高爐爐缸內(nèi)鐵水流動(dòng)物理模擬研究

趙亮，張曉光，曹東，范思鵬，車玉滿，王麗娟

（海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009）

爐缸是決定高爐壽命的關(guān)鍵部位。爐缸爐底侵蝕一直是高爐一代爐役的限制性環(huán)節(jié)，爐缸因盛放渣鐵液并進(jìn)行周期性聚集和排出而承受復(fù)雜的物理破壞和化學(xué)侵蝕。在爐缸中部，風(fēng)口區(qū)和爐身中下部，存在一個(gè)焦炭以極其緩慢速度下降的空間，焦炭在這里堆積的疏松度為0.2～0.4，這種焦炭團(tuán)塊稱為死料柱。在正常運(yùn)行的高爐中，死料柱漂浮在鐵水里，可能接觸爐底磚襯，也可能充滿整個(gè)爐缸。死料柱的這種分布情況決定了爐缸內(nèi)鐵水流動(dòng)的復(fù)雜性。

不同的研究學(xué)者從不同角度，采取不同手段，對(duì)死料柱及其行為進(jìn)行了不同程度的研究。周國(guó)凡等人進(jìn)行了大噴煤條件下鐵水環(huán)流與爐缸侵蝕的實(shí)驗(yàn)研究，研究了爐缸結(jié)構(gòu)和鐵口參數(shù)對(duì)爐缸內(nèi)鐵水環(huán)流速度的影響；邵磊等人應(yīng)用冶金焦堆積的死料柱研究爐缸內(nèi)鐵水流動(dòng)特性；Akihiko SHIBATA及Matti Juhani Luomala等人研究了死料柱“沉底”以及“漂浮”狀態(tài)對(duì)爐缸鐵水流動(dòng)影響，以及死料柱中心透液性惡化時(shí)對(duì)鐵水流動(dòng)的影響。本文以鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠3200 m高爐為研究對(duì)象，主要探究高爐鐵水流動(dòng)規(guī)律及其影響因素，基于相似理論建立爐缸爐底包括多孔介質(zhì)死料柱的鐵水流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，利用示蹤劑測(cè)試技術(shù)研究高爐爐缸內(nèi)死料柱的懸浮高度及死料柱特殊狀態(tài)下對(duì)爐缸內(nèi)鐵水流動(dòng)的影響，分析鐵水流場(chǎng)及流動(dòng)規(guī)律。

1 水模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

模型與實(shí)際高爐爐缸的幾何相似比為1:12，引入修正雷諾數(shù)（

Re

'）和修正弗洛德數(shù)（

Fr

'）。

式中，

ρ

為液體密度，kg/m；

ν

為表觀速度，m/s；

d

為顆粒直徑，m；

φ

為顆粒球形度；

ε

為死料柱空隙度；

μ

為液體動(dòng)力粘度，Pa·s；g 為重力加速度，m/s。在高爐爐缸內(nèi)的鐵水流動(dòng)一般可視為粘性不可壓縮穩(wěn)態(tài)等溫流動(dòng)。物理模擬實(shí)驗(yàn)過程中選用水作為模擬介質(zhì)。在高爐爐缸內(nèi)，流動(dòng)鐵水的粘性力與重力同時(shí)對(duì)流體流動(dòng)行為起作用。因此，在模擬實(shí)驗(yàn)中應(yīng)滿足重力相似與粘性相似。根據(jù)流體力學(xué)計(jì)算理論，實(shí)驗(yàn)原型與模擬模型的流動(dòng)雷諾數(shù)均處于第二自模化區(qū)域內(nèi)時(shí)，流體在流動(dòng)過程中的紊亂程度及速度分布幾乎不再受雷諾數(shù)的影響。在本次模擬實(shí)驗(yàn)中，二者都在第二自模區(qū)域內(nèi)，因此只要保證與重力有關(guān)的Froude（

Fr

）準(zhǔn)數(shù)相等即可。

1.2 爐缸中鐵水停留時(shí)間計(jì)算

由

Fr

準(zhǔn)數(shù)的水與鐵水的物理性質(zhì)，得出模型與實(shí)物之間的速度關(guān)系為：

式中，

u

、

u

分別為模型、實(shí)物的流體速度，m/s；

L

、

L

分別為模型、實(shí)物的特征長(zhǎng)度，m；g為重力加速度，m/s。 則式（3）可寫成：

已知幾何相似的模型與實(shí)物的比例為1:12，即

k

=1/12，則相應(yīng)的模型與原型的關(guān)系為

L

=（1/12）·

L

，

u

=（1/12）·

u

，

Q

=（1/12）·

Q

，

t

=（1/12）·

t

。

實(shí)驗(yàn)中不直接測(cè)定死料柱內(nèi)的鐵水流動(dòng)速度，而是采用脈沖法測(cè)定流體在高爐爐缸內(nèi)停留時(shí)間分布曲線，通過測(cè)定平均停留時(shí)間來研究死料柱特征參數(shù)對(duì)爐缸鐵水流動(dòng)的影響。應(yīng)用平均停留時(shí)間表示爐缸內(nèi)不同部位鐵水的停留情況，間接地反映不同部位鐵水的流動(dòng)速度。

1.3 流動(dòng)區(qū)體積比計(jì)算

爐缸內(nèi)流體是由已經(jīng)停留在爐缸中的微團(tuán)組成，流體在爐缸內(nèi)停留時(shí)間分布是連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，反映了容器內(nèi)的流動(dòng)模式。流體在爐缸內(nèi)的流動(dòng)模式可分為活塞流、全混合流以及流動(dòng)死區(qū)等。實(shí)際高爐爐缸中鐵水的流動(dòng)模式是上述幾種流動(dòng)模式的組合，各種流動(dòng)模式的比率可由爐缸內(nèi)流體最短停留時(shí)間（

t

，s）、最大濃度響應(yīng)時(shí)間（

t

，s）、理論平均停留時(shí)間（

t

=［中間罐液體總?cè)莘e（

V

，m）］/［液體體積流量（

Q

，L）］，s）和實(shí)際平均停留時(shí)間（

t

，s）計(jì)算得出，其計(jì)算式為：

式中，

θ

為示蹤劑開始出現(xiàn)時(shí)無因次時(shí)間，

θ

=

t

/

t

；

θ

為示蹤劑達(dá)到最大濃度時(shí)無因次時(shí)間，

θ

=

t

/

t

；

θ

為示蹤劑平均濃度時(shí)無因次時(shí)間，

θ

=

t

/

t

。

死區(qū)被認(rèn)為是流動(dòng)極其緩慢甚至不流動(dòng)的區(qū)域。活塞流及全混流體積的增加可以提高反應(yīng)器生產(chǎn)效率，同時(shí)有均勻鐵水成分的作用，但會(huì)使?fàn)t缸內(nèi)鐵水流速加大，進(jìn)而加劇鐵水流動(dòng)造成的沖刷侵蝕，威脅爐缸壽命。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

高爐爐缸模擬裝置示意圖見圖1。實(shí)驗(yàn)中通過爐缸頂蓋注水，經(jīng)過水流分配器使其均勻的滴落至死料柱上方，在爐缸內(nèi)部鐵水到達(dá)指定高度后，再經(jīng)出鐵口流出。在水流分配器入口處瞬時(shí)注入飽和KCl溶液，同時(shí)測(cè)量出口處液體電導(dǎo)率的變化，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過校正和擬合后繪制示蹤劑在爐缸內(nèi)的停留時(shí)間分布曲線（RTD），分析高爐爐缸內(nèi)鐵水流場(chǎng)。已知實(shí)驗(yàn)中出鐵流量為110 L/h，液位高度為距爐底408 mm，模型死料柱空隙度為0.35，出鐵口高度為280 mm。

圖1 高爐爐缸模擬裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram for BF Hearth Simulator

2.1 死料柱懸浮高度對(duì)鐵水流動(dòng)的影響

實(shí)驗(yàn)過程中通過調(diào)整死料柱懸浮高度，即死料柱底部中心距爐底的距離，研究其對(duì)爐缸內(nèi)鐵水平均停留時(shí)間的影響，懸浮高度分別為0 mm、75 mm、105 mm、155 mm。不同死料柱懸浮高度的鐵水停留時(shí)間、流動(dòng)區(qū)體積比分別如圖2、3所示。

由圖2可以看出，死料柱的懸浮高度影響爐缸內(nèi)鐵水的混勻效果。隨著死料柱懸浮高度的降低，爐缸內(nèi)鐵水的平均停留時(shí)間減少，鐵水的混勻時(shí)間縮短，有利于爐缸內(nèi)鐵水流場(chǎng)的均勻分布。由圖3可以看出，隨著死料柱懸浮高度的降低，混合區(qū)體積比升高，代表低流速或不流動(dòng)的死區(qū)體積比降低，說明爐缸內(nèi)鐵水流速加快，低流速區(qū)域減少，會(huì)加劇因鐵水流動(dòng)對(duì)爐缸底部的沖刷侵蝕。

圖2 不同死料柱懸浮高度的鐵水停留時(shí)間對(duì)比Fig.2 Comparison of Residence Time of Molten Iron with Different Dead-man Hover-heights

圖3 不同死料柱懸浮高度的流動(dòng)區(qū)體積比對(duì)比Fig.3 Comparison of Volume Ratios of Molten Iron Flow Zone with Different Dead-man Hover-heights

當(dāng)死料柱懸浮高度為0 mm時(shí)，即死料柱沉于爐底（見圖4），鐵水的平均停留時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間與最大濃度時(shí)間均為最低，代表高流速的混合區(qū)體積比達(dá)到最大。死料柱處于該狀態(tài)時(shí)，可以提高爐缸內(nèi)反應(yīng)器的生產(chǎn)效率，增加出鐵量，具有均勻鐵水成分的作用。但同時(shí)死料柱周圍鐵水的流動(dòng)速度加快，這是由于沉于爐底的死料柱促使鐵水向壁面周圍流動(dòng)，使?fàn)t底鐵水過于集中，邊部環(huán)流增加，爐缸內(nèi)死區(qū)體積比減少，在一定程度上增加了鐵水對(duì)高爐爐缸壁及爐底的沖刷和侵蝕，因此死料柱沉于底部這一狀態(tài)有利于提高爐缸內(nèi)反應(yīng)器生產(chǎn)效率，但對(duì)爐缸爐底壽命造成影響。

圖4 爐缸內(nèi)死料柱沉于爐底Fig.4 Dead-man Submerged to Furnace Floor in BF Hearth

2.2 死料柱傾斜對(duì)鐵水流動(dòng)的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，死料柱的狀態(tài)不可能是嚴(yán)格意義上的幾何形狀，爐缸內(nèi)死料柱的狀態(tài)對(duì)高爐穩(wěn)定順行有較大影響，因此有必要對(duì)死料柱在爐缸內(nèi)發(fā)生傾斜等異常情況進(jìn)行研究。選取死料柱懸浮高度105 mm進(jìn)行試驗(yàn)，調(diào)整死料柱的懸浮狀態(tài)，保持死料柱底部中心距爐底105 mm，死料柱水平傾斜15°（見圖5）。在相同工況條件下與死料柱未發(fā)生傾斜的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。死料柱傾斜狀態(tài)的的鐵水停留時(shí)間、流動(dòng)區(qū)體積比對(duì)比分別如圖6、7所示。

圖5 爐缸內(nèi)死料柱傾斜Fig.5 Dead-man Inclined in BF Hearth

圖6 死料柱傾斜狀態(tài)的的鐵水停留時(shí)間對(duì)比Fig.6 Comparison of Residence Time of Molten Iron with Dead-man in Inclined State

圖7 死料柱傾斜狀態(tài)的的流動(dòng)區(qū)體積比對(duì)比Fig. 7 Comparison of Volume Ratios of Molten Iron Flow Zone with Dead-man in Inclined State

結(jié)合圖6、7可以看出，死料柱傾斜與正常狀態(tài)相比，最短停留時(shí)間與最大濃度響應(yīng)時(shí)間均下降。代表高流速的混合區(qū)體積比由72.91%升高至77.85%，全混流的體積比增加，可提高反應(yīng)器的生產(chǎn)效率，有均勻鐵水成分的作用；代表緩慢流動(dòng)及不流動(dòng)的死區(qū)體積比由22.81%降至20.23%，說明在死料柱傾斜狀態(tài)下，爐缸內(nèi)的鐵水流動(dòng)速度增加明顯。這是由于死料柱的傾斜，造成了爐缸內(nèi)鐵水流動(dòng)的不均勻性，加快了爐缸內(nèi)鐵水的整體流動(dòng)速度，從而加劇了鐵水流動(dòng)對(duì)爐缸壁以及爐底的沖刷侵蝕，不利于高爐長(zhǎng)壽。

3 結(jié)論

通過水模實(shí)驗(yàn)，研究高爐爐缸內(nèi)死料柱的懸浮高度及特殊狀態(tài)對(duì)爐缸內(nèi)鐵水流動(dòng)的影響，得出如下結(jié)論：

（1）死料柱的懸浮高度影響爐缸內(nèi)鐵水的混勻效果。隨著死料柱懸浮高度下降，鐵水的混勻時(shí)間縮短，有利于爐缸內(nèi)鐵水流場(chǎng)的均勻分布，但鐵水流速加快，在一定程度上加劇了流動(dòng)鐵水對(duì)爐底的沖刷侵蝕。

（2）當(dāng)死料柱沉于爐底時(shí)，混合區(qū)體積比達(dá)到最大，有利于提高反應(yīng)器生產(chǎn)效率，均勻鐵水成分，但爐底鐵水過于集中，邊部環(huán)流增加，鐵水流速增大，加劇了鐵水對(duì)高爐爐缸的沖刷和侵蝕，對(duì)爐缸爐底壽命造成影響。

（3）當(dāng)死料柱在爐缸內(nèi)處于傾斜狀態(tài)時(shí)，爐缸內(nèi)混合區(qū)體積比增加，死區(qū)體積比降低，鐵水流速增大，加劇了鐵水對(duì)爐缸壁以及爐底的沖刷侵蝕，不利于高爐長(zhǎng)壽。