炉料的潜体阻力对高炉布料的影响

炉料的潜体阻力对高炉布料的影响任廷志赵静一乔长锁赵海英郑明会(燕山大学)(北满特钢集团公司)摘要随高炉大型化及无钟炉顶的普及，炉料下落的高度加大，炉料在下落过程中所受的潜体阻力与重力较接近，对布料产生明显的影响。本文分析了炉料潜体阻力对高炉布料产生的影响。关键词无钟高炉布料潜体阻力EFFECTOFBURDENRESISTANCEONBFCHARGINGRENTingzhiZHAOJingyiQIAOChangsuoZHAOHaiying(YanshanUniversity)ZHENGMinghui(BeimanSpecialSteelCo.,Ltd.)ABSTRACTWithadoptionoflargeandbell-lessBF,thedescendingdistanceofburdeninfurnaceisincreased.Theburdenresistanceduringdescendingbecomessimilartogravitationforceeffectingthechargingobviously.TheeffectofburdenresistanceonchargingisindetailanalyzedinthispaperforBFoperationguidance.KEYWORDSbell-lessblastfurnace,charging,resistance50年代以来，我国高炉工作者以上部调剂作为控制高炉行程和改善能量利用的重要手段，而炉顶布料是上部调剂的核心部分。随着高炉大型化及无钟炉顶的普及，影响高炉布料的因素很多。其中，炉料的下落高度和下落速度增大了，由炉料自身下落速度产生的潜体阻力不可忽略，特别是小粒度的炉料所受的潜体阻力已与炉料所受重力接近，对炉料落到料面的位置和粒度偏析产生一定的影响。本文就炉料潜体阻力对高炉布料产生的影响进行分析。1炉料在煤气中的潜体阻力料流是由一个单元离散体组成的。每一块料所受的潜体阻力的大小不仅与炉喉内煤气速度有关，也与块料自身速度有关。每块料的潜体阻力F的计算方法由文献［1］给出F＝CDAρ(v+vA)2(1)式中CD——阻力因数，一般取CD＝0.6；A——每块料最大横断面积/m2；ρ——炉喉内煤气密度/kg*m-3；v——每块料自身下落速度/m*s-1；vA——炉喉内煤气速度/m*s-1。为了方便计算，令C＝(1)/(2)CDAρ则式(1)变为F＝C(v+vA)2。2炉料的运动炉料在炉喉内的运动分为三部分：炉料从节流阀(闸阀)流出到溜槽的运动；炉料在溜槽上的运动；从溜槽末端到炉喉料面的空区的运动。2.1炉料从闸阀到溜槽的运动炉料从节流阀流出，经过叉型管(或阀箱下半部)、波纹管和中心喉管等，最后落到溜槽上。在此运动过程中，炉料受重力(mg)和潜体阻力F(此时示vA＝0，则ρ＝Cv2)，见图1(a)，有下面的微分方程对方程(2)变形积分式(3)中，v00是炉料从节流阀流出时的平均速度，由下式确定式中λ——炉料的流动因数，一般λ＝0.35～0.8；Ra——节流阀的水力半径/m；δ——节流阀开口中心线与水平面夹角，并罐炉顶δ＝50°，串罐炉顶δ＝90°。解式(3)得式(4)是炉料下落速度与下落高度的关系式。将H＝H0+b/sinα代入上式即是炉料从阀口流出到溜槽之前速度v′0。2.2炉料运动方向变化时速度的变化图1炉料运动过程图Fig.1Thegraphoffurnaceburdenmoving料流运动方向的改变，伴随着一种对约束物的冲击现象。对于炉料流中每一质点，碰撞是多次的，方向也各不相同，但都会因外摩擦冲量或内摩擦冲量而减小其运行速度。通过实验可测得特定条件下的速度折算因数λ［2］1(一般焦炭λ1＝0.70，烧结矿λ1＝0.71)。如：炉料落到溜槽之前的速度为v′0，落到溜槽上后v0＝λ1v′0。2.3炉料在溜槽上的运动见图1(a)，炉料在溜槽上受到重力(mg)、惯性离心力(4π2ω2mlsinα)、溜槽对炉料的反作用力(R＝mgsinα-4π2ω2mlsinαcosα)、溜槽对炉料的摩擦力(μR)和炉料的潜体阻力F(此时vA＝0，则F＝Cv2)等力的作用。有下面的微分方程令：X＝4π2ω2sinα(sinα+μcosα)Y＝g(cosα-μsinα)因此，式(5)变为因为所以，式(6)变为解微分方程(7)得式(8)是炉料在溜槽上的运动速度方程。将l=L0-b/tanα代入式(8)，即得炉料在溜槽末端的速度(沿溜槽中心线方向)v2。炉料在溜槽末端沿溜槽旋转圆周切向速度(9)2.4炉料在空区中的运动炉料在空区中的运动如图1(b)，将v2分解为v3和v4。在v3方向受重力(mg)和潜体阻力F(F＝C(v+vA)2)作用。在v4和v1方向上只受炉料自身分速度产生的潜体阻力F(F＝Cv2)作用。求布料半径的方法是：先由h求出炉料从溜槽末端到料面所需时间，再由关系式得出v1方向的位移S1和v4方向的位移S4，最后由几何关系求出布料半径r。2.4.1炉料在空区的下落时间t在v1方向，由力学关系知由于不知道竖直方向末速度v31，不能直接积出t1，所以要先求出v31。因为v=(dh)/(dt)，所以式(10)变为两边积分得式中h=h0-bsinα-L0cosα式(11)虽不能直接表达出v31，但可以用数值解法积出v31。由式(10)积分得2.4.2v1和v4方向上的位移在v1方向：先积出v1方向的末速度v11，对式(13)积分由式(14)得将式(16)代入式(13)得式(17)积分得(18)同理求出(19)炉料下落末速度v51其中2.4.3布料半径r由几何关系得r2＝(Lsinα)2+S2-2SLsinαcos(π-γ)(24)或r2＝S21+(S4+Lsinα)2(25)3计算实例利用式(1)～(25)可定量计算出潜体阻力F对高炉布料影响数值及溜槽倾角值。计算参数：炉顶压力0.25MPa，L0＝2.8m，b=0.81m，μ＝0.63，δ＝90°，H0＝3.0m，焦炭λ＝0.4，烧结矿λ＝0.75，Ra=0.1145，ω＝0.133r/s，CD＝0.6，ρ＝1.6kg/m3，烧结矿平均粒度＝0.018m，烧结矿密度2100kg/m3，焦炭的密度525kg/m3。计算结果如表1，表2和图2。4结果分析(1)在研究煤气对炉料作用的阻力时，不仅考虑煤气自身的流速vA(vA＝0.7～2.7m/s)，尤其是炉料自身的下落速度v(炉料在溜槽上及空区中下落速度v达10m/s左右，远远大于煤气的流速)。煤气对炉料作用的阻力与(v+vA)的平方成正比关系。表1计算与实际应用的溜槽倾角比较值(°)Table1Comparisonofcaculationandpracticeuse(°)倾角编号12345678910首钢2号高炉5048.546.84542.740.23733.22821日本千叶2号高炉494746.544.542.540.538.23530.824.3按本文公式计算结果49.8148.2646.5644.6942.5840.1737.3533.9029.3219.68表2不同炉料粒度的Fmax/mg及r值Table2Fmaxandrvalueofdifferentburdenparticlesize布料角/(°)计算项炉料粒度直径φ/mm302015105210.5了0.149r0/m2.918F1/m1g0.11650.17560.2330.4980.9971112.202F2/m2g0.46000.69200.93301111.0282.04010.123r1/m2.8930.8762.8742.8562.8462.7772.0721.426r2/m2.8542.8512.8462.8302.7051.84240r0/m2.037F1/m1g0.12650.18060.24700.51211112.202F2/m2g0.46200.71100.9521111.1082.04010.123r1/m2.0202.0062.0051.9911.9531.8591.4501.050r2/m1.9841.9531.9401.9101.5931.16030r0/m1.217F1/m1g0.13710.192.60.2590.52611112.202F2/m2g0.46410.7200.9711111.0282.04010.123r1/m1.2111.2001.1951.1891.1591.0830.8380.594r2/m1.1761.1591.1331.1120.9950.650注：r0是不考虑炉料潜体阻力时的布料半径；F1/m1g是指烧结矿的最大潜体阻力与重力之比值；F2/m2g是指焦炭的最大潜体阻力与重力之比值；r1是烧结矿的布料半径；r2是焦炭的布料半径。图2布料角49°时，Fmax/mg与料径的关系曲线Fig.2TherelationbteweenFmax/mgandburdendiameterwith49°angleofcharging单独考虑煤气自身的速度vA时，煤气阻力对炉料的作用非常小，可忽略不计。考虑炉料相对煤气速度(v+vA)产生的所谓炉料潜体阻力很大，对高炉布料产生十分明显的影响。公式(1)给出了炉料相对煤气速度(v+vA)产生的潜体阻力对炉料的作用，从而影响到炉料分布。由表2知道，在一般冶炼条件下，炉料潜体阻力相当于直径10mm粒度的烧结矿重力的50%，相当于直径10mm焦炭的重力。(2)炉料在煤气中的潜体阻力对不同粒度炉料的作用是不同的，粒度越大，作用力越大。虽然潜体阻力作用在大粒度炉料上的绝对值较大，但是炉料潜体阻力Fmax与炉料重力mg的比值Fmax/mg因粒度缩小而迅速升高。这种差别导致炉料在空区的分级作用(即炉料偏析)，见表2，等高度布料最外环布料宽度达1～1.5m左右，小粒度炉料偏向高炉中心，加重了中心的负荷。(3)炉料在下降过程中运动规律与粒度有关，见图2。对于烧结矿，直径大于5mm(焦炭大于13mm)左右的炉料Fmax/mg＜0，一直加速下降，小于5mm(焦炭小于13mm)大于0.3mm(焦炭大于1mm)的炉料Fmax/mg＝1，在下落过程中一开始加速，当潜体阻力与重力接近时匀速下降，小于0.3mm(焦炭小于1mm)的炉料Fmax/mg＞0，炉料被上升的煤气吹出带走，加重了除尘系统的负荷。(4)应用本文给出的公式，高炉布料角度分档值与实际应用的布料角度分档值非常吻合，见表1，可以直接用来指导高炉的布料。参考文献1任廷志，盛义平.高炉溜槽布料器的布料规律.钢铁，1995，30(5)：5～8.2刘慰俭，叶肇宽.无料钟高炉炉顶设备中布料的研究.钢铁，1983，18(5)：1～7.