氧气高炉冷态模型的设计计算
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【摘 要】氧气高炉炼铁工艺指的是用全氧鼓风代替传统的预热空气鼓风操作的高炉炼铁工艺。氧气高炉相比于传统高炉具有很多优点，比如高喷煤量、高生产率、煤气热值高、环境污染小等。
以钢铁研究院设计的容积为2100 m3的三个氧气高炉炉型为研究对象，依据相似原理推导出模拟氧气高炉物理模型的相似准数，建立与实际氧气高炉相似比为1：20的冷态物理模型。由于氧气高炉采用全氧鼓风，根据高炉技术指标如出铁量、焦比、煤比氧气量等参数，依据相似准数计算出模型所需风量，依据高炉内矿石焦炭堆密度、粒度、安息角，选取聚乙烯颗粒和麦饭石球作为实验材料。
【关键词】氧气高炉；三维模型；相似准数
中国钢铁工业的流程中高炉-转炉系统产生了约90%左右的产能，而且在该流程的铁前系统中烧结、焦化、高炉的能耗约占钢铁生产总能源消耗的70%左右。由于在铁前系统大量的能量被消耗并且污染的排放比较严重，随着国家对保护环境的逐渐重视及越来越严格的节能减排要求，传统的高炉炼铁技术将面临着严峻的挑战。氧气高炉具有高喷煤量、高生产率、煤气热值高、环境污染小等特点。
1.物料运动过程相似准数的推导
采用量纲分析法对模拟氧气高炉物料运动过程相似准数进行推导。物料运动主要有九个独立因素，即风口直径D、气体密度 、气体流速w、风口压差ΔP、压力P、颗粒表面积S、颗粒直径d、动力黏度 、重力加速度g。
显然高炉风口前后的压差与气体流速之间理论上存在着流体力学上的关系，因此风口前后的压差（ΔP）项可以舍去，可以由气体流速（w）项来代替；用物料平均表面积（S）项来代替颗粒直径（d）项。此时，舍去了2个影响因素，表1中还剩下7个独立的影响因素。其中基本量纲有3个，根据 定理有 ，即需要4个无因次式。求解无因次式。通过求解得到：
；表示风口直径与颗粒直径要满足一定的几何比例。
； 为佛鲁德准数，表示流体位压与动压的比值，它是来描述重力在流体流动过程中其主导作用的无因此式。
； 为欧拉准数，表示流体压差与惯性力的比值，可不考虑。
； 为雷诺数，表示惯性力与粘性力的比值，由于风口处气体流速很快，风口处的流动已经到达第二自模化区，所以可以不考虑。
2.冷态模型尺寸的设计
冷态实验模型是以钢铁研究院设计的三个2100 m3氧气高炉为原型。
根据相似原理，在建立氧气高炉物理模型时，需要考虑原型与物理模型的几何相似。几何相似比可表示为：
式中， -模型几何尺寸，mm； -实物几何尺寸，mm。
在保证模型与原型几何相似的前提下，根据实验室条件及现场实际情况，物理模型按1：20的相似比进行设计。
三维半周氧气高炉模型的13个风口由侧壁水平插入，深入炉内2 cm。通过使用流量控制阀控制压缩空气进入风口，采用涡街流量计测量气体的流量。固体物料的排出管与氧气高炉模型内风口同心。
3.模型的风量
采用全氧鼓风，设计的出铁量为290t/h，焦比为322.3kg/t，煤比为150kg/t，氧气量为280.2Nm?/t，煤气量为247.1 Nm?/t。可以求得总煤气量为81258 Nm3/h，氧气量为71659 Nm3/h，因此求得总气量为152917 Nm3/h。
由于 ， ， ，可以求得模型的风量 为85.48 Nm?/t。
由于采用半周三维模型（13个风口，气量变为二分之—），因此可以得到半周模型所需气体流量为42.74 Nm?/h。
4.模型加料量
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，由于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，其物理性质如表2所示。
实验时需要确定每次加入的炉料的体积，由于采用分层布料，则需要求出每次加入的聚乙烯颗粒和麦饭石球的体积。由于设计时已经给出了矿批重和焦批重（每次加入矿石40 t、焦炭9 t），又由于麦饭石球堆密度为1606 kg/m3，聚乙烯颗粒的堆密度为560 kg/m3，可以求得：
每次需要加入的麦饭石球体积为40*1000/（20*20*20*1606）=3.12L。
每次加入的聚乙烯颗粒体积为9*1000/（20*20*20*560）=2.01L。
通过计算可以求出模型体积为0.26 m3，可以求出麦饭石球在模型内所占据的体积为0.16 m3聚乙烯颗粒在模型内所占的体积为0.1 m3。即炉内需要加入257 kg的麦饭石球和56 kg的聚乙烯颗粒，考虑到需要循环加料和颗粒的耗损，所以至少需要准备1 t的麦饭石球和0.3 t的聚乙烯颗粒。
5.结语
（1）依据相似原理计算出氧气高炉冷态模型所需满足的四个无因次式，并根据实际生产时的各参数计算半周模型所需气体流量为42.74Nm?/h。
（2）以钢铁研究院设计的三个2100 m3氧气高炉为原型，在保证模型与原型几何相似的前提下，按1：20的相似比進行冷态模型设计。
（3）根据高炉内矿石、焦炭粒度、堆密度、安息角选取选取粒度5 mm聚乙烯颗粒和粒度2 mm麦饭石球作为填充料，并根据高炉料批重计算出每次需加入模型3.12L麦饭石球和2L聚乙烯颗粒。
参考文献：
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[3] 高建军，郭培民，齐渊洪等.工艺参数对氧气高炉能耗的影响规律[J].钢铁研究学报，2011，23（7）：14-17.
（作者单位：江阴兴澄特种钢铁有限公司）
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