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本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利118第四章高炉冶炼过程的传输现象物理化学－反应的可能性，反应能到何种程度反应、生成物能否及时传递热量补偿能否及时完成等传输原理－反应的速率问题4．1高炉中的动量传输最重要的是煤气的压力降和液泛固体散料层固液共存区4．1．1煤气流经固体散料层的一般规律1．主要流体力学参数①孔隙度ε（米3/米3）ε↑→ΔP↓111料散散料散料散散空－＝－＝－＝＝rrVVVVVVVε直径相同时：靠炉墙处，由于ε实际较大，且通道较为光滑，故此处气体易通过，即所谓“附壁效应”不稳定ε＝0.467（最大）ε＝0.263（最小）稳定，但需外力（如振动）才能稳定ε实际＝0.37～0.40之间本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利118本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利119不均匀粒度炉料时，ε将进一步下降（小粒添充于大粒的孔隙中）粒度差别越大，ε越小粗粒比例％→0.40ε↓d小/d大↓ε↓64例如：大小颗粒单独存在时，ε均约为0.40若加以混合，则ε0.40特别当大颗粒占64％，小颗粒占36％时，ε为最小。而且当粒径比愈小时，ε降低得愈厉害。②比表面积S（米2/米3）料块S↑→摩擦阻力↑、ΔP↑061dAS＝－＝料ε对1m3散料有N个球，3016dNπε）－（＝[球体积：3061dπ，料总体积（1－ε）]1m3散料的表面积：02016*ddNA）－（＝＝料επ故：06dS＝即：S与d0成反比（当炉料粒度越小时，阻力就越大）本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利119本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利120③形状系数φ（－）料块φ↑→摩擦阻力↓、ΔP↓实际炉料并非规则的球形，为了修正，引入了φ116160'0'00dddd＝）－（）－（＝料块表面积等体积圆球表面积＝εεφ式中：d0’为与实际颗粒体积相等的球的表观直径亦可下式计算：dp－料块平均粒径G－料层试样重量N－料层中料块个数r－料块密度NrGdpπφ61＝焦炭0.73石灰石0.45矿石0.57一般φ④当量直径d´（－）料块d´↑→摩擦阻力↓、ΔP↓水力学当量直径dldSVdl×−×εε1324＝＝式中：V－料层内物料之间空隙的体积；S－料层内物料的全部表面积；d－散料颗粒的直径。比表面积平均直径de当多种颗粒组成的炉料时：∑∑)(iiiedxxd＝式中：xi－第i级别颗粒的重量分数；di－第i级别颗粒的直径。本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利120本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利1212．煤气流经散料层的阻力损失欧根公式32322)()1(75.1)()1(*150εφεωρεφεωμ∗∗−∗∗∗∗∗−∗∗ΔegeddLP空空＋＝（1）式中：ΔP/L－散料层的压力降梯度（牛顿/米2/米）；μ－气体粘度（Pa·s）；ω空－气体的空炉流速（m/s）；de－颗粒的当量直径（m）；ρ－气体密度（kg/m3）；ε－散料层的空隙率（－）；φ－颗粒的形状系数（－）。第一项代表层流情况，第二项代表紊流情况。高炉煤气流速可高达10～20m/s，相应的Re≈1000～3000高炉处于紊流状态故第一项可舍去，成为：(23175.1空－＝ωρεφε∗∗⎥⎦⎤⎢⎣⎡∗∗∗ΔgedLP)（2）↑↑炉料特性煤气特性分析①炉料方面形状系数φ：一般无法调节。粒度的影响两者矛盾为了还原和传热→de↓为使ΔP↓→de↑（S↓，摩擦阻力↑）一般是保证传热和改善间接还原，即使用较小粒度的矿石。改善透气性的重点是增加孔隙率ε。ε影响最大→要求入炉炉料粒度均匀，无粉末。整粒→按粒度分级入炉炉料具有较高的机械强度对策本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利121本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利122煤气方面煤气密度ρ一般情况下是无法调节的。煤气流速ω是决定性的影响因素a.T↑气体体积膨胀→ω空↑→ΔP↑（例如1650℃下空气体积为常温下的6.5倍）b.炉顶压力↑压缩炉内煤气体积→ω空↓→ΔP↑（高炉高压操作：一般P顶＝0.5～1.5Kg/cm2，高的可达2.0～2.5Kg/cm2）限制条件?实际应用?本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利122本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利123欧根公式的实际应用（1）改写欧根公式（2）为：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−∗∗∗Δεερφω175.132geLdP＝空对生产高炉而言：ω空∝Q（风量）当炉料无显著改变时，φde可视为常数L－料线，可视为常数ρg可视为常数则上式可改写为⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Δεε－＝132KPQQ和ΔP均为高炉可知信息，故常用PQΔ2作为透气性指数，由于ε恒小于1，ε细小的变化→⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛εε－13大幅度变化，故用上式作为反映炉内透气性的变化是非常灵敏的。来分析高炉炉内的透气性状况。高炉工长常用透气性指数：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Δεε－＝132KPQ欧根公式的实际应用（2）一座高炉燃料比决定后，产量∝送风量又：炉内煤气量∝送风量炉内压力降（ΔP）∝炉内煤气量（ΔP）↑↑煤气流支托起炉料（悬料）欧根公式可以定性分析高炉产量的极限本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利123本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利124欧根公式的限制由于其表达式是从固定床条件下推导出来的，故只适用于炉身上部没有炉渣和铁水的“干区”高炉实际是移动床，ε移ε固故ΔP移稍小于ΔP固4．1．2炉料下降的条件①自身重力阻力a.炉料－炉墙间摩擦力（P墙）b.不同速度炉料间的摩擦力（P料）c.上升煤气流对炉料的浮力（ΔP浮）＝（w有效重量－ΔP浮）0F＝（w料重－P墙－P料－ΔP浮）0炉料下降的有效作用力F0②除有下降的能力外，还需要有空间风口燃烧焦炭周期性出渣铁炉料的重新排列组合炉料的软化熔融主要提供空间当有空间条件下，且w有效ΔP浮时，炉料可顺利下降！本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利124本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利1254．1．3逆流运动中散料的有效重量分析逆流运动中散料的有效重量时，可参考杨森公式⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∗∗∗∗⎟⎠⎞⎜⎝⎛Δ∗∗−DHnenDHPr''4''14μμω－－＝料有效式中：μ′－逆流运动中的摩擦系数；n′－逆流运动中的侧压力系数；D－炉体直径；H－炉体高度；△P/H－煤气的压降梯度。分析影响炉料下降的因素①炉型矮胖型高炉→D↑→→w’有效↑（但不要忽略炉身预还原的高度）''4nDHPr∗∗∗⎟⎠⎞⎜⎝⎛Δμ－料↑⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∗∗−DHne''41－↑μ②炉墙结厚或结瘤时μ’↑→不利于炉料下降③负荷加重时（焦炭↓矿石↑）r料↑→w’有效↑④ΔP↓时煤气流对料柱的浮力↓→w’有效↑⑤炉料有效重量并不随料柱高度的上升而无限上升，而是趋于一个常数。D1D2w’有效''14nHPrD∗∗⎟⎠⎞⎜⎝⎛Δ∗μ－料''24nHPrD∗∗⎟⎠⎞⎜⎝⎛Δ∗μ－料H不宜靠过分增加高炉高度来提高下料的顺畅度⑥虽有料rHPΔ但若')(料rdhPdΔ→则会产生局部悬料因为高炉不是均一散料层，在高炉平均压降梯度HPΔ小于r料时，也会出现局部的压力梯度dhPd)(Δr料的情况！本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利125本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利1264．1．4散料的流态化实践表明：，（Q为高炉鼓风量），64.1风QP∝Δ而ω∝Q风，故ω↑，ΔP↑ωΔP气力输送，完全流态化管道当ω增大到一定值后，炉料开始松动，散料体积膨胀→ε↑→ΔP不再增加（料柱高度↑，颗粒失去接触面悬浮）进一步增大ω，料层变得极不稳定，越来越多的煤气通过这一局部，会形成气流的局部通道，即“管道行程”→ΔP↓当ω增大到流态化的临界速度时，散料被气流带走→气力输送产生流态化的临界速度()ggsAdgρερρω∗∗∗∗−302＝临ε0－临界点上的孔隙度A－摩擦系数（无量纲）在其他条件相同时ω临越小，即：小颗粒易流态化焦炭比矿石易流态化颗粒越轻直径越小“管道行程”的生成机理及危害煤气在炉内沿径向分布，与其所遇到的阻力成反比换言之：煤气总是沿着透气性好的路线上升的。高炉炉料的特性及在炉内的分布是不同的即各种炉料各不相同，且分布也不均匀粒度密度在炉内局部出现气流超过临界速度的状态是可能的局部“管道行程”本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利126本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利127“管道行程”的危害p炉尘吹出量↑p焦比↑p间接还原不好p铁水质量不稳定p炉顶温度↑p炉料加热不充分4．1．5充液散料层的流体力学现象在高炉的软熔带以下部位，唯一的固体为焦炭；在软熔带以下，液态渣铁穿过焦炭散料层；料层孔隙度ε↓煤气流受向下滴落的液态渣铁阻碍与炉身干区相比当时，渣量多渣粘度大煤气流速快出现煤气把渣铁托住而类似粥开锅时的“液泛现象”“液泛现象”的危害渣铁的重新冷凝，一方面将导致料柱孔隙度降低，煤气流动受阻。另一方面，可造成炉墙结厚、结瘤，破坏高炉顺行。被煤气流吹起的渣铁，在上部较低温度区域，有重新冷凝的危险；高度弥散在渣铁间的气泡，使煤气流阻力大大升高；本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利127本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利128防止高炉发生“液泛现象”的对策分析有人通过化工喷淋塔的实验，找出一个的对应关系流体流量比（K）液泛因子（f）流体流量比21⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=lgGLKρρ液泛因子2.032ηρρεω∗∗∗=lgSFgf式中：L－液体的质量流量(kg/m2.h)；ω－煤气空炉速度(m/s)；G－气体的质量流量(kg/m2.h)；Fs－焦炭比表面积(m2/m3)；ρg－气体的密度(kg/m2)；g－重力加速度(m/s2)；ρl－液体的密度(kg/m2)；ε－焦炭层孔隙度(-)；η－液态物质粘度(Pa.s)。我国的重钢、宣钢、昆钢、韶钢等→渣量多（品位低）液泛→下部悬料001.02∗Kf不进入液泛区的条件：防止高炉发生“液泛现象”的对策（表面张力小，易起泡→渣体积↑→ω↑→f↑）⑦提高炉渣表面张力→渣体积↑→ω↑→f↑）（间接还原不好时，渣中FeO与C反应生成CO⑥大力发展间接还原⑤减小气流速度ω↓→f↓（高压操作）④减少渣量L↓→K（流体流量比）↓③降低炉渣粘度→η↓→f↓②改善焦炭强度→避免冶炼过程的细粒化→f↓①提高焦炭粒度→Fs↓→f↓（液泛因子）本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利128本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利129高炉悬料机理的分析即炉料的有效重量煤气流的浮力炉料下降的有效作用力F0，ΔP3ΔP2ΔP1LL3L2L1空腔悬浮层`当有效作用力F0时，悬料发生，`L1层压住L2层使其不能膨胀，ΔP2↑↑；`L2层透气性最差，开始流化；下部悬料→用液泛现象解释上部悬料→用杨森公式解释悬料有两种形式本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利129本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利1304．1．6煤气沿高炉截面的分布原始分布－炉缸燃烧带再分布－炉身下部软熔带第三次分布－炉身上部块状带高炉煤气分布的三个阶段煤气沿高炉截面分布状况的检测方法1．炉喉径向煤气CO2测定2．炉喉径向煤气t测定本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资