高爐風口參數(shù)的設計探討*

郭俊奎 馬鐵林

(林州市馬氏煉鐵技術研究開發(fā)有限公司)

高爐風口參數(shù)的設計探討*

郭俊奎 馬鐵林

(林州市馬氏煉鐵技術研究開發(fā)有限公司)

風口是高爐送風系統(tǒng)的重要設備之一，通過對高爐風口參數(shù)進行分析探討，論述了風口數(shù)目，風口高度，風口角度、長度，風口直徑對高爐冶煉操作、生產(chǎn)技術經(jīng)濟指標的影響，并從設計角度提出了風口參數(shù)的設計、計算參考數(shù)據(jù)和建議。

高爐 風口參數(shù) 設計 探討

0 前言

高爐煉鐵是一個綜合的工藝過程，每一項工藝參數(shù)設計對高爐生產(chǎn)都有不同程度的影響，高爐風口是煉鐵高爐重要的送風設備之一，有高爐煉鐵生產(chǎn)工藝以來就存在風口，高爐鼓風、噴吹的燃料都是通過風口進入高爐內(nèi)的。風口參數(shù)主要包括風口數(shù)量、高度、直徑、角度和長度等數(shù)據(jù)，風口參數(shù)對其本身壽命及煉鐵高爐生產(chǎn)技術經(jīng)濟指標有重要影響，是高爐下部調(diào)劑的重要手段之一。筆者結合節(jié)能減排、降低能耗及新工藝的需要，通過工業(yè)實踐，對風口參數(shù)進行了分析探索，提出了一些看法，并從設計角度提出了風口參數(shù)的設計、計算參考數(shù)據(jù)和建議，以使風口參數(shù)更加科學合理，做好風口參數(shù)設計，從而進一步提高煉鐵生產(chǎn)技術經(jīng)濟指標。

1 風口數(shù)目的確定

高爐風口數(shù)目是高爐工藝設計的重要參數(shù)之一，主要取決于爐缸直徑大小和鼓風機能力，高爐風口數(shù)目增多目前是一種趨勢，增加風口數(shù)目有利于高爐的強化冶煉。風口數(shù)目在滿足煉鐵工藝要求的同時，還應符合風口的安裝尺寸和結構要求。

風口數(shù)目的計算有多種方法，但還沒有嚴格的理論計算公式，一般按經(jīng)驗公式粗略計算后確定。設計手冊要求風口弧長間距在1200 mm～1400 mm，國內(nèi)曾采用如下公式［1］:

式中:f—風口數(shù)目，個;

d—爐缸直徑，m。

式中計算出來的風口數(shù)目較少。國外一般采用如下公式［1］:

風口數(shù)目一般為雙數(shù)。高爐風口數(shù)目的合理設計與高爐操作、技術指標有很大關系。風口數(shù)目增多，風口弧長間距就小，高爐圓周進風相對均勻，可改善煤氣流、溫度分布，減少風口之間的“死料區(qū)”，爐缸燃燒均勻，可活躍爐缸，利于爐況順行，有節(jié)焦、增產(chǎn)等作用，更有利于節(jié)能減排。中小高爐其效果十分明顯，大高爐次之。

通過某140 m3級高爐工業(yè)試驗，風口由8個改為10個，和同等條件高爐相比，可提高日產(chǎn)量80 t～100 t，降低焦比 10～15 kg/t.Fe。高爐爐缸 8 個風口時，風口中心線水平間夾角為45°，高爐改為10個風口時風口中心線水平夾角為36°，兩者相差9°，也就是說8個風口時，相當于高爐爐缸內(nèi)圓周72°(9°×8)范圍內(nèi)“無風口”，極大影響了爐缸的工作制度，對高爐技術經(jīng)濟指標影響較大。

試驗表明，增加風口數(shù)目，爐缸燃料燃燒相對均勻、有效，有利于爐內(nèi)煤氣流的初始分布、溫度分布、熱量分布，可以活躍爐缸，利于爐況順行，降低能耗，提高產(chǎn)量，有利于提高高爐的技術經(jīng)濟指標和經(jīng)濟效益，是節(jié)能減排的重要手段之一。

風口數(shù)目的增加，必須與風量、風壓及風口直徑等參數(shù)緊密配合，才能體現(xiàn)出增加風口數(shù)目的意義所在，否則，也會帶來負面影響，達不到預期效果，反而影響高爐的強化冶煉。

筆者建議風口數(shù)目的確定應以爐缸風口之間的弧長間距為依據(jù)，以縮小風口弧長距離為原則，確定風口數(shù)目。建議風口弧長距離控制在1000 mm～1100 mm，不超過1200 mm。

2 風口高度計算和風口角度

鐵口中心線至風口中心線的垂直高度距離稱為風口高度(Hf)。風口與渣口的高度差應能保障容納上渣量和一定的燃燒空間，風口高度計算公式如下［2］:

式中:Hz——渣口高度

K——渣口高度與風口高度之比(一般k=0.5～0.6，渣量大取低值)。

從公式(1)可以看出，風口高度與渣口高度有一定關系，而隨著原燃料條件的改善，精料水平的提高，渣量減少是趨勢，因此，可以認為風口高度也應是趨于減小，而現(xiàn)在設計中，風口高度的確定更多是參閱、類比同級高爐。

通過對高爐風口高度數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計、實踐，通過控制適當?shù)母邚奖龋呌诎值臓t型，使用平風口時，風口高度與高爐有效高度的比值約為1/8.76。這一數(shù)據(jù)對中小高爐風口高度設計有一定的指導意義，而且通過實踐，取得了比較好的技術經(jīng)濟指標。但此值有待在大高爐上實踐、驗證。

高爐是非標準設備，風口高度的大小與高爐內(nèi)直接還原、間接還原的程度，以及高爐爐內(nèi)直接還原區(qū)、間接還原區(qū)大小有很大關系，似是一個“分界線”，對爐內(nèi)燃料的熱能和化學能利用有影響。此值不合理，高爐不會有好的生產(chǎn)指標，易引起爐內(nèi)事故，爐況不順，焦比升高，不利于節(jié)能降耗。同時也應認識到大中小高爐的風口高度在高爐內(nèi)的“適應性”是有區(qū)別的。

實踐表明，小高爐的爐缸直徑小，風口相對也少，風口高度對高爐爐況的影響十分明顯，只要相差正負75 mm，就對生產(chǎn)影響極大。大高爐，特別是特大型高爐，風口數(shù)目多，距高爐中心相對遠，風口燃燒的放射性鼓風作用等引起的風口高度“適應性”相對小高爐要強，也就是說特大型高爐的風口高度調(diào)整余地大，對高爐生產(chǎn)影響相對小，這也是大型高爐目前的風口高度差別大，也能適應高爐生產(chǎn)變化的一個重要原因。但是，大高爐、特大型高爐也應該有個最佳值，對生產(chǎn)才最有利。

風口角度是指風口中心線向下傾斜的角度，是調(diào)節(jié)高爐生產(chǎn)的手段之一。只要有角度，鼓風動能利用相對就差，直觀分析就是三角形直角邊與斜邊的關系。風口有角度，風口距離高爐中心就遠，不利于吹透中心。

風口高度與風口角度有相輔相成的關系，兩者應緊密配合，高爐生產(chǎn)才會有好的技術指標。一般建議選零度平風口，不要有角度。筆者認為，不研究風口高度而研究風口角度意義不大。

3 風口直徑和長度

3.1 風口直徑

風口直徑一般是指風口小套的內(nèi)直徑，表示高爐鼓風進入高爐時進風面積的大小。風口直徑由風口的出口風速確定，一般風口的出口標態(tài)風速在100 m/s以上［2］，巨型高爐有的高達200 m/s。風口直徑的計算有一些參考公式，主要是要保證風口的鼓風動能，可以作為一個重要的參考數(shù)據(jù)。推薦的風口面積計算公式為［3］:

式中:S——風口面積，m2/個;

E——鼓風動能，(kg·m)/s;

t——熱風溫度，℃;

Pb——熱風壓力，kPa;

γ——氣體密度，kg/m3;

Vb——風量，m3/min;

n——工作風口數(shù)目。

當噴吹燃料時，V混(換成 m3/min)代替 Vb，用t混代替t即可。

風口直徑的計算涉及變量參數(shù)比較多，特別是有的參數(shù)是瞬間變化的，要取值計算準確比較難。每座高爐有其各自的生產(chǎn)特點和規(guī)律，也是隨時在變化的，而不是一個固定的值。計算值只是一個相對參考值，必須通過生產(chǎn)實踐使用檢驗，應該以滿足高爐生產(chǎn)操作工藝要求、爐況順行、效益最大為原則。

改變風口面積大小是高爐操作下部調(diào)劑的重要手段之一，是對各風口流量的重新分配，從而影響風口回旋區(qū)的形狀、大小，影響氣流和溫度的分布以及爐缸的均勻、活躍程度。當高爐爐缸煤氣流分布不合理、爐缸工作不活躍時，有必要改變風口直徑，調(diào)節(jié)各風口的進風壓力、流量， 使整個爐缸內(nèi)的燃燒、溫度、煤氣流分布盡可能均勻、合理，達到調(diào)節(jié)爐況順行的目的。有人建議高爐鐵口兩側的二個風口直徑應小2 mm～3 mm，這個觀點直觀分析可行，但有待于生產(chǎn)操作實踐的檢驗、證實。

在一定的冶煉條件下，高爐都有其適宜的操作制度與冶煉強度，風口直徑一般不宜經(jīng)常變動。

3.2 風口長度

風口長度有兩個概念，一是風口小套的加工成品長度，二是風口小套伸入爐缸內(nèi)的長度。我們探討風口長度是指風口小套伸進爐缸內(nèi)的長度。

設計手冊要求風口小套前端伸進爐缸20 mm～50 mm，但筆者分析認為，在保證風壓的前提下，風口小套不應該伸進爐缸內(nèi)，超出爐墻，反而應縮回爐墻內(nèi)。原因如下:

1)縮回爐墻內(nèi)60 mm左右，與伸進爐缸30 mm～50 mm相差約100 mm，對風口本身沒有任何影響，但相當于“爐缸直徑”大了約200 mm，這對提高產(chǎn)量，促進燃燒，活躍爐缸有益，但必須有風壓做保證。

2)風口小套全部或部分裸露在爐缸內(nèi)，引起多種弊病:鐵水滴落沖刷風口小套，小套損壞風險增加;風口小套后端和爐墻之間形成一個“回旋區(qū)”，對風口套極為不利;冷卻水壓力低時，易損壞，休風率高，備件消耗高;而風口小套縮回爐墻內(nèi)，可有效解決上述問題。

3)風口位于爐缸上部，直接與渣、鐵、高溫氣流接觸，工作條件十分惡劣。風口燒損的部位，多為風口伸入爐內(nèi)部分的前端上緣和下緣。由于其與渣、鐵接觸，局部區(qū)域的熱流強度超過了風口材質所能承受的臨界熱流強度，產(chǎn)生過熱而被熔化所致［4］。高爐爐墻沖涮、侵蝕是必然的， 高爐壽命越長，爐缸侵蝕越大，風口小套縮回爐墻有利于保護風口小套，延長風口小套壽命。

風口縮回爐墻，一可以保護風口，二必然要增加燃燒面積，活躍爐缸。有的學者提出和爐墻平齊，風口縮回爐墻內(nèi)會促進縮回部分耐火磚的破損，也不利于形成合理爐型。但筆者認為，縮回爐墻是方向，定量縮回多少，大中小高爐應有區(qū)別。高爐生產(chǎn)爐內(nèi)耐火材料磚襯必然磨損浸蝕，爐缸必然擴大，但是如何使高爐磚襯壽命長，侵蝕小，保持一定的工作爐型很重要。

因此，在保證高爐風壓、風速的前提下，風口小套建議縮回墻內(nèi)50 mm～100 mm，而且隨著爐襯的侵蝕，應隨時調(diào)整。通過在中小高爐上的工業(yè)實踐表明，風口縮回爐墻，有利于延長風口壽命，而且爐況順行，產(chǎn)量高，焦比低，對高爐操作無負面影響。

4 結論

通過分析研究及實踐，得出以下結論:

1)高爐風口在不影響其安裝、維護的前提下，數(shù)目宜多。

2)風口高度應有一個相對合理、“固定”的數(shù)值，對高爐的穩(wěn)定操作有益，與爐內(nèi)直接還原和間接還原有很大關系。

3)風口直徑不宜經(jīng)常變動，且應使用平風口或小角度風口，并縮回爐墻內(nèi)。

［1］煉鐵設計參考資料編寫組.煉鐵設計參考資料［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1979:139.

［2］張樹勛.鋼鐵廠設計原理(上冊)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005:77，78.

［3］周傳典.高爐煉鐵生產(chǎn)技術手冊［M］.北京:冶金工業(yè)出版祉，2002:321.

［4］萬新.煉鐵設備及車間設計［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2007:50.

DESIGN AND DISCUSSION OF BF TUYERE PARAMETERS

Guo Junkui Ma Tielin
(Research and Development Department of Mashi Iron and Steel Co.，Ltd)

Tuyere is one of the important equipments in blasting system.It introduces the influence of the number，height，angle，length and diameter of tuyere on BF operation and production and economic indices and also gives reference data of tuyere parameters and suggestion.

BF tuyere parameters design discussion

:2011—11—30