高炉炉缸内铁水流动物理模拟研究
2021-12-10赵亮张晓光曹东范思鹏车玉满王丽娟
赵亮，张晓光，曹东，范思鹏，车玉满，王丽娟
（海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山 114009）
炉缸是决定高炉寿命的关键部位。炉缸炉底侵蚀一直是高炉一代炉役的限制性环节，炉缸因盛放渣铁液并进行周期性聚集和排出而承受复杂的物理破坏和化学侵蚀。在炉缸中部，风口区和炉身中下部，存在一个焦炭以极其缓慢速度下降的空间，焦炭在这里堆积的疏松度为0.2～0.4，这种焦炭团块称为死料柱。在正常运行的高炉中，死料柱漂浮在铁水里，可能接触炉底砖衬，也可能充满整个炉缸。死料柱的这种分布情况决定了炉缸内铁水流动的复杂性。
不同的研究学者从不同角度，采取不同手段，对死料柱及其行为进行了不同程度的研究。周国凡等人进行了大喷煤条件下铁水环流与炉缸侵蚀的实验研究，研究了炉缸结构和铁口参数对炉缸内铁水环流速度的影响；邵磊等人应用冶金焦堆积的死料柱研究炉缸内铁水流动特性；Akihiko SHIBATA及Matti Juhani Luomala等人研究了死料柱“沉底”以及“漂浮”状态对炉缸铁水流动影响，以及死料柱中心透液性恶化时对铁水流动的影响。本文以鞍钢股份有限公司炼铁总厂3200 m高炉为研究对象，主要探究高炉铁水流动规律及其影响因素，基于相似理论建立炉缸炉底包括多孔介质死料柱的铁水流动实验装置，利用示踪剂测试技术研究高炉炉缸内死料柱的悬浮高度及死料柱特殊状态下对炉缸内铁水流动的影响，分析铁水流场及流动规律。
1 水模拟实验
1.1 实验原理
模型与实际高炉炉缸的几何相似比为1:12，引入修正雷诺数（Re
'）和修正弗洛德数（Fr
'）。
ρ
为液体密度，kg/m；ν
为表观速度，m/s；d
为颗粒直径，m；φ
为颗粒球形度；ε
为死料柱空隙度；μ
为液体动力粘度，Pa·s；g 为重力加速度，m/s。在高炉炉缸内的铁水流动一般可视为粘性不可压缩稳态等温流动。物理模拟实验过程中选用水作为模拟介质。在高炉炉缸内，流动铁水的粘性力与重力同时对流体流动行为起作用。因此，在模拟实验中应满足重力相似与粘性相似。根据流体力学计算理论，实验原型与模拟模型的流动雷诺数均处于第二自模化区域内时，流体在流动过程中的紊乱程度及速度分布几乎不再受雷诺数的影响。在本次模拟实验中，二者都在第二自模区域内，因此只要保证与重力有关的Froude（Fr
）准数相等即可。1.2 炉缸中铁水停留时间计算
由Fr
准数的水与铁水的物理性质，得出模型与实物之间的速度关系为：
u
、u
分别为模型、实物的流体速度，m/s；L
、L
分别为模型、实物的特征长度，m；g为重力加速度，m/s。 则式（3）可写成：
k
=1/12，则相应的模型与原型的关系为L
=（1/12）·L
，u
=（1/12）·u
，Q
=（1/12）·Q
，t
=（1/12）·t
。实验中不直接测定死料柱内的铁水流动速度，而是采用脉冲法测定流体在高炉炉缸内停留时间分布曲线，通过测定平均停留时间来研究死料柱特征参数对炉缸铁水流动的影响。应用平均停留时间表示炉缸内不同部位铁水的停留情况，间接地反映不同部位铁水的流动速度。
1.3 流动区体积比计算
炉缸内流体是由已经停留在炉缸中的微团组成，流体在炉缸内停留时间分布是连续流动系统的一个重要参数，反映了容器内的流动模式。流体在炉缸内的流动模式可分为活塞流、全混合流以及流动死区等。实际高炉炉缸中铁水的流动模式是上述几种流动模式的组合，各种流动模式的比率可由炉缸内流体最短停留时间（t
，s）、最大浓度响应时间（t
，s）、理论平均停留时间（t
=［中间罐液体总容积（V
，m）］/［液体体积流量（Q
，L）］，s）和实际平均停留时间（t
，s）计算得出，其计算式为：
θ
为示踪剂开始出现时无因次时间，θ
=t
/t
；θ
为示踪剂达到最大浓度时无因次时间，θ
=t
/t
；θ
为示踪剂平均浓度时无因次时间，θ
=t
/t
。死区被认为是流动极其缓慢甚至不流动的区域。活塞流及全混流体积的增加可以提高反应器生产效率，同时有均匀铁水成分的作用，但会使炉缸内铁水流速加大，进而加剧铁水流动造成的冲刷侵蚀，威胁炉缸寿命。
2 实验结果分析
高炉炉缸模拟装置示意图见图1。实验中通过炉缸顶盖注水，经过水流分配器使其均匀的滴落至死料柱上方，在炉缸内部铁水到达指定高度后，再经出铁口流出。在水流分配器入口处瞬时注入饱和KCl溶液，同时测量出口处液体电导率的变化，得到的数据经过校正和拟合后绘制示踪剂在炉缸内的停留时间分布曲线（RTD），分析高炉炉缸内铁水流场。已知实验中出铁流量为110 L/h，液位高度为距炉底408 mm，模型死料柱空隙度为0.35，出铁口高度为280 mm。
图1 高炉炉缸模拟装置示意图Fig.1 Schematic Diagram for BF Hearth Simulator
2.1 死料柱悬浮高度对铁水流动的影响
实验过程中通过调整死料柱悬浮高度，即死料柱底部中心距炉底的距离，研究其对炉缸内铁水平均停留时间的影响，悬浮高度分别为0 mm、75 mm、105 mm、155 mm。不同死料柱悬浮高度的铁水停留时间、流动区体积比分别如图2、3所示。
由图2可以看出，死料柱的悬浮高度影响炉缸内铁水的混匀效果。随着死料柱悬浮高度的降低，炉缸内铁水的平均停留时间减少，铁水的混匀时间缩短，有利于炉缸内铁水流场的均匀分布。由图3可以看出，随着死料柱悬浮高度的降低，混合区体积比升高，代表低流速或不流动的死区体积比降低，说明炉缸内铁水流速加快，低流速区域减少，会加剧因铁水流动对炉缸底部的冲刷侵蚀。
图2 不同死料柱悬浮高度的铁水停留时间对比Fig.2 Comparison of Residence Time of Molten Iron with Different Dead-man Hover-heights
图3 不同死料柱悬浮高度的流动区体积比对比Fig.3 Comparison of Volume Ratios of Molten Iron Flow Zone with Different Dead-man Hover-heights
当死料柱悬浮高度为0 mm时，即死料柱沉于炉底（见图4），铁水的平均停留时间、响应时间与最大浓度时间均为最低，代表高流速的混合区体积比达到最大。死料柱处于该状态时，可以提高炉缸内反应器的生产效率，增加出铁量，具有均匀铁水成分的作用。但同时死料柱周围铁水的流动速度加快，这是由于沉于炉底的死料柱促使铁水向壁面周围流动，使炉底铁水过于集中，边部环流增加，炉缸内死区体积比减少，在一定程度上增加了铁水对高炉炉缸壁及炉底的冲刷和侵蚀，因此死料柱沉于底部这一状态有利于提高炉缸内反应器生产效率，但对炉缸炉底寿命造成影响。
图4 炉缸内死料柱沉于炉底Fig.4 Dead-man Submerged to Furnace Floor in BF Hearth
2.2 死料柱倾斜对铁水流动的影响
在实际生产中，死料柱的状态不可能是严格意义上的几何形状，炉缸内死料柱的状态对高炉稳定顺行有较大影响，因此有必要对死料柱在炉缸内发生倾斜等异常情况进行研究。选取死料柱悬浮高度105 mm进行试验，调整死料柱的悬浮状态，保持死料柱底部中心距炉底105 mm，死料柱水平倾斜15°（见图5）。在相同工况条件下与死料柱未发生倾斜的实验进行对比。死料柱倾斜状态的的铁水停留时间、流动区体积比对比分别如图6、7所示。
图5 炉缸内死料柱倾斜Fig.5 Dead-man Inclined in BF Hearth
图6 死料柱倾斜状态的的铁水停留时间对比Fig.6 Comparison of Residence Time of Molten Iron with Dead-man in Inclined State
图7 死料柱倾斜状态的的流动区体积比对比Fig. 7 Comparison of Volume Ratios of Molten Iron Flow Zone with Dead-man in Inclined State
结合图6、7可以看出，死料柱倾斜与正常状态相比，最短停留时间与最大浓度响应时间均下降。代表高流速的混合区体积比由72.91%升高至77.85%，全混流的体积比增加，可提高反应器的生产效率，有均匀铁水成分的作用；代表缓慢流动及不流动的死区体积比由22.81%降至20.23%，说明在死料柱倾斜状态下，炉缸内的铁水流动速度增加明显。这是由于死料柱的倾斜，造成了炉缸内铁水流动的不均匀性，加快了炉缸内铁水的整体流动速度，从而加剧了铁水流动对炉缸壁以及炉底的冲刷侵蚀，不利于高炉长寿。
3 结论
通过水模实验，研究高炉炉缸内死料柱的悬浮高度及特殊状态对炉缸内铁水流动的影响，得出如下结论：
（1）死料柱的悬浮高度影响炉缸内铁水的混匀效果。随着死料柱悬浮高度下降，铁水的混匀时间缩短，有利于炉缸内铁水流场的均匀分布，但铁水流速加快，在一定程度上加剧了流动铁水对炉底的冲刷侵蚀。
（2）当死料柱沉于炉底时，混合区体积比达到最大，有利于提高反应器生产效率，均匀铁水成分，但炉底铁水过于集中，边部环流增加，铁水流速增大，加剧了铁水对高炉炉缸的冲刷和侵蚀，对炉缸炉底寿命造成影响。
（3）当死料柱在炉缸内处于倾斜状态时，炉缸内混合区体积比增加，死区体积比降低，铁水流速增大，加剧了铁水对炉缸壁以及炉底的冲刷侵蚀，不利于高炉长寿。
