15%～30%，具體應(yīng)根據(jù)高爐原料條件和設(shè)備條件進(jìn)行調(diào)整。

(2)從高爐徑向礦焦比分布來看，3種不同布料制度下高爐邊緣平臺(tái)區(qū)礦焦比大，中間區(qū)域礦焦比變化急劇，混合區(qū)礦焦比最小。此外，在漏斗區(qū)加入礦石，中間區(qū)域的礦焦比大幅增加。

(3)從高爐徑向粒度分布來看，由于無鐘布料本身的固有特點(diǎn)和爐料的滑動(dòng)和滾動(dòng)作用，3種不同布料制度下爐料粒度在高爐徑向上偏析均較嚴(yán)重：邊緣平臺(tái)區(qū)域平均粒度適中，在混合區(qū)開始點(diǎn)至爐體次中心位置(R/8)，爐料平均粒度較大，而高爐正中心平均粒度最小。

(4)從徑向氣流速度分布來看，3種不同布料制度下邊緣平臺(tái)區(qū)域氣流速度均較小，中間區(qū)域氣流速度隨著礦焦比的減小而增加，在高爐混合層區(qū)域的氣流速度差別較大：混合區(qū)開始點(diǎn)至爐體次中心位置(R/8)，徑向氣流速度較大，而高爐正中心位置氣流速度最小，與混合層區(qū)粒度分布關(guān)系較明顯。

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