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1、第七章 高炉内炉料和煤气的运动高炉内存在着两个相向运动的物质流：自上而下的炉料流和自下而上的煤气流。高炉内许多反应都是在炉料和煤气不断地相向运动条件下进行的，炉料和煤气的运动是高炉炉况是否顺行和冶炼强化的决定性因素。因此，稳定炉料和煤气的运动并使之合理地进行，常常是生产中保证获得良好冶炼的重要途径。一、 炉料运动（一）炉料下降的空间条件和力学分析1、空间条件高炉内不断出现的自由空间是保证炉料不断下降的基本前提。自由空间形成的原因是：（1）焦炭在风口前的不断燃烧；（2）炉料在下降过程中由于小块炉料填充于大块炉料的间隙中，焦炭中的碳素在到达风口前参加直接还原和渗碳过程，固体炉料变成为液态渣铁和气体
2、，从而引起的体积缩小；（3）周期性的放渣放铁。在上述诸因素中，焦炭的燃烧影响最大，其次是液态渣铁的排放。2、力学分析高炉内不断出现的自由空间只是为炉料的下降创造了先决条件，但炉料能否顺利下降。还取决于下述的力学关系：PP料PcPkP气= P料P摩P气 （7-1） 式中P使炉料下降的力；P料炉料的重量；Pc炉料与炉墙之间的摩擦力；Pk炉料与炉料之间的摩擦力；P摩炉料下降时受到的总的摩擦力；P气煤气对炉料的阻力（浮力）。很显然，只有当P0时炉料才能下降；P愈大，则愈有利于炉料顺利下降；当P接近或等于零时，则炉料产生难行或悬料。须要指出的是，要使炉料顺利下降（也称为炉料顺利），不仅要求整个料柱的P大
3、于零，而且还要求各个不同高度截面上和同一截面不同位置上的P大于零。显然，某处的P=0时，则某处的炉料是悬料。因此，炉料不顺行的现象，不仅可能在高炉上部或下部出现，也可能在某一截面上的某一区域出现。为了讨论问题方便起见，引入料住有效重量这一概念。料柱的重量克服了摩擦阻力后所剩下的重量，称为料柱的有效重量，即P有效 P料P摩 （7-2）就整个料柱而言，料柱本身的重量由于受到摩擦阻力的反作用，并没有全部作用在风口平面或炉底上，真正起作用的只是料柱的有效重量。置于煤气中的料柱所受到的煤气的浮力，近似地等于料柱上下平面煤气的静压差，也即近似等于煤气通过料柱时所产生的压力损失P。于是，（7-1）式可改写为
4、P P有效P （7-3）（7-1）和（7-3）式不能用于定量计算，但可以用于定性分析。通常情况下，当炉型、原料和操作制度一定时，P有效变化不大，因此P的大小主要受到P的影响。（二）影响P有效的因素高炉炉料是一种散料体。散料体与整块固体不同之点是它内部没有结合力，而与液体不同之点是它具有很大的内摩擦力。由料块组成的高炉料柱重量所产生的压力，从一块传递到另一块，对四周的墙壁产生很大的侧压力和摩擦力。因此炉料下降时，料柱本身重量在克服了内摩擦力Pk和炉墙的摩擦力Pc后，作用于底部的重量P有效要比料柱的重量P料少得多。为了便于比较，采用有效重量系数这一概念，即有效重量系数=（P有效/ P料）100%。
5、1、炉型在其它条件不变的情况下，炉身角愈小时，则炉墙对炉料的摩擦力Pc愈小，因而P有效愈大。炉腹角愈大，则风口平面的P有效愈大。炉墙壁平整时，P有效就大；相反，当炉墙表面凹凸不平或结了炉瘤时，Pc将增大而P有效将减小，严重时使得P有效P，炉况严重不顺，产生难行和悬料。模型试验表明（图7-1），炉料运动条件下的有效重量系数大于静止条件下的有效重量系数，前者约为3941%，后者约为1516%。静止条件下，随着料柱高度的增加，风口水平面的料柱有效重量P有效也增加，但当料柱高度达到一定值后，P有效就不再增加；在某些试验中发现，在炉型不合理的高炉上，当高度超过一定值后，P有效反而有所降低，这是由于在上部
6、生成料拱和炉墙的摩擦力过大的缘故。在炉料运动的条件下，P有效总是随着料柱高度的增加而增加。但是，无论炉料处于静止状态或处于运动状态，料柱的有效重量系数总是随着料柱的增高而减小。这是由于摩擦力的增加幅度大于料柱重量的增加幅度所致。图7-1 风口水平面上炉料的压力和料柱高度的关系（原料为沙子）1-炉料静止时 2-炉料运动时现代高炉的炉型向矮胖方向发展，其原因之一是矮胖高炉有利于炉料顺行。因为煤气浮力P承着料柱高度的降低而减小，而料柱的有效重量系数a却随着料柱高度的降低而增大，其结果是P（= P有效P）值增大，所以矮胖型高炉有利于炉料的顺行。2、燃烧带当相邻风口的燃烧带互相联成一片时，风口之间的“死
7、料柱”（即料柱吊滞区）就可以消失，这样炉墙附近的炉料都处于大致相同的下降速度状态，因而炉墙对炉料的摩擦力Pc减小，同时炉墙处炉料相互之间的摩擦力Pk亦将增小，因而使P有效增大。当燃烧带的长度足够时，为使炉缸中心部分的“死料柱”消失，这样边缘部分的炉料与中心部分的炉料之间的摩擦力Pk减小，因而P有效增大。3、造渣制度高炉内成渣带的位置、炉渣的物理性质和炉渣的数量，对炉料下降的摩擦阻力影响很大。因为炉渣，尤其是初成渣和中间渣，是一种粘稠液体，它会增加炉墙与炉料之间及炉料相互之间的摩擦力。因此，成渣带愈厚位置愈高、炉渣物理性质愈差和渣量愈大时，则P摩愈大，而P有效愈小。4、炉料堆比重在其它条件不变的
8、情况下，显然，炉料的堆比重愈大时，料柱的P有效亦愈大。（三）炉料下降的规律1、下降速度高炉内不仅同一截面各部位的炉料下降速度不一样，而且由于高炉各部位直径的变化和炉料因物理形态的变化而引起的体积变化，因而各截面的炉料下降速度也不相同，即同一炉料在下降过程中的下降速度也是变化的。炉料在炉喉处的平均下降速度是可以计算的，其计算公式如下：V平 （7-4） 或 V平 （7-5）式中: V平炉料在炉喉处的平均下降速度，m/h；V每昼液装入高炉的炉料的总体积，m3；S炉喉截面积，m2。Vu高炉有效容积，m3；v有效容积利用系数，t/m（m3d）；V每吨生铁炉料的体积，m3。由上式可见，同一高炉的利用系数愈
9、高时，则炉料的下降速度愈快；每吨生铁炉料的体积愈大时，则炉料的下降速度愈快。表7-1 高炉上部下料速度距炉墙距离，mm030060098014803280炉料平均下降速度，m/h4.476.396.746.606.576.45炉料平均下降速度，mm/min74.6106.2112.1110.0109.5107.2图7-2和表7-1为两个料速测定结果。由此可见，在紧造炉墙的地方下料最慢，这是由于炉墙处的炉料受到炉墙较大的摩擦阻力所致；在距炉墙250600mm的地方下料最快，此后愈向中心，则料速愈低。这是因为在距炉墙250600mm处位于燃烧带上方，同时此处矿石量较多，在下部由于大量还原和熔化成渣
10、铁而使炉料体积缩减很大。通常小高炉和炉型不合理的瘦长高炉风口前燃烧带的大小大体相近，所以小高炉燃烧带在炉缸截面上占的面积大，燃烧带前端距炉缸中心较近；另外，小高炉喉直径小，相对而言炉料易于布到中心，因而其中心的矿石量比大高炉多。由于这两个因素的作用，使小高炉和炉型不合理的瘦长高炉中心下料最快，而大高炉下料最快的区间在燃烧带的上方。图7-2有效容积为1386m3的高炉上部径向炉料的下降速度1-放铁后2-平均料速（约6h内）3-放铁前4放铁时间内放射性同位素研究的结果还表明：炉料在下降过程中的运动速度也是变化的。从炉喉到炉身下部，料速不断降低。这是因为愈向下，炉子截面愈大以及炉料软化使炉料体积有所
11、缩小的缘故。当炉料继续下降时，虽然炉腹收缩使截面积减小，但料速增加不多。这是因为在炉腹炉料已大量还原和熔化，使炉料体积收缩所致。2、冶炼周期炉料在炉内的停留时间称为冶炼周期。它是高炉冶炼的一个重要操作指标，同样可以用来说明下料速度的快慢。治炼周期可通过下式计算：t = （7-6） 或 t = （7-7）因为有效容积利用系数v = Vu / P。 式中：t冶炼周期，h；Vu高炉有效容积，m3；P昼夜生铁产量，t；V每吨生铁炉料的体积，m3；炉料在炉内的平均体积压缩率。根据鞍钢、本钢的测定，对大、中型焦炭高炉，此值为1216%（大高炉取上限）。由（7-6）式可见，冶炼周期t与有效容积利用系数V和每
12、吨生铁炉料的体积V成反比。由于治炼条件的不同，冶炼周期相差甚大。目前我国高炉的冶炼周期约为46h。一般大高炉的冶炼周期较长，而小高炉的冶炼周期较短。3、炉料的再分布和超越现象同位素测定炉料向下运动的轨迹表明：除了少数炉料向下作垂直运动外，多数炉料在下降过程中都将偏移垂直方向，而且各种炉料偏移垂直方向的程度也不相同。焦炭由于比重较小而偏移较多，矿石由于比重大而偏移较少。这样，在下降过程中焦炭就容易被矿石挤向边缘。所以，通常在炉身下部边缘焦炭较多，而矿石较少。因此，炉料在下降过程中，各种炉料沿高炉截面的分布情况与炉喉料的原始分布情况不完全一样，也就是说炉料的分布情况将发生变化，这个现象称之为炉料的
13、再分布。炉料在下降过程中不仅发生组成的再分布，而且也将发生粒度的再分布。由于炉料各组成的物理形态、比重和粒度不同，因而向下运动的速度也就不完全一样，一些炉料下降较快，另一些炉料下降较慢。于是在炉料下降过程中将发生下降速度快的炉料“超越”下降速度慢的炉料的现象。这实际上是炉料的纵向再分布。矿石比重大，焦炭比重小，因而矿石将超越焦炭。但在高炉上部矿石尚处于固体状态时，矿石超越焦炭的现象不显著；在高炉下部由于矿石还原熔化成液态渣铁后易于向下滴落，于是矿石超越焦炭的现象才较显著。除因比重差别引起的超越现象外，块度的不同也能引起超越现象。小块炉料容易嵌入大块炉料之间的空隙中，因而容易超越大块炉料先行下降
14、。由于炉料在下降过程中发生超越现象，使得在同一时间内加入的炉料不会同时到达炉缸。在冶炼条件不变和炉况正常的时候，这种现象不会表现出什么影响。这是因为沿料柱高度上某断面处的煤炉料组成超越其它炉料而先下降到下层料柱断面时，同样会得到上层断面超越来的同种炉料组成所补充。在改炼生铁品种而改变炉料时，新的生铁品不是在新的炉料按冶炼周期到达炉缸时就能马上得到的，而是在某一段时间内先得到过渡成分的生铁。当改变原料品种或调节焦炭负荷时，同样会出现所谓“过渡阶段”。这些都是由于超越现象所引起的。总的说来，炉料再分布和超越现象问题，在高炉解剖后证明块状带仍然保持装料时的矿、焦分层状态，故在正常炉况下对冶炼过程影响不大。
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