高爐內物料運動研究

朱士杰

摘 要：根據相似原理，以鋼鐵研究院設計的容積為2100 m3的高爐爐型為研究對象，建立與實際高爐相似比為1：20的冷態物理模型。考察只使用聚乙烯顆粒時，不同氣體流量下爐內的物料運動；考察使用聚乙烯顆粒和麥飯石球進行分層布料時，不同氣體流量下爐內的物料運動。結果表明，在模型上部，中心區域處物料下降速度比靠近爐壁處物料下降速度快，但在模型下部，邊壁和中心區域物料運動緩慢。物料運動流型基本呈直線型→倒梯形→W型變化。氣體流量對物料運動流型產生一定的影響，氣體流量越大靠近爐壁處物料比中心處物料運動越慢。在高爐底部，氣體流量越大死料區也越大，中間峰值也越高。

關鍵詞：冷態模型；相似原理；物料運動

高爐內煤氣流與爐料的逆流運動是爐內傳熱、傳質等過程的基礎，是高爐爐況順行及冶煉強化的決定性因素。為了研究高爐內物料的運動規律，以鋼鐵研究院設計的三個爐型為基礎，通過相似原理以1：20比例建立冷態模型。實驗選取粒度5 mm聚乙烯顆粒和粒度2 mm麥飯石球作為填充料，因為選取的聚乙烯粒子和麥飯石球粒度之比為2.5左右，與高爐中焦炭和燒結礦粒度比接近，而且它們的密度比接近焦炭與燒結礦的密度比，所以具有一定的參考價值。通過物料在物理模型內的運動流型來表征爐內的物料運動，分別研究了單種物料下物料運動流型，不同氣量下物料運動流型。

1 有氣體流量下爐內聚乙烯顆粒運動流型

實驗開始時，將聚乙烯顆粒填充到指定高度，在最上面一層鋪上厚度為3 cm的聚乙烯示蹤粒子，調整好相機位置，打開聚光燈，之后，將螺旋排料器設定到指定轉速，打開氣路閥門并調節好氣體流量，氣體經過風口進入爐內，當氣體流動達到穩定后，打開螺旋排料器開始排料，此時開始計時，每隔20 s對模型進行拍照，記錄爐內物料信息。連續的向爐內加料，保持料面高度一定，直至示蹤粒子顆粒從底部排出。

在氣體流量42.74 Nm3/h下，每隔20 s對示蹤料層進行拍照記錄，可得到示蹤料層隨時間的變化規律，在初始階段，物料呈直線型向下運動，隨著時間的推移，物料呈現倒梯形變化，即中心處物料下降比爐壁處物料下降快，且隨著時間推移這種變化越來越明顯。到達12分鐘左右時，發現中心處物料運動速度比兩側物料運動慢，逐漸呈現“W”型。隨著物料下降示蹤料層厚度逐漸變薄，在高爐爐腰處和底部中心區域的物料運動特別緩慢。

造成上述現象的原因主要有三方面：一方面，由于壁面效應，高爐爐壁對物料存在一定的阻力，導致高爐邊壁處的物料下降速度緩慢。另一方面，由于螺旋排料器的影響，其上方的物料運動速度比其他區域的物料運動速度快，導致料層向中心運動的趨勢。還一方面，由于下部物料的支撐力和四周鼓風的壓力，導致在模型下部中心處物料運動緩慢。

2 分層布料時不同氣量下物料運動流型

實驗開始時，將聚乙烯顆粒填充到指定高度，在最上面一層鋪上指定體積的麥飯石球顆粒，之后，打開氣路閥門并調節好氣體流量，氣體經過風口進入爐內，當氣體流動達到穩定后，打開螺旋排料器開始排料，此時開始計時，每隔20 s對氧氣高爐模型進行拍照，記錄爐內物料信息。連續地向爐內分層加料，保持料面高度一定，直至爐內物料流型趨于穩定。在不同氣體流量下重復以上操作，可以得到不同風量下物料運動流型。

研究了分層布料條件下，氣體流量分別為34.19 Nm3/h、42.74 Nm3/h、59.84 Nm3/h時爐內形狀最終穩定時的物料運動流型。在初始階段，物料呈直線型向下運動，隨著時間的推移，物料運動流型逐漸由直線型向倒梯形變化。氣體流量大的爐內料層比氣體流量小的爐內料層先出現倒梯形變化，且氣體流量大的現象更明顯，即氣體流量大的爐壁物料下降速度比中心爐料下降速度慢，這是由于壁面效應和氣體流量大的爐內兩側爐壁處的氣量比中心處氣量更大造成的。在高爐爐腰處，氣量越大的爐內此處死區面積越大，特別是氣體流量為59.84 Nm3/h時，此處死區面積最大，這是由于隨著氣體流量變大，爐壁處氣量隨之增大，氣體對物料有個托力作用，隨著排料的進行致使物料向氣體流量相對較小的中心移動。隨著物料下移，中心處物料運動速度慢于兩側物料運動速度，物料運動流型逐漸由倒梯形型向“W”型變化，且氣體流量大的爐內“W”形狀更明顯，即氣體流量越大的爐內下部中心處死區越大，這是由于隨著氣體流量增大，使下部中心處四周的壓力增大，不利于中心處物料向下運動。

（a）34.19 Nm3/h （b）42.74 Nm3/h （c）59.84 Nm3/h

圖1 不同氣量下物料運動流型

3 結語

采用冷態物理實驗的方法對高爐內物料運動規律進行了研究。通過相似原理，建立了高爐物理模型，通過物理實驗，研究了只填充聚乙烯顆粒時，無氣體流量和有氣體流量下爐內物料運動流型；研究了分層布料時，不同氣體流量下爐內物料運動流型；研究了分層布料時，相同氣體流量下不同爐型爐內物料運動流型。得到如下結論。

（1）物料在下降過程中，料層的厚度逐漸變薄。在模型上部，中心區域處物料下降速度比靠近爐壁處物料下降速度快，但在模型下部，邊壁和中心區域物料運動緩慢。物料運動流型基本呈直線型→倒梯形→W型變化。

（2）氣體流量對物料運動流型產生一定的影響，氣體流量越大靠近爐壁處物料比中心處物料運動越慢。在高爐底部，氣體流量越大死料區也越大，中間峰值也越高。

參考文獻：

[1] 尹建威，王鳳岐，黨玉華等.氧氣高爐爐身的模擬試驗研究[J].鋼鐵研究學報，2002，14（2）：1-4.

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