D0L:10.13374.issn1001-053x.2013.06.014 第35卷第6期 北京科技大学学报 Vol.35 No.6 2013年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2013 高炉原燃料分级布料过程及时序 赵宏博12)，滕召杰1)凶，程树森)，唐文权3) 1)北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 3)中冶京诚工程技术有限公司，北京100176 ☒通信作者，E-mail:tengzhaojie2012@163.com 摘要针对目前高炉原燃料质量恶化导致料柱压差升高的现状，寻求通过布料改善料柱透气性的方法.研究表明：不 同粒径颗粒的混合会减小散料层的空隙度，降低透气性：减少颗粒混合，可以提高空隙度.为了改善散料层的透气性，研 究了原燃料按颗粒大小分级布料的方式、不同粒级炉料的装料顺序及周期，同时分析了串罐、两并罐及三并罐无钟炉项 的布料特点.研究结果对降低高炉料柱压差及保障高炉稳定顺行有重要作用. 关键词高炉：布料：时序：压差：粒度 分类号TF543.3 Graded charging process and time series of raw materials for blast furnaces ZHAO Hong-bo 1.2),TENG Zhao-jie1),CHENG Shu-sen1),TANG Wen-quan 3) 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)MCC Capital Engineering and Research Incorporation Limited,Beijing 100176,China Corresponding author,E-mail:tengzhaojie2012@163.com ABSTRACT To counter the condition that quality deterioration of raw materials causes the pressure drop in a blast furnace increasing,new burden charging methods are sought to improve the permeability.Study results show that mixing different size particles can decrease the voidage and thus worsen the permeability,but decreasing the particle mixing can increase the permeability.In order to improve the permeability,the grading patterns,the sequence and period for charging different sizes of raw materials were studied in turn.And also the burden charging characteristics of cascade hoppers,two parallel hoppers,and three parallel hoppers were researched.The study result is very important in decreasing the pressure drop and keeping the BF stability and smooth. KEY WORDS blast furnaces;burden;time series;pressure drop;particle size 由于原燃料质量变差，烧结矿低温还原粉化性料罐的个数、串并联方式、布料时序及周期对无 能及焦炭强度的变坏，导致高炉料柱透气性降低，钟炉顶高炉顺利实现以上分级布料方式具有重要影 特别是不同粒度烧结矿的混装、不同粒度焦炭的混响.目前国内外使用无钟炉顶设备装料，根据料罐 装以及中心加焦所用的焦炭粒度的不匀，均严重减的不同分为串罐式、两并罐式和三并罐式三种，不 小了高炉料柱的空隙度，恶化了高炉料柱的透气性.同的无钟炉顶对布料的影响有一定的差别口串罐 将烧结矿分为两级（大块烧结矿和小块烧结矿）、焦 式无钟炉顶炉内偏析较小，炉料在高炉周向上分布 炭分为三级（小焦丁、焦炭和中心焦）按照布料时序 均匀，但其装料能力小：并罐无钟炉顶装料能力大， 和周期分别装入高炉，能够保证料柱透气性最好.但由于料罐中心线与高炉中心线不重合，料流在喉 收稿日期：2012-07-23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(60872147)：中央高校基本科研业务费专项(FRF-TP-12-029A)
第 35 卷 第 6 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 6 2013 年 6 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun. 2013 高炉原燃料分级布料过程及时序 赵宏博1,2)，滕召杰1) ，程树森1)，唐文权3) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 3) 中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176 通信作者，E-mail: tengzhaojie2012@163.com 摘 要 针对目前高炉原燃料质量恶化导致料柱压差升高的现状，寻求通过布料改善料柱透气性的方法. 研究表明：不 同粒径颗粒的混合会减小散料层的空隙度，降低透气性；减少颗粒混合，可以提高空隙度. 为了改善散料层的透气性，研 究了原燃料按颗粒大小分级布料的方式、不同粒级炉料的装料顺序及周期，同时分析了串罐、两并罐及三并罐无钟炉顶 的布料特点. 研究结果对降低高炉料柱压差及保障高炉稳定顺行有重要作用. 关键词 高炉；布料；时序；压差；粒度 分类号 TF543.3 Graded charging process and time series of raw materials for blast furnaces ZHAO Hong-bo 1,2), TENG Zhao-jie 1) , CHENG Shu-sen 1), TANG Wen-quan 3) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) MCC Capital Engineering and Research Incorporation Limited, Beijing 100176, China Corresponding author, E-mail: tengzhaojie2012@163.com ABSTRACT To counter the condition that quality deterioration of raw materials causes the pressure drop in a blast furnace increasing, new burden charging methods are sought to improve the permeability. Study results show that mixing different size particles can decrease the voidage and thus worsen the permeability, but decreasing the particle mixing can increase the permeability. In order to improve the permeability, the grading patterns, the sequence and period for charging different sizes of raw materials were studied in turn. And also the burden charging characteristics of cascade hoppers, two parallel hoppers, and three parallel hoppers were researched. The study result is very important in decreasing the pressure drop and keeping the BF stability and smooth. KEY WORDS blast furnaces; burden; time series; pressure drop; particle size 由于原燃料质量变差，烧结矿低温还原粉化性 能及焦炭强度的变坏，导致高炉料柱透气性降低， 特别是不同粒度烧结矿的混装、不同粒度焦炭的混 装以及中心加焦所用的焦炭粒度的不匀，均严重减 小了高炉料柱的空隙度，恶化了高炉料柱的透气性. 将烧结矿分为两级 (大块烧结矿和小块烧结矿)、焦 炭分为三级 (小焦丁、焦炭和中心焦) 按照布料时序 和周期分别装入高炉，能够保证料柱透气性最好. 料罐的个数、串并联方式、布料时序及周期对无 钟炉顶高炉顺利实现以上分级布料方式具有重要影 响. 目前国内外使用无钟炉顶设备装料，根据料罐 的不同分为串罐式、两并罐式和三并罐式三种，不 同的无钟炉顶对布料的影响有一定的差别 [1] . 串罐 式无钟炉顶炉内偏析较小，炉料在高炉周向上分布 均匀，但其装料能力小；并罐无钟炉顶装料能力大， 但由于料罐中心线与高炉中心线不重合，料流在喉 收稿日期：2012–07–23 基金项目：国家自然科学基金资助项目 (60872147)；中央高校基本科研业务费专项 (FRF-TP-12-029A) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.06.014
第6期 赵宏博等：高炉原燃料分级布料过程及时序 ·715· 管内发生“蛇形”运动，料流落点在溜槽上形成椭 一E=0.3 圆轨迹，导致炉料的不均匀分布2-到：对于三并罐 -E=0.4 5 -e=0.5 无钟炉顶，单个料罐容积小，炉料颗粒的偏析比并 4 罐小，料罐的装料能力大)，可以实现一批炉料分 以 级六次入炉5-6，但其安装维护成本高. 2 目前国内无钟炉顶设备装料多采用一批矿石 1 加一批焦炭的装料方式，操作便捷，周期短，装料 0,4 能力强，但当原燃料条件差、粒级多时，料柱透气 06 0.81.01.21.4 空炉煤气速度/(ms) 性恶化，尤其对于大型巨型高炉，原料条件影响更 图1空隙度对高炉压降梯度的影响 大.部分研究者通过实验研究烧结矿分级入炉表明， Fig.1 Effect of voidage on pressure drop gradient 分级入炉有利于改善料柱透气性-剑.本文参照国 内外不同高炉的操作情况，分析原燃料分级布料方 4/d.=0.5 式以及时序，研究一批料不同装料次数的周期，为 0.3 0.4 无料钟炉顶设备及装料方式的选择提供参考. 0.3 1分级入炉对料柱透气性的影响 透气性是散料层的一个最重要的气体力学特 0.20 0.05 0.02 性，它表示在一定条件下，气体通过料层能力的大 V人0 小.影响高炉料柱透气性的因素包括入炉原料的粒 0.2 0.4 0.60.8 V/V 度、空隙度、形状系数等.根据Ergun公式，分析 d一细粒级直径；d。一粗粒级直径：V一细粒级量：一总量 透气性的影响因素 图2两种粒度球形混合物的空隙度[10 岩-0×-+1 Fig.2 Voidage of spherical particles mixed by two kinds of (1) size[10] 1.2粒度对中心焦柱透气性的影响 式中：△p为压差，Pa;H为料柱高度，m:n为气 根据Ergm公式，颗粒的当量直径越小，高炉 体黏度，Pas:v为空炉气流流速，ms-1:e为空隙 料柱的压差越大.在高炉操作中，为了保证高炉中 度：d。为当量直径，m:Φ为形状系数：p为气体密 心的透气性，应尽量避免高炉中心颗粒的混合，增 度，kgm-3. 大焦炭粒径，为此可通过在高炉中心单独加入少量 1.1空隙度对料柱透气性的影响 粒度大，颗粒均匀的焦炭，改善高炉中心的透气性 料柱空隙度对料柱压差的影响如图1所示.计 图3所示为颗粒直径对压降梯度的影响，计算过程 算过程中选用焦炭颗粒，当量直径30mm,形状系 颗粒形状系数为0.72，空炉煤气速度为1ms-1.对 数0.72，煤气流密度为1.29kg-m-3.从图中可以看 于相同空隙度，颗粒直径增加，料柱的透气性增加 出，透气性随空隙度的减小而减小，当空隙度降到 当颗粒直径小于5mm时，压降梯度突增，透气性 03以下时，料柱的透气性急剧恶化.因此，提高料 严重恶化，为此需要避免小于5mm颗粒入炉 柱的空隙度，对于改善料柱的透气性有很大的作用. 50 对于实际高炉，不同粒级的炉料混合，炉料的 -e=0.3 空隙度会发生变化回.理论计算表明，对于粒度均 日40 。-e=0.4 +一E=0.5 匀的散料，无论颗粒大小，空隙度均在0.5左右，但 随着不同粒度的炉料以不同比例混合后，混合料的 圣20 空隙度大幅度减小.图2所示为不同尺寸颗粒混合 后整体的空隙度变化情况.从图中可以看出，当 小颗粒占总量的约1/3时，空隙度最小，比均匀大 10 20 颗粒或者小颗粒的空隙度都小，这样会大大增加散 当量直径/mm 料层的压差.因此，当大颗粒和小颗粒分级入炉时， 图3颗粒直径对压降梯度的影响 炉料的空隙度增加，其透气性也有所改善. Fig.3 Effect of particle diameter on pressure drop gradient
第 6 期 赵宏博等：高炉原燃料分级布料过程及时序 715 ·· 管内发生 “蛇形” 运动，料流落点在溜槽上形成椭 圆轨迹，导致炉料的不均匀分布 [2−3]；对于三并罐 无钟炉顶，单个料罐容积小，炉料颗粒的偏析比并 罐小，料罐的装料能力大 [4]，可以实现一批炉料分 级六次入炉 [5−6]，但其安装维护成本高. 目前国内无钟炉顶设备装料多采用一批矿石 加一批焦炭的装料方式，操作便捷，周期短，装料 能力强，但当原燃料条件差、粒级多时，料柱透气 性恶化，尤其对于大型巨型高炉，原料条件影响更 大. 部分研究者通过实验研究烧结矿分级入炉表明， 分级入炉有利于改善料柱透气性 [7−8] . 本文参照国 内外不同高炉的操作情况，分析原燃料分级布料方 式以及时序，研究一批料不同装料次数的周期，为 无料钟炉顶设备及装料方式的选择提供参考. 1 分级入炉对料柱透气性的影响 透气性是散料层的一个最重要的气体力学特 性，它表示在一定条件下，气体通过料层能力的大 小. 影响高炉料柱透气性的因素包括入炉原料的粒 度、空隙度、形状系数等. 根据 Ergun 公式，分析 透气性的影响因素. ∆p H = 150 × ηv(1 − ε) 2 (deφ) 2ε 3 v + 1.75(1 − ε) φdeε 3 ρv2 . (1) 式中：∆p 为压差，Pa；H 为料柱高度，m；η 为气 体黏度，Pa·s；v 为空炉气流流速，m·s −1；ε 为空隙 度；de 为当量直径，m；φ 为形状系数；ρ 为气体密 度，kg·m−3 . 1.1 空隙度对料柱透气性的影响 料柱空隙度对料柱压差的影响如图 1 所示. 计 算过程中选用焦炭颗粒，当量直径 30 mm，形状系 数 0.72，煤气流密度为 1.29 kg·m−3 . 从图中可以看 出，透气性随空隙度的减小而减小，当空隙度降到 0.3 以下时，料柱的透气性急剧恶化. 因此，提高料 柱的空隙度，对于改善料柱的透气性有很大的作用. 对于实际高炉，不同粒级的炉料混合，炉料的 空隙度会发生变化 [9] . 理论计算表明，对于粒度均 匀的散料，无论颗粒大小，空隙度均在 0.5 左右，但 随着不同粒度的炉料以不同比例混合后，混合料的 空隙度大幅度减小. 图 2 所示为不同尺寸颗粒混合 后整体的空隙度变化情况 [10] . 从图中可以看出，当 小颗粒占总量的约 1/3 时，空隙度最小，比均匀大 颗粒或者小颗粒的空隙度都小，这样会大大增加散 料层的压差. 因此，当大颗粒和小颗粒分级入炉时， 炉料的空隙度增加，其透气性也有所改善. 图 1 空隙度对高炉压降梯度的影响 Fig.1 Effect of voidage on pressure drop gradient 图 2 两种粒度球形混合物的空隙度 [10] Fig.2 Voidage of spherical particles mixed by two kinds of size[10] 1.2 粒度对中心焦柱透气性的影响 根据 Ergun 公式，颗粒的当量直径越小，高炉 料柱的压差越大. 在高炉操作中，为了保证高炉中 心的透气性，应尽量避免高炉中心颗粒的混合，增 大焦炭粒径，为此可通过在高炉中心单独加入少量 粒度大，颗粒均匀的焦炭，改善高炉中心的透气性. 图 3 所示为颗粒直径对压降梯度的影响，计算过程 颗粒形状系数为 0.72，空炉煤气速度为 1 m·s −1 . 对 于相同空隙度，颗粒直径增加，料柱的透气性增加. 当颗粒直径小于 5 mm 时，压降梯度突增，透气性 严重恶化，为此需要避免小于 5 mm 颗粒入炉. 图 3 颗粒直径对压降梯度的影响 Fig.3 Effect of particle diameter on pressure drop gradient
.716 北京科技大学学报 第35卷 通过以上分析可知，炉料按不同粒级分装时， 2.2装料周期 可以减少料层的颗粒混合，在不改变原料条件下， 装料周期指一批料入炉所需时间，包括高炉的 增加空隙度，提高料柱的透气性. 料罐受料时间、炉料在料罐的停留时间以及经过溜 2分级布料及装料时序 槽的放料时间.装料周期决定无钟炉顶的装料能 力，而高炉炉顶系统装料能力是考核高炉综合性能 2.1分级布料 的重要指标之一.影响炉顶系统装料能力的因素较 分级布料即将一批料按不同粒级大小分多次 多，其中工艺设备的动作流程、设备能力等因素的 装入炉内.表1所示为一批料采用不同分装次数的 影响最明显 装料方式，其中1/2表示将一批料平均分成两次装. 以5500m3高炉PW型无钟炉顶设备为例，研 小烧结矿的粒度为5~12mm,中心焦为筛选的颗粒 究一批料的装料周期.表2给出了料罐受料时间， 大、粒度均匀的焦炭 包括阀门的开关、皮带的上料时间(X)等.由表2 表1料罐装料方式 得出总料罐受料时间为(X+56)s. Table 1 Burden charging methods 表2料罐受料时间 分装次数 装料方式 Table 2 Time of burden receiving 2 焦炭+矿石 序号 步骤 时间/s 焦炭十中心焦十矿石 1 开煤气回收阀3s,停15s 18 (焦炭+大烧结矿+小烧结矿) 2 开排压阀 4 焦炭+中心焦+大烧结矿+小烧结矿 3 开上密封阀 3 焦炭+中心焦+1/2大烧结矿+ 准备待料 小烧结矿+1/2大烧结矿 5 皮带上料时间 X 焦炭+1/2中心焦+1/2大烧结矿+ 6 延时 5 小烧结矿+1/2大烧结矿+1/2中心焦 7 关上密封阀 3 8 开、关一次均压 11 采用分级布料，将炉料细致划分后入炉，可以 9 开二次均压 3 避免小颗粒填充在大颗粒的空隙中，增大料柱空隙 度.图4所示为炉料分六次装入炉内的示意图.中 表3为无钟炉顶料罐往下放料时间，放料包括 心焦分两次装可以保证中心焦柱的连续性：大烧结 下密封阀的开关、节流阀的开关以及溜槽的旋转布 矿分两次装可以在保证合理批重的情况下，减小料 料时间(Y).由表3得出总放料时间为Y+18s. 罐设计容积，将小烧结矿布在高炉边缘，抑制边缘 表3料罐放料时间 气流，减小炉墙的热负荷，保护炉墙.分级入炉增加 Table 3 Time of burden discharging 高炉布料次数，有可能增加混合层的数量.混合层 序号 步骤 时间/s 的形成是因为小颗粒填充大颗粒之间的间隙，中心 2 开下密封阀 中 2 开料流调节阀 焦单独加不会增加混合层，小烧结矿布到大烧结矿 西 溜槽布料时间 上时会形成混合层，由于小烧结矿布在高炉边缘， 4 等待料空信息 2 对边缘气流有抑制作用，而烧结矿筛分后会改善矿 关料流调节阀 石层整体的透气性 6 关下密封阀 3 表4为皮带上料时间以及高炉溜槽布料时间. 主皮带的装料能力：焦炭1600t-h-1,中心焦800 t-h-1,矿石5700t-h-1,小烧结矿1600t-h-1,溜槽 小烧 转速为8rmin-1，溜槽布料时间与布料圈数有关. 矿石 结矿 高炉矿批150.13t,焦批33.31t.在布料过程中，大 烧结矿一次装和分两次装时，装料的布料矩阵不发 生变化，即刊矿石的布料圈数不发生变化 焦炭 根据上面分析可知，PW无钟炉顶布一罐料的 时间为X+56s+Y+18s.对于相同的布料圈数，当 图4三并罐高炉炉料分六次装入炉内的料面示意图 一批料的装料次数越多，高炉装料周期时间越长 Fig.4 Burden profile in a blast furnace with three parallel hoppers by charging 6 times 对于两并罐和三并罐无钟炉顶，由于炉顶设备有多
· 716 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 通过以上分析可知，炉料按不同粒级分装时， 可以减少料层的颗粒混合，在不改变原料条件下， 增加空隙度，提高料柱的透气性. 2 分级布料及装料时序 2.1 分级布料 分级布料即将一批料按不同粒级大小分多次 装入炉内. 表 1 所示为一批料采用不同分装次数的 装料方式，其中 1/2 表示将一批料平均分成两次装. 小烧结矿的粒度为 5∼12 mm，中心焦为筛选的颗粒 大、粒度均匀的焦炭. 表 1 料罐装料方式 Table 1 Burden charging methods 分装次数 装料方式 2 焦炭 + 矿石 3 焦炭 + 中心焦 + 矿石 (焦炭 + 大烧结矿 + 小烧结矿) 4 焦炭 + 中心焦 + 大烧结矿 + 小烧结矿 5 焦炭 + 中心焦 +1/2 大烧结矿 + 小烧结矿 +1/2 大烧结矿 6 焦炭 +1/2 中心焦 +1/2 大烧结矿 + 小烧结矿 +1/2 大烧结矿 +1/2 中心焦 采用分级布料，将炉料细致划分后入炉，可以 避免小颗粒填充在大颗粒的空隙中，增大料柱空隙 度. 图 4 所示为炉料分六次装入炉内的示意图. 中 心焦分两次装可以保证中心焦柱的连续性；大烧结 矿分两次装可以在保证合理批重的情况下，减小料 罐设计容积，将小烧结矿布在高炉边缘，抑制边缘 气流，减小炉墙的热负荷，保护炉墙. 分级入炉增加 高炉布料次数，有可能增加混合层的数量. 混合层 的形成是因为小颗粒填充大颗粒之间的间隙，中心 焦单独加不会增加混合层，小烧结矿布到大烧结矿 上时会形成混合层，由于小烧结矿布在高炉边缘， 对边缘气流有抑制作用，而烧结矿筛分后会改善矿 石层整体的透气性. 图 4 三并罐高炉炉料分六次装入炉内的料面示意图 Fig.4 Burden profile in a blast furnace with three parallel hoppers by charging 6 times 2.2 装料周期 装料周期指一批料入炉所需时间，包括高炉的 料罐受料时间、炉料在料罐的停留时间以及经过溜 槽的放料时间. 装料周期决定无钟炉顶的装料能 力，而高炉炉顶系统装料能力是考核高炉综合性能 的重要指标之一. 影响炉顶系统装料能力的因素较 多，其中工艺设备的动作流程、设备能力等因素的 影响最明显. 以 5500 m3 高炉 PW 型无钟炉顶设备为例，研 究一批料的装料周期. 表 2 给出了料罐受料时间， 包括阀门的开关、皮带的上料时间 (X) 等. 由表 2 得出总料罐受料时间为 (X+56) s. 表 2 料罐受料时间 Table 2 Time of burden receiving 序号 步骤 时间/s 1 开煤气回收阀 3 s，停 15 s 18 2 开排压阀 5 3 开上密封阀 3 4 准备待料 8 5 皮带上料时间 X 6 延时 5 7 关上密封阀 3 8 开、关一次均压 11 9 开二次均压 3 表 3 为无钟炉顶料罐往下放料时间，放料包括 下密封阀的开关、节流阀的开关以及溜槽的旋转布 料时间 (Y ). 由表 3 得出总放料时间为 Y +18 s. 表 3 料罐放料时间 Table 3 Time of burden discharging 序号 步骤 时间/s 1 开下密封阀 3 2 开料流调节阀 3 3 溜槽布料时间 Y 4 等待料空信息 2 5 关料流调节阀 7 6 关下密封阀 3 表 4 为皮带上料时间以及高炉溜槽布料时间. 主皮带的装料能力：焦炭 1600 t·h −1，中心焦 800 t·h −1，矿石 5700 t·h −1，小烧结矿 1600 t·h −1，溜槽 转速为 8 r·min−1，溜槽布料时间与布料圈数有关. 高炉矿批 150.13 t，焦批 33.31 t. 在布料过程中，大 烧结矿一次装和分两次装时，装料的布料矩阵不发 生变化，即矿石的布料圈数不发生变化. 根据上面分析可知，PW 无钟炉顶布一罐料的 时间为 X+56 s+Y +18 s. 对于相同的布料圈数，当 一批料的装料次数越多，高炉装料周期时间越长. 对于两并罐和三并罐无钟炉顶，由于炉顶设备有多
第6期 赵宏博等：高炉原燃料分级布料过程及时序 717· 表4流槽布料及皮带上料时间 Table 4 Time of rotating chute charging and belt conveying 代号 炉料批次 批重/t 体积/m3 圈数 皮带上料时间，X/s 溜槽布料时间，Y/s F 大烧结矿 142.620 77.56 11 92.0 82.5 F1 1/2大烧结矿 71.310 38.78 11 46.0 82.5 F2 1/2大烧结矿 71.310 38.78 11 46.0 82.5 SS 小烧结矿 7.510 4.42 1 17.0 7.5 C 焦炭 29.980 66.62 12 68.0 90.0 CC 中心焦 3.330 7.40 15.0 15.0 CC1 1/2中心焦 1.665 3.70 1 7.5 7.5 CC2 1/2中心焦 1.665 3.70 7.5 7.5 个料罐，因此高炉受料和放料可以同时进行，减少 罐式无钟炉顶炉料分三次布料周期为431s. 装料周期. 图6所示为两并罐炉顶炉料分四次装入炉内的 图5所示为串罐式无钟炉顶炉料分三次装入炉 时序图，图中符号对应表4中的批次.由于并罐设 内的时序图，其中矿石从上料罐落到下料罐所需时 备存在偏析，为了减少偏析的影响，在布料时两罐 间为235，焦炭为20s,中心焦为5s.图中0表示 轮流装料，炉料分四次布料的周期为480.5s. 矿石，C表示焦炭，CC表示中心焦.“受”表示料罐 图7所示为三并罐炉顶炉料分六次装入炉内的 接受皮带上料，“放”表示料罐往下放料：“空”表示 时序图，图中符号对应表4中的批次.从图中可知， 料罐为空，“等”表示料罐等待放料.经过分析，串 三并罐无钟炉顶分六次装料的周期为499.5s. 上料罐 受C(124s) 放C(20s) 受CC(71s) 等 放CC(5s) 受0(151s) 放0(23s 受C(124s) 下料罐 空 受C(20s) 受C(108s) 受CC(5s) 放CC(33s) 受0(23s)放0(100.5s 等 装料周期 图5串罐分级布料时序 Fig.5 Time series of raw materials charging by size for cascade hoppers 1号罐 受C(124s) 放C(108s) 受F(148s) 放F(100.5s) 受C(124s) 2号罐 空 受CC(71s)等 放CC(33s)空受SS(73s)等 放SS(25.5s) 装料周期 图6两并罐分级布料时序 Fig.6 Time series of raw materials charging by size for 2 parallel hoppers 1号锤受C(124s)放C(108s) 空 受SS(738等放SS(25.2s空 受C(1248) 2号罐 空 受CC(71s等放CC1(25.55 等 放CC(25.5s 3号罐 空 空 受F1(102s)放F1(100.5s) 受F2(102s) 放F2(100.5s)空 装料周期 图7三并罐分级布料时序 Fig.7 Time series of raw materials charging by size for 3 parallel hoppers 根据装料周期，串罐式无钟炉顶分三次装料， 高炉有效容积利用系数为2.4td-1m-3,吨铁消耗 每天最大装料批次为(24×3600)/431≈200：两并 矿石1.62t,高炉矿石批重为150.13t,根据高炉生 罐分四次装料，每天最大装料批次为(24×3600)/ 产，每天装料批次为(5500×2.4×1.62)/150.13≈142. 480.5≈179；三并罐分六次装料，每天最大装料批次 高炉在正常生产过程中，为了留有一定的赶料 为(24×3600)/499.5≈173. 空间，要求正常生产时高炉的装料能力小于高炉总 高炉每天装料批次与高炉冶炼强度有关.假设 的装料能力的80%.通过以上分析，高炉正常生产
第 6 期 赵宏博等：高炉原燃料分级布料过程及时序 717 ·· 表 4 溜槽布料及皮带上料时间 Table 4 Time of rotating chute charging and belt conveying 代号 炉料批次 批重/t 体积/m3 圈数 皮带上料时间, X/s 溜槽布料时间, Y /s F 大烧结矿 142.620 77.56 11 92.0 82.5 F1 1/2 大烧结矿 71.310 38.78 11 46.0 82.5 F2 1/2 大烧结矿 71.310 38.78 11 46.0 82.5 SS 小烧结矿 7.510 4.42 1 17.0 7.5 C 焦炭 29.980 66.62 12 68.0 90.0 CC 中心焦 3.330 7.40 2 15.0 15.0 CC1 1/2 中心焦 1.665 3.70 1 7.5 7.5 CC2 1/2 中心焦 1.665 3.70 1 7.5 7.5 个料罐，因此高炉受料和放料可以同时进行，减少 装料周期. 图 5 所示为串罐式无钟炉顶炉料分三次装入炉 内的时序图，其中矿石从上料罐落到下料罐所需时 间为 23 s，焦炭为 20 s，中心焦为 5 s. 图中 O 表示 矿石，C 表示焦炭，CC 表示中心焦. “受” 表示料罐 接受皮带上料，“放” 表示料罐往下放料；“空” 表示 料罐为空，“等” 表示料罐等待放料. 经过分析，串 罐式无钟炉顶炉料分三次布料周期为 431 s. 图 6 所示为两并罐炉顶炉料分四次装入炉内的 时序图，图中符号对应表 4 中的批次. 由于并罐设 备存在偏析，为了减少偏析的影响，在布料时两罐 轮流装料，炉料分四次布料的周期为 480.5 s. 图 7 所示为三并罐炉顶炉料分六次装入炉内的 时序图，图中符号对应表 4 中的批次. 从图中可知， 三并罐无钟炉顶分六次装料的周期为 499.5 s. 图 5 串罐分级布料时序 Fig.5 Time series of raw materials charging by size for cascade hoppers 图 6 两并罐分级布料时序 Fig.6 Time series of raw materials charging by size for 2 parallel hoppers 图 7 三并罐分级布料时序 Fig.7 Time series of raw materials charging by size for 3 parallel hoppers 根据装料周期，串罐式无钟炉顶分三次装料， 每天最大装料批次为 (24×3600)/431≈200； 两并 罐分四次装料，每天最大装料批次为 (24×3600)/ 480.5≈179；三并罐分六次装料，每天最大装料批次 为 (24×3600)/499.5≈173. 高炉每天装料批次与高炉冶炼强度有关. 假设 高炉有效容积利用系数为 2.4 t·d −1 ·m−3，吨铁消耗 矿石 1.62 t，高炉矿石批重为 150.13 t，根据高炉生 产，每天装料批次为 (5500×2.4×1.62)/150.13≈142. 高炉在正常生产过程中，为了留有一定的赶料 空间，要求正常生产时高炉的装料能力小于高炉总 的装料能力的 80%. 通过以上分析，高炉正常生产
.718 北京科技大学学报 第35卷 每天需要装142批料，而不同设备的最大装料能力 料能力及特点的不同，在选择时需要综合考虑 分别为200批、179批和173批，计算得到装料量占 决定选择哪种形式（串罐，两并罐，三并罐）前， 总的装料能力分别为71.0%、79.4%和82.1%.当正 需根据高炉采用装料技术的项目（是否采用烧结刊矿 常生产时，装料设备一般需要预留15%20%的装 分级入炉，中心加焦，焦丁利用)，确定批料分装次 料能力用来赶料.当炉料进一步分级时，正常生产 数，然后根据料批重和日装料量绘制装料时序图， 难以满足小于总装料能力80%~85%的要求.由此 用正常料批（不用最大料批）验算其作业率是否足 可知，串罐炉顶可实现一批料分三次入炉，两并罐 够.根据装料周期分析可知，无钟炉顶料罐数量增 炉顶可以实现炉料分四次入炉，三并罐炉顶可实现 加，高炉装料能力增加，炉料颗粒分级更细致.国际 一批料分六次入炉的操作.炉料分级次数越多，装 上已有的装料技术有：(1)大小烧结分级入炉：(2) 料周期越长，装料能力越难满足.对于不同的高炉， 中心加焦，一批料加一次：(3)中心加焦，一批料加 由于批重、利用系数、吨铁矿石消耗量等参数不同， 两次：(4)大块矿石分成两罐装.其中还包括炉顶均 可以根据装料时序图分析装料周期. 压煤气的回收等.如果只采用(1)，一批料只需分三 2.3炉料分装对料罐的影响 次装（一次大烧结+球团+块矿，一次小烧结，一 根据国内外的研究经验，高炉操作者提出了大 次焦炭)，如果采用(1)+(2)，就需要实现一批料分 料批操作的方式，即在高炉布料过程中，提高炉料 四次装.当采用全部技术时，需要一批料分六次装. 的批重，增加料层厚度，从而减少混合层的数量， 在选择炉顶设备时，需要根据采用的装料方式及次 增大料柱的透气性.随着高炉喷煤量的增加，高炉 数，以及设备的特点来选择.在选择炉顶设备时，还 总的矿焦比增加，对于部分高炉，矿焦比达到56， 需要考虑并罐式无钟炉顶“蛇形偏析”对高炉内炉 在装料时料罐的容积限制了最大矿批：矿焦比一定 料分布的影响 时，高炉的焦批就只能随之减小，限制了高炉的装 通过对比可知，对于相同的批重，三并罐炉顶 料及生产 的料罐容积比两并罐小.对于大修高炉，将原高炉 对于容积为80m3的高炉料罐，单个料罐最大 两并罐改成小容积的三并罐炉顶，在主皮带头轮标 装矿量为140t,当高炉焦比为270kgt-1,煤比为 高不动的情况下让高炉大修多扩容，是小容积三并 230kgt-1时，折算焦批为140×0.270/1.62t≈23.33 罐无钟炉顶最重要的优点和最主要的采用场合 t.对于大批重炉料操作，该焦批偏小，批重没有提 国内高炉采用的是串罐式无钟炉顶及并罐式 升的空间.当将一批矿石分两罐装时，高炉的最大 无钟炉顶.串罐式无钟炉顶可以采用烧结矿分级入 焦批就不受矿批的限制.表5为采用两并罐和三并 炉方式，即将烧结矿按粒度筛分为大烧结矿和小烧 罐炉顶时，设备装料能力的对比.由表5可知，当 结矿，其中小烧结矿布在高炉边缘，抑制边缘气流， 料罐数量增加时，对于相同的批重，单个料罐的容 同时改善矿石层透气性.并罐式无钟炉顶可以采用 积减小 炉料分四次装入高炉，在烧结矿分级后，同时筛分 表5料罐容积与最大装焦量 出部分中心焦，采用定时单独加入少量中心焦的方 Table 5 Relationship between hopper volume and maxi- 式，保证高炉中心的透气性 mum coke amount 4结论 料罐种类 料罐容积/m3 最大焦批/： 两并罐 120/110/100 36/33/30 (1)不同粒径颗粒混合降低料柱的空隙度，影 三并罐 80/75/70 36.0/33.8/31.5 响高炉的透气性，通过将不同颗粒的炉料分级入炉， 在不改变原料条件下，可以改善料柱的透气性 3炉顶设备的选择 (2)不同的无钟炉顶设备装料能力不同.对于串 高炉大型化需要的原燃料质量越来越高.随着 罐无钟炉顶，一批料可实现分三次装入炉内：并罐 高品质原燃料的减少以及价格上涨，势必增加高炉 无钟炉顶可以分四次装入炉料，实现大小烧结矿分 生产成本.为了降低生产成本，大型高炉增加小块 级入炉和中心加焦；三并罐无钟炉顶可以将一批料 焦、小粒度烧结矿、粉矿用量，采用低品位矿、低 分六次装入炉内，矿石分成两次装，在喷煤量加大 品位焦炭是必然趋势.在原燃料恶化的条件下，采 的情况下，不减焦炭批重，又可以将中心焦分成两 用灵活的布料制度对改善高炉的气流分布，保持高 次装，改善了中心焦的贯通性 炉的稳定生产尤为重要.不同无钟炉顶设备由于装 (3)根据高炉布料过程所采用的装料方式不同
· 718 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 每天需要装 142 批料，而不同设备的最大装料能力 分别为 200 批、179 批和 173 批，计算得到装料量占 总的装料能力分别为 71.0%、79.4%和 82.1%. 当正 常生产时，装料设备一般需要预留 15%∼20%的装 料能力用来赶料. 当炉料进一步分级时，正常生产 难以满足小于总装料能力 80%∼85%的要求. 由此 可知，串罐炉顶可实现一批料分三次入炉，两并罐 炉顶可以实现炉料分四次入炉，三并罐炉顶可实现 一批料分六次入炉的操作. 炉料分级次数越多，装 料周期越长，装料能力越难满足. 对于不同的高炉， 由于批重、利用系数、吨铁矿石消耗量等参数不同， 可以根据装料时序图分析装料周期. 2.3 炉料分装对料罐的影响 根据国内外的研究经验，高炉操作者提出了大 料批操作的方式，即在高炉布料过程中，提高炉料 的批重，增加料层厚度，从而减少混合层的数量， 增大料柱的透气性. 随着高炉喷煤量的增加，高炉 总的矿焦比增加，对于部分高炉，矿焦比达到 5∼6， 在装料时料罐的容积限制了最大矿批；矿焦比一定 时，高炉的焦批就只能随之减小，限制了高炉的装 料及生产. 对于容积为 80 m3 的高炉料罐，单个料罐最大 装矿量为 140 t，当高炉焦比为 270 kg·t −1，煤比为 230 kg·t −1 时，折算焦批为 140×0.270/1.62 t≈23.33 t. 对于大批重炉料操作，该焦批偏小，批重没有提 升的空间. 当将一批矿石分两罐装时，高炉的最大 焦批就不受矿批的限制. 表 5 为采用两并罐和三并 罐炉顶时，设备装料能力的对比. 由表 5 可知，当 料罐数量增加时，对于相同的批重，单个料罐的容 积减小. 表 5 料罐容积与最大装焦量 Table 5 Relationship between hopper volume and maximum coke amount 料罐种类 料罐容积/m3 最大焦批/t 两并罐 120/110/100 36/33/30 三并罐 80/75/70 36.0/33.8/31.5 3 炉顶设备的选择 高炉大型化需要的原燃料质量越来越高. 随着 高品质原燃料的减少以及价格上涨，势必增加高炉 生产成本. 为了降低生产成本，大型高炉增加小块 焦、小粒度烧结矿、粉矿用量，采用低品位矿、低 品位焦炭是必然趋势. 在原燃料恶化的条件下，采 用灵活的布料制度对改善高炉的气流分布，保持高 炉的稳定生产尤为重要. 不同无钟炉顶设备由于装 料能力及特点的不同，在选择时需要综合考虑. 决定选择哪种形式 (串罐，两并罐，三并罐) 前， 需根据高炉采用装料技术的项目 (是否采用烧结矿 分级入炉，中心加焦，焦丁利用)，确定批料分装次 数，然后根据料批重和日装料量绘制装料时序图， 用正常料批 (不用最大料批) 验算其作业率是否足 够. 根据装料周期分析可知，无钟炉顶料罐数量增 加，高炉装料能力增加，炉料颗粒分级更细致. 国际 上已有的装料技术有：(1) 大小烧结分级入炉；(2) 中心加焦，一批料加一次；(3) 中心加焦，一批料加 两次；(4) 大块矿石分成两罐装. 其中还包括炉顶均 压煤气的回收等. 如果只采用 (1)，一批料只需分三 次装 (一次大烧结 + 球团 + 块矿，一次小烧结，一 次焦炭)，如果采用 (1)+(2)，就需要实现一批料分 四次装. 当采用全部技术时，需要一批料分六次装. 在选择炉顶设备时，需要根据采用的装料方式及次 数，以及设备的特点来选择. 在选择炉顶设备时，还 需要考虑并罐式无钟炉顶 “蛇形偏析” 对高炉内炉 料分布的影响. 通过对比可知，对于相同的批重，三并罐炉顶 的料罐容积比两并罐小. 对于大修高炉，将原高炉 两并罐改成小容积的三并罐炉顶，在主皮带头轮标 高不动的情况下让高炉大修多扩容，是小容积三并 罐无钟炉顶最重要的优点和最主要的采用场合. 国内高炉采用的是串罐式无钟炉顶及并罐式 无钟炉顶. 串罐式无钟炉顶可以采用烧结矿分级入 炉方式，即将烧结矿按粒度筛分为大烧结矿和小烧 结矿，其中小烧结矿布在高炉边缘，抑制边缘气流， 同时改善矿石层透气性. 并罐式无钟炉顶可以采用 炉料分四次装入高炉，在烧结矿分级后，同时筛分 出部分中心焦，采用定时单独加入少量中心焦的方 式，保证高炉中心的透气性. 4 结论 (1) 不同粒径颗粒混合降低料柱的空隙度，影 响高炉的透气性，通过将不同颗粒的炉料分级入炉， 在不改变原料条件下，可以改善料柱的透气性. (2) 不同的无钟炉顶设备装料能力不同. 对于串 罐无钟炉顶，一批料可实现分三次装入炉内；并罐 无钟炉顶可以分四次装入炉料，实现大小烧结矿分 级入炉和中心加焦；三并罐无钟炉顶可以将一批料 分六次装入炉内，矿石分成两次装，在喷煤量加大 的情况下，不减焦炭批重，又可以将中心焦分成两 次装，改善了中心焦的贯通性. (3) 根据高炉布料过程所采用的装料方式不同
第6期 赵宏博等：高炉原燃料分级布料过程及时序 ·719· 可选用不同的炉顶设备.对于已安装的无钟炉顶设 (胡俊鸽.张东丽，周文涛，等.JFE应对高炉低质量原燃料 备，可以根据设备装料能力选用原燃料分级布料制 的技术措施.世界钢铁，2010(4)：1) 度，提高原燃料的利用率 [6]Xiang Z Y,Wang X L.Blast Furnace Design:Design Theory and Practice of Ironmaking Technology.Beijing: Metallurgical Industry Press,2007:437 参考文献 (项钟庙，王筱留.高炉设计：炼铁工艺设计理论及实践.北 京：治金工业出版社，2007：437) [1]Liu YC.Regulation of Burden Discharging for Blast Fur- naces.Beijing:Metallurgical Industry Press,2005:10 [7 Wang Z Y,Wang Y Q,Xing B C,et al.Experiment and (刘云彩.高炉布料规律.北京：冶金工业出版社，2005：10) study on BF filling by fraction size of sinter.Angang Tech- nol,2003(6:23 [2]Du P Y,Cheng S S,Teng Z J.Research of snakelike devi- (王再义，王尤清，邢本策，等.烧结矿分级入炉技术实验研 ation in the burden distribution of a parallel-hopper bell- less top.J Univ Sci Technol Beijing,2011,33(4):479 究.鞍钢技术，2003(6)：23) (杜鹏宇，程树森，滕召杰.并罐式无钟炉顶布料蛇形偏料 [8 Tu C L.BF feeding by sinter size fraction in No.7 BF of 的研究.北京科技大学学报，2011,33(4)：479) LY Steel.South Met,2011(3):41 [3]Ren T Z,Jin X,Ben H Y.Burden distribution for bell-less (涂春林.烧结矿分级入炉在链钢7号高炉的应用.南方金 top with two parallel hoppers.J Iron Steel Res Int,2006 属，2011(3)：41) 132):14 [9]Fu S M,Liu Z J,An Y P.Gas Dyamics of Blast Furnace [4]Liu J,Zhou Q.The technical characteristics of three paral- Process.Beijing:Metallurgical Industry Press,1990:7 lel hoppers equipments of bell-less top.Ironmaking,2012, (傅世敏，刘子久，安云沛.高炉过程气体动力学[M.北京： 31(1):26 冶金工业出版社，1990：7) (刘菁，周强.三并罐无料钟炉顶装料设备的技术特点.炼[10]Zhou C D.Technical Manual of Ironmaking Process for 铁.2012,31(1：26) Blast Furnaces.Beijing:Metallurgical Industry Press, [5]Hu J G,Zhang D L,Zhou W T,et al.Technical measures 2002:6 to reply low quality raw fuel materials of blast furnace for (周传典.高炉炼铁生产技术手册.北京：治金工业出版社 JFE.World Iron Steel,2010(4):1 2002:6)
第 6 期 赵宏博等：高炉原燃料分级布料过程及时序 719 ·· 可选用不同的炉顶设备. 对于已安装的无钟炉顶设 备，可以根据设备装料能力选用原燃料分级布料制 度，提高原燃料的利用率. 参 考 文 献 [1] Liu Y C. Regulation of Burden Discharging for Blast Furnaces. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2005: 10 (刘云彩. 高炉布料规律. 北京: 冶金工业出版社, 2005: 10) [2] Du P Y, Cheng S S, Teng Z J. Research of snakelike deviation in the burden distribution of a parallel-hopper bellless top. J Univ Sci Technol Beijing, 2011, 33(4): 479 (杜鹏宇, 程树森, 滕召杰. 并罐式无钟炉顶布料蛇形偏料 的研究. 北京科技大学学报，2011，33(4)：479) [3] Ren T Z, Jin X, Ben H Y. Burden distribution for bell-less top with two parallel hoppers. J Iron Steel Res Int, 2006, 13(2): 14 [4] Liu J, Zhou Q. The technical characteristics of three parallel hoppers equipments of bell-less top. Ironmaking, 2012, 31(1): 26 (刘菁, 周强. 三并罐无料钟炉顶装料设备的技术特点. 炼 铁, 2012, 31(1): 26) [5] Hu J G, Zhang D L, Zhou W T, et al. Technical measures to reply low quality raw fuel materials of blast furnace for JFE. World Iron Steel, 2010(4): 1 (胡俊鸽, 张东丽, 周文涛, 等. JFE 应对高炉低质量原燃料 的技术措施. 世界钢铁, 2010(4): 1) [6] Xiang Z Y, Wang X L. Blast Furnace Design: Design Theory and Practice of Ironmaking Technology. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2007: 437 (项钟庸, 王筱留. 高炉设计: 炼铁工艺设计理论及实践. 北 京: 冶金工业出版社, 2007: 437) [7] Wang Z Y, Wang Y Q, Xing B C, et al. Experiment and study on BF filling by fraction size of sinter. Angang Technol, 2003(6): 23 (王再义, 王尤清, 邢本策, 等. 烧结矿分级入炉技术实验研 究. 鞍钢技术, 2003(6): 23) [8] Tu C L. BF feeding by sinter size fraction in No.7 BF of LY Steel. South Met, 2011(3): 41 (涂春林. 烧结矿分级入炉在涟钢 7 号高炉的应用. 南方金 属，2011(3)：41) [9] Fu S M, Liu Z J, An Y P. Gas Dynamics of Blast Furnace Process. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1990: 7 (傅世敏, 刘子久, 安云沛. 高炉过程气体动力学 [M]. 北京: 冶金工业出版社, 1990: 7) [10] Zhou C D. Technical Manual of Ironmaking Process for Blast Furnaces. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2002: 6 (周传典. 高炉炼铁生产技术手册. 北京: 冶金工业出版社, 2002: 6)