炼铁主干课4高炉冶炼过程的传输现象.doc

本科生主干课钢铁冶金学－炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 4－21 第四章 高炉冶炼过程的传输现象 反应、生成物能否及时传递 热量补偿能否及时完成等 物理化学 － 反应的可能性，反应能到何种程度 传输原理 － 反应的速率问题 4．1高炉中的动量传输 固体散料层 固液共存区 最重要的是煤气 的压力降和液泛 4．1．1煤气流经固体散料层的一般规律 1． 主要流体力学参数 ① 孔隙度ε（米3/米3） ε↑ →ΔP↓ 直径相同时 不稳定 ε＝0.467 （最大） 稳定，但需外力（如振动）才能稳定 ε＝0.263 （最小） ε实际＝0.37～0.40之间 靠炉墙处，由于ε实际 较大，且通道较为光滑， 故此处气体易通过，即所谓 “附壁效应” 不均匀粒度炉料时，ε将进一步下降（小粒添充于大粒的孔隙中） 粒度差别越大，ε越小 粗粒比例％ → 0.4 0 ε↓ d小/d大↓ ε↓ 64 例如大小颗粒单独存在时，ε均约为0.40 若加以混合，则ε ε固 故ΔP移稍小于ΔP固 4．1．2 炉料下降的条件 a. 炉料－炉墙间摩擦力（P墙） b. 不同速度炉料间的摩擦力（P料） c. 上升煤气流对炉料的浮力（ΔP浮） ① 自身重力阻力 炉料下降的有效作用力F 0 F＝（w料重－P墙－P料－ΔP浮）0 ＝（w有效重量－ΔP浮）0 ② 除有下降的能力外，还需要有空间 风口燃烧焦炭 周期性出渣铁 炉料的重新排列组合 炉料的软化熔融 主 要 提供空间 当有空间条件下，且w有效ΔP浮时，炉料可顺利下降 4．1．3 逆流运动中散料的有效重量 分析逆流运动中散料的有效重量时，可参考杨森公式 式中μ′－逆流运动中的摩擦系数； n′－逆流运动中的侧压力系数； D －炉体直径； H －炉体高度； △P/H－煤气的压降梯度。 分析影响炉料下降的因素 ↑ ↑ ① 炉型 矮胖型高炉 → D↑ → →w’有效↑（但不要忽略炉身 预还原的高度） ② 炉墙结厚或结瘤时 μ’ ↑ → 不利于炉料下降 ③ 负荷加重时（焦炭↓矿石↑） r料↑→ w’有效↑ ④ ΔP↓时 煤气流对料柱的浮力↓ → w’有效↑ ⑤ 炉料有效重量并不随料柱高度的上升而无限上升，而是趋于一个常数。 w’有效 H D1D2 不宜靠过分增加高炉高度来提高下料的顺畅度 ⑥ 虽有 但若 → 则会产生局部悬料 因为高炉不是均一散料层，在高炉平均压降梯度小于r料时， 也会出现局部的压力梯度 r料 的情况 4．1．4 散料的流态化 实践表明，（Q为高炉鼓风量）， 而ω∝ Q风，故ω↑，ΔP↑ ω ΔP 管道 气力输送，完全流态化 l 当ω增大到一定值后，炉料开始松动，散料体积膨胀 → ε↑ → ΔP不再增加（料柱高度↑，颗粒失去接触面悬浮） l 进一步增大ω，料层变得极不稳定，越来越多的煤气通过这一局部，会形成气流的局部通道，即“管道行程” → ΔP↓ l 当ω增大到流态化的临界速度时，散料被气流带走 → 气力输送 产生流态化的临界速度 ε0 － 临界点上的孔隙度 A － 摩擦系数（无量纲） 颗粒越轻 直径越小 在其他条件相同时 ω临越小，即小颗粒易流态化 焦炭比矿石易流态化 “管道行程”的生成机理及危害 l 煤气在炉内沿径向分布，与其所遇到的阻力成反比 换言之煤气总是沿着透气性好的路线上升的。 粒度 密度 l 高炉炉料的特性及在炉内的分布是不同的 即各种炉料 各不相同，且分布也不均匀 在炉内局部出现气流超过临界速度的状态是可能的 局部“管道行程” “管道行程”的危害 p 炉顶温度↑ p 炉料加热不充分 p 间接还原不好 p 铁水质量不稳定 p 炉尘吹出量↑ p 焦比↑ 4．1．5 充液散料层的流体力学现象 l 在高炉的软熔带以下部位，唯一的固体为焦炭； l 在软熔带以下，液态渣铁穿过焦炭散料层； l 料层孔隙度ε↓ l 煤气流受向下滴落的液态渣铁阻碍 l 与炉身干区相比 渣量多 渣粘度大 煤气流速快 l 当 时， 出现煤气把渣铁托住而类似粥开锅时的“液泛现象” “液泛现象”的危害 l 高度弥散在渣铁间的气泡，使煤气流阻力大大升高； l 被煤气流吹起的渣铁，在上部较低温度区域，有重新冷凝的危险； l 渣铁的重新冷凝，一方面将导致料柱孔隙度降低，煤气流动受阻。另一方面，可造成炉墙结厚、结瘤，破坏高炉顺行。 防止高炉发生“液泛现象”的对策分析 流体流量比（K） 液泛因子（f） 有人通过化工喷淋塔的实验，找出一个 的对应关系 流体流量比 液泛因子 式中L －液体的质量流量kg/ m2.h； ω－煤气空炉速度m/s； G －气体的质量流量kg/ m2.h； Fs－焦炭比表面积m2/m3； ρg－气体的密度kg/ m2； g －重力加速度m/s2； ρl－液体的密度kg/ m2； ε－焦炭层孔隙度-； η－液态物质粘度Pa.s。 我国的重钢、宣钢、昆钢、 韶钢等 → 渣量多（品位低） A 液泛 → 下部悬料 不进入液泛区的条件 ① 提高焦炭粒度 → Fs↓ → f↓（液泛因子） ② 改善焦炭强度 → 避免冶炼过程的细粒化 → f↓ ③ 降低炉渣粘度 → η↓ → f↓ ④ 减少渣量L↓ → K（流体流量比）↓ ⑤ 减小气流速度ω↓→f↓（高压操作） ⑥ 大力发展间接还原 （间接还原不好时，渣中FeO与C反应生成CO → 渣体积↑ → ω↑→ f↑） ⑦ 提高炉渣表面张力 （表面张力小，易起泡 → 渣体积↑ → ω↑→ f↑） 防止高炉发生“液泛现象”的对策 高炉悬料机理的分析 炉料下降的有效作用力F 炉料上升1℃所吸收的热量 任意截面上，根据热平衡方程有 G料C料（t料空－t料顶）＝G气C气（t气空－t气顶） 即 故（t料空－t料顶）（t气空－t气顶），即炉料加热快，煤气冷却慢 当 t气空＝950℃、t料空＝900℃、t料顶＝300℃时， 由此可分析影响炉顶煤气温度的因素 l 即凡是使↑（即使ω气↓）均可使炉顶煤气温度↓ 提高风温，减少焦比 → 煤气量↓ → ω气↓ 富氧 → 煤气量↓ → ω气↓ 措施有 ②空区 ω气 ＝ ω料 炉料吸热与煤气放热基本上保持平衡 因此炉料和煤气的温度变化都不大 ③下部热交换区 ω’料 ω’气 炉料升高1℃所吸收的热量煤气降低1℃所放出的热量 同理有，G料C料（t料缸－t料空）＝G气C气（t气缸－t气空） 即 即煤气冷却快，炉料加热慢 当 t气空＝950℃、t料空＝900℃、t料缸＝1800℃时， 可见影响炉缸渣铁温度的主要因素是， 提高炉缸渣铁温度的措施 （ω’气＝G气缸C气缸，ω’料＝G料缸C料缸） 凡是↑均可使渣铁温度↑ 为使ω’气↑ → 焦比不变时，提高风温 为使ω’料↓ → 减小直接还原比例 减小渣量 4．2．3高炉条件下的传热方式和给热系数 l 传导传热 Q1＝hc（t表－t核） l 对流传热 Q2＝α（t气－t表） l 辐射传热 Q3＝hr（t气－t表） 高炉上部 － 传导、对流热交换 高炉中下部 － 对流、辐射热交换 炉缸 － 辐射、传导热交换 1． 高炉上部 矿石的hc 焦炭的 hc α （只有当焦炭粒度120～140mm时，hc焦α， 而一般焦炭粒度为60～80mm） 增加煤气流速 减小原料粒度 故外部对流传热是控制性环节 2． 高炉下部 焦炭的hc （α＋hr）焦 故高温下焦炭本身导热是控制性环节 焦炭粒度小有利 A 但所有这些措施 → ΔP↑，故要兼顾顺行问题 第 四 章 作 业 1. 写出欧根公式，说明式各因子的物理意义，指出该式对 高炉作定性分析时适用的区域，并从炉料和煤气两方面 分析影响rP的因素及改善炉内透气性的主要途径。 2. 运用杨森公式分析影响散料层内炉料下降的因素。 3. 试述“管道行程”的生成机理及其危害。 4. 试述高炉下部充液散料层内的流体力学特征及“液泛现 象” 的危害。 5. 运用流体流量比及液泛因子的概念，讨论防止高炉发生 “液泛现象”的对策。 6. 试述高炉中发生悬料的机理分上、下部悬料。 7. 试述高炉软熔带的成因、影响软熔带形成状况的因素以 及监测软熔带形状和位置的方法。 8. 试述高炉高度方向上的温度分布特征（要画出示意图）。 9. 试述水当量的定义及其在高炉高度方向上的变化特征。 10. 用水当量的概念分析影响高炉炉顶煤气温度、炉缸渣铁 温度的因素。