烧带向炉缸中心伸长,可发展中心气流,炉缸中心温度升高。
燃烧带缩短,可发展边缘气流,边缘温度升高。
总之,适当扩大的燃烧带,可保证炉缸工作的均匀化,避免边缘或中心堆积,从而保证生铁质量和高炉顺行。
C.对炉料下降的影响
燃料燃烧为炉料下降腾出了空间,在燃烧带上方,炉料比较疏松,炉料下降最快。因此,适当扩大燃烧带,可以缩小中心和边缘炉料呆滞区,有利于炉料均匀顺利下降。
由上可见,燃烧带对高炉冶炼过程影响重大。 3)燃烧带(回旋区)大小的控制
燃烧带大小控制是高炉下部调剂的理论基础。 燃烧带大小主要取决于鼓风动能和炉料分布状况。
炉料分布影响主要表现在:炉缸中心料柱紧密时,燃烧带缩短;炉缸料柱疏松时,燃烧带伸长。
3)燃烧带(回旋区)大小的控制 影响鼓风动能的因素
从鼓风动能计算公式可以看出,鼓风动能E主要与风量、风温、风压和风口面积有关。
A.风量:E与VO的三次方成正比,即风量增加,E显著增加。 B.风温:E与T的平方成正比。
C.风压:E与P的平方成反比,即P升高,E减小,燃烧带缩短。
D.风口面积S:E与S的平方成反比,当风量一定时,扩大风口直径,鼓风动能减小,燃烧带缩短,中心气流得到抑制而边缘气流发展。在实际生产中,使用不同风口直径的风口,调整鼓风动能,是控制燃烧带的一个重要手段。
在喷吹燃料情况下,E与喷吹燃料状况有很大关系。喷吹燃料后,E明显增大,因而燃烧带扩大。这是因为喷吹燃料有一部分在风口内燃烧,使温度升高,体积增加。
六、生铁的生成与渗碳过程
1.生铁的生成,主要是渗碳和已还原的元素进入生铁中,最终得到含Fe、C、Si、Mn、P、S等元素的生铁。
2.矿石在加入高炉内即开始还原,在高炉炉身部位,就已有部分铁矿石在固态时被还原成金属铁。这种铁叫海绵铁。当温度升高到727℃以上时,固体海绵铁发生渗碳过程。
根据高炉解剖资料分析:经初步渗碳的金属铁在1400℃左右时,与炽热的焦炭继续进行固相渗碳,才开始熔化成铁水,穿过焦炭滴入炉缸,熔化后的金属铁与焦炭接触改善,渗碳反应加快:3Fe液+C焦=Fe3C至炉腹处,生铁的最终含碳质量分数4%左右。
七、炉料和煤气运动
高炉冶炼各过程都是在炉料和煤气相向运动、互相接触的过程中进行的。没有炉料和煤气的相向运动,其它过程就停止。没有炉料和煤气的接触,传热和传质等过程就不能顺利进行。
煤气上升与炉料下降,双方互为阻力,彼此依赖,互为消长。下降的炉料是上升
煤气的阻力,而上升的煤气是下降炉料的阻力。这个矛盾贯穿于高炉冶炼全过程,支配着其它矛盾。生产实践证明,改善料柱透气性,保证煤气流合理分布,使炉料顺利下降,是矛盾统一的关键,也是保证高炉顺行,获得高产、优质、低耗的前提。
1.炉料下降的条件及力学分析 对固体炉料下降的基本要求: A.能够被上升煤气充分加热和还原; B.均匀下降;
C.有利于煤气流合理分布。 1)炉料下降的条件
基本条件:高炉下部能不断提供使其炉料下降的空间。 产生空间的原因: A.风口前焦炭燃烧;
B.直接还原、渗碳消耗固体碳;
C.矿石熔化、炉料下降过程中小块料填充到大块料之间引起的体积收缩; D.定期排放渣铁。 2)炉料下降受力分析
炉料下降空间只是炉料下降的必要条件,炉料能否顺利下降,还取决于力学条件。 使炉料下降的力是其本身重力(W料); 阻止炉料下降的力有:
(1)炉墙对炉料以及料块之间的摩擦力(P摩); (2)上升煤气对炉料的阻力(P气); (3)炉缸液态渣铁对炉料的浮力(P液)。 因此,炉料下降的有效作用力(P): P=W料—P摩—P液—P气=P有效—P气 炉料有效重量 P有效= W料—P摩—P液。
从上面可看出,只有P>0,即P有效>P气,炉料才能顺利下降,才能保证冶炼顺利进行。
若P≤0,即P有效≤P气,炉料不能顺利下降,炉料将被煤气托起,造成悬料或被流态化。
由此可见,要是炉料顺利下降,必须是 P>0,即P有效>P气,这要从二方面着手:一是增大P有效,二是降低P气。
增加P有效;
(1)增加W料,即提高焦炭负荷,增加炉料堆比重;
(2)减小P摩,可适当减小炉身角β,增大炉腹角α,适当发展边缘气流,以及保证炉墙光滑等。
(3)减小P液,P液随渣铁排放而周期性变化。现代大型高炉采用多铁口轮流出铁,做到渣铁常流,有利炉料均匀下降。
在一定冶炼条件下(即原料、炉型以及操作制度等),P有效变化不大,因此,增加P主要是降低P气。
P气:是由于高压、高速的煤气流强行通过料柱而产生的压力损失,其值大小可用煤气通过料柱的总压差△P来表示:
△P =P热—P顶 P热、P顶—分别表示热风压力和炉顶煤气压力。 2.高炉料柱压差(△P)及其降低方向 1)料柱压差(△P)表达式
料柱压差(△P),即料层对煤气的阻力通常用Ergun方程来表示:
上式中,H—料柱高度,m;u—空炉速度,m/s;ε—料柱空隙率;φ—修正系数;dP—颗粒当量直径,m。
2)影响料柱压差(△P)的因素及降低方向
上式是在散料层固定床中实验得到的,不能用于高炉的定量计算,但可用来定性分析各种因素对料柱压差(△P)的影响。
由公式可见,料柱压差(△P)主要取决于气流速度和料柱透气性(ε)。降低煤气流速,改善料柱透气性,是降低△P,改善高炉顺行的主要途径。
3)煤气流速与△P讨论
根据Eergun公式,△P∞u2,△P随煤气流速增加而迅速增加。因此,曾有人担心提高冶炼强度,会因流速增加,△P迅速升高而破坏高炉顺行。其实,这是一种静止的观点。高炉实践证明,△P与u大致呈一次方的关系。
从图可以看出,随着冶炼强度的提高,△P开始直线增加,当冶炼强度达到一定水平后,△P几乎不再增加。
这是因为高炉炉料处于不断的运动状态,随着冶炼强度的提高,风量加大,燃烧带扩大,下料加快,炉料处于松动状态,导致料柱空隙率(ε)增加的结果。
那么,冶强提高到一定程度后,△P不再升高,是否就可以任意提高冶炼强度? 若冶炼强度(I)过高,风量过大,超过料柱透气性允许的程度,便会引起煤气流分布失常,形成局部过吹的现象,导致炉况恶化以及大量煤气能得不到利用。因此,不是冶炼强度越高越好。
不过,只要风量的增加能与料柱透气性相适应,保持较高的冶炼强度操作,而能耗又不升高是完全可能的。
3.改善料柱透气性 1)料柱透气性指数(ξ)
料柱透气性指数(ξ)是用来表示高炉透气性好坏的重要指标。
ξ=V风/△P
上式中,V风—高炉入炉风量,m/min; △P—料柱压差,Mpa。
透气性指数把风量和压差联系起来,表示单位压差允许通过的风量。 透气性指数能更好地反映出风量与料柱透气性相适应的规律。
实践证明,在一定的条件下,透气性指数有一个适宜的范围,超过或低于这个范围,说明风量与料柱透气性不相适应,应予调整,否则将引起炉况不顺。
由于高炉内各部位料柱状态不同,其影响料柱透气性因素各异,因此,下面就炉内不同部位分别讨论改善料柱透气性问题。
(1)改善块状带料柱透气性—“整粒”原理 (2)改善软熔带状况
在高炉软熔带及其以下区域(包括滴落带),煤气的压力损失要比上部块状带大。 在软熔带是靠焦炭夹层即焦窗透气,在滴落带,是靠焦块之间的空隙透液、透气。 因此,提高焦炭强度,对改善这个区域的透气性有重要意义。另外,改善造渣过程也是改善软熔带、滴落带透气性,降低压差的重要方向(如提高矿石品位,减少渣量,提高矿石冶金性能等)。
改善软熔带状况,获得适宜的软熔带形状、位置和结构,不仅是提高高炉下部而且是改善整个料柱透气性的关键环节。
2)软熔带形状、位置和结构对煤气阻力△P有重大影响,它决定高炉中部煤气流分布(二次分布)状况,并对块状带和炉喉煤气流分布有重要影响。
3
(a)“∧”软熔带:中心气流发展,有利活跃、疏松中心料柱,有利高炉强化冶炼,同时边缘气流相对减弱,可减轻炉衬的热负荷和冲刷作用,减少热损失,保护炉衬。
(b)“V”软熔带:是中心过重、边缘气流过分发展而使软熔带根部升高,顶部降低的结果。中心堆积,料柱紧密、透气性差,大量煤气从边缘溜走,不利煤气能利用和高炉强化、顺行,对高炉寿命也不利。
(c)“W”软熔带:适当发展边缘和中心气流,是高炉操作的传统型式,能保持顺行,同时在一定程度上改善煤气能利用,但不能满足进一步强化和降低燃料的要求。
根据实验室研究,气流通过软熔带阻力损失与软熔带各参数间的关系为:
△P软—软熔带单位高度上的阻力指数;k—系数;L—软熔带宽度;n—焦炭夹层数;hC—焦炭夹层高度;ε—焦炭夹层空隙率。
L主要取决于矿石软化特性,而ε主要与焦炭质量和粒度组成有关。
在软熔带高度一定条件下,n和hC主要取决于料批大小,料批增加,则hC增大,n减小。由图可见,料批有一个适宜值,此时整个料柱总压差较小。
总结以上分析,上升煤气流和下降炉料之间的矛盾是高炉强化冶炼的主要矛盾。解决这个矛盾的关键是改善料柱透气性,改善煤气流分布和降低煤气流速。
只要料柱透气性能与风量相适应,高炉就可进一步强化冶炼。 管道行程:当煤气流速度增大而接近流态化的速度时,料层极不稳定,气流会穿过料层形成局部通道而逸走,△P下降。
“液泛”现象:当高炉下部(滴落带)煤气流的压力增大到使液态渣铁不能下落,以致被煤气流夹带上升,这种现象称为“液泛”。
液泛产生与煤气流流速、液体粘度、液体数量等因素有关。
本讲小结
本讲主要介绍了炉内物料的状况、炉料的蒸发、分解与气化、铁矿石还原过程、炉渣、高炉炉缸反应过程、生铁的生成与渗碳过程和炉料和煤气运动等。

