關(guān)于高爐入爐風(fēng)溫的探討

孟凡雙

（鞍鋼股份有限公司 煉鐵總廠，遼寧 鞍山114021）

高爐風(fēng)口區(qū)理論燃燒溫度是指在絕熱條件下風(fēng)口區(qū)燃料進(jìn)行不完全燃燒， 燃料和鼓風(fēng)帶入物理熱及燃燒反應(yīng)放出的熱量全部傳給燃燒產(chǎn)物所能達(dá)到的溫度，也稱高爐火焰溫度或絕熱火焰溫度，應(yīng)是指煤氣等燃燒產(chǎn)物離開(kāi)燃燒帶時(shí)絕熱條件下的平均溫度，因此其確定應(yīng)在燃燒帶范圍內(nèi)。高爐風(fēng)口區(qū)域的熱狀態(tài)主要標(biāo)志為理論燃燒溫度， 其高低不僅決定爐缸熱狀態(tài)，也對(duì)爐料的熱傳遞、還原反應(yīng)、造渣、脫硫以及渣鐵溫度、化學(xué)成分等方面產(chǎn)生極大的影響。高爐生產(chǎn)中通常以理論燃燒溫度作為判斷爐缸熱狀態(tài)的重要參考指標(biāo)。 理論燃燒溫度與風(fēng)溫、濕度、燃料種類、富氧量以及噴吹量等有關(guān)。 因此，各參數(shù)的變化也都最終反映在理論燃燒溫度的變化上， 根據(jù)理論燃燒溫度的高低可以判斷當(dāng)前操作參數(shù)匹配的合理與否。 高爐風(fēng)口區(qū)域的理論燃燒溫度一般都是按照經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，并不斷地進(jìn)行修正。在理論燃燒溫度計(jì)算中， 一般都以高爐熱風(fēng)管道上測(cè)量的風(fēng)溫作為高爐鼓風(fēng)帶入的熱量計(jì)算，本人認(rèn)為不妥，高爐熱風(fēng)管道測(cè)量的溫度與實(shí)際進(jìn)入爐內(nèi)的風(fēng)溫有一定的差別，作者對(duì)風(fēng)口進(jìn)行傳熱學(xué)分析計(jì)算，高爐實(shí)際進(jìn)入高爐爐內(nèi)的風(fēng)溫低于通過(guò)熱風(fēng)管道點(diǎn)偶測(cè)量的溫度，同時(shí)風(fēng)口水壓對(duì)入爐風(fēng)溫有一定的影響。

1 理論分析

以2 000 m3高爐螺旋風(fēng)口為例， 風(fēng)口結(jié)構(gòu)如圖1 所示，高爐風(fēng)口為純銅材質(zhì)，銅含量大于99.5%，密度為 8 910 kg/m3，比熱容為 380 J/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為 280 W/（m2·K）。

圖1 高爐風(fēng)口結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1 中可以看出， 高爐鼓風(fēng)通過(guò)風(fēng)口進(jìn)入高爐爐內(nèi)，高爐鼓風(fēng)與風(fēng)口之間通過(guò)對(duì)流傳熱，風(fēng)口通過(guò)冷卻水對(duì)其冷卻， 冷卻水與風(fēng)口之間通過(guò)對(duì)流傳熱，風(fēng)口安裝在爐內(nèi)，高爐風(fēng)口與爐內(nèi)通過(guò)輻射傳遞熱量。 計(jì)算高爐熱風(fēng)通過(guò)風(fēng)口進(jìn)入高爐內(nèi)部的傳熱學(xué)分析，根據(jù)能量守恒，描述流體溫度場(chǎng)的能量微分方程式， 即鼓風(fēng)對(duì)流傳遞的凈能量+爐內(nèi)輻射能量=冷卻水對(duì)流傳遞出的能量+耗散功散熱損失量：

以對(duì)流方式進(jìn)入元體的凈熱流量：

單位時(shí)間內(nèi)，沿x 方向熱對(duì)流傳遞到微元體的凈熱量：

單位時(shí)間內(nèi)、 沿y 方向熱對(duì)流傳遞到微元體的凈熱量：

輻射熱流量：

耗散功率變成的熱流量：

推導(dǎo)出能量的微分方程：

2 計(jì)算結(jié)果和分析

2.1 邊界條件

由于高爐風(fēng)口小套在使用過(guò)程中存在的多種不可控因素，為方便傳熱學(xué)理論計(jì)算，做如下假設(shè)：（1）冷卻水為不可壓縮的牛頓流體，流量穩(wěn)定，且忽略水的重力對(duì)冷卻水流動(dòng)的影響；（2）將冷卻水看做連續(xù)流體，不考慮溫度變化對(duì)水流的影響，流動(dòng)狀態(tài)為湍流；（3）鼓風(fēng)為不可壓縮的牛頓流體，即黏性耗散項(xiàng)為零。

根據(jù)上述情況，具體的邊界條件見(jiàn)表1。

表1 邊界條件

2.2 不同測(cè)量風(fēng)溫下的入爐風(fēng)溫

高爐鼓風(fēng)通過(guò)風(fēng)口進(jìn)入高爐爐內(nèi)，高爐風(fēng)口沿著高爐四周布置，由于風(fēng)口接觸爐內(nèi)高溫和鼓風(fēng)，需要對(duì)風(fēng)口進(jìn)行冷卻，風(fēng)口冷卻水帶走的熱量，使高爐入爐風(fēng)溫有一定的降低，在高爐風(fēng)口水溫差一定而入爐風(fēng)溫不同情況下，計(jì)算高爐的入爐溫度變化見(jiàn)圖2。

圖2 入爐風(fēng)溫隨表風(fēng)溫的變化圖

從圖3 可以看出高爐表風(fēng)溫與入爐風(fēng)溫差在35 ℃左右，隨著表風(fēng)溫的降低，其與入爐風(fēng)溫的差值增大。高爐風(fēng)口冷卻強(qiáng)度一定的前提下，高爐入爐風(fēng)溫與高爐表風(fēng)溫差值變化不大。因此，高爐操作者在計(jì)算高爐風(fēng)口理論燃燒溫度時(shí)， 一般是使用高爐表風(fēng)溫。但實(shí)際高爐表風(fēng)溫與入爐風(fēng)溫有一定的差值，影響我們對(duì)風(fēng)口理論燃燒的判斷。入爐風(fēng)溫的提出，利于高爐操作者真實(shí)判斷高爐風(fēng)口理論燃燒溫度。

圖3 損失風(fēng)溫隨表風(fēng)溫的變化圖

2.3 冷卻水溫差對(duì)入爐風(fēng)溫的影響

高爐風(fēng)口冷卻水進(jìn)出口溫度差， 表征了冷卻水帶走熱量的多少，溫差越大帶走的熱量越多，高爐的入爐風(fēng)溫就越低（見(jiàn)圖4、圖5）。 高爐風(fēng)口冷卻水的溫差為4 ℃時(shí)，高爐風(fēng)溫?fù)p失量為27 ℃；水溫差為9℃時(shí)，高爐風(fēng)溫?fù)p失量接近70 ℃。 高爐的入爐風(fēng)溫?fù)p失量非常大， 我們一再追求高爐風(fēng)口的壽命而提高冷卻強(qiáng)度的同時(shí)， 我們付出了巨大的損失風(fēng)溫的代價(jià)。 應(yīng)合理控制水溫差，減少入爐風(fēng)溫的損失。

圖4 水溫差與入爐風(fēng)溫的變化圖

2.4 冷卻水壓力對(duì)水溫差影響

為了有效防止風(fēng)口熔損，提高風(fēng)口的冷卻強(qiáng)度，風(fēng)口前端邊緣溫度小于其臨界熔溫度673 K， 提高風(fēng)口水壓力來(lái)減少風(fēng)口的破損， 水壓提高導(dǎo)致風(fēng)口水溫差增加， 水溫差增加則風(fēng)口冷卻水把鼓風(fēng)的量帶走的就多，風(fēng)溫?fù)p失的就多。風(fēng)口冷卻水壓力與水溫差的影響關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖5 損失風(fēng)溫隨表風(fēng)溫的變化圖

圖6 冷卻水壓力與水溫差的變化圖

風(fēng)口的冷卻水溫差隨著壓力增加而增大， 為了追求高爐風(fēng)口在線連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行， 提高水壓來(lái)減低風(fēng)口前端熔損溫度，水壓提高意味著能耗增加，因此控制合理的風(fēng)口水壓，既保證風(fēng)口的冷卻強(qiáng)度，又減少能耗。

3 結(jié)論

計(jì)算高爐風(fēng)口區(qū)理論燃燒溫度時(shí)， 使用的表風(fēng)溫與高爐入爐風(fēng)溫有一定的差， 對(duì)入爐溫度的正確理解， 有利于高爐操作者真實(shí)判斷高爐風(fēng)口理論燃燒溫度。 一再追求高爐風(fēng)口的壽命而提高冷卻強(qiáng)度的同時(shí)，付出了巨大的損失風(fēng)溫的代價(jià)。應(yīng)合理控制水溫差，減少入爐風(fēng)溫的損失。因此控制合理的風(fēng)口水壓，即保證風(fēng)口的冷卻強(qiáng)度，又減少能耗。