高爐內型結構關鍵參數優化分析

杜屏 雷鳴 孫衛平 郭子昱 高天路 張建良 徐震

（1：沙鋼集團有限公司 江蘇張家港215625；2：北京科技大學冶金與生態工程學院 北京100083；3：江蘇冶金技術研究院 江蘇張家港215625）

1 前言

隨著我國鋼鐵行業生產技術裝備水平的不斷進步，高爐也向著大型化、長壽化不斷發展［1，2］。為積極應對國內高爐高效長壽、低碳環保的冶煉要求，國內煉鐵操作者們不斷的探索進步。其中合理的爐身角、爐腹角和高徑比等爐體關鍵參數優化設計，是增大高爐容積，延長高爐壽命的重要舉措。

針對高爐爐體參數優化設計這一問題，國內外學者做出大量調查研究。諸多冶金專家認為爐腹角的設計方法是確定爐缸直徑D與爐腰直徑d比值，將爐腹高度h確定在一定范圍內，進而通過計算爐腹角大小，劉云彩［3］根據實際情況，提出左海濱［4］通過研究爐腹角和爐身角對高爐煤氣的影響，提出適當減小爐腹角、增大爐身角，會降低煤氣流速、抑制邊緣氣流發展。項鐘庸［5］依據實際情況與生產經驗，給出了不同容積高爐高徑比的取值建議。但在進行高爐設計時，爐身角、爐腹角及高徑比的取值仍存有爭議，因此，高爐爐身角、爐腹角及高徑比適宜的取值范圍仍有待進一步研究。

目前爐體內型關鍵參數設計仍是冶金行業的焦點話題，合理的設計爐型決定著合理的操作內型，合理的操作內型有利于下降的爐料和上升的煤氣的相向運動，提高料柱的透氣性和煤氣利用率，使高爐內的冶金反應順利進行，為高爐長壽創造條件［6－7］。因此，本文對國內外58座高爐主要內型參數進行對比分析，并建立高爐爐腹角、爐身角與高徑比的數學模型，從多方面多角度對爐體關鍵內型參數進行研究。

2 關鍵內型參數對比分析

圖1為國內外部分高爐爐腹角參數的統計。由圖可知，高爐平均爐腹角在77.12°～79.99°左右，不同高爐設計的爐身角及爐腹角存在一定差距，即便是同立級高爐的爐身角與爐腹角大小也存在一定的差距。除4000m3級高爐外，高爐爐腹角隨著爐容的增加整體呈減小趨勢。我國2000m3級～5000m3級高爐平均爐腹角分別為：79.88°、77.99°、77.78°、77.12°。其中2500m3級高爐中沙鋼3＃高爐爐腹角明顯小于同立方級高爐。國內外高爐平均爐身角在80.82°～82.93°左右，高爐爐身角隨高爐容積的增加而減小，2000m3～4000m3級高爐爐身角基本穩定于該立級高爐爐身角平均值附近，而5000m3級高爐爐身角則呈現減小趨勢。

圖1 國內外部分高爐爐身角、爐腹角統計

圖2為國內外部分高爐爐身角參數的統計。高爐平均爐身角在80.82°～82.93°左右，高爐爐身角隨高爐容積的增加而減小，2000m3～4000m3級高爐爐身角基本穩定于該立級高爐爐身角平均值附近，而5000m3級高爐爐身角則呈現減小趨勢。

圖2 國內外部分高爐高徑比統計

如圖3所示為國內外部分高爐高徑比統計圖，由圖可知，不同立級高爐平均高徑比在1.66～2.30之間，高徑比隨高爐容積的增加而降低，即高爐向著“矮胖型”方向發展。對于5000m3級以上的超大型高爐，高徑比減小更為明顯，如光陽1＃高爐高徑比為1.66。如圖3所示，對比調研高爐的高徑比與專家推薦值［5］可以看出，中小型高爐高徑比實際值普遍高于推薦值，且兩者存在一定差距，主要是因為大型高爐大部分采用薄壁爐襯，而中小型高爐基本上為厚壁爐襯。大型高爐高徑比的實際值略低于推薦值，但兩者差距較小。

圖3 高徑比實際值與推薦值對比

原料下降、煤氣分布及高爐壽命與爐身角、爐腹角及高徑比的設計大小息息相關。如爐腹角較小的沙鋼3＃高爐。一般認為，減小爐腹角不利于爐腹段銅冷卻壁熱面渣皮的穩定存在，從而導致銅冷卻壁過早破損。但沙鋼3＃高爐爐腹角明顯小于同立方級高爐，其爐腰、爐腹段銅冷卻壁溫度較為穩定，銅冷卻壁很少損壞，是2500m3立級較為典型的高爐。武鋼5＃（一代）高爐以爐腹角80.45°達到了15年零8個月的長壽業績，其5＃（二代）、6＃、7＃均維持在77.97°左右，并且一代爐容壽命均達到了13年以上，屬于較長壽的高爐。寶鋼1＃三代高爐爐身角、爐腹角、高徑比均相對較小，自2009年2月開爐，至今已11年，爐料、煤氣及冷卻壁多項性能指標均維持在較高水平。

3 高爐冷卻壁受力模型

為明晰高爐合理爐腹角、爐身角設計，建立了冷卻壁的受力模型。高爐爐料在高爐中狀態可分為主動狀態和被動狀態，其中主動狀態指爐料裝入高爐內的靜止狀態，被動狀態指高爐爐料處于流動或具有流動趨勢的狀態。由于應力轉換狀態一般發生于柱體和錐體交界處［8］，因此假設高爐爐喉、爐腰區域的爐料處于主動狀態，而爐身、爐腹區域的爐料處于被動狀態。基于詹森提出的從粉體力學角度計算料倉貯料壓力詹森公式［9－10］，分析高爐爐喉至爐腹區域的實際受力載荷。

如圖4所示，σz、σr代表主應力，τr代表因σr存在導致的切應力［12－13］。

圖4 國內外部分高爐高徑比統計

其中：

若爐料處于主動狀態則有：

若爐料處于被動狀態則有：

另外：

式中：φ—爐料內摩擦角；

μ—爐壁摩擦系數。

對于筒體有：

式中：γ—爐料重力密度，N／m3；

D—筒體直徑，m；

z—筒體某一截面高度，m。

對于錐體：

式中：α—半錐角，°（即α＝90°－爐身角／爐腹角）。

當m＝1時：

當m≠1時，

式中：σ0—高度為0時所對應的應力，kPa；

H—錐體總高度，m；

z—錐體某一截面高度，m。

4 結果與討論

4.1 受力分析

以5000m3級高爐為例，結合實際生產參數及操作經驗（詳細參數見表1）完成爐喉至爐腹區域受力載荷的計算。

表1 我國某座5000m3級高爐設計參數

從圖5可以看出，假設零料線高度為參考零點，隨著高爐爐料下降至0.8m（即爐喉與爐身交接位置），σz從0kPa迅速增加至19.68kPa，σr從0kPa增加至6.69kPa，τr從0kPa增加至2.30kPa，由于此處應力狀態發生轉換，σz上升趨勢明顯減緩，直至達到21.33kPa，σr突增至59.04kPa，之后上升趨勢減緩，直至達到64.04kPa，τr隨著σr突增至20.67kPa，緩慢增至22.40kPa，此時爐料下降至1.8m，此后三者均不斷減小至0kPa。在爐喉爐身區域σr和τr的大小影響著爐料的下降情況，σr和τr越小，越有利于爐料的下降。

圖5 高爐受力分析結果圖

爐料下降的條件如公式（9）所示。

式中：G—爐料自身重力，N；

F浮—煤氣的浮力，N；

F壁—爐料與爐壁的摩擦力，N；

F內—爐料與爐料之間的內摩擦力，N。

之后隨著高爐爐料的下降至20m（即爐腰爐腹交接位置），σz從0kPa迅速增加48.69kPa，σr從0kPa增加至16.23kPa，τr從0kPa增加 至5.68kPa，由于此處應力狀態發生轉換，σz迅速減小直至17.00kPa，σr突增至146.07kPa，之后迅速減小至51.00kPa，τr隨著σr突增至51.12kPa，迅速減至17.85kPa，此時爐料下降至22.4m，此后三者均持續減小至0kPa，在爐腰爐腹區域σr和τr的大小影響著冷卻壁掛渣情況，σr和τr越大，越有利于渣皮附著于冷卻壁。

因此，5000m3級高爐爐喉爐身區域應力載荷最大位置位于爐身下部1m處，爐腰爐腹區域應力載荷最大位置位于爐腹下部0.4m處，此處也為整個區域應力最大處。通過調整不同的爐料摩擦角、爐身（腹）角、爐料重力密度、料壁摩擦系數等參數，對高爐受力情況展開研究。

4.2 不同參數對爐喉爐身區域受力影響

從圖6可以看出，隨著爐料摩擦角由26°增加至40°，σz在整個爐身區域呈現隨著爐料摩擦角的增大而減小的趨勢，σr、τr二者均在爐身上端至爐身下部1m的區域呈現隨著爐料摩擦角的增大而減小的趨勢；爐身角由78.86°增加至82.27°，σz、σr與τr均在整個爐身區域呈現隨爐身角的增大而減小的趨勢，其中78.86°對應的應力載荷情況較其他三種爐身角較大；重力密度由15.00N／m3增加至25.00N／m3，σz、σr與τr均出現隨重力密度的增大而增大的趨勢；摩擦系數由0.31增加至0.35，σz、σr與τr變化不大，故摩擦系數的改變對爐喉爐身區域應力載荷變化趨勢影響不大。

圖6 爐喉爐身區域應力與相關參數關系圖

考慮爐料下降條件及應力載荷分布狀況，τr應適當減小，因此爐身角應適當增大，較大的爐身角有利于減小煤氣流的流速，增大煤氣在高爐爐身內的停留時間，有利于煤氣流的分布和發展間接還原，降低高爐燃料比；同時結合我國大型高爐減小爐身角的趨勢，可將爐身角控制在79.38°～82.27°之間。除此之外，在實際生產中，煉鐵企業在進行5000m3級高爐操作時，應關注爐身上端到爐身下部1m左右的區域爐料下降情況，根據實際情況，進行爐料摩擦角和重力密度等參數的調整。

4.3 不同參數對爐身爐腹區域受力影響

從圖7可以看出，隨著爐料摩擦角由26°增加至40°，σz在整個爐腹區域呈現隨著爐料摩擦角的增大而減小的趨勢，σr、τr二者均在爐腹上端至爐腹下部0.4m的區域呈現隨著爐料摩擦角的增大而增大的趨勢；爐腹角由74.37°增加至78.96°，σz、σr與τr均在整個爐腹區域呈現隨爐身角的增大而減小的趨勢；重力密度由15.00N／m3增加至25.00N／m3，σz、σr與τr均出現隨重力密度的增大而增大的趨勢；摩擦系數由0.31增加至0.35，σz、σr與τr變化不大，故摩擦系數的改變對爐腰爐腹區域應力載荷變化趨勢影響不大。

圖7 爐腰爐腹區域應力與相關參數關系圖

考慮渣皮附著冷卻壁條件及應力載荷分布情況，為了使渣皮能有效附著在冷卻壁上且不易掉落，渣皮沿垂直冷卻壁方向的受力σr和渣皮與冷卻壁之間的摩擦力τr應相對增大，爐腹角應相對減小；同時較小的爐腹角有利于減小邊緣煤氣平均流速，抑制邊緣煤氣流的發展，防止爐墻溫度過高和燒損耐火材料。結合我國大型高爐減小爐腹角的趨勢及薄壁高爐的不斷應用，可將爐腹角控制在74.37°～76.76°之間。除此之外，在實際生產中，對于5000m3級高爐操作時，應尤為關注爐腹上端至爐腹下部0.4m左右的區域渣皮穩定情況。

5 結論

通過統計分析不同立方級高爐爐身角、爐腹角及高徑比的實際情況，建立高爐爐喉至爐腹的冷卻壁受力模型和高爐爐料下降模型，計算高爐各區域應力分布及爐料平均下降速度，可得出以下結論：

（1）國內外高爐平均爐身角、爐腹角及高徑比分別在80.82°～82.93°、77.12°～79.99°及1.92～2.30之間。

（2）高爐應力載荷最大處位于爐腰與爐腹交界位置，5000m3級高爐爐喉爐身區域最大應力位于爐身上端到爐身下部1m處，爐腰爐腹區域最大應力位于爐腹上端至爐腹下部0.4m處，實際操作可根據爐料下降及渣皮穩定情況，適當調整爐料摩擦角和爐料重力密度等參數，調整應力載荷分布情況。

（3）結合我國大型高爐爐身角和爐腹角的減小趨勢、應力載荷分布狀況、爐料下降及渣皮附著冷卻壁的條件，可將高爐爐身角、爐腹角設計在79.38°～82.27°、74.37°～76.76°之間，既利于抑制邊緣煤氣流的發展，又有利于發展間接還原，降低高爐燃料比。