高炉内物料运动研究
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摘 要：根据相似原理，以钢铁研究院设计的容积为2100 m3的高炉炉型为研究对象，建立与实际高炉相似比为1：20的冷态物理模型。考察只使用聚乙烯颗粒时，不同气体流量下炉内的物料运动；考察使用聚乙烯颗粒和麦饭石球进行分层布料时，不同气体流量下炉内的物料运动。结果表明，在模型上部，中心区域处物料下降速度比靠近炉壁处物料下降速度快，但在模型下部，边壁和中心区域物料运动缓慢。物料运动流型基本呈直线型→倒梯形→W型变化。气体流量对物料运动流型产生一定的影响，气体流量越大靠近炉壁处物料比中心处物料运动越慢。在高炉底部，气体流量越大死料区也越大，中间峰值也越高。
关键词：冷态模型；相似原理；物料运动
高炉内煤气流与炉料的逆流运动是炉内传热、传质等过程的基础，是高炉炉况顺行及冶炼强化的决定性因素。为了研究高炉内物料的运动规律，以钢铁研究院设计的三个炉型为基础，通过相似原理以1：20比例建立冷态模型。实验选取粒度5 mm聚乙烯颗粒和粒度2 mm麦饭石球作为填充料，因为选取的聚乙烯粒子和麦饭石球粒度之比为2.5左右，与高炉中焦炭和烧结矿粒度比接近，而且它们的密度比接近焦炭与烧结矿的密度比，所以具有一定的参考价值。通过物料在物理模型内的运动流型来表征炉内的物料运动，分别研究了单种物料下物料运动流型，不同气量下物料运动流型。
1 有气体流量下炉内聚乙烯颗粒运动流型
实验开始时，将聚乙烯颗粒填充到指定高度，在最上面一层铺上厚度为3 cm的聚乙烯示踪粒子，调整好相机位置，打开聚光灯，之后，将螺旋排料器设定到指定转速，打开气路阀门并调节好气体流量，气体经过风口进入炉内，当气体流动达到稳定后，打开螺旋排料器开始排料，此时开始计时，每隔20 s对模型进行拍照，记录炉内物料信息。连续的向炉内加料，保持料面高度一定，直至示踪粒子颗粒从底部排出。
在气体流量42.74 Nm3/h下，每隔20 s对示踪料层进行拍照记录，可得到示踪料层随时间的变化规律，在初始阶段，物料呈直线型向下运动，随着时间的推移，物料呈现倒梯形变化，即中心处物料下降比炉壁处物料下降快，且随着时间推移这种变化越来越明显。到达12分钟左右时，发现中心处物料运动速度比两侧物料运动慢，逐渐呈现“W”型。随着物料下降示踪料层厚度逐渐变薄，在高炉炉腰处和底部中心区域的物料运动特别缓慢。
造成上述现象的原因主要有三方面：一方面，由于壁面效应，高炉炉壁对物料存在一定的阻力，导致高炉边壁处的物料下降速度缓慢。另一方面，由于螺旋排料器的影响，其上方的物料运动速度比其他区域的物料运动速度快，导致料层向中心运动的趋势。还一方面，由于下部物料的支撑力和四周鼓风的压力，导致在模型下部中心处物料运动缓慢。
2 分层布料时不同气量下物料运动流型
实验开始时，将聚乙烯颗粒填充到指定高度，在最上面一层铺上指定体积的麦饭石球颗粒，之后，打开气路阀门并调节好气体流量，气体经过风口进入炉内，当气体流动达到稳定后，打开螺旋排料器开始排料，此时开始计时，每隔20 s对氧气高炉模型进行拍照，记录炉内物料信息。连续地向炉内分层加料，保持料面高度一定，直至炉内物料流型趋于稳定。在不同气体流量下重复以上操作，可以得到不同风量下物料运动流型。
研究了分层布料条件下，气体流量分别为34.19 Nm3/h、42.74 Nm3/h、59.84 Nm3/h时炉内形状最终稳定时的物料运动流型。在初始阶段，物料呈直线型向下运动，随着时间的推移，物料运动流型逐渐由直线型向倒梯形变化。气体流量大的炉内料层比气体流量小的炉内料层先出现倒梯形变化，且气体流量大的现象更明显，即气体流量大的炉壁物料下降速度比中心炉料下降速度慢，这是由于壁面效应和气体流量大的炉内两侧炉壁处的气量比中心处气量更大造成的。在高炉炉腰处，气量越大的炉内此处死区面积越大，特别是气体流量为59.84 Nm3/h时，此处死区面积最大，这是由于随着气体流量变大，炉壁处气量随之增大，气体对物料有个托力作用，随着排料的进行致使物料向气体流量相对较小的中心移动。随着物料下移，中心处物料运动速度慢于两侧物料运动速度，物料运动流型逐渐由倒梯形型向“W”型变化，且气体流量大的炉内“W”形状更明显，即气体流量越大的炉内下部中心处死区越大，这是由于随着气体流量增大，使下部中心处四周的压力增大，不利于中心处物料向下运动。
（a）34.19 Nm3/h （b）42.74 Nm3/h （c）59.84 Nm3/h
图1 不同气量下物料运动流型
3 结语
采用冷态物理实验的方法对高炉内物料运动规律进行了研究。通过相似原理，建立了高炉物理模型，通过物理实验，研究了只填充聚乙烯颗粒时，无气体流量和有气体流量下炉内物料运动流型；研究了分层布料时，不同气体流量下炉内物料运动流型；研究了分层布料时，相同气体流量下不同炉型炉内物料运动流型。得到如下结论。
（1）物料在下降过程中，料层的厚度逐渐变薄。在模型上部，中心区域处物料下降速度比靠近炉壁处物料下降速度快，但在模型下部，边壁和中心区域物料运动缓慢。物料运动流型基本呈直线型→倒梯形→W型变化。
（2）氣体流量对物料运动流型产生一定的影响，气体流量越大靠近炉壁处物料比中心处物料运动越慢。在高炉底部，气体流量越大死料区也越大，中间峰值也越高。
参考文献：
[1] 尹建威，王凤岐，党玉华等.氧气高炉炉身的模拟试验研究[J].钢铁研究学报，2002，14（2）：1-4.
[2] 巩旺森.浅谈高炉合理炉型[J].安徽冶金，2003，16（9）：7-8.
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