高爐冶煉過程中的爐料與煤氣運動

高爐冶煉過程中的爐料與煤氣運動高爐冶煉過程中伴隨著物質(zhì)與能量的傳遞過程。這些物理過程是在流動的物質(zhì)中發(fā)生的，即反應(yīng)介質(zhì)是以一定的速度運動而展開的，形成了以動量傳遞為基礎(chǔ)的物質(zhì)傳遞和熱量傳遞。高爐冶煉是在爐料自上而下，煤氣自下而上，即在兩個相互逆向運動過程中進(jìn)行的，逆向流股中熱量及動量的傳遞與輸送包括兩個物理機理，一種是由物質(zhì)的分子運動引起的傳遞過程，另一種是流體微團移動引起的輸送過程。高爐的冶煉過程盡管十分復(fù)雜，但是它具有的傳輸現(xiàn)象的特點仍然是很明顯的。例如煤氣穿過爐料層而上升是流體力學(xué)現(xiàn)象；煤氣流加熱爐料是傳熱現(xiàn)象；煤氣流還原鐵礦石以及風(fēng)口前燃燒等都包含著氣體擴散的傳質(zhì)現(xiàn)象。因此，高爐冶煉的工藝原理，由于結(jié)合了傳輸理論的應(yīng)用而進(jìn)入新的階段。散料層的流體力學(xué)現(xiàn)象分析散料的主要參數(shù)礦石、焦炭、石灰石等粒狀物叫散料，它們的透氣性對高爐冶煉指標(biāo)有極大的影響。從流體力學(xué)看，散料各個顆粒間空隙所占的相對體積及單位體積的總表面積，對透氣性有決定性影響。空隙度散料各個顆料間空隙所占的相對體積即孔隙率或空隙度。比表面積散料體積中物料的表面積與體積之比稱為比表面積。形狀系數(shù)當(dāng)量直徑平均流速爐料下降的力學(xué)分析物體在運動過程中總會遇到阻力，當(dāng)爐料在高爐內(nèi)自上而下運動時也是如此，爐料要往下運動必須使它自身的重力超過阻力，受到的阻力主要來自三個方面：爐料與爐墻之間的摩擦力P墻；爐料與料柱下部死焦堆之間的摩擦力P料；上升煤氣對爐料的阻力及阿基米德浮力△P浮。煤氣經(jīng)散料層的阻力損失高爐內(nèi)煤氣穿過爐料的通路近似于許多平行的、彎彎曲曲的、斷面形狀多變化的、但又是互相連通的管束，煤氣流穿過這些管束的壓力降是煤氣作用于散料層的一種阻力或浮力，風(fēng)壓變化即代表這種阻力變化。在有液相條件下的煤氣流動高爐下部和爐身干區(qū)不同，這里唯一尚存的固體爐料是焦炭，在與煤氣流向上的同時，液體渣鐵往下滴落穿過焦炭的空隙，在氣、固、液三相之間進(jìn)行著劇烈的傳熱，還原與氣化反應(yīng)。爐料下降的分析在入爐風(fēng)量一定的情況下，高爐順行時下料速度是均勻穩(wěn)定的，料線的探尺記錄圖表上出現(xiàn)等時間、等距離的相似斜線。下料變得遲緩和不均勻稱為“難行”，料線完全不動稱為“懸料”，爐況難行常常和爐內(nèi)邊緣加的礦石太多，使該處透氣性變壞有關(guān)，有時是爐內(nèi)出現(xiàn)管道，即煤氣從斷面上個別地區(qū)大量流過造成的。高爐出現(xiàn)管道和難行時常常伴隨著“塌料或崩料”。燃燒及熱量傳遞現(xiàn)象高爐冶煉過程中，焦炭、煤粉、重油及天然氣在風(fēng)口前燃燒。燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)生了熱量的傳遞與輸送。在通常情況下，這個傳輸過程很大程度上決定了高爐冶煉過程速率的快慢，因而對高爐冶煉起了決定性影響。熱量從物體的這一部分傳輸?shù)搅硪徊糠?，煤氣是傳輸熱量的介質(zhì)，其溫度變化較快時熱量傳輸也快。根據(jù)熱力學(xué)定律，熱量總是由高溫的地方向低溫的地方傳遞，煤氣與爐料溫度差愈大，在相同的條件下，傳輸?shù)臒崃恳灿?。風(fēng)口前燃料產(chǎn)生的爐缸煤氣量及其成分的計算方法一般有三種：以燃燒1kg炭為計算單位；以生產(chǎn)1t生鐵量為計算單位；以1m3的風(fēng)燃燒為計算單位。（3）理論燃燒溫度高爐中熱量來源主要是風(fēng)口燃燒帶炭的燃燒，從燃燒反應(yīng)C+1/2O2=CO+9798kJC+O2=CO2+33035kJ可知，CO2含量最高的地方，也是溫度的最高點。根據(jù)燃燒術(shù)語，這點稱為燃燒焦點。在現(xiàn)代風(fēng)溫與高爐條件下，大高爐燃燒帶的理論燃燒溫度在2000℃以上，有的可能更高一些，而小高爐由于風(fēng)溫低，燃燒溫度在1600～1800℃左右，但離開燃燒點后溫度不斷下降。（4）煤氣在上升過程中成分的變化爐缸煤氣上升到間接還原區(qū)，CO含量是不斷增加的，其原因主要由于直接還原產(chǎn)生CO，熔劑中分解出的CO2與C作用形成CO，以及焦炭揮發(fā)物中有CO，以及焦炭揮發(fā)物中有CO。氮在上升的過程中不參加反應(yīng)，但焦炭揮發(fā)物中含有N2及有機N2。煤氣再由間接還原區(qū)上升到爐頂，其中CO2不斷增加，這是由于間接還原產(chǎn)生CO2，其體積等于CO的減少量，還有熔劑中分解出的CO2以及焦炭揮發(fā)物中的CO2。煤氣進(jìn)入間接還原區(qū)后，CO不斷減少量。煤氣上升的過程中氫稍有降低，主要是形成甲烷（CH4）時消耗了氫，還有部分氫參加了間接還原。爐頂煤氣中含有微量的CH4，主要來源于C與H2的反應(yīng)以及焦炭揮發(fā)物。其中CCH4一般為０.8C固，CH4焦為焦炭揮發(fā)物中含有的甲烷。由于氮本身的特性，它在煤氣上升全過程中成分有變化。而影響煤氣成分變化的主要因素有：a焦比增加時，CO及N2均增大。b直接還原度增加時，CO上升，CO2下降。c熔劑用量增加時，CO2上升。d富氧時CO2與CO都上升，N2下降。e噴吹燃料時，H2與CH4上升。(5)煤氣溫度的變化風(fēng)口燃燒帶的煤氣溫度很高，理論燃燒溫度可高達(dá)2200℃以上，但是當(dāng)煤氣離開爐缸之后，由于經(jīng)歷熱交換現(xiàn)參加化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，煤氣溫度在上升過程中不斷下降。測定表明，高爐的上部與下部區(qū)域的煤氣溫度變化較快，而中部有一段區(qū)間溫度變化較小，這種現(xiàn)象不論高爐大小如何，其變化規(guī)律大體相同。沿高爐橫切面上的煤氣溫度分布也是不均勻的，根據(jù)等溫線分布的形狀可以歸納為三種形式，即“V”形，倒“V”形與“W”形分布。其溫度分布形狀主要受煤氣流分布的影響，而煤氣流分布又是由爐頂布料來調(diào)劑的，煤氣流大的地方當(dāng)然煤氣溫度高，而焦炭多的的地方又無疑是煤氣流大，由于冶煉設(shè)備與操作的需要，一般情況下邊緣與中心部分通過的煤氣流多些，當(dāng)然煤氣溫度也高些，當(dāng)高爐采用上部調(diào)劑增加正裝時，則邊緣煤氣溫度低，往中心部分則不斷升高。高爐內(nèi)熱交換（1）高爐內(nèi)熱交換的基本規(guī)律高爐內(nèi)熱交換比較復(fù)雜，由于爐料與煤氣溫度沿高爐高度上不斷變化，要準(zhǔn)確地計算各種傳熱方式的比例是很難的。大體上可以說，爐身上部分主要是進(jìn)行對流熱交換，爐身下部溫度很高，對流熱交換與輻射熱交換同時進(jìn)行，而料塊本身與爐缸渣鐵之間主要進(jìn)行傳導(dǎo)傳熱。爐內(nèi)熱交換可以用以下基本方式表示：dQ=αFF(tg-ts)dτ式中dQ—dτ時間內(nèi)煤氣傳給爐料的熱量；αF—傳熱系數(shù)；F—爐料表面積；tg-ts—煤氣與爐料溫度差。由上式可知，單位時間內(nèi)爐料所吸收的熱量與爐料表面積、煤氣與爐料的溫差以及傳熱系數(shù)成正比，而傳熱系