高炉冶炼过程中的炉料与煤气运动

高炉冶炼过程中的炉料与煤气运动

高炉冶炼过程中的炉料与煤气运动

高炉冶炼过程中伴随着物质与能量的传递过程。这些物理过程是在流动的物质中发生的，即反应介质是以一定的速度运动而展开的，形成了以动量传递为基础的物质传递和热量传递。 高炉冶炼是在炉料自上而下，煤气自下而上，即在两个相互逆向运动过程中进行的，逆向流股中热量及动量的传递与输送包括两个物理机理，一种是由物质的分子运动引起的传递过程，另一种是流体微团移动引起的输送过程。高炉的冶炼过程尽管十分复杂，但是它具有的传输现象的特点仍然是很明显的。例如煤气穿过炉料层而上升是流体力学现象；煤气流加热炉料是传热现象；煤气流还原铁矿石以及风口前燃烧等都包含着气体扩散的传质现象。因此，高炉冶炼的工艺原理，由于结合了传输理论的应用而进入新的阶段。 一、 散料层的流体力学现象分析

1、 散料的主要参数

矿石、焦炭、石灰石等粒状物叫散料，它们的透气性对高炉冶炼指标有极大的影响。从流体力学看，散料各个颗粒间空隙所占的相对体积及单位体积的总表面积，对透气性有决定性影响。

（1） 空隙度

散料各个颗料间空隙所占的相对体积即孔隙率或空隙度。 （2） 比表面积

散料体积中物料的表面积与体积之比称为比表面积。 （3） 形状系数 （4） 当量直径 （5） 平均流速 2、 炉料下降的力学分析

物体在运动过程中总会遇到阻力，当炉料在高炉内自上而下运动时也是如此，炉料要往下运动必须使它自身的重力超过阻力，受到的阻力主要来自三个方面：

（1） 炉料与炉墙之间的摩擦力P墙；

（2） 炉料与料柱下部死焦堆之间的摩擦力P料； （3） 上升煤气对炉料的阻力及阿基米德浮力△P浮。 3、 煤气经散料层的阻力损失

高炉内煤气穿过炉料的通路近似于许多平行的、弯弯曲曲的、断面形状多变化的、但又是互相连通的管束，煤气流穿过这些管束的压力降是煤气作用于散料层的一种阻力或浮力，风压变化即代表这种阻力变化。 4、 在有液相条件下的煤气流动

高炉下部和炉身干区不同，这里唯一尚存的固体炉料是焦炭，在与煤气流向上的同时，液体渣铁往下滴落穿过焦炭的空隙，在气、固、液三相之间进行着剧烈的传热，还原与气化反应。 5、 炉料下降的分析

在入炉风量一定的情况下，高炉顺行时下料速度是均匀稳定的，料线的探尺记录图表上出现等时间、等距离的相似斜线。下料变得迟缓和不均匀称为“难行”，料线完全不动称为“悬料”，炉况难行常常和炉内边缘加的矿石太多，使该处透气性变坏有关，有时是炉内出现管道，即煤气从断面上个别地区大量流过造成的。 高炉出现管道和难行时常常伴随着“塌料或崩料”。

二、 燃烧及热量传递现象

高炉冶炼过程中，焦炭、煤粉、重油及天然气在风口前燃烧。燃烧反应的进行，产生了热量的传递与输送。在通常情况下，这个传输过程很大程度上决定了高炉冶炼过程速率的快慢，因而对高炉冶炼起了决定性影响。热量从物体的这一部分传输到另一部分，煤气是传输热量的介质，其温度变化较快时热量传输也快。根据热力学定律，热量总是由高温的地方向低温的地方传递，煤气与炉料温度差愈大，在相同的条件下，传输的热量也愈多。

1、 风口前的燃烧反应

燃料的燃烧实际上是氧的传递伴随着热量的释放，而氧的来源是鼓风中的氧，主要燃烧反应如下： （1）焦炭的燃烧

进入高炉焦炭中的C，除一部分消耗于Fe、Mn、Si、P等直接还原，碳素溶解、渗碳以及微量（约0.8～1.0%）与H2合成CH4外，其余都在风口前与鼓入的热风燃烧，这部分碳大约占入炉碳素的75%以上。风口前焦炭燃烧的作用有：提供反应所需的热量；提供还原反应所需的还原剂；提供炉料的下降空间。 焦炭中碳的燃烧反应式如下：

C+O2=CO2+32994kJ∕kg C

高炉下出现燃烧不完全反应：

C+1/2O2=CO2+9798kJ∕kg C

燃烧形成的CO2，又与赤热的焦炭作用变成为CO，反应式为

CO2+ C=2CO-13398 kJ∕kg C

由于鼓风中总含有一部分水蒸气，而且在蒸气鼓风时尤其如此，在风口前的高温条件下H2O与C产生以下反应： H2O+C=CO+H2

2H2O+C=CO2+2H2

（2）煤粉的燃烧

高炉喷吹煤粉为无烟煤或烟煤，它的主要成分是C，经过磨细之后，一般粒度在0.088mm 以下的占80%以上,煤粉的燃烧经历三个阶段：

第一阶段：煤粉加热和挥发分挥发； 第二阶段：结焦脱气； 第三阶段：残碳燃烧。

根据实验，粒度为1mm煤气在空气中完全燃烧要3.8～4.3s，0.079mm粒度的煤粉约需

0.01s，煤的燃烧反应与焦炭类似，但煤燃烧有热解过程。

（3）天然气燃烧

天然气的成分主要是碳氢化合物，在风口前燃烧之后，最终都变成CO和H2两种还原气体，主要反应式如下：

CH4+1/2O2=CO+2H2+3098kJ／kg C C2H6+O2=2CO+3H2+5652kJ／kg C C3H8+3/2O2=3CO+4H2+6280kJ／kg C C4H10+2O2=4CO+=5H2+6448kJ／kg C C5H12+5/2O2=5CO+6H2+6741kJ／kg C C+H2O=CO+H2 （4）重油的燃烧

重油的主要成分也是C与H的化合物，其燃烧反应与天然气燃烧类似，但需要很好的预先雾化才能充分燃烧。 2、 炉缸煤气成分与温度的变化 （1）风口燃烧带

风口燃烧带又称氧化带，最初研究它时是用冷却水管插入风口前取出燃烧产物——煤气，进行分析后判断氧化带的形状与大小。

燃烧带的大小对高炉操作影响到底如何？虽然存在着不同的看法，但是总的来说，燃烧带增大，炉缸中煤气分布得均匀一些，对高炉操作的有利影响是主要的。当然影响燃烧带的因素很多，但主要决定于O2与CO2的扩散速度，如果能将O2、CO2送到高炉内更接近中心的区域，则燃烧带就大些，但是决定于O2、CO2往里深入的因素主要是鼓风动能，而决定燃烧速度的因素又是温度与扩散两个环节。 a、鼓风动能的影响。 b、燃烧速度影响。 (2)炉缸煤气成分计算

风口前燃料产生的炉缸煤气量及其成分的计算方法一般有三种： a、 以燃烧1kg炭为计算单位； b、 以生产1t生铁量为计算单位； c、 以1m3的风燃烧为计算单位。 （3）理论燃烧温度

高炉中热量来源主要是风口燃烧带炭的燃烧，从燃烧反应 C+1/2O2=CO+9798kJ C+O2=CO2+33035kJ

可知，CO2含量最高的地方，也是温度的最高点。根据燃烧术语，这点称为燃烧焦点。在现代风温与高炉条件下，大高炉燃烧带的理论燃烧温度在2000℃以上，有的可能更高一些，而小高炉由于风温低，燃烧温度在1600～1800℃左右，但离开燃烧点后温度不断下降。 （4）煤气在上升过程中成分的变化

炉缸煤气上升到间接还原区，CO含量是不断增加的，其原因主要由于直接还原产生CO，熔剂中分解出的CO2与C作用形成CO，以及焦炭挥发物中有CO，以及焦炭挥发物中有CO。

氮在上升的过程中不参加反应，但焦炭挥发物中含有N2及有机N2。

煤气再由间接还原区上升到炉顶，其中CO2不断增加，这是由于间接还原产生CO2，其体积等于CO的减少量，还有熔剂中分解出的CO2以及焦炭挥发物中的CO2。

煤气进入间接还原区后，CO不断减少量。

煤气上升的过程中氢稍有降低，主要是形成甲烷（CH4）时消耗了氢，还有部分氢参加了间接还原。

炉顶煤气中含有微量的CH4，主要来源于C与H2的反应以及焦炭挥发物。 其中CCH4一般为０.8C固，CH4焦为焦炭挥发物中含有的甲烷。

由于氮本身的特性，它在煤气上升全过程中成分有变化。而影响煤气成分变化的主要因素有：

a焦比增加时，CO及N2均增大。

b直接还原度增加时，CO上升，CO2下降。 c熔剂用量增加时，CO2上升。 d富氧时CO2与CO都上升，N2下降。 e喷吹燃料时，H2与CH4上升。 (5)煤气温度的变化

风口燃烧带的煤气温度很高，理论燃烧温度可高达2200℃以上，但是当煤气离开炉缸之后，由于经历热交换现参加化学反应的结果，煤气温度在上升过程中不断下降。

测定表明，高炉的上部与下部区域的煤气温度变化较快，而中部有一段区间温度变化较小，这种现象不论高炉大小如何，其变化规律大体相同。

沿高炉横切面上的煤气温度分布也是不均匀的，根据等温线分布的形状可以归纳为三种形式，即“V”形，倒“V”形与“W”形分布。其温度分布形状主要受煤气流分布的影响，而煤气流分布又是由炉顶布料来调剂的，煤气流大的地方当然煤气温度高，而焦炭多的的地方又无疑是煤气流大，由于冶炼设备与操作的需要，一般情况下边缘与中心部分通过的煤气流多些，当然煤气温度也高些，当高炉采用上部调剂增加正装时，则边缘煤气温度低，往中心部分则不断升高。

3、 高炉内热交换

（1）高炉内热交换的基本规律

高炉内热交换比较复杂，由于炉料与煤气温度沿高炉高度上不断变化，要准确地计算各种传热方式的比例是很难的。大体上可以说，炉身上部分主要是进行对流热交换，炉身下部温度很高，对流热交换与辐射热交换同时进行，而料块本身与炉缸渣铁之间主要进行传导传热。

炉内热交换可以用以下基本方式表示：

dQ=αFF(tg-ts)dτ

式中dQ—dτ时间内煤气传给炉料的热量；

αF—传热系数； F—炉料表面积； tg-ts—煤气与炉料温度差。

由上式可知，单位时间内炉料所吸收的热量与炉料表面积、煤气与炉料的温差以及传

热系数成正比，而传热系数αF又与煤气速度、炉料性质等有关。因为炉内热交换，不仅取决于煤气的传热，而且也与炉料本身传热有关，因此除了物理现象之外，炉内传热还和化学现象联系在一起。在高炉内要尽量设法使煤气的热量很好地传给炉料，同时炉料本身热量又要得到充分利用，这样煤气的能量利用才能得到改善。