【技术文摘】高炉气流周期性波动虚拟模型解析

来源：市场资讯

（来源：中国炼铁网）

吴官印 1,2，龚向华 3，杨利兴3，孙岳琦3

（1.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室

2. 鞍钢集团钢铁研究院

3.鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司）

摘 要 本文针对高炉炉缸活性下降、上下部调剂不匹配等情况下，高炉呈现气流分布紊乱，炉况周期性变化的特点，从煤气在高炉内进行三次分布的角度出发，用下料杠杆、炉型杠杆、炉温杠杆等物理模型阐释高炉气流周期性波动的内在表现，厘清炉况周期性变化的内在规律，找到炉况周期性波动的根源，帮助高炉操作者更好理解气流波动的内在规律，找出气流周期性波动的本质，从而进行有效的高炉调剂。

关键词 周期性 气流 等效炉腹角 炉型 炉缸堆积

高炉生产过程中由于炉缸活性变差、炉缸轻微堆积或者上下部调剂不匹配时，往往容易导致边缘气流分布紊乱，壁体频繁波动，热负荷不稳定，炉温上下波动幅度大等情况，更有甚者，炉况出现明显的周期性波动特征，其外在表现为炉身水温差周期性升高和降低，煤气利用率周期性升高或者降低，风量风压呈对称状周期波动，料速也呈周期性快慢转换，炉温呈现周期性凉热变化，透气性出现周期性高低变化，炉顶温度出现周期性高位和低位，炉顶打水呈现间歇性打水；高炉炉况出现长时间周期性波动现象犹如产妇出现正弦胎心图一样，一旦出现就预示着炉缸处于一个比较恶劣的环境，需要高炉操作者引起足够的重视；高炉稳定顺行是高炉操作过程的根本，也是炼铁节能、降本、长寿等指标的根本，离开了稳定的高炉炉况，炼铁过程中其他质量指标就无从谈起[1]；本文试图用物理模型角度阐释气流周期波动的内在表现，帮助高炉操作者更好理解气流波动的内在规律，找出气流周期性波动的本质，从而进行有效的操作调剂。

1 炉况案例

鞍钢鲅鱼圈2号高炉(4038m)作为鞍钢新时期建设的两座大型高炉之一，采用了多项先进冶炼技术，如小块焦回收利用技术，板壁结合的软水密闭循环冷却系统,英巴法水渣处理技术,地德式外燃热风炉技术,双预热余热回收燃烧炉技术,喷吹系统采用浓相喷吹技术等，投产后一直采用中心加焦的装料制度,顺行状态良好，日产最高达到10500t，利用系数达2.6t/(m3•d)。2014年之后,随着原燃料质量下降,冷却壁破损逐渐加重,煤气利用率逐渐下降,燃料比逐渐上升,并且由于铜冷却壁破损严重,于2016年4月25日降料线中修,更换7~11带铜冷却壁。

2016年5月11日鲅鱼圈2号高炉中修开炉以后，进行了7个月的“平台+漏斗”布料模式探索，整个过程的调整思路为通过将焦炭布料档位内移来缩小矿焦角位差同时发展和稳定边缘气流来获得合适的平台和漏斗料型，但是在缩小角位差的过程中，出现边缘气流难以掌控，壁体温度频繁波动的情况。9月上旬开始，高炉炉身水温差再度上升，基本在5～7℃之间波动，最高时甚至上升到10℃。为稳定炉身水温差，对布料制度重新调整，寻找边沿和中心两道气流相互平衡，采取先疏通边沿后疏通中心的调整思路，但效果均不明显，边沿煤气流仍然分布不均，炉身水温差仍高位波动，导致气流不稳，高炉顺行波动；由于长时间风压维持下限，鼓风动能不足，以及炉温不足，炉底中心温度持续下降，炉缸活跃程度大幅降低[2]，高炉出现比较明显的周期性气流波动，平均4-8小时出现一次气流波动，而且每个波动周期高炉炉况特征都有着一定程度的相似性，集中表现为炉身水温差、透气性、煤气利用率、风量风压、料速、炉温、炉顶温度、炉顶打水等参数呈现出周期性相匹配的变化特点，如图1、图2和图3所示。

2 气流周期性波动的模型解析

2.1 下料杠杆模型

高炉气流分布状态会影响到炉喉料面的形态，反过来炉喉料面形状也会影响高炉气流进一步的分布，实际高炉生产过程中，高炉炉内料面的稳定与气流的关系较大，若风量过大，炉喉通过的煤气量过大，会导致崩料现象，炉料滚向高炉中心，会严重影响气流分布；同时，高炉使用中心加焦时，若风量过大，中心焦炭过吹，导致中心气流不稳[3]。上部调剂是高炉调整气流分布的重要手段，炉喉料面分布情况影响着气流的三次分布，高炉块状带下料情况直接影响着炉喉料面分布，从而决定着气流在炉喉圆周径向上的分布；高炉出现周期性气流波动过程也伴随着下料杠杆的移动，即中心气流受阻后，边缘气流开始活跃，此时煤气流开始大量从边缘通过，煤气利用率下降，加风比较容易接受，炉身水温差开始升高，边缘下料速度逐渐加快，中心下料速度相对减慢，下料杠杆向边缘倾斜，当边缘气流发展到一定程度，滚入中心的矿石逐渐减少，气流中心通道开始得到恢复，此时进一步增加风量，中心下料速度开始加快，下料杠杆向中心倾斜，随着中心气流发展，中心下料速度加快，矿石开始滚入中心，达到一定程度后，中心气流受阻，透气性下降，煤气利用率开始升高，边缘气流开始活跃，如此周而往复，形成周期性气流波动现象。

2.2 炉型杠杆模型

高炉风口前焦炭及煤粉燃烧产生的高温煤气进入炉腹区域，其流向受到炉腹内料柱结构以及炉腹角大小的影响[4]。北京科技大学左海滨、郭飞龙等人通过数值模拟方法研究了炉腹角、炉身角以及等效炉腹角对高炉气流分布的影响。结果表明：减小炉腹角、增大炉身角有利于抑制边缘气流发展。调整等效炉腹角同样可以达到控制边缘气流的目的，但与改变炉腹角相比，其作用强度和作用范围更大，且最大影响区域也不相同[5]。 鞍钢股份炼铁总厂李建军等人建立了风口长度与等效炉腹角数学模型，如表1所示，该模型明确了炉腰渣皮厚度的增加后高炉等效炉腹角将增加；以上研究都表明炉缸始发气流在经过炉腹进行二次分配时，受炉身、炉腰、炉腹等区域炉型影响比较大，特别是渣皮消长引起的操作炉型波动对气流分布的作用强度和作用范围更大；炉况出现周期性波动的过程同样也是炉型变化的过程，当边缘气流发展到一定程度时，原本附着的渣皮开始脱落（此处的渣皮脱落是边缘气流冲刷的结果，与发展中心气流，导致边缘过重出现的渣皮脱落有着本质区别），壁体温度及炉身水温差升高，等效炉腹角逐渐变小，边缘气流逐渐受到抑制，中心气流得到发展；随着边缘气流减弱，软熔带根部下降，炉腰区域热负荷降低，有利于渣皮重新附着，同时渣皮逐渐变厚的过程也是等效炉腹角逐渐增大的过程，此时边缘气流又进一步得到发展，中心气流相对受到抑制，当边缘气流发展到一定程度时，边缘热负荷增大到某个极限，又会重新导致渣皮脱落，壁体温度及炉身水温差出现升高，如此周而往复，形成周期性气流波动现象。

2.3 炉温杠杆模型

气流周期性的波动必然导致炉温变化，炉缸活性差的高炉，由于炉芯死料柱的透气透液能力下降，对炉温的接受能力也表现得十分敏感，并且不断变差；当炉温出现向热趋势时，煤气中SiO的含量会逐渐增加，此时煤气体积也迅速扩张，需要更多的中心通道，但由于气流中心通道被滚入的矿石和SiO堵塞，导致中心气流受阻，此时气流被迫流向阻力更低的边缘区域，因此边缘气流逐渐得到发展；当边缘气流达到一定程度时，则会出现煤气利用率下降、渣皮脱落、水温差升高等情况，炉温又出现向凉趋势，煤气中SiO的含量下降，煤气体积也迅速压缩，有利于高炉进一步增加风量，提高鼓风动能，高炉中心气流又逐渐得到发展，如此周而往复，形成周期性气流波动。

3 炉况周期性变化的根源

下料杠杆、炉型杠杆、炉温杠杆这三种模型结合起来能够很好的阐释气流周期波动的内在表现，但这三种模型说到底还是气流周期波动的一种内在表现，而不是问题的根源；如图6、7、8所示，通过对2016年6月至12月期间的生产数据进行分析统计后发现，高炉风量长期徘徊在6000m3/min左右，维持偏低，鼓风动能长期在100-120 Kj/s之间，炉腹煤气指数在55m/min左右，这些鼓风参数与4000m3级高炉最合适参数存在一定差距，不利于热风吹透炉缸，长期小风量低动能鼓风操作也极易造成炉缸堆积，实际上2016年7月份以后，炉芯温度就已经开始出现下降，到12月份下降到413℃，说明此时炉缸活性已经变得极差，而炉缸活性变差的过程也正是高炉炉况出现周期性波动的阶段。

炉况出现周期性波动的本质还是因为炉缸活性降低，炉芯死料柱的透气透液能力下降，炉缸始发气流难以吹至炉缸中心，在上下部制度出现不匹配的情况下，造成边缘气流紊乱，热负荷波动大[6]，高炉炉况出现周期性变化特征，这种现象如果长时间得不到抑制，往往会导致炉缸活性进一步降低，高炉出现明显炉缸堆积现象，治理起来非常困难，造成的损失也无法估量。

4 改善气流周期性波动的措施

炉缸活性降低是造成气流周期性波动的根源，为了改善气流频繁波动的现象，避免杠杆效应的发生，就必须采取措施提高炉缸活跃性；Shibaike等[7]给出的死料柱温度理论认为，炉缸活性与回旋区理论燃烧温度、燃料比、炉渣流动性、煤气流分布、焦炭质量等有关。可见通过采取改善炉缸渣铁流动性、提高炉芯死料柱透气透液性、强化炉缸煤气流吹透中心能力的措施，都可活跃炉缸。但不同措施的针对性不同，时效性有较大差别，对炉况的影响也有轻有重，需要根据高炉炉缸活性变差的具体原因和影响程度，采取相应的措施。

4.1 增加入炉风量、控制合理鼓风动能，确保中心气流充沛

提高鼓风动能，扩大回旋区长度，吹透中心，确保高炉下部足够强的初始煤气流，强化炉缸热交换，是大型高炉炉缸活跃的基础和必要条件[8]。鼓风动能过大和过小都将导致煤气流分布不合理，炉况不稳定。鼓风动能过小时，煤气流吹不到软熔带下焦炭柱的中心区域，中心死料柱的透气性差，边缘煤气流过分发展，炉墙温度和冷却壁水温差波动起伏较大，渣皮频繁脱落；鼓风动能过大时，造成炉缸中心过吹，煤气流不稳，甚至出现中心管道，焦炭易被强气流搅碎，中心死料柱的透气性和透液性也同样会变差，过吹还会使中心煤气流相互扰动，造成煤气流分布紊乱；中心过吹时，则边缘偏弱，炉缸边缘温度不足，渣铁滞留区增大，严重时造成边缘堆积，煤气利用率低，炉墙渣皮不易脱落。

对于4000m3级大型高炉而言大风量、高动能冶炼要求风量不少于6200m3/min ,动能不少于130KJ/s,日常吹风不用考虑风口面积，尽可能最大限的吹足风量、风压，提高鼓风动能，吹透中心，充分活跃炉缸。

4.2 提高炉热水平，合理出铁造渣制度

死料柱温度低时，炉缸铁水中的碳将以石墨结晶的形式析出，连同炉缸焦炭消失时产生的残余灰分和焦炭粉末、未燃煤粉，可能堵塞焦炭填充层[9]；炉缸活性低时可以通过提高燃料比来提高炉热水平，增加炉缸热量，抬高死料柱料床温度，提高铁水渗碳能力和渣铁流动能力，均匀炉缸渣铁成分[8]；在具体操作上可以通过降低焦炭负荷，提高整体料柱透气性，有效增加风量，避免撤风温操作，保证渣铁水温度，杜绝低炉温操作。高炉温下高碱度炉渣的熔化性温度提高、流动性降低，应调低炉渣二元碱度，控制在1.00-1.15避免超过1.20。为改善炉渣流动性和提高炉渣脱硫能力，可适当提高炉渣镁铝比至0.5-0.6之间，将炉渣(MgO)含量提高到8~10%。

4.3 提高入炉焦炭质量，增大炉芯焦炭粒度，避免小块焦炭进入中心

焦炭质量对炉芯焦透气透液性和炉缸工作状态起着至关重要的作用[10]。焦炭的高温性能低，会严重影响其在高炉软熔带和滴落带中的骨架作用，降低高炉的整体透气性；大型高炉生产要实现炉缸工作状态的稳定，首先要尽可能提高并稳定焦炭质量，特别是焦炭热态性能指标。增大炉芯焦平均粒度，可减小透气透液阻力，提高炉缸底部温度[8]。为加快炉缸死料柱更新和活跃炉缸，可采用中心加焦或者抽焦操作，这对使用低成本原燃料和较高喷煤比的大型高炉，短期内改善炉缸不活的状况是比较有效的。鲅鱼圈2号高炉从2018年9月初开始增加使用中块焦碳，到9月30日中块焦比已经增加至110kg/t，并维持了近两个月高中块焦比生产；由于高比例使用中块焦炭会导致焦炭实际入炉粒度下降，且中块焦炭的比表面积大，反应能力强，进入炉缸会恶化炉芯焦的透气透液性，鲅鱼圈钢铁分公司2号高炉在尝试高比例使用中块焦炭生产初期，高炉日常顺行、炉前出铁和休送风均受到了较大影响。通过采取合理匹配上下部调剂，组织好炉前渣铁排放，抽焦布料制度，以及改善休风料结构，保障中心气流通道等措施，在后期长时间使用90Kg/t中块焦比的情况下，高炉依然维持了较好的顺行状态，休风后送风恢复也未出现超时现象，高炉逐渐适应了高比例使用中块焦炭的生产，实现了稳定顺行。

5 结语

⑴ 高炉出现周期性气流波动过程往往也伴随着下料杠杆的移动，当中心气流发展到一定程度，中心下料速度加快会导致局部矿石滚入中心，矿石高温软熔后堵塞气流中心通道。

⑵ 渣皮消长引起的操作炉型波动对气流分布的作用强度和作用范围更大，炉腰渣皮逐渐变厚的过程也是等效炉腹角逐渐增大的过程，其结果导致边缘气流得到发展，中心气流相对受到抑制。

⑶ 当炉温出现向热趋势时，煤气中SiO的含量会逐渐增加，煤气体积也会迅速扩张，由于气流中心通道受阻，气流更容易向边缘发展，当炉温出现向凉趋势时，煤气中SiO的含量下降，煤气体积也迅速压缩，有利于高炉进一步增加风量，提高鼓风动能，发展中心气流。

⑷ 气流出现周期性波动的本质是因为炉缸活性降低，炉芯死料柱的透气透液能力下降，炉缸始发气流难以吹至炉缸中心，造成边缘气流紊乱，热负荷波动大，高炉炉况出现周期性变化特征。

（5）提出增加入炉风量、控制合理鼓风动能，确保中心气流充沛；提高炉热水平，合理出铁造渣制度；提高入炉焦炭质量，增大炉芯焦炭粒度，避免小块焦炭进入中心等改善炉缸活性的措施，达到改善气流周期性波动的目的。

参考文献

[1] 黄建波，毛晓明，李云涛.炉顶料面形状对高炉气流运动及传热过程的影响.

[2]王宝海，赵立军， 姜彦兵， 龚继斌，等.鞍钢鲅鱼圈2号高炉取消中心加焦实践[J].炼铁，2018.37（3）：47-50.

[3] 刘建波，赵华涛，任立群.高炉料面失稳的实验研究[J].第十五届全国大高炉炼铁学术年会论文集,358-361.

[4] 左海滨，郭龙飞，王亚杰，郑劲.炉腹角和炉身角对高炉煤气流分布的影响[J].钢铁，2018.53（2）：20-26.

[5] 左海滨，郭龙飞，王亚杰，王劲松.炉型对高炉煤气流分布影响研究.

[6] 毕忠新，杨博.承钢新4#2500m3高炉炉缸的处理.

[7] Kalevi Raipala.高炉中的死料柱及炉缸现象.Scandinavian Journal of Metallurgy，2000(29)，39-46.

[8] 张龙来，陈永明，徐万仁.大型高炉的炉缸活性与炉缸侧壁侵蚀[J].第十四届全国大高炉炼铁学术年会论文集,152-161.

[9] 泽义孝,武田治,田口整司(金国珍译)高炉炉缸低透液区对炉底温度分布及出渣铁参数的影响.国外钢铁,1993(11)12-17.