高爐內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)研究

朱士杰

摘 要：根據(jù)相似原理，以鋼鐵研究院設(shè)計(jì)的容積為2100 m3的高爐爐型為研究對(duì)象，建立與實(shí)際高爐相似比為1：20的冷態(tài)物理模型?？疾熘皇褂镁垡蚁╊w粒時(shí)，不同氣體流量下?tīng)t內(nèi)的物料運(yùn)動(dòng)；考察使用聚乙烯顆粒和麥飯石球進(jìn)行分層布料時(shí)，不同氣體流量下?tīng)t內(nèi)的物料運(yùn)動(dòng)。結(jié)果表明，在模型上部，中心區(qū)域處物料下降速度比靠近爐壁處物料下降速度快，但在模型下部，邊壁和中心區(qū)域物料運(yùn)動(dòng)緩慢。物料運(yùn)動(dòng)流型基本呈直線型→倒梯形→W型變化。氣體流量對(duì)物料運(yùn)動(dòng)流型產(chǎn)生一定的影響，氣體流量越大靠近爐壁處物料比中心處物料運(yùn)動(dòng)越慢。在高爐底部，氣體流量越大死料區(qū)也越大，中間峰值也越高。

關(guān)鍵詞：冷態(tài)模型；相似原理；物料運(yùn)動(dòng)

高爐內(nèi)煤氣流與爐料的逆流運(yùn)動(dòng)是爐內(nèi)傳熱、傳質(zhì)等過(guò)程的基礎(chǔ)，是高爐爐況順行及冶煉強(qiáng)化的決定性因素。為了研究高爐內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以鋼鐵研究院設(shè)計(jì)的三個(gè)爐型為基礎(chǔ)，通過(guò)相似原理以1：20比例建立冷態(tài)模型。實(shí)驗(yàn)選取粒度5 mm聚乙烯顆粒和粒度2 mm麥飯石球作為填充料，因?yàn)檫x取的聚乙烯粒子和麥飯石球粒度之比為2.5左右，與高爐中焦炭和燒結(jié)礦粒度比接近，而且它們的密度比接近焦炭與燒結(jié)礦的密度比，所以具有一定的參考價(jià)值。通過(guò)物料在物理模型內(nèi)的運(yùn)動(dòng)流型來(lái)表征爐內(nèi)的物料運(yùn)動(dòng)，分別研究了單種物料下物料運(yùn)動(dòng)流型，不同氣量下物料運(yùn)動(dòng)流型。

1 有氣體流量下?tīng)t內(nèi)聚乙烯顆粒運(yùn)動(dòng)流型

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，將聚乙烯顆粒填充到指定高度，在最上面一層鋪上厚度為3 cm的聚乙烯示蹤粒子，調(diào)整好相機(jī)位置，打開(kāi)聚光燈，之后，將螺旋排料器設(shè)定到指定轉(zhuǎn)速，打開(kāi)氣路閥門(mén)并調(diào)節(jié)好氣體流量，氣體經(jīng)過(guò)風(fēng)口進(jìn)入爐內(nèi)，當(dāng)氣體流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，打開(kāi)螺旋排料器開(kāi)始排料，此時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔20 s對(duì)模型進(jìn)行拍照，記錄爐內(nèi)物料信息。連續(xù)的向爐內(nèi)加料，保持料面高度一定，直至示蹤粒子顆粒從底部排出。

在氣體流量42.74 Nm3/h下，每隔20 s對(duì)示蹤料層進(jìn)行拍照記錄，可得到示蹤料層隨時(shí)間的變化規(guī)律，在初始階段，物料呈直線型向下運(yùn)動(dòng)，隨著時(shí)間的推移，物料呈現(xiàn)倒梯形變化，即中心處物料下降比爐壁處物料下降快，且隨著時(shí)間推移這種變化越來(lái)越明顯。到達(dá)12分鐘左右時(shí)，發(fā)現(xiàn)中心處物料運(yùn)動(dòng)速度比兩側(cè)物料運(yùn)動(dòng)慢，逐漸呈現(xiàn)“W”型。隨著物料下降示蹤料層厚度逐漸變薄，在高爐爐腰處和底部中心區(qū)域的物料運(yùn)動(dòng)特別緩慢。

造成上述現(xiàn)象的原因主要有三方面：一方面，由于壁面效應(yīng)，高爐爐壁對(duì)物料存在一定的阻力，導(dǎo)致高爐邊壁處的物料下降速度緩慢。另一方面，由于螺旋排料器的影響，其上方的物料運(yùn)動(dòng)速度比其他區(qū)域的物料運(yùn)動(dòng)速度快，導(dǎo)致料層向中心運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。還一方面，由于下部物料的支撐力和四周鼓風(fēng)的壓力，導(dǎo)致在模型下部中心處物料運(yùn)動(dòng)緩慢。

2 分層布料時(shí)不同氣量下物料運(yùn)動(dòng)流型

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，將聚乙烯顆粒填充到指定高度，在最上面一層鋪上指定體積的麥飯石球顆粒，之后，打開(kāi)氣路閥門(mén)并調(diào)節(jié)好氣體流量，氣體經(jīng)過(guò)風(fēng)口進(jìn)入爐內(nèi)，當(dāng)氣體流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，打開(kāi)螺旋排料器開(kāi)始排料，此時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔20 s對(duì)氧氣高爐模型進(jìn)行拍照，記錄爐內(nèi)物料信息。連續(xù)地向爐內(nèi)分層加料，保持料面高度一定，直至爐內(nèi)物料流型趨于穩(wěn)定。在不同氣體流量下重復(fù)以上操作，可以得到不同風(fēng)量下物料運(yùn)動(dòng)流型。

研究了分層布料條件下，氣體流量分別為34.19 Nm3/h、42.74 Nm3/h、59.84 Nm3/h時(shí)爐內(nèi)形狀最終穩(wěn)定時(shí)的物料運(yùn)動(dòng)流型。在初始階段，物料呈直線型向下運(yùn)動(dòng)，隨著時(shí)間的推移，物料運(yùn)動(dòng)流型逐漸由直線型向倒梯形變化。氣體流量大的爐內(nèi)料層比氣體流量小的爐內(nèi)料層先出現(xiàn)倒梯形變化，且氣體流量大的現(xiàn)象更明顯，即氣體流量大的爐壁物料下降速度比中心爐料下降速度慢，這是由于壁面效應(yīng)和氣體流量大的爐內(nèi)兩側(cè)爐壁處的氣量比中心處氣量更大造成的。在高爐爐腰處，氣量越大的爐內(nèi)此處死區(qū)面積越大，特別是氣體流量為59.84 Nm3/h時(shí)，此處死區(qū)面積最大，這是由于隨著氣體流量變大，爐壁處氣量隨之增大，氣體對(duì)物料有個(gè)托力作用，隨著排料的進(jìn)行致使物料向氣體流量相對(duì)較小的中心移動(dòng)。隨著物料下移，中心處物料運(yùn)動(dòng)速度慢于兩側(cè)物料運(yùn)動(dòng)速度，物料運(yùn)動(dòng)流型逐漸由倒梯形型向“W”型變化，且氣體流量大的爐內(nèi)“W”形狀更明顯，即氣體流量越大的爐內(nèi)下部中心處死區(qū)越大，這是由于隨著氣體流量增大，使下部中心處四周的壓力增大，不利于中心處物料向下運(yùn)動(dòng)。

（a）34.19 Nm3/h （b）42.74 Nm3/h （c）59.84 Nm3/h

圖1 不同氣量下物料運(yùn)動(dòng)流型

3 結(jié)語(yǔ)

采用冷態(tài)物理實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)高爐內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究。通過(guò)相似原理，建立了高爐物理模型，通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)，研究了只填充聚乙烯顆粒時(shí)，無(wú)氣體流量和有氣體流量下?tīng)t內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)流型；研究了分層布料時(shí)，不同氣體流量下?tīng)t內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)流型；研究了分層布料時(shí)，相同氣體流量下不同爐型爐內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)流型。得到如下結(jié)論。

（1）物料在下降過(guò)程中，料層的厚度逐漸變薄。在模型上部，中心區(qū)域處物料下降速度比靠近爐壁處物料下降速度快，但在模型下部，邊壁和中心區(qū)域物料運(yùn)動(dòng)緩慢。物料運(yùn)動(dòng)流型基本呈直線型→倒梯形→W型變化。

（2）氣體流量對(duì)物料運(yùn)動(dòng)流型產(chǎn)生一定的影響，氣體流量越大靠近爐壁處物料比中心處物料運(yùn)動(dòng)越慢。在高爐底部，氣體流量越大死料區(qū)也越大，中間峰值也越高。

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