礦批對(duì)高爐冶煉影響的模擬研究

礦批對(duì)高爐冶煉影響的模擬研究楊志超;陳輝;沈海波;鄭朋超【摘要】通過建立數(shù)學(xué)模型，模擬研究了大礦批對(duì)煤氣穩(wěn)定性、礦焦層界面效應(yīng)及軟熔帶'”焦窗\”透氣性的影響，認(rèn)為:擴(kuò)大礦批后會(huì)對(duì)爐況的穩(wěn)定性和煤氣利用起到積極作用;在軟熔層數(shù)n和焦軟比m一定時(shí)，增加料層厚度，對(duì)軟熔體寬度L的形成具有兩面性，總的效果是使軟熔帶沿徑向得到發(fā)展,不利于軟熔帶透氣性的改善，但變化趨勢(shì)小于1隨軟熔層數(shù)n的變化;擴(kuò)大礦批要有\(zhòng)"度\",實(shí)行大礦批必須采取有效措施使中心開放，否則透氣性變壞.【期刊名稱】《河南冶金》【年(卷)，期】2019(027)002【總頁(yè)數(shù)】6頁(yè)(P1-5,34)【關(guān)鍵詞】冶煉;礦批;軟熔帶;透氣性【作者】楊志超;陳輝;沈海波;鄭朋超【作者單位】首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司;首鋼技術(shù)研究院;首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司;首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司【正文語(yǔ)種】中文0引言礦石批重(礦批)對(duì)爐料分布的影響是所有裝料制度參數(shù)中最重要的。批重決定爐內(nèi)料柱層狀結(jié)構(gòu)的厚度，批重越大，料層越厚，軟熔帶每層〃氣窗”面積越大，高爐將因此改善透氣性；批重越大，整個(gè)料柱的層數(shù)減少，因此界面效應(yīng)減少，有利于改善高爐透氣性［1］。但批重過大，會(huì)出現(xiàn)邊緣、中心兩頭堵的煤氣分布，增加了料柱阻力。杜鶴桂曾經(jīng)指出了批重對(duì)高爐透氣性的雙重影響：隨著高爐礦焦層厚度的增加，軟熔帶壓差升高，而總壓差略微下降到某一點(diǎn)后又升高［2］。因此，擴(kuò)大礦批要有〃度”，實(shí)行大礦批必須采取有效措施使中心開放，否則透氣性變壞。而無料鐘爐頂，由于布料對(duì)爐料落點(diǎn)的控制靈活，可以通過布料調(diào)整，控制礦石在爐內(nèi)中心區(qū)域的分布量，確保中心開放，以避免對(duì)軟熔帶透氣性惡化的不利影響。合理礦石批重系指在順行條件下最佳煤氣利用率時(shí)的礦石批重。合理的礦石批重可降低高爐的燃料比，是節(jié)能的一項(xiàng)措施［3］。目前國(guó)內(nèi)4000m3級(jí)別的高爐，礦批重量達(dá)到120~140t。5000m3級(jí)別的高爐，礦批重量達(dá)到140~180t。韓國(guó)浦項(xiàng)4#高爐(5600m3)最大礦批曾經(jīng)達(dá)到180t,當(dāng)時(shí)焦炭負(fù)荷達(dá)到5.5，高爐運(yùn)行良好。首鋼京唐2#高爐通過采用AB礦的形式，在料罐容積偏小的情況下，實(shí)現(xiàn)了165t礦批的長(zhǎng)期穩(wěn)定冶煉［4］。但國(guó)內(nèi)也有部分大型高爐在擴(kuò)大礦批后，出現(xiàn)煤氣不穩(wěn)定，壓差升高，高爐操作困難的情況。因此，有必要進(jìn)一步模擬研究大礦批對(duì)煤氣穩(wěn)定性的影響，筆者將從煤氣均勻程度，礦焦界面效應(yīng)和軟熔帶〃焦窗”透氣性等方面構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，探究擴(kuò)大礦批和煤氣穩(wěn)定性之間的關(guān)聯(lián)性。1礦批對(duì)煤氣穩(wěn)定性影響的模擬研究1.1模型的構(gòu)建焦炭的空隙度在所有爐料中最大，其透氣性最好。相關(guān)文獻(xiàn)表明，受爐料顆粒大小的影響，在高爐中礦層的阻力是焦層阻力的8~10倍，焦炭多的地方，煤氣阻力小，氣流較〃發(fā)展”；而礦石多的地方，煤氣阻力大，氣流受到抑制。由于高爐布料存在不均勻性，煤氣流的分布也會(huì)不均勻［5］。為便于分析，爐內(nèi)料柱的簡(jiǎn)化模型如圖1所示。圖中焦炭集中處，可以是焦炭和礦石的混合層，也可以是焦炭和礦石的中間層。H表示礦層高度，H'表示焦炭集中處高度；煤氣自A-A方向和B-B方面通過礦層的壓差用P和P'表示。其中A-A方向不經(jīng)過焦炭集中處，而B-B方向經(jīng)過焦炭集中處。假定單位高度的礦層對(duì)煤氣阻力CP礦)是單位高度焦炭層的N倍(NxaP焦)。圖1高爐內(nèi)料柱的簡(jiǎn)化模型根據(jù)對(duì)P與P'的定義可知，P'/P可作為評(píng)價(jià)煤氣分布均勻程度的指標(biāo)。該值越小則煤氣分布越不均勻；該值越大，則煤氣分布越均勻。較低的P'/P，表征煤氣沿B-B方向形成〃微區(qū)管道”的趨勢(shì)加強(qiáng)，反之則煤氣分布的均勻性越好。根據(jù)對(duì)H與H'的定義可知，H/H'可作為評(píng)價(jià)爐內(nèi)礦焦層分布的狀態(tài)參數(shù)。該值越小，則礦層相對(duì)較薄，礦焦混和的程度越大，或焦炭集中程度越大；反之，礦層增厚，焦礦混和的程度越小。根據(jù)對(duì)N值的定義可知，N可作為評(píng)價(jià)焦炭和礦石物料特性的狀態(tài)參數(shù)。該值越大，則表明礦石層相對(duì)焦炭層的透氣性越差，表征礦石的物料特性與焦炭的物料特性的分散程度大。通過A-A方向礦層的煤氣阻力P和通過B-B方向礦層的煤氣阻力P'的計(jì)算如下式:P=HxAP礦=HxNx△P焦(1)P'=P礦+P焦=(H-H')xAP礦+^乂游焦=((H-H')xN+H')xAP焦(2)根據(jù)式(1)和式(2)可以得出P'/P為：對(duì)于混合層中的焦炭集中處，因焦炭和礦石相互摻和，其阻力較全焦大。按摻和的程度可取1~10間的數(shù)值，將所有的N值代入式（3）中，則可得到P'/P與H/H'的關(guān)系。1.2煤氣穩(wěn)定性和均勻程度解析結(jié)果按照1.1提出的大礦批對(duì)爐料特性、礦焦層分布以及透氣性均勻程度的模型，計(jì)算所得P'/P與H/H'的解析結(jié)果如圖2所示。圖2P'/P與H/H'的關(guān)系曲線從圖2可以看出，焦炭和礦石的物料特性N值以及礦層厚度H/H'對(duì)煤氣的穩(wěn)定性有影響。在焦炭和礦石物料特性N值確定的情況下，隨著礦層厚度和H/H'的增加，P'/P先是迅速增加，逐漸轉(zhuǎn)為緩慢增加，這說明隨著礦層的增重，煤氣分布的均勻性先快速提升，而后提高幅度逐漸減小。也就是說，大礦批后會(huì)對(duì)爐況的穩(wěn)定性和煤氣利用起到積極作用，自小礦批向大礦批的過渡過程中，隨著礦批的擴(kuò)大，煤氣透氣性的穩(wěn)定性和均勻程度經(jīng)歷快速提高，當(dāng)?shù)V批大到一定程度后，穩(wěn)定性提升的幅度將變得不明顯。在礦層厚度H/H'確定的情況下，物料特性N值越大，煤氣的穩(wěn)定性和均勻程度越小。因此，改善入爐原料質(zhì)量，對(duì)煤氣的穩(wěn)定性和均勻程度有積極作用。結(jié)合鐵前工序的特點(diǎn)，改善原料質(zhì)量不僅是要改善單種入爐料的性質(zhì)，改善焦炭和礦石物料的匹配關(guān)系也是改善原料質(zhì)量的重要內(nèi)容之一，如縮小礦石和焦炭間的粒度差，一是提高入爐鐵料粒度水平，二是穩(wěn)定并提高焦炭粒度的均勻程度。2擴(kuò)大礦批與礦焦層界面效應(yīng)的研究在高爐上部塊狀帶，焦炭和礦石均保持固體散狀料的特點(diǎn)，且成層狀分布。在粗粒度爐料（如焦炭）之上裝小粒度爐料（如燒結(jié)礦、球團(tuán)和塊礦）時(shí)，上層料的一部分小粒子往往鉆入下層料的縫隙中，形成一層混合層，煤氣通過這個(gè)混合層的壓力損失比通過非混合層時(shí)要大，稱為界面壓力損失。顯然，批重小時(shí)，礦焦層數(shù)多，界面也多，總的界面壓力損失必然大。因此，擴(kuò)大礦批，減少礦焦層界面的數(shù)量，會(huì)降低煤氣通過塊狀帶的阻力損失。通過仿真模擬的方法對(duì)礦批增加與礦焦界面效應(yīng)間的關(guān)系進(jìn)行研究。2.1模型的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)(1)首先，建立氣體流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，其控制方程及邊界條件如下式：⑷⑸f1=150(1-8)2pg/pg(^dp)283(6)f2=1.75(1-8)pg(^dp)83⑺然后，對(duì)方程離散化處理，詳細(xì)計(jì)算過程如下：中ij=[A(0+1,j-中i-1,j)+B(中i,j+1-中i,j-1)+C(中i+1,j+中i-1,j+D(中i,j+1+中i,j-1)+F(中i+1,j+1-中i+1,j-1+中i-1,j-1-0-1,j+1)]2(C+D)(8)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(2)沿高爐徑向方向和高度方向建立質(zhì)量流量方程，如下式:Gr=r-1-d^-dl-1(17)Gl=r-1?dpdr-1(18)(19)⑶建立高爐內(nèi)壓力分布模型，方程如下式:Pi,j=[Ai,j+B(Pi+1,j-Pi-1,j)+C(P1+1,j-Pi-1,j)+D(Pi,j+1-Pi,j-1)?[2(C+D)]-1(20)Aij=Gr(Wi+1,j-Wi-1j)2h-1+Gl(Wi,j+1-Wi,j-1)2k-1(21)B=(2hr1)-1(22)C=1?h-2(23)D=1?k-2(24)(4)模型參數(shù)。初步選擇的模型參數(shù)見表2。表2模型參數(shù)項(xiàng)目數(shù)值模型半徑/mZ流函數(shù)誤差限3.0E-3流函數(shù)松弛因子1.6焦炭粒度/m0.04焦炭形狀系數(shù)0.65焦炭孔隙度0.5入口質(zhì)量流＞/(kg-m-2-s-1)1.0氣體粘度/(m2-s-1)16.77E-6模型M/m2壓力誤差限3.0E-6壓力松弛因子1.0礦石粒度/m0.015礦石形狀系數(shù)0.7礦石孔隙度0.35氣體密度/(kg-m-3)1.252.2層流條件下，礦-焦層界面效應(yīng)考慮塊狀帶礦焦層按一定的斜率成層分布，為減少計(jì)算量，反映煤氣通過礦焦層的實(shí)際情況，選取其中含礦層和焦層的一剖面矩形為研究單元，物理模型如圖3所示。煤氣穿過焦炭層，經(jīng)礦石層后進(jìn)入焦炭層。圖3矩形礦焦料層物理模型自下部向上運(yùn)動(dòng)的煤氣，計(jì)算所得穿過礦焦層的流線分布和流線云圖分別如圖4、圖5所示。圖4層流條件下，煤氣穿過礦焦層的流線分布圖5層流條件下，煤氣穿過礦焦層的流線云圖從圖4、圖5可以看出，煤氣穿過下部焦炭層基本呈垂直平行狀分布，邊緣煤氣分流線分布較密，越接近中心部位，流線分布越疏松。自下部焦炭層進(jìn)入礦石層，煤氣流線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，基本垂直于礦焦界面，在礦石層流線分布的疏密程度與下部焦炭層類似。自礦石層進(jìn)入上部焦炭層，煤氣流線再次發(fā)生偏轉(zhuǎn)，方向與下部焦炭層基本一致。流線分布和流向偏轉(zhuǎn)的解析結(jié)果表明：煤氣在穿越塊狀帶礦焦層的過程中，中心區(qū)域煤氣阻力低于邊緣；礦焦界面層對(duì)煤氣有明顯的阻礙作用，使煤氣流向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。事實(shí)上，這種煤氣流向偏轉(zhuǎn)與爐況的順行狀態(tài)有關(guān)，煤氣流向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的程度越大，越不利于爐況順行，礦焦界面層的存在是影響爐況順行狀態(tài)的原因之一。煤氣穿過礦焦層的壓力分布如圖6所示。圖6層流條件下，煤氣穿過礦焦層的壓力分布從圖6可以看出，下部焦炭層和上部焦炭層的壓力梯度較寬松，而礦石層的煤氣壓力梯度較致密；在下部焦炭層的上表面存在一定的壓力梯度，且壓力梯度由寬松向致密過渡；礦石層的上表面存在一定的壓力梯度，且壓力梯度由致密向?qū)捤蛇^渡;上部焦炭層與礦石交界面處的壓力梯度較礦石層與上焦炭層界面處的壓力梯度更密。2.3湍流條件下，礦-焦層界面效應(yīng)基于礦焦層分布的物理模型，湍流條件下解析所得的煤氣流線分布、流線云圖和煤氣穿過礦焦層的壓力分布分別如圖7~圖9所示。湍流條件下，與層流條件下煤氣穿過礦焦層的流線分布情況類似，但自下部焦炭層進(jìn)入礦石層以及自礦石層進(jìn)入上部焦炭層過程中，煤氣發(fā)生偏轉(zhuǎn)的程度漸小，即煤氣保持原有運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的能力較強(qiáng)。高爐冶煉過程中，煤氣基本處于湍流狀態(tài)下，礦焦層成層分布對(duì)煤氣穩(wěn)定、順行的有利。因此，高爐下部煤氣分布是整個(gè)高爐煤氣基礎(chǔ)，生產(chǎn)中應(yīng)重視對(duì)下部煤氣流分布的控制。圖7湍流條件下，煤氣穿過礦焦層的流線分布圖8湍流條件下，煤氣穿過礦焦層的流線云圖圖9湍流條件下，煤氣穿過礦焦層的壓力分布湍流條件下，與層流條件下煤氣穿過礦焦層的壓力分布情況類似，焦炭層內(nèi)煤氣阻力損失低于礦石層，存在明顯的礦焦層界面效應(yīng)。不同之處在于湍流條件下，邊緣煤氣壓力梯度較層流條件下寬松，也就是說，實(shí)際的冶煉過程中邊緣煤氣較容易發(fā)展，操作上根據(jù)實(shí)際的煤氣分布狀態(tài)要考慮對(duì)邊緣煤氣進(jìn)行控制，如裝料調(diào)整上要保持一定的礦焦平臺(tái)。3擴(kuò)大礦批與軟熔帶〃焦窗”透氣性的研究軟熔帶是塊狀帶和滴落帶的過渡部分，與煤氣分布互為因果。高爐解剖表明，軟熔帶是由軟熔體與焦炭層相間重疊而成。軟熔體的透氣性差，煤氣流幾乎全部由焦炭夾層通過。因此，煤氣流動(dòng)以及煤氣流與軟熔體間的傳熱對(duì)爐料的軟化、熔化和滴落過程有很大影響，并且也影響著軟熔帶的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。從煤氣流動(dòng)和傳熱的角度來分析影響軟熔帶沿徑向發(fā)展的因素是具有實(shí)際意義的。3.1模型建立考慮傳熱的前提下，決定軟熔帶結(jié)構(gòu)(如圖10所示)的無因次參數(shù)有：焦炭夾層厚度與軟熔體厚度之比m(簡(jiǎn)稱焦軟比)；定長(zhǎng)b內(nèi)軟熔化層數(shù)n(軟熔層數(shù))，其中b=n(L-x)，n為軟熔層數(shù)」為軟熔帶寬度，x為上下層軟熔體的重疊部分長(zhǎng)度；軟熔帶內(nèi)傾角正切為tan(e)=n(m+1)h0/b,h0為軟熔體厚度。則無因次軟熔帶寬度和焦炭粒度之經(jīng)L/d滿足如下函數(shù)關(guān)系：L/d=f(m,n,tan0)(12)式中：d 焦炭平均直徑，mm。圖10軟熔帶簡(jiǎn)化模型根據(jù)東北大學(xué)采用固態(tài)石蠟?zāi)M軟熔體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)回歸無因次軟熔帶寬度和焦炭粒度之比L/d滿足如下關(guān)系：或3.2軟熔帶〃焦窗”透氣性分析3.2.1層數(shù)n的影響在軟熔帶傾角0和焦軟比m一定時(shí)，軟熔帶供煤氣流通過的焦窗面積不變，每層焦窗的面積隨著n的增加而減少。假設(shè)單個(gè)焦窗為一矩形煤氣通道，根據(jù)當(dāng)量直徑的定度式可推得焦窗的當(dāng)量直徑近似為：dc=2hc式中：hc 焦窗的厚度，mm。氣體在光滑管內(nèi)湍流流動(dòng)時(shí)，其對(duì)流換熱關(guān)系式為：Nu=0.023xRe0.8xPr0.4式中：Nu——努謝爾數(shù)；Re——雷諾數(shù)；Pr——普蘭特?cái)?shù)。根據(jù)以上兩式可以推導(dǎo)出對(duì)流換熱系數(shù)為：h*dc-0.2隨著層數(shù)增加，單個(gè)〃焦窗”面積減少，煤氣流與軟熔體之間的對(duì)流換熱系數(shù)增大，軟熔體熔化加速；同時(shí)，煤氣流由于散熱快，沿流動(dòng)方向的溫降增大，使軟熔體的有效吸熱區(qū)間變窄。另外，軟熔層數(shù)n增加，單層軟熔體變薄。由于軟溶體軟化后透氣性急劇降低，氣流不能由軟熔體內(nèi)通過，所以軟熔體獲得熱量要經(jīng)過兩個(gè)環(huán)節(jié)，一是煤氣流與軟熔體表面的對(duì)流換熱，二是軟熔體內(nèi)部的傳導(dǎo)傳熱。上面已分析了由于軟熔層數(shù)增加對(duì)表面對(duì)流換熱的影響，而層數(shù)增加后，又使厚度變薄內(nèi)部傳導(dǎo)阻力減少，傳熱效果改善。因此，從兩個(gè)環(huán)節(jié)上看，增加軟熔體層數(shù)n都限制了軟熔體沿徑向發(fā)展。日本衫山橋等用聚苯乙稀模擬軟熔層和用氧化鋁球模擬焦炭進(jìn)行的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果也表明：當(dāng)軟熔層模擬物的收縮率達(dá)到40%時(shí)，軟熔化內(nèi)的溫度梯度方向與軟熔層厚度方向基本一致。因此，增加軟熔層數(shù)n從兩個(gè)環(huán)節(jié)都強(qiáng)化了煤氣流與軟熔體之間的熱交換，加快了軟熔體的熔化滴落速度，煤氣溫度梯度增加，軟熔帶的寬度變窄。就高爐冶煉來看，軟熔層數(shù)n增加，與小礦批相對(duì)應(yīng)，生產(chǎn)在處理爐況順行狀態(tài)差的問題時(shí)，除減輕焦炭負(fù)荷外，在負(fù)荷不變的條件下，縮礦批使軟熔帶寬度變窄，也有利于改善軟熔帶位置的透氣性。3.2.2軟熔帶傾角0的影響當(dāng)軟熔帶的軟熔層數(shù)n及焦軟比m一定時(shí)，tan0值完全取決于軟熔體厚度h0。通過增加h0來提高tan0使軟熔帶中的煤氣流動(dòng)和傳熱過程有以下特點(diǎn)：首先，由于h0增加，內(nèi)部熱傳導(dǎo)阻力增加；其次，由于焦窗總面積增加，煤氣流速降低，再加上單個(gè)焦窗面積增大，這兩方面都降低了表面對(duì)流換熱系數(shù)h。增加軟熔體內(nèi)部熱阻和降低表面換熱都有利于軟熔體沿徑向發(fā)展。但是，由于煤氣流速降低，延長(zhǎng)了煤氣流與軟熔體的熱交換時(shí)間，煤氣流度梯度增大，這又限制了軟熔體沿徑向發(fā)展。由此說明，通過增加料層厚度來改變軟熔帶傾角0,對(duì)軟熔體寬度L的形成即有限制的一面，又有促進(jìn)的一面，總的效果是使軟熔帶沿徑向得到發(fā)展，但變化趨勢(shì)小于1隨軟熔層數(shù)n的變化。從tan0=n(1+m)h0/b可知，當(dāng)軟熔體厚度h0和焦軟比m不變時(shí)，n增加，tan0值隨之增加。通過增加n的來提高tan0值時(shí)，L/dxn-0.4179。這說明單純?cè)黾觧來提高tan0值，軟熔帶寬度L值隨之減小。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因在于n增加后，焦窗總面積增加，煤氣流速急劇降低，溫度梯度增大，軟熔體的吸熱區(qū)間變窄。3.2.3焦軟比的影響當(dāng)n和h0不變時(shí)，L/dx(1+m)0.2838/m0.1873?？紤]生產(chǎn)中的實(shí)際焦炭負(fù)荷水平，焦軟比在1.0~1.7之間，則有(1+m)0.2838/m0.1873與m的關(guān)系，具體見表3。表3(1+m)0.2838/m0.1873與m的關(guān)系m1.01.21.41.61.7(1+m)0.2838/m0.18731.2171.2091.2041.2011.200由表3可知，焦軟比m對(duì)L的影響不大，其原因在于改變m所引起的對(duì)流換熱系數(shù)h變化與由于煤氣流速的變化導(dǎo)致的溫度梯度改變對(duì)軟熔帶寬度L的影響效果相互抵消。因此，無因次軟熔帶寬度L/d，在其他條件確定時(shí)，增加層數(shù)n會(huì)使L/d縮短，而增加料層厚度會(huì)使L/d延長(zhǎng)，即過大的料批操作會(huì)使軟熔帶的透氣性惡化。4結(jié)論通過模擬研究大礦批對(duì)煤氣穩(wěn)定性的影響，以及擴(kuò)大礦批對(duì)礦焦層界面效應(yīng)和軟熔帶〃焦窗”透氣性的影響，得到以下結(jié)論：(1)在焦炭和礦石物料特性N值確定的情況下，隨礦層厚度的增加，H/H'的增加，P'/P先是迅速上升逐漸轉(zhuǎn)為緩慢增加，說明隨礦層的增重，煤氣分布的均勻性先快速提升，而后轉(zhuǎn)變?yōu)樘岣叻葴p小。也就是說擴(kuò)大礦批后會(huì)對(duì)爐況的穩(wěn)定性和煤