高爐鐵水流動研究與應用

王延平

（萊蕪鋼鐵集團有限公司技術中心，山東 萊蕪 271104）

提高鐵水質量、降低生產成本、改善技術指標、優化經濟效益、確保均衡生產的重要措施之一就是建設高冶煉強度下穩定順行的“長壽高爐”.當前，爐缸爐底侵蝕成為高爐一代爐役的限制性環節，爐缸因盛放渣鐵液并進行周期性的聚集和排出而承受復雜的物理破壞和化學侵蝕，其中高溫液態渣鐵(主要是鐵水環流)沖刷是造成爐缸侵蝕的主要原因之一.雖然高爐上有著范圍廣泛的監測設備，但爐缸內的流動情況是無法直接測定的，因此需要采用不同的模型——物理的、數學的甚至電子的模型——來描述其實際情況.

本文根據相似原理建立爐缸爐底鐵水流動模擬試驗裝置，測試了死焦堆體積、爐底無焦空間層、死焦堆空隙度等因素對鐵水流動的影響。

1 試驗內容

測速采用美國TSI公司的三維多普勒測速儀（即LDV）。本試驗中制作了兩種大小的死焦堆，直徑分別為510mm和350mm。當死焦堆直徑為510mm時，測速位置距壁面5mm處，死焦堆直徑為350mm時，測速位置距器壁面45mm處。

測量步驟：

1）測定死焦堆的空隙度，然后放到容器內。

2）首先往試驗裝置裝注水，調整入口和出口流量，使流動處于穩態。

3）然后打開激光多普勒測速儀，調整測量位置。

4）準備好后讓激光測速儀開始測液體流速。測量過程激光測速儀將自動完成。

5）試驗結束后處 理激光測速儀測的數據，畫出流場圖。

2 試驗結果及分析（見表1）

如表1是測速試驗方案。

2.1 死焦堆體積對鐵水流動的影響。死焦堆直徑為350mm時，即死焦堆與爐缸壁面的無焦空間比較大，為爐缸總面積的56%時的流場，死焦堆空隙度為0.357；死焦堆直徑為510mm，無焦空間為爐缸面積的7%，死焦堆空隙度為0.37時的流場（方案1和方案3）。從兩個圖看，爐缸壁面無焦空間大時，雖然死焦堆空隙度比無焦空間小時的要小，但無焦空間里的液體流速反而要比無焦空間小的流速小，這是壁面空間大，液體流動的無阻面積相對大，所以流量相同時，流速必然要增大，這說明爐缸里的無焦空間大，則有利于減少爐缸壁面和底部的鐵水流速，減緩鐵水流速對爐缸的沖刷和侵蝕。

2.2 爐底無焦空間層對鐵水流動的影響

死焦堆分別“沉坐”和“浮起”30mm和“浮起”60mm時，試驗其它條件一樣（方案4、方案3和方案2）。死焦堆“沉坐”時，流速明顯比“浮起”時要大，從“浮起”30mm和60mm看，浮起的高度高，爐缸壁面流速小。這說明爐底上有無焦空間層時將有利于減緩爐缸壁面流速。無焦空間越高越有利于減少壁面流速，有利于延長爐缸壽命。

表1 測速試驗方案

圖1 空隙度為0.357

圖2 空隙度為0.307

2.3 死焦堆空隙度對鐵水流動的影響

圖1和圖2是無焦空間相同，空隙度分別為0.357和0.307時的流速（方案4和方案1）。從這兩個圖也可以看出，死焦堆空隙度大時壁面流速比較小。尤其空隙度為0.307時，鐵口高度位置的流速比空隙度為0.357時要大。這說明空隙度小時，壁面流速大，尤其鐵 口高度位置上爐缸壁面的流速大， 增加了對爐缸的沖刷和侵蝕。（見圖1，圖2）

結語

物理模擬的研究方法不僅可以克服冶金過程的復雜性、高溫測試手段的限制，而且可以為數學模擬研究提供指導，在驗證和完善數學模型結果方面發揮重要作用。本文根據相似原理建立爐缸爐底鐵水流動模擬試驗裝置，測試了死焦堆體積、爐底無焦空間層、死焦堆空隙度等因素對鐵水流動的影響。另一方面應用試驗結果驗證前面建立的爐缸爐底渣鐵水流動數學模型的正確性，為下一步應用數學模型進行更多條件下的渣鐵水流動數值模擬研究奠定基礎。

[1]邵磊.高爐爐缸內鐵水流動特性的物理模擬[J].材料與冶金學報，2009（03）:54-56.