CN102212629A - 一种利用气动原理抑制和调节炼铁反应器布料偏析的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用气动原理抑制和调节炼铁反应器布料偏析的方法。所述装置包括加料罐、中心喉管、旋转布料器和气体喷吹系统。气体喷吹系统设置在炼铁反应器的炉顶，用于从炼铁反应器外部将气体导入炉顶内部，然后将气体向从旋转布料器排出并即将布入炼铁反应器的物料喷吹。本发明通过对物料流喷吹气体，从而改变炉料颗粒在料面处的落点，进而影响不同粒径炉料的具体分布，最终避免了炉料在布料过程中出现的偏析现象，有利于改善炼铁反应器的透气性和生产的顺行。本发明能够广泛应用于炼铁高炉、直接还原竖炉、熔融还原竖炉和熔融还原气化炉等炼铁反应器。

Description

一种利用气动原理抑制和调节炼铁反应器布料偏析的方法

技术领域

本项发明属于钢铁冶金技术领域，更具体地讲，涉及一种利用气流完成抑制和调节高炉等炼铁反应器炉顶布料过程炉料偏析的方法。

背景技术

布料是包括炼铁高炉、直接还原竖炉和熔融还原炉等炼铁反应器操作中最有效，也是最常用的上部调剂手段之一。通常，炼铁反应器的顶部都装有布料系统，在生产过程中，通过布料系统将焦炭、矿石、熔剂等粒状含铁原料和燃料装入炉内，高温煤气从炉身下部产生或导入，与向下移动的颗粒床逆流作用，进行传热、传质和化学反应，完成冶炼过程。其中，炉料料柱的透气性状况直接影响了煤气流的分布和利用率，与反应器的生产效率息息相关，而料层的透气性的分布不仅由炉料的质量分布决定，同时也受沿径向的粒度分布所影响。如果布料过程中由于炉料的密度和粒径不同，引起布料过程的径向偏析严重时，将导致炉况难行、悬料、粘结等诸多问题。因此，抑制和调节炉料在布料过程的偏析，提高炉料分布的控制精度，将煤气流分布调整到稳定、合理的范围，是保证炼铁反应器长期、稳定、高效运行的关键技术之一，也是炼铁科技工作者们一直关注并致力于尽快解决的问题之一。

高炉用无钟溜槽式炉顶布料器和熔融还原炉用万向节布料器是两类主要应用的布料系统，虽然在机械结构与操作模式上两种设备具有较为明显的不同，但就其功能而言，炉料均是通过料仓和中心喉管下落，沿着可以旋转和可以调节角度的溜槽/料斗将炉料布置在炉喉处，形成合适的料面形状。布料过程可以调节布料批重，布料圈数，布料模式(单环、多环等)等。但无论是高炉、直接还原竖炉还是COREX竖炉、气化炉等炼铁反应器，生产使用的原、燃料均是形状不规则的大量颗粒，其粒径也不是均匀单一的，而是分布在一定的区间内，因此，布料过程中不可避免地会发生颗粒粒径和密度偏析，即粒径或密度相同(近)的颗粒趋向于相同的速度，落在相同的炉喉半径处。如此累积，粒径较大的颗粒聚集区，煤气过分发展，粒径较小的粉尘 聚集区，煤气发展较弱，这种由于炉料偏析造成的煤气分布不均匀化严重影响了炉内热效率与煤气利用率，降低生产效率。因此，布料操作时应尽量抑制炉料粒径偏析，但是现有的布料装置并不能有效解决上述问题，需要采用其他措施抑制这种炉料偏析。

发明内容

针对现有技术存在的以上问题，本发明提出一种炼铁反应器的炉顶布料装置及方法。所述装置和方法主要通过引入气流对不同粒径、密度的固体颗粒作用力的差异，从而能够抑制或调节高炉无钟溜槽炉顶与竖炉万向节布料器等炼铁反应器在布料时炉料沿径向的粒径、密度偏析现象。

本发明的一方面提供了一种炼铁反应器的炉顶布料装置，所述装置包括加料罐、中心喉管、旋转布料器和气体喷吹系统，其中，所述气体喷吹系统设置在炼铁反应器的炉顶，用于从炼铁反应器外部将气体导入炉顶内部，然后将气体向从旋转布料器排出并即将布入炼铁反应器的物料喷吹。

本发明的另一方面提供了一种炼铁反应器的炉顶布料方法，所述方法为：在通过可旋转和可调节角度的旋转布料器将物料布入炼铁反应器的炉顶的同时，通过向从旋转布料器排出并即将布入炼铁反应器的物料喷吹一束或多束气体，以调节或抑制布料过程中的物料偏析。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过在诸如高炉或竖炉等炼铁反应器的炉顶加料设备加装气体喷吹系统，来实现对物料流喷吹气体，从而改变炉料颗粒在料面处的落点，进而影响不同粒径炉料的具体分布，最终避免了炉料在布料过程中出现的偏析现象，有利于改善炼铁反应器的透气性和生产的顺行。此外，本发明能够广泛应用于炼铁高炉、直接还原竖炉、熔融还原竖炉和熔融还原气化炉等炼铁反应器，作为布料偏析的调节手段能够发挥其重要作用。

附图说明

通过参照附图对示例性实施例进行的详细描述，本发明的上述和其它特征和/或优点对本领域技术人员来说将变得更加清楚，附图中：

图1a示意性地示出了根据本发明第一实施例的炼铁反应器的炉顶布料装置的使用效果图；

图1b示意性地示出了根据本发明第一实施例的炼铁反应器的炉顶布料装置中的物料受力分析图；

图1c示意性地示出了根据本发明第一实施例的炼铁反应器的炉顶布料装置的结构剖视图；

图1d示意性地示出了沿A-A线截取的根据本发明第一实施例的炼铁反应器的炉顶布料装置的气体围管的剖视图；

图2a示意性地示出了根据本发明第二实施例的炼铁反应器的炉顶布料装置的使用效果图；

图2b示意性地示出了根据本发明第二实施例的炼铁反应器的炉顶布料装置中的物料受力分析图；

图2c示意性地示出了根据本发明第二实施例的炼铁反应器的炉顶布料装置的结构剖视图；

图2d示意性地示出了沿A-A线截取的根据本发明第二实施例的炼铁反应器的炉顶布料装置的气体喷嘴圆盘的剖视图；

图3a示意性地示出了根据本发明第三实施例的炼铁反应器的炉顶布料装置的使用效果图；

图3b示意性地示出了根据本发明第三实施例的炼铁反应器的炉顶布料装置中的物料受力分析图；

图3c示意性地示出了根据本发明第三实施例的炼铁反应器的炉顶布料装置的结构剖视图。

附图标记：

1：加料罐    2：中心喉管    3：气体导管    4：旋转布料器

5：固定装置  6：气体围管    7：气体喷嘴    8：炉壁

9：气体喷嘴圆盘

具体实施方式

根据本发明一方面的炼铁反应器炉顶布料装置包括加料罐、中心喉管、旋转布料器和气体喷吹系统。其中，所述气体喷吹系统设置在炼铁反应器的炉顶，用于从炼铁反应器外部将气体导入炉顶内部，然后将气体向从旋转布料器排出并即将布入炼铁反应器的物料喷吹。

在一个实施例中，气体喷吹系统可以包括气体导管、气体喷嘴和固定装 置，其中，所述气体导管的位于炼铁反应器内的一端与气体喷嘴连接，气体导管的位于炼铁反应器外的一端用于将气体导入炼铁反应器，所述固定装置用于将气体导管固定在炼铁反应器的炉顶的内壁上，或者用于将气体导管固定在旋转布料器上。

在一个实施例中，所述气体喷吹系统还可以包括连接在气体喷嘴与气体导管之间的气体围管或气体喷嘴圆盘。所述气体喷嘴的数量可以为4～24个，并且这些气体喷嘴可以沿旋转布料器的中心线或者沿炼铁反应器的中心线对称设置。所述气体喷嘴的喷吹角度可调节。

在本发明中，所述炼铁反应器可以包括高炉、竖炉、熔融还原炉和气化炉，所述旋转布料器可以包括溜槽、旋转料斗或万向节布料器。

根据本发明另一方面的炼铁反应器炉顶布料方法为：在通过可旋转和可调节角度的旋转布料器将物料布入炼铁反应器的炉顶的同时，通过向从旋转布料器排出并即将布入炼铁反应器的物料喷吹一束或多束气体，以调节或抑制布料过程中的物料偏析。

在一个实施例中，所述气体的喷吹方向、压力和气流速度可调节。所述气体的压力可以为0.5～2.5个大气压。所述气体可以为炼铁反应器尾气、一氧化碳、氮气、空气或氩气。

在下文中，将结合附图来描述本发明的示例性实施例。为了清楚起见，可以夸大或缩小附图中的各个部件的尺寸。

实施例1

如图1a至图1d所示，本实施例的炼铁反应器炉顶布料装置包括加料罐1、中心喉管2、溜槽4和气体喷吹系统。

气体喷吹系统设置在炼铁反应器的炉顶，用于从炼铁反应器外部将气体导入炉顶内部，然后将气体向从溜槽4排出并即将布入炼铁反应器的物料喷吹。气体喷吹系统包括气体导管3、固定装置5、气体围管6和气体喷嘴7，其中，气体导管3的位于炼铁反应器内的一端与气体围管6连通，多个气体喷嘴7连接与气体围管6连通，气体导管3的位于炼铁反应器外的一端用于将气体导入炼铁反应器，固定装置5用于将气体导管3和气体围管6固定在炼铁反应器的炉壁8上。在本实施例中，气体喷嘴7的数量为4个，并且这些气体喷嘴7沿炼铁反应器的中心线对称设置。气体喷嘴7的喷吹角度可调节。

如图1a和图1b所示，在从与固定在炉壁8上的气体围管6连通的气体喷嘴7喷出的气体作用到下降的物料流上时，炉料颗粒下降时受到气体喷嘴7喷出的气体作用力P和重力mg的双重作用，且在气体曳力作用下，料流的物料颗粒改变了自由下落的运动轨迹。图1a的虚线箭头表示气体喷嘴7喷出气体的气流方向。图1b中虚线箭头示出了气体作用力方向，虚线OD表示原始料流的下降轨迹，曲线OC表示加装气体喷嘴7并实施喷吹后的实际料流轨迹。此外，在本实施例中，气体导管3的数量可以为1条或多条。

实施例2

如图2a至图2d所示，本实施例的炼铁反应器炉顶布料装置包括加料罐1、中心喉管2、旋转料斗4和气体喷吹系统。

气体喷吹系统设置在炼铁反应器的炉顶，用于从炼铁反应器外部将气体导入炉顶内部，然后将气体向从旋转料斗4排出并即将布入炼铁反应器的物料喷吹。气体喷吹系统包括气体导管3、固定装置5、气体喷嘴圆盘9和气体喷嘴7，其中，气体导管3的位于炼铁反应器内的一端与气体喷嘴圆盘9连通，多个气体喷嘴7连接与气体喷嘴圆盘9连通，气体导管3的位于炼铁反应器外的一端用于将气体导入炼铁反应器，固定装置5用于将气体导管3和气体喷嘴圆盘9固定在旋转料斗4的末端。在本实施例中，气体喷嘴7的数量为16个，并且这些气体喷嘴7沿旋转料斗4的中心线对称设置。气体喷嘴7的喷吹角度可调节。

图2a和图2b中示出了从旋转料斗末端下降的炉料颗粒受到喷吹气体作用力P和重力mg的共同作用下的运动轨迹。图2a中的虚线箭头表示气体喷嘴7喷出气体的气流方向。图1b中虚线箭头示意气体作用力方向，虚线OD表示原始料流轨迹，曲线OC表示加装气体喷嘴7并实施喷吹后的实际料流轨迹。此外，在本实施例中，气体导管3的数量可以为1条或多条。

实施例3

如图3a至图3c所示，本实施例的炼铁反应器炉顶布料装置包括加料罐1、中心喉管2、溜槽4和气体喷吹系统。

气体喷吹系统设置在炼铁反应器的炉顶，用于从炼铁反应器外部将气体导入炉顶内部，然后将气体向从溜槽4排出并即将布入炼铁反应器的物料喷吹。气体喷吹系统包括气体导管3、固定装置5和气体喷嘴7。其中，气体导管3的位于炼铁反应器内的一端与气体喷嘴7连通，气体导管3的位于炼铁 反应器外的一端用于将气体导入炼铁反应器。气体喷嘴7指向溜槽4的出口下沿，且气体喷嘴7的位置低于溜槽4的出口。气体喷嘴7的喷吹角度可调节。固定装置5用于将气体导管3固定在溜槽4上，以使气体导管3的下部与溜槽4实现同步旋转，保证气体喷嘴7始终对准溜槽4的出口方向。

图3a和图3b示出了从气体喷嘴7喷出的气体作用到料流上，炉料颗粒在气体曳力作用下改变了原来自溜槽4中自然下落的运动轨迹。图3a中的虚线箭头表示的是从气体喷嘴7喷出的气体方向。图3b中虚线箭头示意气体作用力方向，虚线OD表示原始料流轨迹，曲线OC表示加装炉顶布料装置后在喷吹气体的作用下的实际料流轨迹。

在本发明的方法中，喷吹气体的喷吹方向、气流速度和压力可以根据实际生产的要求进行调节。下面解释喷吹气体的各个参数对物料落点的影响。

气体吹过颗粒流时，会对颗粒产生一定的曳力。合适的曳力会明显地改变粒径较小的颗粒的运动轨迹，而不会影响较大颗粒的轨迹。喷吹气体后，颗粒受力如图1a所示。

气流对固体颗粒的阻力公式为：

P＝1/2C_DAρV²

式中，C_D-阻力系数；ρ-气体密度，kg/m³；A-炉料最大横断面积，m²；v-煤气速度，m/s。

以某公司2500m³高炉为例，炉顶装置无钟布料器。布置一批烧结矿，烧结矿密度1950kg/m³，假设矿石颗粒为球形。炉料离开料斗速度V＝5m/s，溜槽悬挂点至料线距离4.6m，溜槽长度3.89m，溜槽倾角α＝45°，设置直角坐标系，原点在料斗末端。气流喷射方向与料斗夹角β＝90度，喷口直径为50mm，气流速度为5m/s，如图1b中箭头所示。现在求解喷吹气体后，不同粒径颗粒落点位置变化。

喷吹气体离开喷嘴后，吹向下落的颗粒，将气流轨迹设为两条平行直线。抛物线与直线的交点区域即是气流对颗粒作用区域。

炉料在空区主要受到重力作用，根据 

代入相应数据得颗粒在空区下落时间t＝0.47s。根据物理原理和数学方法可以确定各点的坐标和相应的运动方程。

分别计算粒径为3mm，5mm，12mm的烧结矿颗粒在气流作用下的运动轨迹变化。假设喷吹气体为炉顶净煤气，煤气密度ρ_g＝1.34kg/m³。

颗粒沿气流方向的加速度为：

$a=\frac{\frac{1}{2}{C}_D{\mathrm{\ρ}}_g{V}^{2}A}{m}$

得a₃＝2.58m/s²；a₅＝1.55m/s²；a₁₂＝0.64m/s²。

气流对颗粒的作用时间由颗粒下落速度和喷嘴形状等决定。由于颗粒下落重力加速度远大于气流加速度在竖直方向上的分量，所以忽略气流对颗粒下落时间的影响。由：

$|y_A-y_O|=V\cos \mathrm{\α}\·t_1+\frac{1}{2}{{\mathrm{gt}}_1}^2$

得气流对炉料的作用时间t₁＝0.015s。

计算颗粒在气流作用区域内的水平径向位移：

S′₃＝0.21×10^-3m；S′₅＝0.12×10^-3m；S′₁₂＝0.05×10^-3m。

离开气流作用区域后，颗粒在水平方向上的位移变化量为：

S″₃＝12.44×10^-3m；S″₅＝7.47×10^-3m；S″₁₂＝3.11×10^-3m。

故气流作用前后，不同粒径颗粒在水平径向上的位移变化量为：

S₃＝S′₃+S″₃＝12.65×10^-3m；S₅＝S′₅+S″₅＝7.59×10^-3m；S₁₂＝S′₁₂+S″₁₂＝3.16×10^-3m。

综上计算结果，气流对小颗粒(粉尘)的落点位置改变较大，对大颗粒落点几乎没有影响，完全可以实现设计任务。现场生产可以根据布料需要，调节气流速度与喷嘴角度。

根据上述计算方法，提出本专利的具体应用案例。

实施例4

COREX预还原竖炉大量使用球团矿，现以某厂的COREX球团矿粉尘为例，假设竖炉炉顶加装了实施例1的炉顶布料装置，气流喷嘴出口直径50mm，气流方向与料斗中心线夹角90°，喷吹炉顶净煤气，煤气密度ρ_g＝1.34kg/m³。考虑布置一批球团矿，球团矿粉密度3400kg/m³，炉料离开料斗末端速度V＝7m/s。COREX竖炉炉喉直径8.33m，料线高度4m，布料器料斗长度1.429m，料斗转速0.15r/s。球团矿粉粒度分布如表1所示。根据生产要求，在料斗倾角为30°时，需要将粒径为5mm的矿粉颗粒在落点处外抛10mm。计算在此条件下需要的气流速度。

表1球团矿粉尘粒度组成与需要气速

计算结果显示，此条件下，需求气速为2.8m/s。

实施例5

高炉生产中使用大量的烧结矿，烧结矿粒径分布较大，偏析现象严重，现以某厂2500m³高炉为例，假设该座高炉炉顶加装了实施例1的炉顶布料装置，考虑布置一批烧结矿。烧结矿密度1950kg/m³，粒度分布如表2所示，炉料离开溜槽末端速度V＝5m/s，气体喷嘴出口直径(单口)50mm，与溜槽夹角90°，喷吹炉顶净煤气。该高炉炉喉直径8.3m，料线高度4.6m，布料器中心喉管长度4.01m，溜槽长度3.89m，溜槽转速0.133r/s。根据生产要求，在溜槽倾角为45°时，需要将粒径为5mm的矿粉颗粒在落点处外抛10mm。

表2烧结矿粒径分布与需要气速

计算结果显示，此条件下，需求气速为5.7m/s。

实施例6

COREX预还原竖炉大量使用球团矿，现以某厂的COREX球团矿粉尘为例，假设竖炉炉顶加装了实施例2的炉顶布料装置，气流喷嘴出口直径50mm，气流方向与料斗中心线夹角0°，喷吹炉顶净煤气，煤气密度ρ_g＝1.34kg/m³。考虑布置一批球团矿，球团矿粉密度3400kg/m³，炉料离开料斗末端速度V＝7m/s。COREX竖炉炉喉直径8.33m，料线高度4m，布料器料斗长度1.429m，料斗转速0.15r/s。球团矿粉粒度分布如表3所示。根据生产要求，在料斗倾角为30°时，需要将粒径为5mm的矿粉颗粒在落点处外抛10mm。计算在此条件下需要的气流速度。

表3球团矿粉尘粒度组成与需要气速

计算结果显示，此条件下，需求气速为10.8m/s。

实施例7

高炉生产中使用大量的烧结矿，烧结矿粒径分布较大，偏析现象严重，现以某厂2500m³高炉为例，假设该座高炉炉顶加装了实施例1的炉顶布料装置，考虑布置一批烧结矿。烧结矿密度1950kg/m³，粒度分布如表4所示，炉料离开溜槽末端速度V＝5m/s，气体喷嘴出口直径(单口)50mm，与溜槽夹角0°，喷吹炉顶净煤气。该高炉炉喉直径8.3m，料线高度4.6m，布料器中心喉管长度4.01m，溜槽长度3.89m，溜槽转速0.133r/s。根据生产要求，在溜槽倾角为45°时，需要将粒径为5mm的矿粉颗粒在落点处外抛10mm。

表4烧结矿粒径分布与需要气速

计算结果显示，此条件下，需求气速为7.8m/s。

实施例8

COREX预还原竖炉大量使用球团矿，现以某厂的COREX球团矿粉尘为例，假设竖炉炉顶加装了实施例3的炉顶布料装置，气流喷嘴出口直径50mm，气流方向与料斗中心线夹角45°，喷吹炉顶净煤气，煤气密度ρ_g＝1.34kg/m³。考虑布置一批球团矿，球团矿粉密度3400kg/m³，炉料离开料斗末端速度V＝7m/s。COREX竖炉炉喉直径8.33m，料线高度4m，布料器料斗长度1.429m，料斗转速0.15r/s。球团矿粉粒度分布如表5所示。根据生产要求，在料斗倾角为30°时，需要将粒径为5mm的矿粉颗粒在落点处外抛10mm。计算在此 条件下需要的气流速度。

表5球团矿粉尘粒度组成与需要气速

计算结果显示，此条件下，需求气速为9.9m/s。

实施例9

高炉生产中使用大量的烧结矿，烧结矿粒径分布较大，偏析现象严重，现以某厂2500m³高炉为例，假设该座高炉炉顶加装了实施例3的炉顶布料装置，考虑布置一批烧结矿。烧结矿密度1950kg/m³，粒度分布如表6所示，炉料离开溜槽末端速度V＝5m/s，气体喷嘴出口直径(单口)50mm，与溜槽夹角45°，喷吹炉顶净煤气。该高炉炉喉直径8.3m，料线高度4.6m，布料器中心喉管长度4.01m，溜槽长度3.89m，溜槽转速0.133r/s。根据生产要求，在溜槽倾角为45°时，需要将粒径为5mm的矿粉颗粒在落点处外抛10mm。

表6烧结矿粒径分布与需要气速

计算结果显示，此条件下，需求气速为10.4m/s。

综上所述，本发明的炉顶布料装置和方法通过在诸如高炉或竖炉等炼铁反应器的炉顶加料设备加装气体喷吹系统，来实现对物料流喷吹气体，从而改变炉料颗粒在料面处的落点，进而影响不同粒径炉料的具体分布，最终避免了炉料在布料过程中出现的偏析现象。本发明可以广泛适用于炼铁高炉、直接还原竖炉、熔融还原竖炉和熔融还原气化炉等炼铁反应器，作为布料偏析的调节手段能够发挥其重要作用。

尽管上面已经结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以对实施 例作出各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种炼铁反应器的炉顶布料装置，包括加料罐、中心喉管和旋转布料器，其特征在于，所述炉顶布料装置还包括气体喷吹系统，所述气体喷吹系统设置在炼铁反应器的炉顶，用于从炼铁反应器外部将气体导入炉顶内部，然后将气体向从旋转布料器排出并即将布入炼铁反应器的物料喷吹。

2.如权利要求1所述的炉顶布料装置，其特征在于，所述气体喷吹系统包括气体导管、气体喷嘴和固定装置，其中，所述气体导管的位于炼铁反应器内的一端与气体喷嘴连接，气体导管的位于炼铁反应器外的一端用于将气体导入炼铁反应器，所述固定装置用于将气体导管固定在炼铁反应器的炉顶的内壁上，或者用于将气体导管固定在旋转布料器上。

3.如权利要求2所述的炉顶布料装置，其特征在于，所述气体喷吹系统还包括连接在气体喷嘴与气体导管之间的气体围管或气体喷嘴圆盘。

4.如权利要求2或3所述的炉顶布料装置，其特征在于，所述气体喷嘴的数量为4～24个，并且这些气体喷嘴沿旋转布料器的中心线或者沿炼铁反应器的中心线对称设置。

5.如权利要求2或3所述的炉顶布料装置，其特征在于，所述气体喷嘴的喷吹角度可调节。

6.如权利要求1所述的炉顶布料装置，其特征在于，所述炼铁反应器包括高炉、竖炉、熔融还原炉和气化炉，所述旋转布料器包括溜槽、旋转料斗或万向节布料器。

7.一种炼铁反应器的炉顶布料方法，其特征在于，所述方法为：在通过可旋转和可调节角度的旋转布料器将物料布入炼铁反应器的炉顶的同时，通过向从旋转布料器排出并即将布入炼铁反应器的物料喷吹一束或多束气体，以调节或抑制布料过程中的物料偏析。

8.如权利要求7所述的炉顶布料方法，其特征在于，所述气体的喷吹方向、压力和气流速度可调节。

9.如权利要求7所述的炉顶布料方法，其特征在于，所述气体的压力为0.5～2.5个大气压。

10.如权利要求7所述的炉顶布料方法，其特征在于，所述气体为炼铁反应器尾气、一氧化碳、氮气、空气或氩气。

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