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    平臺(tái)寬度對(duì)高爐徑向料層分布影響的試驗(yàn)研究

    2018-05-30 03:22:41張明星趙華濤
    上海金屬 2018年3期
    關(guān)鍵詞:焦比爐料焦炭

    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(wú)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(lái),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(wú)鐘爐頂,甚至部分500 m3小高爐在大修時(shí)也改用了無(wú)鐘爐頂設(shè)備[1]。因此,研究無(wú)鐘爐頂?shù)牟剂弦?guī)律,對(duì)深入理解無(wú)鐘布料的特點(diǎn),進(jìn)一步提高無(wú)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(guò)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(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,高爐無(wú)鐘爐頂布料的數(shù)學(xué)模型[2- 9]陸續(xù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。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(wú)鐘布料試驗(yàn),能直觀地呈現(xiàn)無(wú)鐘布料過(guò)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(lái)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(wú)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(wú)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(wú)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(guò)程如下:兩個(gè)料罐交替使用將爐料送入中心喉管,通過(guò)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(guò)減壓設(shè)備送入風(fēng)口內(nèi)。試驗(yàn)過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)度為17.5 mm,而焦炭的料流閥開(kāi)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(wú)鐘爐頂布料的物理模擬試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(jiàn),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(shuō)明在沒(méi)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(jiàn),在沒(méi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(wú)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(kāi)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?;旌蠀^(qū)開(kāi)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(kāi)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?jiàn),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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(méi)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(guò)大,煤氣利用差;混合層過(guò)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(lái)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(lái)看,由于無(wú)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?tīng)t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(kāi)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(lái)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(kāi)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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