关于高炉风口面积调节方法的探讨

摘　要:通过建立高炉送风系统模型,模拟了风口尺寸对风口速度、流量和鼓风动能的影响,纠正了高炉操作认识上的一些错误。研究表明,缩小少数几个风口面积会减小鼓风动能,但却增大了其它风口的鼓风动能;只有减小多个风口的面积,才会增大所有风口的鼓风动能。减小少数几个风口的操作之所以能抑止边缘气流是其风量明显减少所致。

关键词:高炉;风口;风量;面积调节

高炉炼铁人

  1.概述

      调节风口面积是高炉下部调剂的重要手段。当出现中心过吹、边缘煤气流过弱,或在中心煤气流太弱、边缘过于发展时均要调节风口面积。通常,高炉操作者认为总送风量不变时缩小风口面积会增大风口速度,相应增加鼓风动能,有利于发展中心气流;而增大风口面积则减小风口速度,即降低鼓风动能,这有利于发展边缘气流。但上述结论是在假设各风口流量不变时所得。

      事实上,高炉下部调剂通常只改变少数几个风口的面积,但高炉送风系统是个连通器,热风流量会根据风口面积进行重新分配,面积小的风口则流量小,面积大的风口则流量大,总之,各风口的流量不再均匀。一方面鼓风动能与风口速度及风量有关,另一方面抑止还是发展中心或边缘煤气流,不仅与鼓风动能大小(表征鼓风向炉缸中心穿透的能力)有关,还与风口风量(决定炉缸煤气量的多少)相关,这样上述结论可能会发生改变,因此有必要定量研究风口面积与鼓风参数间的关系。

2 如何确定风口参数

      风口参数主要包括风口数量、高度、直径、角度和长度等数据，风口参数对其本身寿命及炼铁高炉生产技术经济指标有重要影响，是高炉下部调剂的重要手段之一。

（1）风口数量

       高炉风口数目是高炉工艺设计的重要参数之一，主要取决于炉缸直径大小和鼓风机能力，高炉风口数目增多目前是一种趋势，增加风口数目有利于高炉的强化冶炼。风口数目在满足炼铁工艺要求的同时，还应符合风口的安装尺寸和结构要求。要求风口弧长间距在1200 mm-1400mm。国外一般采用如下公式：

f=πd/(1~1.2)或f=3d

      风口数目一般为双数。高炉风口数目的合理设计与高炉操作、技术指标有很大关系。风口数目增多，风口弧长间距就小，高炉圆周进风相对均匀，可改善煤气流、温度分布，减少风口之间的“死料区”，炉缸燃烧均匀，可活跃炉缸，利于炉况顺行，有节焦、增产等作用，更有利于节能减排。中小高炉其效果十分明显，大高炉次之。

      通过某 140 m3级高炉工业试验，风口由 8 个改为 10 个，和同等条件高炉相比，可提高日产量 80 t～ 100 t，降低焦比 10 ～ 15 kg / t． Fe。高炉炉缸8 个风口时，风口中心线水平间夹角为 45°，高炉改为 10个风口时风口中心线水平夹角为 36°，两者相差 9°，也就是说 8 个风口时，相当于高炉炉缸内圆周72°( 9° × 8) 范围内“无风口”，极大影响了炉缸的工作制度，对高炉技术经济指标影响较大。

      风口数目的增加，必须与风量、风压及风口直径等参数紧密配合，才能体现出增加风口数目的意义所在，否则，也会带来负面影响，达不到预期效果，反而影响高炉的强化冶炼。

(2) 风口高度和风口角度

       铁口中心线至风口中心线的垂直高度距离称为风口高度( Hf) 。通过对高炉风口高度数据的数理统计、实践，通过控制适当的高径比，趋于矮胖的炉型，使用平风口时，风口高度与高炉有效高度的比值约为 1/8．76。这一数据对中小高炉风口高度设计有一定的指导意义，而且通过实践，取得了比较好的技术经济指标。但此值有待在大高炉上实践、验证。

        高炉是非标准设备，风口高度的大小与高炉内直接还原、间接还原的程度，以及高炉炉内直接还原区、间接还原区大小有很大关系，似是一个“分界线”，对炉内燃料的热能和化学能利用有影响。此值不合理，高炉不会有好的生产指标，易引起炉内事故，炉况不顺，焦比升高，不利于节能降耗。同时也应认识到大中小高炉的风口高度在高炉内的“适应性”是有区别的。

      实践表明，小高炉的炉缸直径小，风口相对也少，风口高度对高炉炉况的影响十分明显，只要相差正负 75 mm，就对生产影响极大。大高炉，特别是特大型高炉，风口数目多，距高炉中心相对远，风口燃烧的放射性鼓风作用等引起的风口高度“适应性”相对小高炉要强，也就是说特大型高炉的风口高度调整余地大，对高炉生产影响相对小，这也是大型高炉目前的风口高度差别大，也能适应高炉生产变化的一个重要原因。但是，大高炉、特大型高炉也应该有个最佳值，对生产才最有利。

      风口角度是指风口中心线向下倾斜的角度，是调节高炉生产的手段之一。只要有角度，鼓风动能利用相对就差，直观分析就是三角形直角边与斜边的关系。风口有角度，风口距离高炉中心就远，不利于吹透中心。

风口高度与风口角度有相辅相成的关系，两者应紧密配合，高炉生产才会有好的技术指标。一般建议选零度平风口，不要有角度。笔者认为，不研究风口高度而研究风口角度意义不大。

(3) 风口直径和长度

        风口直径一般是指风口小套的内直径，表示高炉鼓风进入高炉时进风面积的大小。风口直径由风口的出口风速确定，一般风口的出口标态风速在100 m / s以上，巨型高炉有的高达 200 m/s。风口直径的计算有一些参考公式，主要是要保证风口的鼓风动能，可以作为一个重要的参考数据。推荐的风口面积计算公式为

                           

      当喷吹燃料时，V混( 换成 m3/ min) 代替 Vb，用t混代替 t 即可。

        风口直径的计算涉及变量参数比较多，特别是有的参数是瞬间变化的，要取值计算准确比较难。每座高炉有其各自的生产特点和规律，也是随时在变化的，而不是一个固定的值。计算值只是一个相对参考值，必须通过生产实践使用检验，应该以满足高炉生产操作工艺要求、炉况顺行、效益最大为原则。

风口长度有两个概念，一是风口小套的加工成品长度，二是风口小套伸入炉缸内的长度。风口小套深入炉内长度是影响风口回旋区长度及炉缸活跃性的关键。

3.物理和数学模型

3.1　物理模型

　　炉容为1200 m3的高炉送风系统模型见图1。假设模型完全对称,则当热风从总管进入围管后即分成两股对称流,且分别沿围管圆周运动半周后相遇。在这一过程中,热风逐一通过支管进入18个风口,再进入炉缸上部。模型中假设炉缸上部水平面上压力恒定,可把热风围管看作一热风分配器,把一股大流分成多股小流后分别进入大容器。由于该送风模型具有对称性,故取一半作为研究对象。为方便叙述,给各个风口编号,离围管入口最近处的风口为1号,对面风口为9号,依次编号,与之相对称的风口分别编为1号、2号、… 9号。模型尺寸和重要参数为:高炉容积1200 m3,炉缸 8 m,热风主管和围管内径 1. 5 m,风口直径可选用 120, 140, 160mm;风口18个,送风量2350 m3/min,热风1200℃ ,送风压力约300 kPa。

3.2　数学模型

　  以热风围管圆环中心为坐标原点、热风主管轴线为x轴,炉缸轴线为z轴建立直角坐标系。由于热风主管、围管直至支管的绝热效果较好,使得热风在流动过程中温度基本不变,且模型中热风进出口压力变化较小,故可把热风看作不可压缩流体。这样,热风在高炉送风系统中的流动可看作是不可压缩流体的稳态等温湍流流动。采用标准k-ε双方程模型来计算流场。基本方程包括连续性方程、动量方程、k-ε双方程等[2];模型边界条件为:①根据热风总流量和尺寸求得热风总管入口给定速度为30 m/s,模型中炉缸上部出口给定压力300 kPa;②对称面上满足法向物理量梯度为零;③管道壁面采用无滑移边界条件,壁面附近流动计算采用标准壁面函数;④在1200℃、300 kPa状态下气体的密度根据理想气体状态方程求得。

4.计算结果与讨论

　　为比较风口面积对风口速度、风量和鼓风动能的影响,保持总送风量不变,采取了2种情况进行比较:一是采取只改变5号风口直径(根据对称性,5'号风口直径也改变),即减小到 120 mm或增大到160 mm;二是改变2号、4号、6号和8号多个风口直径(2'号、4'号、6'号和8'号风口直径也相应改变),可选风口直径同前,且2种状况均与所有 140 mm的风口基准情况作比较。

4.1　风口面积对风口速度的影响

　　根据数值模拟结果,图2给出了5号风口分别取 120(变小), 140(不变), 160 mm(变大),而其它风口均为 140 mm,各风口速度分布图。图3给出了2号、4号、6号和8号风口分别取 120(变小),140(不变), 160 mm(变大),而其它风口均为140mm,各风口速度分布图。根据对称性只给出1～ 9号风口的速度。由图可见,每种情况的各风口速度基本相同,偏差很小。缩小一个或多个风口的面积,各风口速度均增大到相同值;反之,增大一个或多个风口的面积,各风口速度均减小到相同值。因此,每种情况各风口的速度值与单个风口面积无关,各风口的速度近似等于总风量除以风口总面积。

       上述现象可解释为:假设炉缸上部出口压力均匀,则各风口的静压均相同,即使改变风口尺寸,静压或都变大或都变小,各风口的静压仍相同。上述3种情况的风口静压平均值见表1,可见在各种情况下9个风口静压值几乎相同。而热风从围管到支管的流动可近似看作等温定常流动,气体粘度很小,忽略流动的机械能耗损,因此可应用流体伯努利方程,即:

式中　v———速度,m/s;

　　　p———静压,Pa;

　　　ρ———密度,kg/m3;

　　　g———重力加速度,m/s2;

　　　z———相对于零势能面的高度,m;

　const———常数,J/kg。

　　伯努利方程说明单位质量的热风在进出口的总机械能保持不变。由于各风口的热风都是从同一总管流入,即总能量均相同且在风口处位能和静压都相同,因此各风口的速度也必然都相同,改变风口尺寸不会使各风口的速度产生差异。

4.2　风口面积对风量的影响

　　由上述分析可知,改变风口尺寸不会使各风口的速度产生差异,在各风口面积不同时其风量将不再相同。改变5号风口直径时各风口的风量见图4。当5号风口由 140 mm减小到 120 mm时则风量减小,而其它风口风量增大;反之,当5号风口由 140 mm增大到 160 mm时则风量增大,而其它风口风量减小。图5示出多个风口面积改变后的各风口风量,其结论同于改变单个风口面积的情况。进一步分析可知风口风量与风口面积成正比,即:

式中　Vb———总送风量,m3/min;

　　　Vi———第i个风口风量,m3/min;

　　　Si———第i个风口面积,m2。

　　可见,调整风口直径是对风口流量的重新分配,而不是对速度的重新分配。

4.3　风口面积对鼓风动能的影响

　　在认识上述规律的基础上,讨论改动风口尺寸对鼓风动能的影响。鼓风动能用来表征鼓风克服风口区各种阻力向炉缸中心穿透的能力,对煤气量径向分布特点有影响。鼓风动能越大则煤气流越易向中心发展;反之,鼓风动能越小,煤气流越易向边缘发展。图6示出5号风口分别为 120、 140、 160mm,其余为 140 mm,各风口的鼓风动能。由图中可知,总风量不变,缩小1个或少数几个风口面积会使其鼓风动能减小,而其它风口的鼓风动能增加;反之,面积增大的风口则其鼓风动能增加,其它的减小。其原因是缩小1个或少数几个风口的截面积,所有风口的速度都增大,但缩小了面积的风口则质量流量也减小,当后者减小更多时鼓风动能就变小。

       当多个风口尺寸变化时上述结论将发生变化。图7示出2号、4号、6号和8号风口分别为 120、 140、 160 mm,其余仍为 140 mm时,各风口的鼓风动能。与图6对比可知,尺寸变小了的风口,其鼓风动能比原来的都要大;而尺寸变大了的风口,其鼓风动能比原来的都要小。这是因为:

式中　Ei———第i个风口的鼓风动能;

　　　mb———总鼓风流量,kg/s。

　　即当风口总截面积的三次方的变化量超过单个风口的变化量时,该风口的鼓风动能就会增加。当多个风口面积缩小时,面积不变的风口鼓风动能比面积改变了的风口则增加更多;反之,当多个风口面积增大时,面积不变的风口鼓风动能比改变了的减少更多。即调整风口面积,不仅会使面积变化了的风口鼓风参数发生改变,且面积不变的风口鼓风参数也会变化,且改变得更多。这在实际操作中是不希望发生的,因此各风口的面积应尽量保持相同,面积变化不能过多。另外,从上式明显看出每个风口的鼓风动能正比于风口面积。

　　此外,各风口总鼓风动能或者平均鼓风动能的变化具有如下规律:缩小风口面积则总鼓风动能增加,增大风口面积则总鼓风动能减小。图5所示3种情况的平均鼓风动能分别为55.04、51.88、48. 5 kJ/s,而风口总截面积分别为0.2688,0.2769,0. 2864 m2,进一步研究可得平均鼓风动能反比于总鼓风面积的平方。这是因为各个风口的速度相同,有:

式中　mi———第i个风口的流量,kg/s。

　　可得出结论,当热风总流量不变时改变风口尺

寸会改变总鼓风动能,且总鼓风动能根据各风口面

积的大小重新分配。

4.4　风口面积调节方法的应用

　　当炉缸工作不均匀时,如出现部分风口边缘气流过于发展、部分风口回旋区太大和中心过吹等情况,则需调节风口尺寸。如某高炉少数几个风口上部冷却壁和下部炉缸热电偶数据显示温度较高,波动较大,说明该风口边缘煤气过于发展,通常是采取缩小这些风口面积的方法。传统观念认为,缩小风口面积,风口速度增加,鼓风动能相应增加,煤气流易向中心发展,边缘则相对减弱。从前面讨论可知这种认识并不正确。高炉利用系数不变时则其送风量不变,此时缩小一两个风口的面积,尽管各风口速度会略微增加,但这些风口的风量会明显减少,因此亦会降低鼓风动能。缩小风口之所以能抑制边缘气流,是减少风量导致回旋区产生煤气量明显减少而使边缘煤气流减弱所致。

　　图8是根据风口前碳素燃烧反应计算的煤气量,设鼓风湿度1.7%,富氧率2%。计算中只改变5号风口直径(5'号风口也相应改变),其它风口保持 140 mm。图中横坐标为5号风口直径,左侧纵坐标为煤气量,右侧纵坐标为相对于所有风口均为 140 mm这种基准情况5号风口煤气量增加的百分比。当5号风口由 140 mm减小到 120 mm时,风口煤气量由160. 7 m3/min减少到120. 6 m3/min,减少了24. 3%,可见这种变化相当明显。如减小多个风口的面积则其风量仍减少(减少量比缩小一两个风口的情况要小),但鼓风动能却增加,这有利于抑止边缘气流。

　　因此,缩小风口面积,不论是一个或多个,都有利于抑止这些风口附近边缘气流的发展,同时使其它风口的边缘和中心气流均有所增加。反之,增大一个或多个风口的面积,有利于促进这些风口附近边缘气流的发展,同时减弱了其它风口的边缘和中

心气流。

编者按：

(1)当总风量不变时,减小风口直径会使各风口速度均增大且增大到相同值,但直径减小了的风口流量会变小且风口流量正比于风口面积。

　　(2)当总风量不变时,缩小少数几个风口面积会降低其鼓风动能,而增大其它风口的鼓风动能。另外,只有在多个风口的面积都减小时,所有风口的鼓风动能才会都增大。

　　(3)1个或数个风口尺寸变化会引起其它风口参数的变化。当多个风口面积变化时,面积不变的风口鼓风动能比面积改变了的风口变化更多,这在实际操作中是不希望发生的,因此各风口的面积应尽量保持相同,面积变化不能过多。

　　(4)当总风量不变时,单个风口的鼓风动能正比于该风口的面积与风口总面积的三次方的比值;而所有风口的总鼓风动能与风口总面积的平方成反比。

　　(5)在实际生产中,当高炉送风量不变时,缩小一两个风口的面积之所以能抑止边缘气流,是缩小风口面积使其风量明显减少而导致回旋区产生煤气量明显减少所致。

　　(6)缩小风口面积,不论一个或多个,都有利于抑止这些风口附近边缘气流,同时使其它风口的边缘和中心气流都有所增加;反之,增大一个或多个风口的面积,有利于促进这些风口附近边缘气流的发展,同时使其它风口的边缘和中心气流都减弱。

5 高炉风口调整方法及实践

5.1 扩大风口面积实践

      实际应用高炉炉容450m³，高炉操作参数如下表：

高炉风口参数如下：

 

       扩风口后指标情况明显好转，扩大风口前后风量增加5.8%，冶炼强度提高了5.7%，产量增加了6.67%，如下所示：

 

       高炉扩风口面积有个前提，即高炉顺行、料柱透气性良好，如果料柱透气性不好，压差很高，通过扩大风口直径来增加风量，很难得到预计的效果。

5.2 鼓风动能的确定

      通常认为，风口回旋区前端面积与炉缸面积比值为0.5左右时，高炉初始煤气所围成的环形区域流分布较为合理，煤气利用率较高。由此确定合理的风口回旋区深度，进而计算风口鼓风动能等。

合理的初始煤气流分布是高炉稳定顺行的基础，有利于提高高炉的煤气利用率和炉缸活跃程度。高炉煤气流的初始分布主要取决于鼓风动能，鞍钢本部2号3200m³的大型高炉炉缸直径为12.4m，不易吹透中心，所以要保证足够的鼓风动能，以确保炉缸的活性状态。

每一座高炉都有一个适宜的风口回旋区长度范围，即有一个适宜的鼓风动能大小范围。鼓风动能过大，则中心气流过于旺盛，容易造成边沿堆积；鼓风动能过小，则边沿气流过于旺盛，容易造成中心堆积，炉缸不活跃。

鼓风动能与风口面积呈反比关系，即风口面积越小，鼓风动能越大。风口面积应与富氧、风温、顶压、原燃料条件、风量和炉型等冶炼条件相匹配。从2015年的0.45㎡缩小到0.40㎡，通过缩小风口面积，在一定程度上增加了鼓风动能。鼓风动能控制在110-130kJ／ｓ，取得了较好的实际效果，炉缸活跃、风口明亮、风口破损情况改善、燃料比也长期处于历史较优水平。

原燃料条件越好，高炉所要求的鼓风动能越大。

5.3 增加风口长度对于高炉炉缸活跃性和减轻高炉侵蚀的影响

     新疆八钢 A 高炉（2500m3）于 2008 年 2 月 28日投产。高炉设计有效容积 2500m3，本体设计寿命大于 15 年，热风炉一代寿命大于 30 年。高炉高径比Hu/D=2.3175，设 30 个风口。

       通过增加风口长度 60mm，以增加煤气流的中心穿透能力；调整适宜的炉前和沟班的作业参数，以减少出渣铁对高炉的影响；保持适宜的铁水温度1505±5℃，保持炉缸的透气和透液的热量需求；终渣二元碱度 R2= 1.10～1.17，以维持渣的穿透能力；布料操作适当开放中心气流，以维持边缘和中心两股气流的稳定；增加软水泵房的制冷器，使炉体冷却的软水进水温度稳定到33±1℃；高炉的顺行得到了改善。

       风口长度的增加，回旋区的位置偏离炉墙，炉腹铜冷却壁温度下降，减少了炉缸后期炉墙的侵蚀和炉腹铜冷却壁下沿的磨损。

5.4 调整风口参数减少风口损坏数量

        包钢 6#高炉于 2006 年 12 月12 日开炉，有效容积 2 500 m3，30 个风口，6—10 段采用铜冷却壁薄炉衬。从开炉投产到2013年12月寿命超过6年，风口破损严重，风口平均使用寿命只有165 天，远远低于全厂风口使用寿命 247天的平均水平。其中长度 600 mm 风口寿命 173 天，长度550 mm风口寿命114 天。

        风口破损和高炉操作密切相关，只有改变了原燃料质量，高炉才可能采取最合理的操作制度，加强操作，防止炉况失常，延长高炉顺行周期，则从根本上消除风口破损的原因；提高风口冷却水的水质、压力、流速，达到强化冷却的目的，为减少风口破损创造条件。确定风口最佳参数，控制合理煤气流分布，是延长风口使用寿命的关键。

通过调整风口长度及进风面积，处理上翘风口二套，稳定炉况顺行等措施，延长风口的使用寿命。

5.5 如何确定高炉合理的鼓风速度？

高炉炉容与风速的关系

       表实测不同炉缸直径的风口回旋区长度

 

       莱钢银山型钢炼铁厂3200m³高炉开炉后，对布料制度进行了调整，燃料比降低。2011年6月以来，因提升产能的需要，高炉扩大了进风面积，由0.4072㎡扩大至0.4278㎡。风口面积扩大，风速降低，炉况出现波动，焦比由340-345kg/t，水平上升至355-360kg/t，煤气利用率下降，炉缸长期处于不够活跃的状态，风口大量烧损。2011年10月由于控制产能，对风口加衬套和更换小风口再次调整送风面积，由0.4278㎡缩小至0.3957㎡，但仍保持了大风量作业，风速迅速上升至300m/s左右，如图５所示。缩小风口面积的生产实践表明，实际风速过大，炉缸中心过吹，煤气利用率显著下降，燃料比由510kg/t上升至519kg/t。2011年12月至2012年9月间逐渐优化送风面积，逐步调整至0.4130㎡，需要控制产能时，风口面积调整为0.4035㎡，风速长期稳定在280-290m/s，炉缸活跃，炉况稳定。具体参数间下表：

6.总结

       高炉送风制度的调整对于高炉炉况的稳定、经济技术指标的提升、高效冶炼等都具有关键的作用。通过调整高炉风量、风口长度、角度和直径、富氧、喷煤等参数，能够起到活跃炉缸、调整初始煤气分布等作用。不同容积、不同结构、不同原燃料条件、不同操作传统的高炉，在送风制度方面具有很大的差异。各个高炉在充分利用已有经验和实践的基础上，通过科学合理的采用风口微调的方法，在高炉炉况调整方面可以做到游刃有余。