炉料运动.ppt
4.3 炉料运动,高炉冶炼过程是炉料和煤气的相向运动，没有煤气和炉料间的密切接触，传热、传质等过程就不能顺利进行。当煤气和炉料的相向运动遭到破坏时，就要产生难行、崩料、悬料，破坏高炉顺行。因此，炉料和煤气的相向运动往往成为高炉冶炼过程中，特别是强化操作中的主要矛盾。它在存在和发展影响着其他矛盾的存在和发展。,4.3.1 炉料下降,4.3.1.1 炉料下降的原因,焦炭的不断燃烧和消耗，炉料的熔化和谊、铁的排出，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，粉料被吹出引起的炉尘损失等等，都是引起炉料下降的因素。但基本因素有两个，既燃料燃烧和渣、铁排放。燃烧起着决定性的作用,4.3.1.2 炉料下降的力学分析,上述原因仅为下料提供了必要条件，但炉料能否顺利下降，还取决于如下的力学关系。,4.3.1 炉料下降,显然只有p0，即料柱本身重力在克服诸阻力作用后为正值，炉料才能顺利下降。若p 0，则料杆不能顺利下降，即产生难行或悬料。在高炉炉型、原料条件和冶炼强度一定的情况下，p料、p摩变化不大。渣、铁对料柱的浮力p液的大小取决于排开同体积液体的重量，同时与液体对料柱的作用面积有关，因此变化也不大。p气是由于高压、高速的煤气流强行通过下降而产生压力损失，其值的大小可近似用煤气通过料柱的总压表(静压差)p来表示。降低p则p气减小，有利炉料顺行下降。影响p的因素很复杂，因而p气是个多变的因素，它必然对p值产生较大的影响。因此，改善炉料下降的条件主要靠降低p。,4.3.2 高炉料柱压差,4.3.2.1 料柱压差p的表达式,煤气通过料柱(自炉缸风口水平至炉喉料线水平)的压力损失，通常采用高炉料柱内煤气的全压差p来表示。,由于炉缸和炉喉煤气的平均压力不便经常测定，实际生产中用热风压力和炉顶煤气压力来代替。许多研究成果表明影响p的因素可概括为如下之通式。,4.3.2 高炉料柱压差,4.3.2.2 影响p的因素及降低p方向,公式(4-13)是在洗涤塔式的散料固定床中实验得到的，没有考虑到炉料运动和物理化学变化以及热工等因素的影响，不能用于实际高炉的定量计算，但可用来定性地分析各种因素对高炉煤气压力损失p的影响。,由公式(4-13)可见，在一定料层高度、温度、压力情况下，p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，提高料层通道当量直径，是降低高炉料柱压差，改善炉料顺行的主要途径。,4.3.3 改善料柱透气性,4.3.3.1 透气性的表示,目前高炉普遍采用透气性指数（）来表示高炉料柱的透气性好坏或透气状态。,透气性指数把风量和全压差联系起来，能更好的反映出风量必须与料柱透气性相适应的规律。它的物理意义是，单位压差所允许通过的风量。实践表明，在一定的条件下，透气性指数有一个适宜的波动范围。超出这个范围，说明风量和透气性不相适应，应及时调整，否则将引起炉况不顺。,显然，增加料柱孔隙率和煤气通道当量直径de，可以降低p，改善料柱透气性。但高炉料柱部位不同，料柱状态及其影响因素亦各异。因此应按高炉不同部位来讨论改善料柱透气性问题。,4.3.3 改善料柱透气性,4.3.3.2 改善块状带透气性,在块料带，即矿石未发生软熔的块料区，首先应提高焦炭和矿石的强度，减少入炉料的粉末。特别是要提高矿石的热态强度增强其在高炉还原状态下抵抗摩擦、挤压、膨胀、热裂的能力，减少或避免在炉内产生粉末，这样可改善料层透气性，降低p 其次大力改善炉科粒度组成。一般说来，增大原料粒度对改善料层透气性，降低p夕有利。但当料块直径超过 一定数值范围(d25mm)后，相对阻力基本不降低；而粒度小于6mm则相对阻力显著升高。这表明适宜于高炉冶炼的矿石粒度范围为625mm。对于5mm以下的粉末，危害极大，务必筛除。在原料适宜粒度范围内，应使粒度均匀化，来改善料柱透气性。对于粒度均一的散料，孔隙率与原料粒度无关，一般可达0.5左右。但在实际生产中，炉料的孔隙率将随大、小块粒度比的不同而变化。从图4-6不难看出，炉料粒度相差越大，空隙率越小。因此，为了改善料柱透气性，应缩小同一级粒度范围内的粒度差提高粒度的均匀性，使p减小。综合高炉气体动力学和还原动力学两方面的需要，控制原料粒度的趋势是向小、均的方向发展。,4.3.3 改善料柱透气性,4.3.3 改善料柱透气性,4.3.3.3 改善软熔带透气性,在高炉软熔带及其以下的区域(包括滴落带)，煤气的压力损失，要比上部块料带大得多。在这个区域，矿石、熔剂逐渐软化、熔融、造渣，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块之间并向下洒落，大大增加了料柱的阻力。在软熔带、滴落带及炉缸内，主要依靠焦块间的空隙透液、透气。因此，提高焦炭高温强度，改善其粒度组成对改善这个区域的料柱透气(透液)性具有重要意义。焦炭粒度也要坚持均匀的原则，如根据不同高炉的情况，呵将焦炭分为40一60mm、2540mm、1525mm三级，分别分炉使用。过去焦炭的入炉粒度般都在40mm以上近年来也向缩小的趋势(接近矿石粒度上限)发展。焦炭高温强度与其反应性(即进行气化反应的能力）有关。反应性好的焦炭，其中部分碳素过早气化，产生溶解损失，使焦炭结构疏松、易碎，从而降低其高温强度。因此应抑制焦炭反应性以推迟其气化反应的进行。改善造渣是改善软熔带、滴落带透气性，降低p的另一个重要方面。通过提高入炉矿品位，减少渣量，以降低透气性差的软熔层厚度同时相对增加f气流在这个区域的可通截面(或de)。其次要提高矿石的高温冶金性质，如提高软化温度缩小软化区间，这样一方面可降低软熔带位置，另方面可减少软熔层宽度(即使软熔带变窄)，从而减小了对煤气的阻力。改善初渣性质，降低其敌度，增强其稳定性使其顺利洒落从而可大大改善高炉下部料柱的透气(液)性。,4.3.3 改善料柱透气性,改善软熔带状况，获得适宜的软熔带位置、结构和形状，是改善高炉料柱透气性的关键环节。高炉解剖调查研究结果表明，从软化到熔滴这个温度区间、按等温线分布，形成同焦炭夹层相间布置的若1；软熔层。这些软熔层和焦炭夹层按等温线规律共同组成了一个完整的软熔带(见图47)。在软镕带以下，只有焦炭保持着固体状；软熔带中，仍然明显地保持着按装料顺序形成的焦矿分层状态。只是固态矿石层变成了软熔层或熔着层。,显然，软熔带形状、结构(位置、尺寸)对煤气流运动阻力p有重大影响。它决定着高炉中煤气流分布状况，并对块料带和炉喉煤气分布有重要影响。,4.3.3 改善料柱透气性,4.3.3.4 软熔带形状,软熔带形状随原料和操作条件的变化而衬所不同。根据高炉解剖研究结果软熔带形状基本由三种类型即“”形，“V”形和“w”形，分别示于图47(a)、(b)、(c)巾。(1)“”，形软熔带。这种形态促进中心气流发展，有利于活跃、疏松中心料柱使燃料带产生大量煤气，易于穿过中心焦炭料桂，并横向穿过焦窗，然后折射向上从而使高炉压差p降低。同时改善了煤气流的二次分布状况，增加了煤气流与块料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，可减轻炉衬的热负荷和冲刷作用，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。这种形状是中心过重边缘气流过分发展致使软熔带根部升高，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，p升高；大量煤气从边缘选出，不利于煤气的利用，对高炉强化、顺行也十分不利。(3)“w形敦熔带。这种形式是适当发展中心和边缘两道气流的结果，是长期来高炉操作的传统形式，七能保持高炉顺行；同时在一定程度上改善煤气能量利用，但不能满足进步强化和降低燃耗的要求。,4.3.3 改善料柱透气性,根据实验研究气流通道软熔带的阻力损失与软熔带各参数之间存在如下关系：,显然，软熔带愈窄，焦炭夹层层数愈多，夹层愈高(厚)，空隙率愈大，则软熔带透气阻力指数愈小，透气性愈好。反之，透气性愈差。从各因素幂指数看、hc、n影响较大，故焦炭夹层对软熔带透气性有决定性影响。,4.3.4 改善煤气流分布,合理的煤气流分布是高炉顺行的重要标志之一。在高炉料柱透气良好、煤气流分布合理时，高炉炉料顺利下降。炉况稳定顺行，炉温充足，整个料柱透气性好；煤气能量利用允分，炉顶温度低而CO利用率高最终表现为焦比、燃料比降低。可见，炉况顺行与煤气合理分布密切相关。生产中主要是利用沿炉喉截面小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的。取样和测温位置一般在炉喉料下12m处。在不同半径方向上进行五点取样。测定结果绘制如图48所示。由图48看到，温度和CO2曲线，两者完全对应相反。因此，生产中一般只会绘制CO2曲线,4.3.4 改善煤气流分布,由图48可判断煤气沿炉喉截面和径向的分布状况和利用情况。凡CO2低处，CO必然高。煤气温度也高，说明那里煤气流发展，煤气利用不好。反之、凡CO2高处，CO必低，煤气温度也低，说明那里煤气流较少，煤气利用较好。,4.3.4 改善煤气流分布,高炉合理煤气分布规律，首先是要保持炉况稳定，控制边缘与中心两股气流；其次是最大限度改善煤气利用降低焦炭消耗。但它没有一个固定模式。随着原燃料条件改善和冶炼技术发展而相应变化。50年代烧结矿粉多，无筛分整粒设备，为保持顺行必须控制边缘与中心相近的“双峰”式煤气分布。60年代以后，随着原燃料条件改善，高压、高风温和喷吹技术的应用，煤气利用改善，形成了边缘CO2略高于中心的“平峰”式曲线。20世纪70年代，随着烧结矿整粒技术和炉料结构的改善，出现了边缘煤气CO2高于中心、而且差距较大的“展翅”形煤气曲线，综合CO2量达到1920。合理的煤气分布曲线不是一成不变的，而是随着生产水平的发展而发展。但无论怎样变化都必须保持中心与边缘两股气流，过分加重边缘会导致炉况失常。,4.3.5 上部调剂原理,在炉型和原料物理性质一定的情况下，可通过下部控制燃烧带中部控制软熔带以获得合理的煤气流分布。在高炉炉喉，煤气的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，使其按一定规律分布。,4.3.5.1 影响炉喉布科的因素,影响炉喉布料的因素很多,(1)炉料的种类一粒度一自然堆角一料层厚度等对煤气分布有重要影响。通常，焦炭集中的地方，透气性好，阻力小；矿石集中的地方，透气性差，阻力大。,(2)大块与小块比较，大块集中的地方，透气性好，阻力小；反之，小块集中处阻力大。,(3)料层薄的地方，阻力小，煤气通过的多；料层厚处阻力大，煤气通过的少。,(4)炉料偏析的影响在炉料堆脚处，大块多，阻力小；在堆尖处，小块粉末多，阻力大。,4.3.5 上部调剂原理,这种偏析作用是因为散料都有一定的自然堆角。尺粒度大，比重小，表向光滑的炉料，其滚动性好，白然堆角小，分布时领先滚向堆角。凡粒废小、密度大、表面不规则的炉料滚动性差，自然堆角大，分布时停滞于堆尖。因此，将不同粒度的矿石倒成一堆时，大块则集中于堆角；而小块尤其是粉末，则集中于堆尖。炉料粒度不均时，偏析作用影响甚大；经过整粒，使粒度均匀化，可使偏析影响减小。,此外，炉料堆角，粒度，比重，形状等原料因素；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等。如钟式高炉装料时炉料从大钟滑落到炉内，由堆尖两侧按一定角度形成料面(图4-9)。无料钟炉顶的装料是通过旋转溜槽进行单环、多环、扇形或定点布料(图4-10)。,4.3.5 上部调剂原理,4.3.5 上部调剂原理,4.3.5 上部调剂原理,4.3.5.2 装料制度,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。炉料制度的内容包括料线高低、批重大小和装料顺序,A 料线,钟式高炉大钟全开时，大钟下沿为料线的零位。无料钟高炉料线零位在炉喉钢砖下沿。零位到料面距离称为料线深度。一般高炉正常料线深度为1.52.0m。每座高炉在各自具体条件下，都有一个适宜的料线，用探料尺来测定。高炉装料是按料线分批进行的，每次装料后，大钟关闭或无钟炉顶的溜槽停止工作后，料尺下放到料面随料面下降，当降到规定的位置时，提起料尺装料。料线对炉料分布影响的一般规律是料线愈深，堆尖愈靠近边缘，边缘分布的炉料愈多。料线对布料的影响示于图4-11。牛产中料线一般是相对稳定的，只有在装料顺序调节尚不能满足要求时才改变料线。为避免布料混乱料线一般选在碰撞点以上某一高度。料线不宜选得太深，因为过深的料线不仅使炉喉部分容积得不到利用，而且矿焦界面混合效应加大，不利于煤气流运动和炉况顺行。,4.3.5 上部调剂原理,B 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，其中矿石的重量称为矿批重，焦炭的重量称为焦批重。矿石和焦炭的重量比称为焦炭负荷，即单位重量焦炭所负担的矿石量。,前已讨论，软熔带宽度(L)主要取决于矿石的软化特性。主要取决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，焦炭夹层层数n和高度h c主要取决于料批的大小，即存在着一个适宜的焦(矿)层厚度问题。,4.3.5 上部调剂原理,前苏联对1000一2000m级高炉操作总结的批重是以焦炭层厚度表示的,我国鞍钢总结的是以矿石批重表示的,高炉喷吹燃料后，负荷增加，批重要调整，此时应遵循保持焦批不动，扩大矿石批重。这样可保持软熔带焦窗的面积，而使煤气能顺利通过。如果保持矿批不动，缩小焦炭批重，不仅焦层金薄，而且由于矿焦层的界面混料效应，使焦窗面积更缩小，增大煤气通过的阻力，不利于炉况顺行。,4.3.5 上部调剂原理,C 装料顺序,在适宜料线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的分布。这是在装有料钟式设备的高炉上最常用的上部调剂方法之一。先焦炭后矿石的顺序称为正装反过来焦炭先矿石后的顺序称为倒装。装料顺序对布料的影响在于矿石和焦炭的堆角不同，以及装入炉内时原料面(上一批料下降后形成的旧料面)的不同而起作用的。如果原料面相同，矿石和焦炭两者堆角相同，则装料顺序对布料将不产生影响。实际生产中，不同料速时形成的原料面不同，焦炭和矿石在炉喉形成的堆角也有差别。装料顺序上还有同装和分装之别。在料车双钟装料时，同装是一批料的矿石和焦炭全都装在大钟上，然后大钟开启将矿和焦炭同时装入炉喉；而分装是矿石开一次大钟，焦炭再开一次大钟。分装的特点是焦炭或矿石入炉时的实际料线和原料面不同而影响堆角，从而影响布料。实践证明，分装可减少矿焦层的界面混合效应，有利于煤气合理分布，煤气利用改善。在生产中一般是在相同冶炼条件下考虑装料顺序的影响，加重边缘和中心的装料顺序是：,一般说来，在无料钟炉顶装料的高炉上，装料顺序对气流分布的调节作用亦不如料钟式高炉明显，而批重的影响，无论对何种装料设备的高炉都是很大的。,
