高爐爐料運動

高爐爐料運動是在高爐煉鐵過程中從高爐爐頂加入的燃料在爐內的運動過程。冶煉中爐料不斷下降，並與上升的高溫煤氣流相接觸，礦石和熔劑被加熱、分解、還原，經軟化、熔融，最後形成鐵水和熔渣，積存於爐缸，定期或連續排出爐外;焦炭則被氧化形成上升的煤氣流。

基本介紹

• 中文名：高爐爐料運動
• 外文名：flow dynamics of burden in bIast furnace
• 學科：冶金工程
• 定義：燃料在爐內的運動過程
• 影響因素：W效和△p
• 領域：高爐煉鐵

力學分析

爐料在高爐內連續下降的條件是爐料下方不斷提供空間和爐料本身的重力超過它在下降過程中遇到的阻力。爐料得以下降的空間是由3個過程提供的：（1）焦炭中的碳在直接還原中被鐵礦石中的氧所氧化和在風口前燃燒氣化而消耗；（2）爐料下降過程中料塊重新排列，小塊不斷充填於大塊之間，且隨溫度升高逐漸軟熔使體積縮減；（3）排渣、出鐵。這些因素中以風口前焦炭燃燒引起的體積縮減最大，因而對爐料運動狀態的影響也最大。爐料下降所遇到的阻力有：（1）爐牆與爐料間的摩擦力；（2）不同下降速度的料塊間摩擦力；（3）煤氣流的支托力，這種力相當於爐料在流體中受到的浮力。這種關係可用數學式表述：

F=（W料-p牆-p料）-△p=W效-△p

式中F為決定爐料下降的力；W料為料重；p料，p牆為料、牆間和料塊間摩擦力的垂直分量；△p為煤氣通過料層的總壓差；W效為料自重扣除爐料間及料、牆間摩擦力（其垂直分量）後的質量，稱為爐料的有效質量。顯然，只有F>0時爐料才能下降。F值愈大，W效較△p大得愈多，愈利於爐料順行；F≈0或F<0時，爐料將難以下降或沿斷面出現局部性流態化。

影響因素

影響爐料下降的因素可分為影響W效和△p的兩類。高爐爐料可認為是散料體。它與其他流體的區別在於其內部沒有或很少有結合力，但具有很大的摩擦力。由料塊組成的料柱其質量所產生的壓力，從一塊傳到另一塊，對周圍爐牆產生很大的側壓力和摩擦力。因此，料柱本身質量在克服了各種摩擦力後作用於底部的那部分，亦即有效質量要比實際料重小得多。

模型實驗及高爐測定結果表明，各因素對有效質量的影響如下：（1）爐身角愈小或爐腹角愈大，則爐牆對爐料的摩擦力愈小，有效質量愈大。但爐身角過小會使爐牆邊緣煤氣流過分發展，爐腹角過大時爐腹磚襯易被燒壞，故應取適宜值；（2）隨料柱增高，有效質量係數（W效/W料）減小，表明爐牆對料柱摩擦力相對量增加；（3）風口增多或風口前焦炭燃燒的空間（燃燒帶）分布愈接近風口而遠離爐子中心，則有效質量愈大。因為燃燒帶上面的爐料是運動的，運動的爐料愈多且更多地靠近爐牆，可更多地減少爐牆對爐料的摩擦力；（4）其他條件不變時，爐料平均堆密度大，則風口平面上料柱的有效質量也大，故有利於順行。風口噴吹燃料後，由於焦炭負荷（每批料中礦石與焦炭質量之比）稍有增大，爐料堆密度相應增大，這對由高爐噴吹燃料引起的煤氣量增大和因此時料柱透氣性變壞對爐料下降的不利影響，有部分抵消效果。此外，初渣性質、爐料下降均勻性和爐牆表面狀態等對W效也有影響。原料準備不好，初渣過黏，渣量過大，會使爐料間及料牆間摩擦力增大；爐牆長瘤或冷卻水箱裸露出來，也會使爐牆對下降料柱的摩擦力增大，故加強原料準備，改善造渣制度，保持爐襯平整有利於爐料順行。設法活躍爐缸中心，減少中心“死”料對周圍爐料下降的阻力，也利於爐況順行。影響爐料下降的另一類因素是煤氣壓差△p。

運動形態

按物理狀態，高爐自上而下大致可分為塊狀帶、軟熔帶、滴落帶、風口迴旋區及爐缸渣鐵貯存區5個部分。爐料在各區內物理狀態不同，運行特性也不一樣。風口區以上屬固—氣二相區或固—氣—液三相區。爐料運動指的是固體料的運行及其中礦石軟熔後的流動狀態；風口區以下的爐缸內，匯集流下的渣和鐵因密度不同而分層存在（渣上鐵下），固態焦炭浸沒在渣鐵之中。隨著冶煉進行，渣、鐵層逐漸增厚並定期或連續排出，所以此區內的爐料運動主要指液態渣、鐵的流動和焦炭的沉浮狀態。

固體料流

受裝料設備特性的限制，爐料入爐後料面呈中心低、邊緣高的斜面。但由於風口上方的焦炭不斷落入迴旋區燃燒，而風口區位於爐子邊緣，加上爐身逐漸擴展的形狀影響，故邊緣比中心下料快，使料層愈往下愈趨平坦。就整體而言，在爐身塊狀帶，爐料大體上是呈活塞流動狀態向下運行。雖然相間分布的焦炭與礦石在層間界面處略有混雜，巨觀上卻仍呈明晰的層狀緩緩下降。高爐下部（大體上指軟熔帶以下風口區以上）爐料運行則如圖1。在上部，爐料仍呈活塞流，料塊大體上是垂直下降的，但到一定高度（圖中Lc）後，散料則分為三個區間，其中A區內的散料（焦炭）呈近似漏斗狀，以較快速度從上方落入風口區進行燃燒；C區通常被稱為死料柱，它和與其相連的浸沒在液體渣鐵中的焦炭，基本上處於沉浮蠕動狀態；因為碳的溶解、直接還原以及被渣鐵浮起的焦炭少部分從燃燒帶下方擠入燃燒帶內氣化等使C區內的焦炭緩慢消耗，高爐解體調查結果表明，大體上10天左右更新一次，而B區內的焦炭則沿死料柱形成的斜坡滑入風口區，其速度比A區的焦炭下落速度慢。A—B界面與水平的夾角θ₁為60°～65°，死料柱角度θ₂約為45°。

液體流動

爐料在下降過程中不斷地從上升的高溫煤氣獲得熱量，在降至一定位置、被加熱到一定溫度時即開始軟化熔融。在滴落帶內形成的液滴穿越焦炭層下降，其中一些液滴又相互聚集成流沿焦炭縫隙流入爐缸。

高爐解剖和模型實驗研究表明，軟熔帶形狀、滴落帶各部位空隙率和煤氣流運動的流向和托力對液體的滴落有重大影響。例如在煤氣流橫向穿過軟熔帶的焦窗時，有把剛形成並下滴的液流推向邊緣的作用；又如在風口區正上方，由於剛形成的初始氣流有很大的托力，致使相當多的液體轉向迴旋區四周流下。儘管對風口區是否存在液流無法通過的“乾區”還有不同認識，但液流形成後，較多液流是先流向外側，再沿曲折的路徑流進爐缸是沒有爭議的。

爐缸液流形態

滴落帶內的鐵水和熔渣穿過焦炭流下的流動屬於在透液性不均的充填層內緩慢的黏性流動。通過對這種流動的研究及對生產高爐的解剖調查，得到如下認識：（1）在剛出完鐵的爐缸內積存渣、鐵很少時，焦炭床將沉坐在爐底死鐵層上；在渣、鐵量達到一定水平，致使液體對焦炭床的上浮力大於上部料柱傳遞給它的壓力時，焦炭床將在鐵水中浮起（熔渣、鐵水、焦炭的密度分別約為2.0、7.0和1.0t/m3）。此時焦炭床底層的表面一般向下凸起，即中心較貼近爐底，邊緣與爐底距離較大。（2）日本的原行明和田內森研究了焦炭床“沉坐”和“浮起”兩種情況下鐵水的流動形態，分別以圖2中a和b來說明。在焦炭沉坐時，滴下的鐵水距鐵口愈遠，它在爐記憶體留時間愈長；而在底部形成無焦層，也即焦炭床浮起的情況下，圖中p點外側滴下的鐵水在近乎垂直穿過焦炭床後，會以很快速度流過爐底無焦層奔向鐵口，最後再進入焦炭床從鐵口排出。

無焦層內鐵水的高速流動加速了爐底耐火材料的侵蝕。當焦炭床呈向下凸起的形態浸沒於鐵水時，由於爐底四周無焦，經焦炭床流過的鐵水更多，以致形成周邊鐵水環流，造成爐底周圍碳磚熔蝕嚴重（即通常所謂蒜頭形侵蝕），生產中採用適當控制出鐵速度並增加死鐵層深度的措施，來減輕爐底侵蝕。在高爐出鐵結束時，爐缸內仍會有部分熔融渣、鐵殘存。由於熔渣黏度通常為鐵水的100倍以上，故殘存熔體主要是爐渣。爐渣愈黏，初始渣面水平愈高，焦炭塊度愈小（尤其是粉末愈多），出鐵速度愈快，則殘留量愈大。爐缸內熔體殘存過多對上部爐料順利下降不利。採用黏度較低的爐渣，維持焦床內焦炭均整（尤其是無粉末），改善其透液性，適當增加出鐵次數，減緩出鐵速度等都對減少爐缸內殘渣有益。改善包含死料柱在內的爐缸焦炭床的透氣性和透液性，對維持爐料順利運行進而改善高爐操作是有重要意義的。由爐頂中心多加部分焦炭，使中心區礦焦比減小，可以促進中心氣流發展，改善爐缸焦床的透氣性和透液性。

料速及下料異常

爐料在爐內的平均下降速度約3～4m/h或50～60mm/min，但在不同高度上降落速度不同。一般爐喉下料快，進入爐身後隨爐型擴展，速度減慢，軟熔後速度又加快。此外，同一高度上徑向不同點的料速不同。爐牆邊緣處於風口焦炭燃燒區上方，下料最快；處於死料柱正上方的爐子中心區域下料最慢；中間區則介於兩者之間。據前蘇聯馬格尼托哥爾斯克冶金聯合工廠高爐實測結果，在料線附近的爐牆處爐料下降速度為111mm/min，高爐中心處是20mm/min，而中間區是67mm/min。就總體而言，料速主要取決於風量。風量增加則單位時間內燃燒的焦炭多，風口前能及時騰出空間，故料速加快。爐料在下降過程還存在超越現象，即某種物料裝入後提前到達爐缸的現象。這是由於各種物料的理化性質不同。質重、塊小、光滑的物料容易穿過料層間隙提前落下，易熔礦石在較高位置熔化很快流入爐缸。一般說來，球團礦與燒結礦同時入爐時，球團礦容易超越燒結礦。在正常操作中，前後超越效果互相抵消，故不易察覺，但當變料或正常制度破壞時，這一現象就顯現出來。如當改變鐵種時，由於組成新料批的各種物料不是同時下到爐缸，故會得到中間產品，僅當新料全部下達爐缸後生鐵成分才能穩定下來。在高爐渣鹼度過高致使爐渣過黏且不穩定時，從爐頂適量加入河砂（SiO₂），由於超越作用，這部分河砂會很快下達爐缸來中和過高的CaO，使爐渣性能改善。

塊狀帶的主要下料異常是懸料（見懸料與坐料）和管道行程；滴落帶除懸料、管道行程之外還有液泛。由於某種原因使爐料透氣性變壞，致使爐料下降力F近於零時，可能出現下料不暢，稱為爐況難行；在各風口進風不均，使得局部區域料速過快或過慢，稱為爐況偏行；在爐料下降力F≤0時，爐料懸而不落，即為懸料；此時若採用減風措施來減小煤氣上托力，則可能重新使F>0使爐料繼續下降，這一操作稱為坐料。原料粉末太多或煤氣量過大時，粉料可能向運行阻力小的方向流動或被吹向爐頂，由此在料柱內形成一個沒有規整形狀的上下連通的管道狀區域，此區內料極疏鬆，煤氣上升阻力極小，這種現象即稱管道行程。在滴落帶，焦炭充填層內向下流動的熔渣與逆向上升的煤氣流相遇，當煤氣流速達到某一數值時，熔渣會被吹到上方，即發生液泛，被吹回上方的熔渣在低溫區重新凝固，有可能引起懸料；液泛如發生在邊緣，則可能導致爐牆結厚甚至結瘤。懸料、液泛等均屬爐料下降的不正常狀況。需通過改善原料、改進操作予以消除。

檢測及研究動向

高溫作業給高爐內測定帶來很多困難，直至20世紀中葉，人們對爐內運行狀況並不很清楚。20世紀60年代開始，前蘇聯、日本等國進行了大量爐體解剖調查，即在正常冶煉情況下突然停風，採用水冷或惰性氣體冷卻儘可能使爐內保持中斷冶煉時的原狀，然後自上而下逐層解體，觀察、取樣並做理化分析，由此判斷爐料存在、運動及各種反應進行的狀況。除了生產高爐，在小型試驗爐上也進行過解剖調查。爐體解剖是認識高爐過程的有力手段。但限於人力、物力，不可能經常進行，而且也不易確定單因素的影響。為此，50年代以後，一些國家進行了爐內運行規律的模型實驗研究。模型內型與生產高爐相似，在風口部位設排焦裝置以模擬焦炭燃燒消耗。這樣頂部裝料、下部排料（裝入及排出量按相似原理計算設定）使爐料運行狀態與高爐實際相近。另外，也採用蠟球等易熔物模擬礦石，焦粒模擬爐內焦炭，從風口鼓入熱風，使蠟球軟化、熔滴，以了解不同送風制度下軟熔帶形成狀況。這樣的模型可隨時“停爐”，然後橫向放置，去除上層爐料使剖面暴露出來，藉以了解爐料運行狀態。靠這種模型可模擬不同爐型，各種裝料制度，送風制度及爐牆結厚、破損等條件下爐料的運行狀態，以供實際操作參考。

爐料料塊運行方向和速度為其力學條件所支配。料層內的應力通常是用可移式土壓計來測定。土壓計為一光滑盒體，受壓面由附有應變計的應變板支撐，土壓計在某處、某方向上承受的壓力以各支撐點的平均應變形式轉換為電信號輸出，這種土壓計可埋置在料層內隨料下降，受壓面的壓力信號通過導線輸出。這種測壓裝置用於冷模型實驗極為方便，50年代前蘇聯也曾用於點火前的爐內測定，但尚未能用於高溫的生產高爐。近來已開始將粉體工程學的實驗方法引入高爐內爐料運行的研究。由於高爐過程極為複雜，這種研究尚不成熟。爐缸內液態渣、鐵的流動形態仍多用水槽法進行觀測。但雷射等新技術也已用於液流研究。

高溫作業給高爐內測定帶來很多困難，直至20世紀中葉，人們對爐內運行狀況並不很清楚。20世紀60年代開始，前蘇聯、日本等國進行了大量爐體解剖調查，即在正常冶煉情況下突然停風，採用水冷或惰性氣體冷卻儘可能使爐內保持中斷冶煉時的原狀，然後自上而下逐層解體，觀察、取樣並做理化分析，由此判斷爐料存在、運動及各種反應進行的狀況。除了生產高爐，在小型試驗爐上也進行過解剖調查。爐體解剖是認識高爐過程的有力手段。但限於人力、物力，不可能經常進行，而且也不易確定單因素的影響。

為此，50年代以後，一些國家進行了爐內運行規律的模型實驗研究。模型內型與生產高爐相似，在風口部位設排焦裝置以模擬焦炭燃燒消耗。這樣頂部裝料、下部排料（裝入及排出量按相似原理計算設定）使爐料運行狀態與高爐實際相近。另外，也採用蠟球等易熔物模擬礦石，焦粒模擬爐內焦炭，從風口鼓入熱風，使蠟球軟化、熔滴，以了解不同送風制度下軟熔帶形成狀況。這樣的模型可隨時“停爐”，然後橫向放置，去除上層爐料使剖面暴露出來，藉以了解爐料運行狀態。靠這種模型可模擬不同爐型，各種裝料制度，送風制度及爐牆結厚、破損等條件下爐料的運行狀態，以供實際操作參考。

爐料料塊運行方向和速度為其力學條件所支配。料層內的應力通常是用可移式土壓計來測定。土壓計為一光滑盒體，受壓面由附有應變計的應變板支撐，土壓計在某處、某方向上承受的壓力以各支撐點的平均應變形式轉換為電信號輸出，這種土壓計可埋置在料層內隨料下降，受壓面的壓力信號通過導線輸出。這種測壓裝置用於冷模型實驗極為方便，50年代前蘇聯也曾用於點火前的爐內測定，但尚未能用於高溫的生產高爐。近來已開始將粉體工程學的實驗方法引入高爐內爐料運行的研究。由於高爐過程極為複雜，這種研究尚不成熟。爐缸內液態渣、鐵的流動形態仍多用水槽法進行觀測。但雷射等新技術也已用於液流研究。