氧氣高爐冷態模型的設計計算

朱士杰

【摘 要】氧氣高爐煉鐵工藝指的是用全氧鼓風代替傳統的預熱空氣鼓風操作的高爐煉鐵工藝。氧氣高爐相比于傳統高爐具有很多優點，比如高噴煤量、高生產率、煤氣熱值高、環境污染小等。

以鋼鐵研究院設計的容積為2100 m3的三個氧氣高爐爐型為研究對象，依據相似原理推導出模擬氧氣高爐物理模型的相似準數，建立與實際氧氣高爐相似比為1：20的冷態物理模型。由于氧氣高爐采用全氧鼓風，根據高爐技術指標如出鐵量、焦比、煤比氧氣量等參數，依據相似準數計算出模型所需風量，依據高爐內礦石焦炭堆密度、粒度、安息角，選取聚乙烯顆粒和麥飯石球作為實驗材料。

【關鍵詞】氧氣高爐；三維模型；相似準數

中國鋼鐵工業的流程中高爐-轉爐系統產生了約90%左右的產能，而且在該流程的鐵前系統中燒結、焦化、高爐的能耗約占鋼鐵生產總能源消耗的70%左右。由于在鐵前系統大量的能量被消耗并且污染的排放比較嚴重，隨著國家對保護環境的逐漸重視及越來越嚴格的節能減排要求，傳統的高爐煉鐵技術將面臨著嚴峻的挑戰。氧氣高爐具有高噴煤量、高生產率、煤氣熱值高、環境污染小等特點。

1.物料運動過程相似準數的推導

采用量綱分析法對模擬氧氣高爐物料運動過程相似準數進行推導。物料運動主要有九個獨立因素，即風口直徑D、氣體密度 、氣體流速w、風口壓差ΔP、壓力P、顆粒表面積S、顆粒直徑d、動力黏度 、重力加速度g。

顯然高爐風口前后的壓差與氣體流速之間理論上存在著流體力學上的關系，因此風口前后的壓差（ΔP）項可以舍去，可以由氣體流速（w）項來代替；用物料平均表面積（S）項來代替顆粒直徑（d）項。此時，舍去了2個影響因素，表1中還剩下7個獨立的影響因素。其中基本量綱有3個，根據 定理有 ，即需要4個無因次式。求解無因次式。通過求解得到：

；表示風口直徑與顆粒直徑要滿足一定的幾何比例。

； 為佛魯德準數，表示流體位壓與動壓的比值，它是來描述重力在流體流動過程中其主導作用的無因此式。

； 為歐拉準數，表示流體壓差與慣性力的比值，可不考慮。

； 為雷諾數，表示慣性力與粘性力的比值，由于風口處氣體流速很快，風口處的流動已經到達第二自模化區，所以可以不考慮。

2.冷態模型尺寸的設計

冷態實驗模型是以鋼鐵研究院設計的三個2100 m3氧氣高爐為原型。

根據相似原理，在建立氧氣高爐物理模型時，需要考慮原型與物理模型的幾何相似。幾何相似比可表示為：

式中， -模型幾何尺寸，mm； -實物幾何尺寸，mm。

在保證模型與原型幾何相似的前提下，根據實驗室條件及現場實際情況，物理模型按1：20的相似比進行設計。

三維半周氧氣高爐模型的13個風口由側壁水平插入，深入爐內2 cm。通過使用流量控制閥控制壓縮空氣進入風口，采用渦街流量計測量氣體的流量。固體物料的排出管與氧氣高爐模型內風口同心。

3.模型的風量

采用全氧鼓風，設計的出鐵量為290t/h，焦比為322.3kg/t，煤比為150kg/t，氧氣量為280.2Nm?/t，煤氣量為247.1 Nm?/t。可以求得總煤氣量為81258 Nm3/h，氧氣量為71659 Nm3/h，因此求得總氣量為152917 Nm3/h。

由于 ， ， ，可以求得模型的風量 為85.48 Nm?/t。

由于采用半周三維模型（13個風口，氣量變為二分之—），因此可以得到半周模型所需氣體流量為42.74 Nm?/h。

4.模型加料量

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，由于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，其物理性質如表2所示。

實驗時需要確定每次加入的爐料的體積，由于采用分層布料，則需要求出每次加入的聚乙烯顆粒和麥飯石球的體積。由于設計時已經給出了礦批重和焦批重（每次加入礦石40 t、焦炭9 t），又由于麥飯石球堆密度為1606 kg/m3，聚乙烯顆粒的堆密度為560 kg/m3，可以求得：

每次需要加入的麥飯石球體積為40*1000/（20*20*20*1606）=3.12L。

每次加入的聚乙烯顆粒體積為9*1000/（20*20*20*560）=2.01L。

通過計算可以求出模型體積為0.26 m3，可以求出麥飯石球在模型內所占據的體積為0.16 m3聚乙烯顆粒在模型內所占的體積為0.1 m3。即爐內需要加入257 kg的麥飯石球和56 kg的聚乙烯顆粒，考慮到需要循環加料和顆粒的耗損，所以至少需要準備1 t的麥飯石球和0.3 t的聚乙烯顆粒。

5.結語

（1）依據相似原理計算出氧氣高爐冷態模型所需滿足的四個無因次式，并根據實際生產時的各參數計算半周模型所需氣體流量為42.74Nm?/h。

（2）以鋼鐵研究院設計的三個2100 m3氧氣高爐為原型，在保證模型與原型幾何相似的前提下，按1：20的相似比進行冷態模型設計。

（3）根據高爐內礦石、焦炭粒度、堆密度、安息角選取選取粒度5 mm聚乙烯顆粒和粒度2 mm麥飯石球作為填充料，并根據高爐料批重計算出每次需加入模型3.12L麥飯石球和2L聚乙烯顆粒。

參考文獻：

[1]商玉明，謝裕生，艾普，張恒.全氧高爐煉鐵過程系統模擬[J].化工冶金，1993，14（3）：189-194.

[2] 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.

[3] 高建軍，郭培民，齊淵洪等.工藝參數對氧氣高爐能耗的影響規律[J].鋼鐵研究學報，2011，23（7）：14-17.

（作者單位：江陰興澄特種鋼鐵有限公司）