摘要以涟钢2200m³高炉的送风系统为对象，按照1：10．6的比例建立物理模型，研究供风量、风口直径及风口长度等对风量均匀分布与风口出口速度的影响。同时，建立了数学模型并进行了计算。结果表明，通过调整风口参数能获得均匀的煤气流分布。

关键词 高炉 风口  模型研究 煤气流分布

1 引言

  保持合理的煤气流分布是高炉稳定顺行、高产、低耗的关键，而风口回旋区的初始煤气流分布又是控制高炉煤气流分布的基础。煤气流的初始分布与很多因素有关，除了风量、风温、湿分、富氧率等与鼓风有关的参数以外，还与风口本身的各种参数如风口直径、长度、角度等有关。从某种意义上说，风口参数是决定煤气流初始分布状况的最基本的因素。

  涟钢2200m³高炉由于场地的限制，热风主管共有2个拐角，在离热风围管9 m左右设计有一个102．86。的拐角，主管内的实际风速约为132m／s，在如比高的风速下，估计难以在9 m的距离内消除拐角对气流均匀分布带来的不利影响。另外，开炉前采购的风口(包括备品)均为同一种规格(直径130mm)，初步分析可以得知，简单地采用同一尺寸的风口并不能够保证初始煤气流在炉缸的圆周方向达到均匀分布，这是因为鼓风是在热风围管与热风主管的接口位置一侧送入后再逐个送人各个风口的，这样的气体流动方式本身即可能使各个风口的进风量产生一定的偏差。而风口进风的长期不均可能在投产一段时间后使高炉工作内型不规则(对于涟钢2200m³高炉这样的采用铜冷却壁的薄壁高炉尤为重要)。

  为确保涟钢新建2200 m³大型高炉投产后的长期稳顺，必须弄清其风口的固有供风特性，为开炉时的风口布局及以后的高炉操作提供指导。为此，涟钢炼铁厂和武汉科技大学合作进行了实验室试验和数学模型计算，本文介绍了主要研究结果，并围绕高炉生产实际进行了讨论。

2物理模型参数及研究方案

2．1  实验模型的建立

    高炉的有效容积为2200m³，共28个风口，目前采用的风口直径均为Ø130mm一种规格，但是需要时可能选用90mm、100mm、120mm、140mm等其他规格。

    针对现场实际情况，在实验室建立了物理模型。虽然冷态模型实验不能完全真实地再现直吹管内煤粉的干馏、部分燃烧等复杂的物理化学变化，但对气体的流动过程可以提供重要的定性结果。模型装置采用钢管制作，根据几何相似的要求并结合市场上能买到的钢管规格，确定了模型与原型的比例为l：10．6(如图1)。实验装置由鼓风机、流量计、送风管道、风口等组成。采用常温常压下的空气代替高温高压的高炉煤气。

 2．2实验参数与方案设计

    在恒定的风压下，分别采用60 m³／h、70 m³／h、80m³／h三种风量，依几何相似，模型风口直径取8mm、9mm、9．4mm、10mm、12mm，对各种规格风口进行风速及压差的测定。在模型实验中，主要关心气流沿围管圆周方向的分布规律，即各风口出口风量的大小。除了在各风口出口处测量风速和压差以外，还在主管上开了两个测量孔，并在叉形管对面的8号风口附近打开一个测点，这三个测点的编号分别为29、30、3l。风口编号与测点位置如图2所示。

    为保证测量精度，选用德国原产高精度风速仪(精度0．01 m／s)和压差显示仪。测量风口出口轴心位置处的风速，并根据风口面积计算风量。通过对测量结果的分析，找出送风系统的气体力学特性。

3数学模型的建立与计算方法

    为了验证物理模型试验的结果，同时也为了能够考虑物理模型难以模拟的高炉工况，使研究结果更加接近真实世界，建立了涟钢2200 m3高炉送风系统的数学模型。假定气体流动为三维湍流流动，其平均流视为稳态流。因此，高炉送风系统中的气体流动可用纳维尔一斯托克斯方程进行描述，采用湍流模型。考虑到高炉送风系统几何形状的复杂性以及采用的计算流体力学软件包PHOENICS本身的特点，将风口支管、弯管和风口小套等部件按直筒收缩管做了简化处理。

    分别根据物理模型尺寸与实验条件以及高炉送风系统的实际尺寸与生产条件，进行了模拟计算，并根据计算结果分析了送风系统的气体力学特性。

4结果及分析

4．1风口气流基本特性

    分析计算结果与实验测定结果发现：在围管与热风主管的接口位置20号～28号风口风量偏大，而对面4号～12号风口风量偏小。比较风口直径和风量对风量分布均匀程度的影响可见，在总风量相同时，风口直径越小，各风口风量的偏析越严重；采用相同风口类型时，总风量越大，各风口风量偏析越严重，如图3所示。

4．2调整风口直径对风量分布的影响

    为解决风量偏析问题，采用了不同直径风口混用。通过试验发现：当风口直径缩小时风速下降；风口直径加大时风速上升。根据这一特性，为达到匀的风量分布，在风速偏大的风口采用直径小的格，而风速偏小的风口采用直径大的规格。试验案见表1。

    比较这四种方案，在l、2、4号方案中，同时对量偏大的风口进行调整，调整个数分别为6个、个、2个。调整范围小时，风量的标准偏差小。对：直径为12mm的情形，将风速偏大的21～26号风口直径缩小到9 mm，风量的不均匀程度最大。这可能是由于将风口直径由12mm减小到9mm，风口面积的减小幅度过大，达17％之多。

4．3风口长度对风量分布的影响

    在相同风量下，对直径为11 mill加长型风口(长度53．6 mm)和普通风口(长度50．8 mm，直径别为9．4 mm、12 mm)进行了风速测定。分析试验果可见：11 mm加长风口，其风量的标准偏差比12mm普通风口还要小，如图4所示。可见适当加长风口对提高风量分布均匀程度有利。

4．4风口压力分布

  对各测点的压力分布进行测定可知：风口直径一定时，风量越大，风压越大；在风量一定的条件下，风口直径越小，风压越高。

4．5送风管道横截面上的风速与压力分布

  对29、30、31号测点，在送风管道内选取4个横截面进行风速和风压的测定(如图5所示)。分析测量结果发现：在29和30号测点，管道的下半截面风速比上半截面略大。29号测点风速峰值出现在第3个测量位置，而在30号测点风速峰值向下移到第4个测量位置。在31号测点，在4个测量位置风速都近乎为0。这说明在此位置，水平面上的风速极小。

 5实验结果对高炉生产的指导作用

  热风由风口进入高炉，操作者一般希望通过改变风口出口的速度来控制燃烧带，进而影响边缘和中心气流、软熔带位置及炉墙的侵蚀状况。改变风口速度通常的做法是在热风围管圆周上的不同位置使用不同直径的风口。长期以来，国内外许多高炉操作者都相信，当用较小的风口代替大风口时，从该风口流出的煤气流速将会相应地增加，从而能够指望回旋区被推向高炉中心，使该部位的炉墙得到保护。但是这种观点需要得到理论上的检验。

  为了深化有关风口直径调整对风速影响的认识，除了我们以涟钢2200m3高炉为对象、同时运用物理模型和数学模型进行的实验研究以外，近来美国钢铁公司也以Gary 13号高炉为对象运用数学模型进行了研究，所获得的结论基本相同：①当缩小一个或少量几个风口的直径时，风口出口的风速下降，而其临近风口出口的风速增加；当增大一个或少量几个风口的直径时，风口出口的风速增加，而其临近风口出口的风速下降；②当全部或者大部分风口的直径都缩小时，整个风口的平均风速才会增加。

  这些由实验获得的新认识在涟钢高炉生产中得到了应用。在解决1号高炉因边缘过分抑制导致的炉况不顺时，首先采取了缩短风口的措施，将原来270mm长的风口全部改为240mm，但是发现3～7号风口的炉墙仍然有结厚。此时不是将这5个风口的直径全部扩大，而是仅将4号和6号风口的直径从120mm扩大为130mm。结果发现，3～7号风口范围内整个区域的边缘气流得到了进一步发展，解决了边缘抑制的问题。

    涟钢2200 m³高炉开炉后风口磨损严重，为了解决这个问题，在实验研究结果的指导下，利用休风机会对风口布局进行了调整，一方面要尽可能地消除高炉风口的风量偏析，确保各风口实际风速的均匀；另一方面要确保高炉的标准风速达到230 m／s。与此同时，对风口的安装、风口的结构以及煤粉喷吹系统等也做了很多改进，通过多方面的努力，使风口寿命逐月提高，效果十分显著。

6结论

    通过实验测定和数学模型的研究，得到了涟钢2200m³高炉风口供风特性如下：

    (1)在围管与热风主管的接口位置20～28号风口风量偏大，而对面4～12号风口风量偏小。

    (2)使用直径较大的风口对提高送风系统风量均匀程度有利。

    (3)将围管与热风主管的接口位置附近的一个或若干个风口的截面积缩小，可使整个送风系统的风量分布变得均匀，风口面积的缩小幅度不宜过大，以不超过5％左右为好。

    (4)适当加长风口对提高送风系统的风量分布均匀程度有利。

    (5)缩小一个或少量几个风口的直径，风口出口的风速下降，而其临近风口出口的风速增加，反之亦然，只是当全部或大部分风口的直径都缩小时，整个风口的平均风速才会增加。

    (6)实验研究结果得到了验证，在高炉生产中得到了应用。