CN103966373B - 一种高炉稳定顺行的无钟布料方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确保高炉稳定顺行的无钟布料方法，采用保护焦炭层中间薄弱带，防止焦窗局部过窄的布料方式有效避免因局部焦窗过窄而导致的高炉气流紊乱和炉料下降不畅从而确保高炉稳定顺行。本发明能够获得稳定的炉料下降和气流分布，使高炉长期稳定顺行，降低炼铁成本。

Description

一种高炉稳定顺行的无钟布料方法

技术领域

本发明涉及一种高炉稳定顺行的无钟布料方法，属于高炉布料技术领域。

背景技术

高炉布料在整个高炉操作中起到主导作用，对高炉的稳定顺行和煤气利用起关键性作用。一些高炉操作人员在实际的高炉生产中总结出“无风不治病”的操作理念，即尽量使炉子接受更多的风，强调兼顾“边缘”和“中心”两股气流的操作思路，人为形成两个通道使气流通过，具体表现在：在矩阵的设置上，焦炭“两头多，中间少”，而矿石“中间多，两头少”。尤其在高炉操作不顺畅的时候，更加强调放开“边缘”和“中心”。然而这种过分强调两股气流的操作理念容易使得中间部位焦窗很薄，再加上矿石引起的焦炭坍塌，把部分焦炭推到高炉中心，使得局部焦窗过窄，尤其是在产量较高，风量较大，矿批大时，更会加剧焦炭坍塌的量。这种局部焦窗过窄的炉料下降到软熔带部位后，严重影响气流的分布，使得整个高炉的透气性恶化，炉料下降不顺畅，气流分布紊乱，休风频繁，增加高炉炼铁的生产成本。因此有必要建立一种保护焦炭层中间薄弱带的方法，来使高炉操作人员在调整气流分布的时候能够保证最低焦窗厚度的要求，从而使高炉操作稳定顺行，在稳定的基础上实现其他的目标，如高产和低耗。

发明内容

本发明提供一种保护焦炭层中间薄弱带的布料方法，使高炉炉料下降稳定，气流波动小，内容如下：

给定实际高炉操作数据，如实际高炉的布料矩阵设置，包括焦炭和矿石各个档位角度，圈数，总圈数的设置，溜槽旋转速度，焦炭和矿石批重，料线，炉顶煤气流速以及焦炭和矿石粒度组成。

将布料矩阵的设置按照角度大小分为中心，中间及边缘。在设置了圈数的档位中，将最靠近高炉中心的两个档位定义为中心；将最靠近炉墙的两个档位定义为边缘；除去中心和边缘的几个档位定义为中间。定义每个部位的矿焦比分别为各部位几个档位上的矿石和焦炭的质量比，如：炉墙部位的O/C为其中no1为矿石在最靠近炉墙的第一个档位的圈数，no2为矿石在靠近炉墙的第二个档位的圈数，No为矿石总圈数，wo为矿石批重；nc1为焦炭在靠近炉墙的第一个档位的圈数，nc2为焦炭在靠近炉墙的第二个档位的圈数，Nc为矿石总圈数，wc为焦炭批重。同理可以得到中心部位的矿焦比(O/C)_C和中间部位的矿焦比(O/C)_M。设定料层结构系数

按照给定的高炉操作条件，根据相似性原理，为了满足实物模型中矿焦比分布和气流分布与实际高炉相同，需要满足以下几个条件：①.保证模型和实际高炉中颗粒的料流轨迹相同：模型中的颗粒以及实际高炉的颗粒在旋转溜槽中的运动都满足方程： $V_L=\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2\sin \mathrm{\θ}(sin\mathrm{\θ}-\mathrm{\μ}cos\mathrm{\θ})L^2+2g(cos\mathrm{\θ}-\mathrm{\μ}sin\mathrm{\θ})L+{V_0}^2};$ 模型中的颗粒以及实际高炉的颗粒在空中的运动都满足方程：其中Y表示在竖直方向距离，X表示在水平方向距离，g表示重力加速度，VL表示颗粒在溜槽末端速度，L表示溜槽有效长度，θ表示溜槽与中心线角度，μ表示颗粒与溜槽的摩擦系数。给定：在不同的缩放比例下模型和实际高炉中都满足以上方程，由此可以推导出模型中溜槽旋转速度ω。②.保证模型和实际高炉中固体料层对气流的影响相同。由于固体原料的粒度分布决定了其孔隙度分布进而决定了气流的分布情况，由此设定焦炭和矿石的粒度分布和实际高炉的粒度分布应满足粒度的概率分布方程：由此可以确定实际高炉颗粒的粒度分布图。Dp为对应的颗粒粒径，R(Dp)为该粒径以下的颗粒所占的质量百分比，D50表示占50％对应的颗粒粒径，D15.9表示占15.9％对应的颗粒粒径。式中：x＝ln(D_p)，μ＝ln(D₅₀)，σ＝lnσ_g，在给定焦炭和矿石粒度缩小比例和各级筛孔大小的情况下，可以确定模型中焦炭和矿石各个粒级的质量百分比。③.保证气流对固体料层的影响在模型和实际高炉中相同，需要满足：u表示炉顶平均气流速度，umf表示炉顶平均最小流态化速度，其中ρ_b为料床堆密度kg/m3，ρ为气流密度kg/m3，ε为料床孔隙度(为0-1之间的数值)，φ为颗粒球形度(为0-1之间的数值)，由此可以确定模型送风风量。

其他参数按照等比例缩小的原则来进行设定，在此高炉冷布料模型上进行料层结构径向分布的实验，得到稳定收敛的焦炭和矿石层结构后，测量焦窗厚度在炉喉径向的分布T₁，T₂…T_n，n取决于径向测量点的个数。并求得其最小值T_min和平均值T_a，定义最薄焦窗厚度

根据多组实验结果，建立料层结构系数χ与最薄焦窗厚度δ的相关性方程δ＝f(χ)。利用该相关性方程，调整布料矩阵的档位，圈数，总圈数的设置，以及批重，使得该布料制度的选择满足设定的最薄焦窗厚度的需求，并在冷布料模型设备上进行保护焦炭层薄弱带的实验，并最终应用到实际高炉生产中。

本发明的有益效果：

通过该方法可以避免出现局部焦窗过窄的料层结构，可以防止高炉透气性恶化，下料不畅，造成的高炉操作不稳定。

附图说明：

图1：为本发明冷布料模型实验系统图；

图2：为本发明焦炭在冷布料模型和实际高炉中的料流轨迹对比；

图3：为本发明矿石在冷布料模型和实际高炉中的料流轨迹对比；

图4：为本发明冷布料模型和实际高炉用焦炭和矿石粒度分布；

图5：为本发明实验测得的焦炭和矿石径向料层结构示意图；

图6：为本发明实验得到的料层结构系数χ与最薄焦窗厚度δ的关系图；

图7：为本发明几种布料矩阵下的料层结构系数的变化；

图8：为本发明实验测得的径向焦窗厚度分布；

图9：为本发明实验测得的径向气流分布；

图10：为本发明5800高炉2013年6月10日至2013年9月12日原燃料质量变化；

图11：为本发明5800高炉2013年6月10日至2013年9月12日每天大小滑料次数变化；

图12：为本发明5800高炉2013年6月10日至2013年9月12日炉身上部32.6m圆周方向上14个点的热电偶温度和炉腰23.6m圆周方向上14个点的热电偶温度变化；

图13：为本发明5800高炉2013年6月10日至2013年9月12日十字测温枪次中心点温度变化；

图14：为本发明5800高炉2013年6月10日至2013年9月12日各经济技术指标的变化；

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明：

给定5800高炉2012年11月操作参数如下：布料矩阵和各档位的角度设置如下表，焦炭总圈数25，矿石总圈数23，溜槽旋转速度ω＝48°/s。焦批CB＝32t，矿批OB＝170t，料线SL＝1.6m，炉顶煤气流速u＝1.0m/s，原料粒度组成如图2所示。

在给定的条件下计算 ${(O/C)}_W=\frac{(n_{O1}+n_{O2})/N_o\·w_O}{(n_{C1}+n_{C2})/N_C\·w_C}=\frac{(2+4)/23\·170}{(5+4)/25\·32}=3.85,$ 同理可以计算出 ${(O/C)}_C=\frac{(n_{O8}+n_{O12})/N_o\·w_O}{(n_{C8}+n_{C12})/N_C\·w_C}=0,{(O/C)}_M=\frac{(n_{O3}+n_{O4}+n_{O5}+n_{O6}+n_{O7})/N_o\·w_O}{(n_{C3}+n_{C4}+n_{C5}+n_{C6}+n_{C7})/N_C\·w_C}=9.82,$ $\mathrm{\χ}=\frac{{(O/C)}_C+{(O/C)}_W}{{(O/C)}_M}=0.39$

给定实验模型为按照5800高炉尺寸S＝1:15建立，如图1所示。实验用焦炭和矿石的批重：CB^*＝CB/15³＝9.48kg，OB^*＝OB/15³＝50.36kg，实验用料线SL^*＝SL/15＝103mm。

为保证模型中的料流轨迹和实际高炉一致，模型中的颗粒以及实际高炉的颗粒在旋转溜槽中的运动都需满足方程： $V_L=\sqrt{{\mathrm{\ω}}^{2}sin\mathrm{\θ}(sin\mathrm{\θ}-\mathrm{\μ}cos\mathrm{\θ})L^2+2g(cos\mathrm{\θ}-\mathrm{\μ}sin\mathrm{\θ})L+{V_0}^2};$ 模型中的颗粒以及实际高炉的颗粒在空中的运动都满足方程：给定：在不同的缩放比例下模型和实际高炉中都满足以上方程，据此推导出并在冷布料模型进行焦炭和矿石的布料实验，测量其在空中的运动轨迹，在布料过程中使用高速摄像仪，描绘出焦炭和矿石在各个档位上的轨迹，将该轨迹的横坐标和纵坐标都放大15倍，并与实际高炉开炉时用激光网格法测量的料流轨迹进行对比，结果如图2和图3所示，两者吻合较好。

保证模型和实际高炉中固体料层对气流的影响相同，需要保持原料的粒度分布和实际高炉一致。由于原料的粒度分布决定了其孔隙度的分布进而决定了气流的分布情况。模型中的颗粒和实际高炉的颗粒都需满足粒度分布的概率方程：从给定实际高炉粒度分布可以计算出，焦炭和矿石的平均直径D_C＝48mm和D_O＝18mm。考虑到排料顺畅性和设备的限制选择焦炭和矿石粒度的缩放因子S₁＝1:12和S₂＝1:9。则模型中所用焦炭和矿石的平均直径D_C ^*＝S₁·D_C＝4mm和D_O ^*＝S₂·D_O＝2mm。根据已有各级筛网的筛孔大小决定实验模型所用焦炭和矿石的各个粒级，并根据上述计算可以确定在各给定粒度下的焦炭和矿石的质量百分比，如图4所示。

为保证气流对固体料层的影响在模型和实际高炉中相同，在此设定其中由此可以计算得到模型风量BV＝4.66m3/min。

在图1所示的冷布料模型设备上进行径向料层结构的实验。先将铺底料堆到挡料板上知道料面到达设定料线的高度103mm，并将料面调整到预先计算好的料面形状，设定风量4.66m3/min并通过风口鼓入空气罐中的压缩空气。然后将按照比例混合好的焦炭和矿石装入料罐中，通过齿轮箱驱动旋转溜槽将焦炭和矿石分别布到炉内，每布完一批焦炭或矿石后都通过排料阀排料指导料面下降到设定的料线高度。连续布完至少3批焦炭和矿石后，用风速仪测量炉喉径向上不同部位的气流速度，并利用焦炭和矿石电阻的差别，使用欧姆表测量炉喉径向各点的矿石层和焦炭层的厚度，得到焦炭和矿石的料面形状分布，如图5所示。

测量出布完矿石后焦炭在径向的厚度分布值T₁，T₂…T_n，并求得其最小值T_min和平均值T_a，则定义最薄焦窗厚度在不同的高炉操作条件下得到不同的料层结构系数χ，并将各参数缩放到做冷布料模型上并进行料层分布的实验，得到如图6所示的料层结构系数χ与最薄焦窗厚度δ的关系，χ＝4.1015δ-1.0938

如下为应用该料层结构系数χ和最薄焦窗厚度δ的关系，在冷布料模型试验设备和实际高炉生产中进行保护焦炭层中间薄弱带的实践，分别以实施例1和实施例2进行展开：

实施例1：在冷布料模型上进行保护焦炭层中间薄弱带的实践。

设定高炉操作参数为：炉顶煤气流速1.0m/s,焦批32t，矿批170t，料线1.6m，以沙钢5800高炉2013年7月份的布料矩阵A为基础进行从A至F的优化：

逐步减小焦炭中心和边缘的圈数，如焦炭1,2档的5圈和4圈分别减小至4圈和3圈，焦炭12档由3圈减为2圈；

逐步将矿石铺得更开，将矿石由5个档位逐渐增加到8个档位；

增加中间部位焦炭的圈数，即将中间部位的4,5,6档各一圈增加至各3圈。

根据从A到F的矩阵，计算出料层结构系数χ的分布，如图7所示。根据实验结构，由A至F局部焦窗过小的情况逐渐改善，测得的焦窗厚度在径向的厚度分布逐渐变得均匀，如图8所示，与此同时，径向气流分布也变得更稳定，如图9所示。

实施例2：在沙钢5800高炉上进行保护焦炭层中间薄弱带的实践

沙钢5800高炉2013年7月23日开始实施保护焦炭层中间薄弱带的布料尝试，将2013年6月10日到2013年7月22日的操作称为第一阶段，2013年7月23日到2013年9月12日的操作称为第二阶段。并且从2013年6月10日至2013年9月12日内，原燃料质量无明显变化，因此可以排除原燃料质量变化对这段时间高炉操作的影响，如图10所示。

第一阶段的典型布料矩阵为平均焦批为30.1t，平均矿批为157.2t，焦炭总圈数为22，矿石总圈数为22，炉顶煤气流速为1.0m/s。从布料矩阵设置可以计算得到，料层结构系数χ＝0.14。

第二阶段为2013年7月23日到2013年9月12日的操作情况，成为第二阶段，该阶段的典型布料矩阵为平均焦批为29.4t，平均矿批为168t，焦炭总圈数为20，矿石总圈数为21，炉顶煤气流速为1.0m/s。从布料矩阵设置可以计算得到，料层结构系数χ＝0.66。

对比第一和第二阶段，可以看到料层结构系数得到很大的改善，作为实际高炉的反应主要有以下几个方面：

(1).将2013年6月10日到9月12日三个月的原始探尺数据提起，计算出相应的下料速度。并规定正常的下料速度在0-50cm/s范围内，50-100cm/s范围内的下料速度称之为小滑料，超过100cm/s的下料速度称之为大滑料。根据此标准统计出每天出现滑料的次数，对比两个阶段不同不料矩阵设置下出现滑料的次数，可以看到第二个阶段的大小滑料次数明显降低，如图11所示；

(2).与此同时，提取炉身上部32.6m标高和23.6m标高处圆周方向各14点的温度随时间的变化，可以看到第二阶段的边缘气流波动明显小于第一阶段，如图12所示；

(3).提取十字测温枪次中心点的温度随时间的变化，同样的第二阶段中心气流的波动明显小于第一阶段，如图13所示；

(4).对应的第二个阶段的产量提高，燃料比降低，煤比提高，各个参数都趋于稳定，如图14所示。

Claims (1)

1.一种高炉稳定顺行的无钟布料方法，其特征在于：将高炉布料矩阵的设置按照角度大小分为边缘，中间及中心三个部位；在设置了圈数的档位中，将最靠近高炉中心的两个档位定义为中心，将最靠近炉墙的两个档位定义为边缘，除去中心和边缘的几个档位定义为中间；炉墙部位的O/C为其中n_o1为矿石在最靠近炉墙的第一个档位的圈数，n_o2为矿石在靠近炉墙的第二个档位的圈数，N_o为矿石总圈数，w_o为矿石批重，n_c1为焦炭在靠近炉墙的第一个档位的圈数，n_c2为焦炭在靠近炉墙的第二个档位的圈数，N_c为矿石总圈数，w_c为焦炭批重，同理可以得到中心部位的矿焦比(O/C)_C和中间部位的矿焦比(O/C)_M，设定料层结构系数按照给定的高炉操作条件，在等比例缩小的高炉冷布料模型上，确保模型和实际高炉的料流轨迹相同以及气流对固体料层的影响相同以确保矿焦比O/C在炉喉径向的分布相同；在此基础上确定冷布料实验模型的参数；在高炉冷布料模型上进行料层结构径向分布的实验，得到稳定收敛的焦炭和矿石层结构后，测量焦窗厚度在炉喉径向的分布T₁，T₂···T_n；并求得其最小值T_min和平均值T_a，定义最薄焦窗厚度建立料层结构系数χ与最薄焦窗厚度δ的相关性方程δ＝f(χ)，并利用该相关性方程，调整布料矩阵的档位，圈数，总圈数的设置，以及批重，使得该布料制度的选择满足设定最薄焦窗厚度的需求。