关键词：高炉炉缸；高风氧量操作；透液通道；炉缸活跃性指数

中图分类号：TF543．4    文献标识码：A    文章编号：0449 749X(2007)10—0012—05

                                 符号说明

  ƒ_L：渣铁流动阻力系数；               H／D：以炉缸直径为基准，液体层无量纲深度；

  ε：炉缸焦炭料柱的空隙度；           p：炉缸内液体密度，5．1 t／m。；

  Ф：炉缸内焦炭的形状系数，0．82；   V₀：液体穿过炉缸截面平均流速，m／s；

  g：重力加速度，9．81 m／s²；        D2：炉缸直径，rn；

  μ：炉缸内液体的粘度，Pa·s；        AIH：炉缸活跃性指数；

  d_p：炉缸内焦炭的直径，上部取0．02 m，    ƒ_L－in：渣铁流入炉缸的阻力系数；

下部取0．018 1TI；                 ƒ_L－out：渣铁排出炉缸的阻力系数。

    炉缸工作状态对高炉生产“优质、低耗、高产、长寿、高效益”有重要影响。例如：高质量铁水有赖于炉缸内渣铁间耦合反应的充分进行；喷吹燃料以降低焦炭的消耗将使得炉缸内“骨架”负荷加重；高炉操作者期望稳定、高效的生产，而这又要求高炉炉缸能提供充足、稳定、沿炉缸径向及周向分布均匀的热量和还原气体，且大量的铁水要能从炉缸内顺利排出；生铁生产要具有竞争力，就必须延长高炉寿命，

而炉缸是高炉本体中最难维护的区域，同时又是决定高炉寿命的关键部位。总之，渣铁最终汇聚于炉缸，炉缸的活跃是高炉生产的焦点。

    影响炉缸工作状态的因素众多：炉前作业情况口一；高炉炉缸构造；炉缸内渣铁的流动情况；炉缸内焦炭充填情况。炉前作业是高炉操作中的重要环节之一，出净渣铁对确保生产安全及强化生产是首要的问题；高炉出铁和出渣周转率高，同时开闭出铁口的冲击负荷高，出铁口经常是炉缸最薄弱环节。大型高炉不设渣口，大量渣、铁均从铁口排出，需要按标准向铁口充填定量的炮泥以维护合适的铁口深度，所以炮泥质量特别重要‘引，而炮泥质量不属高炉操作者的可控范围。高炉一旦投产，炉缸的构造是不可调节的。因而，研究炉缸内渣铁的流动及焦炭的充填情况对炉缸工作状态的影响十分必要。

    本文拟针对渣铁的流动及焦炭充填情况影响炉缸工作状况的规律进行探索。剖析影响渣铁流动的因素，解析熔融渣铁流入、流出炉缸的流动阻力变化规律，最后对高风氧量操作的大型高炉炉缸工作状况提出新的评价指数，对高炉日常生产的渣铁排放管理提供技术对策。

1  影响炉缸内渣铁流动状况的因素分析

    软熔带以下，焦炭是唯一的固体状炉料，它充满整个软熔带以下的高炉下部区域，液态渣铁则沿着焦炭颗粒间的空隙向下流动，同时高温煤气穿过焦炭空隙向上流动。因此，影响炉缸内渣铁流动状况的因素主要有透液通道和渣铁流动性。

1．1“透液通道”分析

    焦炭间的缝隙不仅提供了上升“煤气通道”，还提供了渣铁进入及排出炉缸的“透液通道”。高炉内软熔带以下焦炭性能及分布状况决定“透液通道”的数量及分布。

    高炉软熔带以下物料的存在和运动形式如图1所示”0。死料柱及焦炭缓动区底面直径D₃=(D₂一2D_R)(D_R为风口回旋区深度)；a₁为死料柱与风口中心线的夹角(约45°)；a。为焦炭缓动区与风口中心线夹角(约65°)；L。为不活跃焦炭料柱高度；L。为死料柱高度。风口燃烧带内焦炭的消耗，使向回旋区供料的“焦炭主流区”内焦炭下降速度快，焦炭间空隙度较大，渣铁下降通道相对畅通，此区是渣铁下降主要途径。

    焦炭的下降、渣铁的滴落以及煤气的上升主要在焦炭供料主流区进行，并提供主要的“透气一透液通道”。在“焦炭缓动区”，焦炭下降速度变缓，焦炭间的空隙度降低，故“透气一透液通道”减少。在“焦炭压实区”内，焦炭的下降速度很慢，焦炭问空隙度更低，其“透气一透液通道”严重恶化。

    “透液通道”越多，渣铁流入和流出炉缸就越容易，在高炉滴落带及炉缸内焦炭充填床中积存的渣铁量就少，高炉就更容易接受风量。因此，增大“透液通道”应是高炉操作者追求的首要目标。改善焦炭的冶金性能有助于获得良好的炉内“透液通道”，但是，此项技术不在高炉操作者可控范围内。

    因而，为确保软熔带以下的焦炭充填床高透液性，希望“焦炭主流区”及“焦炭缓动区”的横断面积尽可能地大，相应“焦炭压实区”的横断面积尽量小。

1．2渣铁流动性分析

    液态渣铁自身的流动特性也是影响炉缸内渣铁流动状况的主要因素。影响渣铁自身流动性的因素主要有渣铁理化性能和炉缸温度。

    相同温度下．铁水的流动性相比液态炉渣要大得多，故不会构成渣铁流动的限制性环节；对渣铁流动性影响的主要因素包括炉渣粘度、表面张力及界面张力。

    在炉内温度一定时，炉渣粘度主要受其熔化温度和化学成分的影响。炉渣的熔化温度越低，过热度越高，则炉渣的粘度就越小。如果炉渣的表面张力低，则容易形成“泡沫渣”，炉渣的流动性因此大大下降；界面张力小，则易形成新的渣铁相界面，造成液态铁珠“乳化”为高度弥散的细滴，悬于渣中形成相对稳定的乳状液，除了造成较大的铁损及渣铁分离困难，也会引起渣铁粘度上升。高炉的原燃料条件一定的情况下，炉渣的理化性能调整和控制炉渣流动性的手段并不多。

    炉缸温度对渣铁自身流动性的影响是非常明显和易于控制的。当炉渣熔化温度一定，提高炉缸温度，则渣铁的粘度下降，从而增大渣铁自身的流动性。因此，维持充沛的炉缸热量和适宜的温度，对渣铁顺利流入、流出炉缸具有非常重要的作用。

    高炉下部鼓风操作对风口回旋区空间变化有重要影响，进而影响到炉内焦炭存在状况的变化，炉内透气及透液通道会发生变化；理论燃烧温度及带入炉缸热量的变化，会改变炉渣的过热度，进而改变其流动性。因此，高炉的鼓风操作对炉缸内渣铁的流动状况有较大程度的影响，探讨其影响规律有非常重要的意义。

2  炉缸内渣铁流动状况解析

    高炉可被分成两个反应器，上部区域为逆流流动的气一固反应器，下部炉缸可被视为熔融反应器，炉缸的工作状态示意图如图2(a)所示。炉缸的活跃性可由液态渣铁流入炉缸，并能自炉缸内自由排出的顺畅程度表示。由于炉缸内渣铁是通过焦炭间隙流动的，焦炭的存在状况不同，则渣铁流动所受的阻力不同。因而可由渣铁流动阻力表示渣铁的流动状况，从而反映炉缸的活跃程度。

    本节解析以国内4 000 m。高炉为对象，以其实际的生产数据为基础，评价炉缸的活跃程度。

    前人的研究表明，渣铁流动阻力可由式(1)求解

2．1  渣铁流入炉缸的阻力解析

    高炉风口取样表明，风口水平面焦炭粒度为

10～30 mm，边缘区焦炭粒度较大而死料柱区较小。假设风口水平面横截面如图2(b)所示。受鼓风操作的影响，风口回旋区深度变化，引起边缘焦炭疏松区面积改变，相应死料柱面积也发生改变。

    由式(1)可得到不同生产期渣铁流入炉缸阻力系数的计算结果。图3给出了不同生产期的渣铁流入阻力系数变化情况。

    随着富氧率的提高，风口水平面渣铁流动阻力系数呈现下降的趋势。虽然高风氧量操作条件下，炉内渣铁的生成量增大，但风口水平面区域的透气、透液性并没有恶化，相反渣铁熔体的流动状态还得到一定程度的改善，确保了渣铁流人炉缸时处于良好的流动状态。

2．2渣铁流出炉缸的阻力解析

    在风口水平面以下的炉缸中下部，主要是固液两相区，固态物质是焦炭，液态物质为渣铁，除了出铁“跑风”的情况之外，基本没有明显气体流动。

    从焦炭料柱的横向状态来看，中心死料柱依然存在，只是随着与风口水平面距离的加大，所受水平分力的作用越来越小，压实程度逐渐减小，空隙度有所增大，但没有改变焦炭粒度偏小的状况，在该焦炭料柱中的渣铁流动状况并没有明显改善；在中心死料柱外侧至炉缸侧壁之间是由“焦炭主流区”和“焦炭缓动区”下来的焦炭，这部分焦炭环型料柱的空隙度较高，其中的焦炭粒度也较大，故依然是渣铁流动的主要通道。

    根据式(1)可得到不同生产期渣铁流出炉缸阻力系数的计算结果。图4给出了不同生产期的渣铁流出炉缸阻力系数变化情况。

    在不同生产期，渣铁流出炉缸阻力系数不同。在高风氧量操作条件下，随着富氧率的增加，炉缸下部渣铁流动阻力系数减小，显示出良好的渣铁流动状态，这将有助于高利用系数下炉内渣铁的顺利排放。

    高风氧量操作，随富氧率增加，增大了风口回旋区深度，相应死料柱空间减小‘引，“透液通道”增加；炉缸热量充沛和炉缸温度提高，熔融渣铁的流动性得以改善。在这种情况下，实际上是增加了高炉炉缸的活跃性。这是传统上以氧代风的“提产”方式所无法获得的结果。这一新研究结果，为高炉采用高风氧量操作方法强化冶炼提供了重要的理论基础和技术对策。

3  高炉炉缸活跃性的评价

  高炉炉缸一方面是高温煤气的发源地，另一方面又是渣铁反应、积存和排放区。因此，炉缸活跃性指标，不仅是显示风口状况的函数，而且也是反映渣铁流动状况的函数。

3．1炉缸活跃性指数

  深入分析渣铁流动阻力系数ƒ_L－in和ƒ_L－out，可得如下关系。

    (1)渣铁流动阻力系数之和(ƒ_L－in +ƒ_L－out)表示渣铁流动总阻力的大小，从主要侧面反映炉缸活跃性的程度，总阻力系数越小，炉缸活跃程度越高。

    (2)渣铁流动阻力系数的差异对炉缸活跃性有影响。

    ①ƒ_L－in≈ƒ_L－out

    这是较理想的状态。在高炉连续出铁的条件下，炉缸下部顺利流出渣铁的同时，腾出空间接纳上部软熔带生成的渣铁，且炉缸下部液面基本保持恒定。

    ②ƒ_L－in < ƒ_L－out

    这是很不理想的状态。正常作业的高炉不会出现这种状态，这意味着渣铁会滞留在炉缸内，将破坏高炉的正常生产，一般在炉外事故或者炉缸严重堆积、炉缸冻结的情况下出现。

    ③ƒ_L－in > ƒ_L－out

    这是通常高炉的工作状态，炉缸下部在“等待”上部渣铁的进入。一般而言，在此情况下，两者之差的绝对值越小，表明炉缸活跃程度越高。

    根据以上分析，提出了综合评价炉缸工作状态的指标，即“炉缸活跃性指数”AIH，计算通式如式(2)所示：(2)

    AIH指数越大，表征炉缸活跃程度越高，反之亦反。

    根据本文的案例，不同富氧生产期炉缸活跃性指数的变化示于图5，高风氧量操作下，随富氧率的提高，炉缸活跃性指数呈增加的趋势。分析认为，高风氧量操作下，随着富氧率提高，单位时间内的炉缸热收入增加，使渣铁温度保持在较高水平，渣铁流动性好，再加上风口回旋区的工作状况得以改善，增加了“透液通道”。这些有利因素的综合，增大了高炉炉缸的活跃性。

3．2炉缸活跃性分析

提高炉缸活跃程度，将有助于渣铁的顺利排放，而炉内透液性的改善，又能促进高炉下部透气性的提高，从而为提高高炉利用系数提供有利的技术保证。事实上，采用高风氧量操作，使得炉缸活跃性随着富氧率的提高而增大，带来了一系列有利于高炉在高利用系数生产条件下确保高炉顺行的结果。不同富氧生产期，炉缸活跃性指数与单铁口平均渣铁排出量、可接受炉腹煤气量及透气性指数K间的关系如图6、7所示。

    随着炉缸活跃性指数的升高，每天单铁口平均渣铁排出量增加，活跃的炉缸工作状态，使得渣铁流动性改善，对应单铁口的炉缸内渣铁流动范围增大，确保了炉缸内渣铁的顺利排出；随着炉缸活跃性指数的升高，高炉可接受的炉腹煤气量增加，高风氧量操作下，改善了炉缸工作状态，炉腹煤气量增加并没有恶化炉况。这一结果从侧面反映了高炉炉缸活跃的重要作用；高炉透气性指数(K)有下降的趋势，表明炉缸活跃性对整个炉内的透气性有明显的作用。

    综上所述，本研究提出的“炉缸活跃性指数”的新概念，在实践中这一新概念能很好地评价和判断炉缸的工作状态，故有重要的应用前景。从理论上证明了高风氧量操作技术对炉缸活跃性的贡献。

   4  结论

    (1)对正常生产的高炉而言，炉缸中渣铁的流动状况主要受焦炭的填充结构及渣铁自身的流动性质决定。

    (2)渣铁流动阻力大小决定渣铁流人和排出炉缸的顺畅程度，高风氧量操作下，随富氧率的提高，渣铁流人和排出炉缸的阻力系数减小，将利于炉缸活跃性增加。

    (3)以渣铁流入和排出阻力系数为基础，提出了“炉缸活跃性指数”新概念，能较好地评价和判断炉缸状况。