杜屏 雷鳴 孫衛(wèi)平 郭子昱 高天路 張建良 徐震

（1：沙鋼集團(tuán)有限公司 江蘇張家港215625；2：北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院 北京100083；3：江蘇冶金技術(shù)研究院 江蘇張家港215625）

1 前言

隨著我國鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)裝備水平的不斷進(jìn)步，高爐也向著大型化、長壽化不斷發(fā)展［1，2］。為積極應(yīng)對(duì)國內(nèi)高爐高效長壽、低碳環(huán)保的冶煉要求，國內(nèi)煉鐵操作者們不斷的探索進(jìn)步。其中合理的爐身角、爐腹角和高徑比等爐體關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，是增大高爐容積，延長高爐壽命的重要舉措。

針對(duì)高爐爐體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)這一問題，國內(nèi)外學(xué)者做出大量調(diào)查研究。諸多冶金專家認(rèn)為爐腹角的設(shè)計(jì)方法是確定爐缸直徑D與爐腰直徑d比值，將爐腹高度h確定在一定范圍內(nèi)，進(jìn)而通過計(jì)算爐腹角大小，劉云彩［3］根據(jù)實(shí)際情況，提出左海濱［4］通過研究爐腹角和爐身角對(duì)高爐煤氣的影響，提出適當(dāng)減小爐腹角、增大爐身角，會(huì)降低煤氣流速、抑制邊緣氣流發(fā)展。項(xiàng)鐘庸［5］依據(jù)實(shí)際情況與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，給出了不同容積高爐高徑比的取值建議。但在進(jìn)行高爐設(shè)計(jì)時(shí)，爐身角、爐腹角及高徑比的取值仍存有爭議，因此，高爐爐身角、爐腹角及高徑比適宜的取值范圍仍有待進(jìn)一步研究。

目前爐體內(nèi)型關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)仍是冶金行業(yè)的焦點(diǎn)話題，合理的設(shè)計(jì)爐型決定著合理的操作內(nèi)型，合理的操作內(nèi)型有利于下降的爐料和上升的煤氣的相向運(yùn)動(dòng)，提高料柱的透氣性和煤氣利用率，使高爐內(nèi)的冶金反應(yīng)順利進(jìn)行，為高爐長壽創(chuàng)造條件［6－7］。因此，本文對(duì)國內(nèi)外58座高爐主要內(nèi)型參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，并建立高爐爐腹角、爐身角與高徑比的數(shù)學(xué)模型，從多方面多角度對(duì)爐體關(guān)鍵內(nèi)型參數(shù)進(jìn)行研究。

2 關(guān)鍵內(nèi)型參數(shù)對(duì)比分析

圖1為國內(nèi)外部分高爐爐腹角參數(shù)的統(tǒng)計(jì)。由圖可知，高爐平均爐腹角在77.12°～79.99°左右，不同高爐設(shè)計(jì)的爐身角及爐腹角存在一定差距，即便是同立級(jí)高爐的爐身角與爐腹角大小也存在一定的差距。除4000m3級(jí)高爐外，高爐爐腹角隨著爐容的增加整體呈減小趨勢。我國2000m3級(jí)～5000m3級(jí)高爐平均爐腹角分別為：79.88°、77.99°、77.78°、77.12°。其中2500m3級(jí)高爐中沙鋼3＃高爐爐腹角明顯小于同立方級(jí)高爐。國內(nèi)外高爐平均爐身角在80.82°～82.93°左右，高爐爐身角隨高爐容積的增加而減小，2000m3～4000m3級(jí)高爐爐身角基本穩(wěn)定于該立級(jí)高爐爐身角平均值附近，而5000m3級(jí)高爐爐身角則呈現(xiàn)減小趨勢。

圖1 國內(nèi)外部分高爐爐身角、爐腹角統(tǒng)計(jì)

圖2為國內(nèi)外部分高爐爐身角參數(shù)的統(tǒng)計(jì)。高爐平均爐身角在80.82°～82.93°左右，高爐爐身角隨高爐容積的增加而減小，2000m3～4000m3級(jí)高爐爐身角基本穩(wěn)定于該立級(jí)高爐爐身角平均值附近，而5000m3級(jí)高爐爐身角則呈現(xiàn)減小趨勢。

圖2 國內(nèi)外部分高爐高徑比統(tǒng)計(jì)

如圖3所示為國內(nèi)外部分高爐高徑比統(tǒng)計(jì)圖，由圖可知，不同立級(jí)高爐平均高徑比在1.66～2.30之間，高徑比隨高爐容積的增加而降低，即高爐向著“矮胖型”方向發(fā)展。對(duì)于5000m3級(jí)以上的超大型高爐，高徑比減小更為明顯，如光陽1＃高爐高徑比為1.66。如圖3所示，對(duì)比調(diào)研高爐的高徑比與專家推薦值［5］可以看出，中小型高爐高徑比實(shí)際值普遍高于推薦值，且兩者存在一定差距，主要是因?yàn)榇笮透郀t大部分采用薄壁爐襯，而中小型高爐基本上為厚壁爐襯。大型高爐高徑比的實(shí)際值略低于推薦值，但兩者差距較小。

圖3 高徑比實(shí)際值與推薦值對(duì)比

原料下降、煤氣分布及高爐壽命與爐身角、爐腹角及高徑比的設(shè)計(jì)大小息息相關(guān)。如爐腹角較小的沙鋼3＃高爐。一般認(rèn)為，減小爐腹角不利于爐腹段銅冷卻壁熱面渣皮的穩(wěn)定存在，從而導(dǎo)致銅冷卻壁過早破損。但沙鋼3＃高爐爐腹角明顯小于同立方級(jí)高爐，其爐腰、爐腹段銅冷卻壁溫度較為穩(wěn)定，銅冷卻壁很少損壞，是2500m3立級(jí)較為典型的高爐。武鋼5＃（一代）高爐以爐腹角80.45°達(dá)到了15年零8個(gè)月的長壽業(yè)績，其5＃（二代）、6＃、7＃均維持在77.97°左右，并且一代爐容壽命均達(dá)到了13年以上，屬于較長壽的高爐。寶鋼1＃三代高爐爐身角、爐腹角、高徑比均相對(duì)較小，自2009年2月開爐，至今已11年，爐料、煤氣及冷卻壁多項(xiàng)性能指標(biāo)均維持在較高水平。

3 高爐冷卻壁受力模型

為明晰高爐合理爐腹角、爐身角設(shè)計(jì)，建立了冷卻壁的受力模型。高爐爐料在高爐中狀態(tài)可分為主動(dòng)狀態(tài)和被動(dòng)狀態(tài)，其中主動(dòng)狀態(tài)指爐料裝入高爐內(nèi)的靜止?fàn)顟B(tài)，被動(dòng)狀態(tài)指高爐爐料處于流動(dòng)或具有流動(dòng)趨勢的狀態(tài)。由于應(yīng)力轉(zhuǎn)換狀態(tài)一般發(fā)生于柱體和錐體交界處［8］，因此假設(shè)高爐爐喉、爐腰區(qū)域的爐料處于主動(dòng)狀態(tài)，而爐身、爐腹區(qū)域的爐料處于被動(dòng)狀態(tài)?；谡采岢龅膹姆垠w力學(xué)角度計(jì)算料倉貯料壓力詹森公式［9－10］，分析高爐爐喉至爐腹區(qū)域的實(shí)際受力載荷。

如圖4所示，σz、σr代表主應(yīng)力，τr代表因σr存在導(dǎo)致的切應(yīng)力［12－13］。

圖4 國內(nèi)外部分高爐高徑比統(tǒng)計(jì)

其中：

若爐料處于主動(dòng)狀態(tài)則有：

若爐料處于被動(dòng)狀態(tài)則有：

另外：

式中：φ—爐料內(nèi)摩擦角；

μ—爐壁摩擦系數(shù)。

對(duì)于筒體有：

式中：γ—爐料重力密度，N／m3；

D—筒體直徑，m；

z—筒體某一截面高度，m。

對(duì)于錐體：

式中：α—半錐角，°（即α＝90°－爐身角／爐腹角）。

當(dāng)m＝1時(shí)：

當(dāng)m≠1時(shí)，

式中：σ0—高度為0時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，kPa；

H—錐體總高度，m；

z—錐體某一截面高度，m。

4 結(jié)果與討論

4.1 受力分析

以5000m3級(jí)高爐為例，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)及操作經(jīng)驗(yàn)（詳細(xì)參數(shù)見表1）完成爐喉至爐腹區(qū)域受力載荷的計(jì)算。

表1 我國某座5000m3級(jí)高爐設(shè)計(jì)參數(shù)

從圖5可以看出，假設(shè)零料線高度為參考零點(diǎn)，隨著高爐爐料下降至0.8m（即爐喉與爐身交接位置），σz從0kPa迅速增加至19.68kPa，σr從0kPa增加至6.69kPa，τr從0kPa增加至2.30kPa，由于此處應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，σz上升趨勢明顯減緩，直至達(dá)到21.33kPa，σr突增至59.04kPa，之后上升趨勢減緩，直至達(dá)到64.04kPa，τr隨著σr突增至20.67kPa，緩慢增至22.40kPa，此時(shí)爐料下降至1.8m，此后三者均不斷減小至0kPa。在爐喉爐身區(qū)域σr和τr的大小影響著爐料的下降情況，σr和τr越小，越有利于爐料的下降。

圖5 高爐受力分析結(jié)果圖

爐料下降的條件如公式（9）所示。

式中：G—爐料自身重力，N；

F浮—煤氣的浮力，N；

F壁—爐料與爐壁的摩擦力，N；

F內(nèi)—爐料與爐料之間的內(nèi)摩擦力，N。

之后隨著高爐爐料的下降至20m（即爐腰爐腹交接位置），σz從0kPa迅速增加48.69kPa，σr從0kPa增加至16.23kPa，τr從0kPa增加 至5.68kPa，由于此處應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，σz迅速減小直至17.00kPa，σr突增至146.07kPa，之后迅速減小至51.00kPa，τr隨著σr突增至51.12kPa，迅速減至17.85kPa，此時(shí)爐料下降至22.4m，此后三者均持續(xù)減小至0kPa，在爐腰爐腹區(qū)域σr和τr的大小影響著冷卻壁掛渣情況，σr和τr越大，越有利于渣皮附著于冷卻壁。

因此，5000m3級(jí)高爐爐喉爐身區(qū)域應(yīng)力載荷最大位置位于爐身下部1m處，爐腰爐腹區(qū)域應(yīng)力載荷最大位置位于爐腹下部0.4m處，此處也為整個(gè)區(qū)域應(yīng)力最大處。通過調(diào)整不同的爐料摩擦角、爐身（腹）角、爐料重力密度、料壁摩擦系數(shù)等參數(shù)，對(duì)高爐受力情況展開研究。

4.2 不同參數(shù)對(duì)爐喉爐身區(qū)域受力影響

從圖6可以看出，隨著爐料摩擦角由26°增加至40°，σz在整個(gè)爐身區(qū)域呈現(xiàn)隨著爐料摩擦角的增大而減小的趨勢，σr、τr二者均在爐身上端至爐身下部1m的區(qū)域呈現(xiàn)隨著爐料摩擦角的增大而減小的趨勢；爐身角由78.86°增加至82.27°，σz、σr與τr均在整個(gè)爐身區(qū)域呈現(xiàn)隨爐身角的增大而減小的趨勢，其中78.86°對(duì)應(yīng)的應(yīng)力載荷情況較其他三種爐身角較大；重力密度由15.00N／m3增加至25.00N／m3，σz、σr與τr均出現(xiàn)隨重力密度的增大而增大的趨勢；摩擦系數(shù)由0.31增加至0.35，σz、σr與τr變化不大，故摩擦系數(shù)的改變對(duì)爐喉爐身區(qū)域應(yīng)力載荷變化趨勢影響不大。

圖6 爐喉爐身區(qū)域應(yīng)力與相關(guān)參數(shù)關(guān)系圖

考慮爐料下降條件及應(yīng)力載荷分布狀況，τr應(yīng)適當(dāng)減小，因此爐身角應(yīng)適當(dāng)增大，較大的爐身角有利于減小煤氣流的流速，增大煤氣在高爐爐身內(nèi)的停留時(shí)間，有利于煤氣流的分布和發(fā)展間接還原，降低高爐燃料比；同時(shí)結(jié)合我國大型高爐減小爐身角的趨勢，可將爐身角控制在79.38°～82.27°之間。除此之外，在實(shí)際生產(chǎn)中，煉鐵企業(yè)在進(jìn)行5000m3級(jí)高爐操作時(shí)，應(yīng)關(guān)注爐身上端到爐身下部1m左右的區(qū)域爐料下降情況，根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行爐料摩擦角和重力密度等參數(shù)的調(diào)整。

4.3 不同參數(shù)對(duì)爐身爐腹區(qū)域受力影響

從圖7可以看出，隨著爐料摩擦角由26°增加至40°，σz在整個(gè)爐腹區(qū)域呈現(xiàn)隨著爐料摩擦角的增大而減小的趨勢，σr、τr二者均在爐腹上端至爐腹下部0.4m的區(qū)域呈現(xiàn)隨著爐料摩擦角的增大而增大的趨勢；爐腹角由74.37°增加至78.96°，σz、σr與τr均在整個(gè)爐腹區(qū)域呈現(xiàn)隨爐身角的增大而減小的趨勢；重力密度由15.00N／m3增加至25.00N／m3，σz、σr與τr均出現(xiàn)隨重力密度的增大而增大的趨勢；摩擦系數(shù)由0.31增加至0.35，σz、σr與τr變化不大，故摩擦系數(shù)的改變對(duì)爐腰爐腹區(qū)域應(yīng)力載荷變化趨勢影響不大。

圖7 爐腰爐腹區(qū)域應(yīng)力與相關(guān)參數(shù)關(guān)系圖

考慮渣皮附著冷卻壁條件及應(yīng)力載荷分布情況，為了使渣皮能有效附著在冷卻壁上且不易掉落，渣皮沿垂直冷卻壁方向的受力σr和渣皮與冷卻壁之間的摩擦力τr應(yīng)相對(duì)增大，爐腹角應(yīng)相對(duì)減??；同時(shí)較小的爐腹角有利于減小邊緣煤氣平均流速，抑制邊緣煤氣流的發(fā)展，防止?fàn)t墻溫度過高和燒損耐火材料。結(jié)合我國大型高爐減小爐腹角的趨勢及薄壁高爐的不斷應(yīng)用，可將爐腹角控制在74.37°～76.76°之間。除此之外，在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于5000m3級(jí)高爐操作時(shí)，應(yīng)尤為關(guān)注爐腹上端至爐腹下部0.4m左右的區(qū)域渣皮穩(wěn)定情況。

5 結(jié)論

通過統(tǒng)計(jì)分析不同立方級(jí)高爐爐身角、爐腹角及高徑比的實(shí)際情況，建立高爐爐喉至爐腹的冷卻壁受力模型和高爐爐料下降模型，計(jì)算高爐各區(qū)域應(yīng)力分布及爐料平均下降速度，可得出以下結(jié)論：

（1）國內(nèi)外高爐平均爐身角、爐腹角及高徑比分別在80.82°～82.93°、77.12°～79.99°及1.92～2.30之間。

（2）高爐應(yīng)力載荷最大處位于爐腰與爐腹交界位置，5000m3級(jí)高爐爐喉爐身區(qū)域最大應(yīng)力位于爐身上端到爐身下部1m處，爐腰爐腹區(qū)域最大應(yīng)力位于爐腹上端至爐腹下部0.4m處，實(shí)際操作可根據(jù)爐料下降及渣皮穩(wěn)定情況，適當(dāng)調(diào)整爐料摩擦角和爐料重力密度等參數(shù)，調(diào)整應(yīng)力載荷分布情況。

（3）結(jié)合我國大型高爐爐身角和爐腹角的減小趨勢、應(yīng)力載荷分布狀況、爐料下降及渣皮附著冷卻壁的條件，可將高爐爐身角、爐腹角設(shè)計(jì)在79.38°～82.27°、74.37°～76.76°之間，既利于抑制邊緣煤氣流的發(fā)展，又有利于發(fā)展間接還原，降低高爐燃料比。