盧 瑜 張明星 趙華濤 杜 屏

(江蘇省沙鋼鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

無鐘爐頂設(shè)備由于布料靈活、質(zhì)量輕、高度低、拆裝方便等特點，自1972年首次應(yīng)用以來，已在世界范圍內(nèi)得到大規(guī)模的推廣，新建的大型高爐普遍采用無鐘爐頂，甚至部分500 m3小高爐在大修時也改用了無鐘爐頂設(shè)備[1]。因此，研究無鐘爐頂?shù)牟剂弦?guī)律，對深入理解無鐘布料的特點，進一步提高無鐘爐頂操作技術(shù)水平，有著重要而現(xiàn)實的意義。

由于高爐是一個高溫密閉容器，高爐操作人員只能通過爐頂十字測溫、煤氣成分分析等檢測數(shù)據(jù)，憑經(jīng)驗間接地推斷爐料在爐內(nèi)的分布狀況，缺乏理論指導(dǎo)和客觀依據(jù)。近年來，隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，高爐無鐘爐頂布料的數(shù)學(xué)模型[2- 9]陸續(xù)被開發(fā)出來。但是由于模型的建立均需要做一些參數(shù)的簡化和條件的假設(shè)，計算結(jié)果是否正確，仍需要試驗驗證。其中以相似性原理為基礎(chǔ)的物理模擬方法，采用真實爐料在比例模型上進行無鐘布料試驗，能直觀地呈現(xiàn)無鐘布料過程，并且能對計算模型需要的參數(shù)進行修正，從而對計算結(jié)果進行驗證，目前已越來越多地被冶金工作者所采用。杜鶴桂等[10]采用1 513 m3高爐1∶11無鐘爐頂模型進行布料模擬試驗，并基于試驗結(jié)果建立了裝料方式與爐料分布之間的數(shù)學(xué)模型，討論了溜槽角度和轉(zhuǎn)速等參數(shù)對爐喉徑向礦焦比分布的影響。張建良等[11]運用相似性理論建立了實驗室無鐘爐頂布料模型，將理論推導(dǎo)和實驗室模擬相結(jié)合得到的參數(shù)代入布料數(shù)學(xué)模型，可以直觀地呈現(xiàn)高爐內(nèi)多環(huán)布料料面。李志全等[12]采用1∶10物理模型對邯鋼5號高爐的布料規(guī)律進行了模擬研究，分析了兩種布料制度下料面形狀的差異。Jimenez等[13]利用1∶10半圓形高爐爐身模型，結(jié)合圖像處理技術(shù)重現(xiàn)了高爐內(nèi)塊狀帶的形成過程，并利用模型研究了焦炭的坍塌行為以及氣流對塊狀帶爐料分布的影響。

本文以相似性原理為基礎(chǔ)，建立了按500 m3高爐1∶6比例縮小的180°無鐘爐頂模型，模擬了爐料從料罐到高爐塊狀帶的整個運動過程，得到了試驗條件下的料層徑向礦焦比分布、氣流速度分布和徑向粒度分布。并利用該模型研究了邊緣平臺寬度對爐喉徑向料層分布和氣流分布的影響，為設(shè)計合理的布料制度提供了技術(shù)依據(jù)。

1 試驗設(shè)備和方法

1.1 試驗材料

為了更真實地模擬高爐布料過程，在保證試驗材料粒度分布與實際爐料粒度分布相似的同時，還需要保證礦石和焦炭在試驗?zāi)Ｐ涂諈^(qū)運動軌跡和爐料在高爐空區(qū)運動軌跡的相似性。制粒的可行性、中心喉管下料和下部振動機排料的順暢性也是需要考慮的重要因素。制粒原料為實際高爐用的燒結(jié)礦和焦炭，利用破碎機對其破碎，篩分機篩分得到不同粒度級別的均勻顆粒，再將不同粒度級別顆粒進行混合，得到試驗用材料。在滿足相似性原理的前提下[9]，經(jīng)過反復(fù)的制粒、混合和布料試驗，最后確定了燒結(jié)礦和焦炭的縮小比例為1∶7.5和1∶10，試驗材料的粒度分布見表1和表2，試驗?zāi)Ｐ椭惺褂玫臒Y(jié)礦平均粒徑為2.5 mm，焦炭平均粒徑為4.4 mm。

1.2 試驗設(shè)備

圖1 所示為試驗設(shè)備示意圖。從圖中可以看出，無鐘爐頂模型是按500 m3高爐1∶6比例縮小的180°冷布料模型，由料罐系統(tǒng)、布料系統(tǒng)、爐體系統(tǒng)、排料系統(tǒng)和送風(fēng)系統(tǒng)5個部分組成。料罐系統(tǒng)由兩個并列的料罐和底部的插板閥、料流調(diào)節(jié)閥組成。料流調(diào)節(jié)閥下部直接與布料系統(tǒng)的中心喉管和旋轉(zhuǎn)溜槽相連。布料過程如下：兩個料罐交替使用將爐料送入中心喉管，通過旋轉(zhuǎn)溜槽以設(shè)定角度和旋轉(zhuǎn)速度將爐料布于爐喉平面。同時，試驗爐體下部均布20個風(fēng)口，鼓風(fēng)由送風(fēng)系統(tǒng)的儲氣罐通過減壓設(shè)備送入風(fēng)口內(nèi)。試驗過程中，為了保持料線的恒定，在布料完成后，由電動排料機將爐料從爐體下部排出。

表1 實際高爐用燒結(jié)礦和物理模型用燒結(jié)礦的粒度分布對比Table 1 Comparison of particle size distributions of sinters used in actual blast furnace and the scaled model %

表2 實際高爐用焦炭和物理模型用焦炭的粒度分布對比Table 2 Comparison of particle size distributions of cokes used in actual blast furnace and the scaled model %

圖1 按1∶6比例縮小的冷布料模型Fig.1 Cold charging model reduced to 1/6- scale

1.3 試驗方法

1.3.1 實際高爐檔位和角度的設(shè)計

為了減少試驗次數(shù)，提高試驗質(zhì)量，將實際高爐爐喉按照等面積法則，劃分成11個面積相等的區(qū)域，固定各區(qū)對應(yīng)的角度，使每一次試驗都在有限的固定角度下進行。500 m3高爐爐喉半徑為2.3 m時，計算得到的溜槽角度和落點位置的對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 溜槽角度和落點位置的對應(yīng)關(guān)系Table 3 Variation of the distance from the center with titling angle

根據(jù)高爐休風(fēng)觀測料面結(jié)果，結(jié)合劉云彩[1]的布料數(shù)學(xué)模型， 得到實際高爐在每一個檔位的落點到爐墻距離(s)和爐喉半徑(R)之比與布料角度之間的關(guān)系，用式(1)表示：

(1)

式中：θ是布料角度，單位°，c1=-0.032，c2=1.509，礦石和焦炭通用。

1.3.2 試驗?zāi)Ｐ蜋n位和角度的確定

為了保證礦石和焦炭在試驗?zāi)Ｐ椭械穆潼c位置和爐料在高爐爐喉的落點位置的相似性，在完成實際高爐檔位和角度的設(shè)計后，需要找到試驗?zāi)Ｐ椭信c之對應(yīng)的檔位和角度。本文進行了一系列的單環(huán)布料試驗，分別得到了試驗?zāi)Ｐ椭械V石和焦炭的布料角度與落點位置之間的關(guān)系，用式(2)表示。

(2)

式中：β為試驗?zāi)Ｐ偷牟剂辖嵌龋瑔挝弧?；k1和k2為系數(shù)，對礦石k1=48.42，k2=-1.46，對焦炭k1=49.95，k2=-1.48。

通過聯(lián)立式(1)和式(2)，得到了實際高爐角度θ和模型角度β之間的對應(yīng)關(guān)系。

1.3.3 試驗參數(shù)的確定和布料制度的設(shè)計

根據(jù)相似性原理，模型的最小流態(tài)化速度與爐喉煤氣流速的比值和實際高爐的最小流態(tài)化速度與爐喉煤氣流速的比值應(yīng)相等，求得物理模型風(fēng)量為4.8 Nm3/min，物理模型設(shè)定料線為168 mm，溜槽轉(zhuǎn)速為192 ℃/s，詳細步驟參考文獻[9]。燒結(jié)礦批重為40 kg，焦炭批重為10 kg，得到焦炭負荷為4.0，與實際高爐焦炭負荷保持一致。通過反復(fù)的試驗，得到了礦石和焦炭的各自布料時間和料流閥開度的關(guān)系，當(dāng)總布料圈數(shù)為12圈時，燒結(jié)礦的料流閥開度為17.5 mm，而焦炭的料流閥開度為35 mm。

根據(jù)小高爐現(xiàn)行布料理念，即大α角，大礦角布料方式，本文設(shè)計了3組不同的布料制度，見表4。具有以下特點：礦焦同角，而且角度比較大，焦炭和礦石圈數(shù)相同，焦炭圈數(shù)均勻，這樣更利于形成焦炭平臺。

1.3.4 料面形狀的測量

表4 設(shè)計布料制度Table 4 Designed charging patterns

為了縮短試驗時間和降低試驗強度，試驗前，預(yù)先向爐體中直接裝入粒度均勻的焦炭，直至料線，并將料面攤平。再按照設(shè)計的焦炭布料制度將粒度均勻的焦炭通過旋轉(zhuǎn)溜槽布入爐內(nèi)，一批料布完后，將爐料從下部排出，直至料線降至168 mm，反復(fù)6次，直至料面收斂。最后按照設(shè)定的布料制度，將6批混合料按照先焦炭后礦石的順序裝入爐內(nèi)，再排料，直至料面收斂。

在布第6批料時測量料面形狀以及礦石和焦炭徑向厚度，測量方法如圖2所示。沿冷布料模型爐喉直徑取11個測量點，爐墻附近料面形狀變化較大，因此靠近爐墻一側(cè)測量點布置較密。將布最后一批焦炭前后料面各點距離0料線的垂直距離相減便得到每一點上焦炭厚度Ci(i=1,2…11)。排料并等焦炭料面降至168 mm，布最后一批礦石。將礦石布料前后料面各點距離0料線的垂直距離，分別記為OUi(礦石料面)和OLi(焦炭料面)，兩者相減得到每一點的理論礦石厚度Oi=OLi-OUi。假設(shè)焦炭料面降至168 mm料線過程中，焦炭層厚度不變，則原始料面，記為CCi，可根據(jù) CCi=OLi+Ci求得。研究表明[14]，礦石落下時，會將焦炭推向中心，本文利用礦石測厚儀測量了徑向礦石層的實際厚度Oi’，得到發(fā)生坍塌后的焦炭料面OLi’=OUi+Oi’。同時，利用風(fēng)速儀還可以得到徑向氣流速度分布。

圖2 礦石和焦炭徑向厚度的測量方法Fig.2 Measurement scheme of the coke and ore layer distributions

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 不同布料制度下的料面形狀

3種不同布料制度下高爐無鐘爐頂布料的物理模擬試驗結(jié)果見圖3。圖中O是礦石測厚儀測得的真實礦石層，陰影部分M是焦炭和礦石混合區(qū)域，正三角形、圓形和倒三角形圍成的區(qū)域C是焦炭。料面形狀呈現(xiàn)以下特點：邊緣為平臺，中間為漏斗，中心為平臺。布料制度a的邊緣平臺邊界(白色箭頭所在位置)在第3檔焦炭結(jié)束后，平臺寬度占爐喉半徑比例為8.2%；而布料制度b的邊緣平臺邊界在第5檔焦炭布完后，平臺寬度占爐喉半徑比例為17.7%。兩者相比可見，邊緣平臺寬度越寬，混合層就越小。布料制度c的邊緣平臺寬度與布料制度b相同，平臺邊界是在第5檔而非第8擋焦炭布完后形成的，這說明在沒有中心焦炭的情況下，平臺不是在最末檔焦炭布料結(jié)束后才形成的，而是在相鄰兩個檔位焦炭布料量相差較大時形成的，這一點驗證了文獻[15]的結(jié)論。與此同時，布料制度c在6、7、8檔(漏斗區(qū))加入少量的焦炭或者礦石后，降低了料面的坡度，使焦炭料面更穩(wěn)定，焦炭的坍塌減小，混合層減小，這一點也與文獻[15]的結(jié)論相符?？梢?，在沒有中心加焦的情況下，邊緣平臺寬度和中心礦石加入量共同決定了混合層的寬度。

圖3 不同布料制度下的料面形狀Fig.3 Burden profile under different charging patterns

2.2 不同布料制度下的徑向礦焦比

根據(jù)礦石層和焦炭層厚度的測量結(jié)果，通過計算得到了不同平臺寬度下徑向礦焦比分布，如圖4所示。布料制度a的礦焦比在半徑方向呈現(xiàn)如下特點：在爐體邊緣的平臺區(qū)域，礦焦比比較穩(wěn)定(白箭頭所在位置為平臺邊界)，維持在8.98較高水平。隨著取樣點向中心移動，從平臺邊緣位置開始，真實礦石層厚度逐漸減小，礦焦比也迅速減小，在進入混合層區(qū)域時(黑箭頭所在位置為混合層區(qū)域的開始點)，礦焦比僅為0.48左右，混合區(qū)域的礦焦比一直保持在0.48。布料制度b 的礦焦比分布也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律，即邊緣平臺區(qū)礦焦比大，中間區(qū)礦焦比變化急劇，混合區(qū)礦焦比最小。布料制度c在漏斗區(qū)加入少量的礦石，加大了中間斜面區(qū)的礦焦比。

圖4 平臺寬度對徑向礦焦比分布的影響Fig.4 Influence of the width of the terrace on the radial ore to coke ratio distribution

2.3 徑向粒度分布

根據(jù)試驗觀察，布礦前高爐徑向粒度分布如圖5(a)所示。布礦前粒度在徑向上的分布呈現(xiàn)如下特點：堆尖附近為混合料，中等粒度爐料占比例較大；漏斗斜面底部，即料面次中心存在大量滾落和坍塌的粗粒焦炭，而正中心大量細粒焦炭聚集。這是因為無鐘布料每圈爐料在已穩(wěn)定的料面上滑動或滾動而形成薄層，料流緩慢，布料時間長，由于斜面上部坡度較大，粗粒爐料會迅速沿著斜面朝底部滾動，隨著斜面下部坡度的突然減小，粗粒爐料滾動動力不足，最終停留在斜坡底部附近，使粗粒爐料在高爐次中心聚集，而細粒爐料小部分落在堆尖附近，另一部分由于料面的反彈作用，落在正中心，使正中心細粒爐料聚集。

圖5(b)是布礦后高爐徑向粒度分布。從圖中可以看出，由于礦石的撞擊和推擠作用，將表面的粗粒焦炭進一步推向漏斗底部。從爐墻至混合層開始點間的區(qū)域，上層為礦石，下層為焦炭，由于礦石孔隙率明顯比焦炭孔隙率小，因此礦石孔隙率是決定性因素。混合區(qū)開始點至爐體次中心位置(R/8)的爐料主要由大顆粒礦石和焦炭組成，混合層孔隙率也較高。而混合區(qū)結(jié)束區(qū)域，即高爐正中心，是小粒度爐料集中區(qū)，使整個中心孔隙率低于平均水平。

圖5 布礦前、后的料面形狀和徑向粒度分布的觀察結(jié)果Fig.5 Burden profile and radial particle size distribution before and after charging ores

2.4 不同布料制度下的氣流速度分布

利用風(fēng)速儀測量了高爐徑向上各點的氣流速度，得到了3種布料制度下高爐徑向氣流速度分布，如圖6所示。三種布料制度下邊緣平臺區(qū)域，由于上層礦石混合料的透氣性差，加之焦炭負荷較重，因此對應(yīng)的氣流速度均較小。隨著礦焦比的減小，中間區(qū)的氣流速度緩慢增加。在混合區(qū)開始點至爐體次中心位置(R/8)，礦焦比雖小，但是爐料粒度大，透氣性較好，因此氣流速度均較大。而混合區(qū)結(jié)束段，即高爐正中心，雖然焦炭負荷較輕，但是小粒度礦石和焦炭聚集，使氣流速度較小?？梢?，在混合區(qū)礦焦比不變的情況下，爐料粒度大小對氣流速度影響明顯。

圖6 平臺寬度對徑向氣流速度分布的影響Fig.6 Influence of the width of the terrace on gas flow velocity distribution

三者相比較，布料制度a由于平臺寬度較小，在爐體中心形成大面積混合層，由于混合層中焦炭量較大，透氣性比礦石層透氣性好，使中心氣流環(huán)帶過寬，煤氣利用差。與a相比， b制度的平臺寬度為17.7%，混合層體積輕微減小，中心氣流環(huán)帶區(qū)域減小，煤氣利用有較大改善。而c制度在漏斗區(qū)域加入等量的礦石和焦炭，混合層體積進一步減小，中心氣流環(huán)帶進一步收窄，此時要防止中心過窄引起的中心氣流減弱。因此，各高爐應(yīng)根據(jù)各自原料條件和順行狀況選擇一個合適的平臺寬度范圍和漏斗區(qū)加礦量。

3 結(jié)論

利用1∶6無鐘爐頂模型模擬了不同布料制度下高爐爐喉料面的形成過程，討論了不同布料制度對高爐爐喉徑向礦焦比分布、徑向粒度分布和氣流速度分布的影響，得到如下結(jié)論：

(1)在中心沒有加焦炭的情況下，邊緣平臺是在相鄰兩檔焦炭布料量差距較大時形成的。邊緣平臺寬度和中心礦石加入量決定了高爐中心混合層的寬度，混合層過大，煤氣利用差；混合層過小，中心氣流太弱，高爐難行，因此混合層合適的寬度范圍在15%～30%，具體應(yīng)根據(jù)高爐原料條件和設(shè)備條件進行調(diào)整。

(2)從高爐徑向礦焦比分布來看，3種不同布料制度下高爐邊緣平臺區(qū)礦焦比大，中間區(qū)域礦焦比變化急劇，混合區(qū)礦焦比最小。此外，在漏斗區(qū)加入礦石，中間區(qū)域的礦焦比大幅增加。

(3)從高爐徑向粒度分布來看，由于無鐘布料本身的固有特點和爐料的滑動和滾動作用，3種不同布料制度下爐料粒度在高爐徑向上偏析均較嚴重：邊緣平臺區(qū)域平均粒度適中，在混合區(qū)開始點至爐體次中心位置(R/8)，爐料平均粒度較大，而高爐正中心平均粒度最小。

(4)從徑向氣流速度分布來看，3種不同布料制度下邊緣平臺區(qū)域氣流速度均較小，中間區(qū)域氣流速度隨著礦焦比的減小而增加，在高爐混合層區(qū)域的氣流速度差別較大：混合區(qū)開始點至爐體次中心位置(R/8)，徑向氣流速度較大，而高爐正中心位置氣流速度最小，與混合層區(qū)粒度分布關(guān)系較明顯。

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