油气混吹冷却铁水预处理底吹氧风口

D0I:10.13374/i.issm1001-053x.1991.04.020 第13卷第4(1)期 北京科技大学学报 Vol.13No.4(1) 3391年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing July 1991 油气混吹冷却铁水预处理底吹氧风口 尹弘斌·吴平男* 摘要：在使用轻质油品冷却铁水顶处理底吹氧风口时，遇到了较严重的风口环缝的结炭 转塞，以及风口冷却操作的不稳定问题。文中就此提出并尝试了袖混氮气或二氧化碳气体冷 却风口的方法。理论和实践均表明，该方法可以避免管壁结炭现象，同附兼有促进风口稳定 操作的良好效果。 关键词：底欧氧气风口，冷却，铁水预处理油气混吹 A New Cooling Method of Oxygen Bottom-Blown Tuyere in Hot Metal Pretreatment Process Yin Hongbin Wu Pingnan' ABSTRACT:The tuyere annulus of hot metal pretreatment process was often blocked up by deposit carbon when light oil was used as coolant and the ope- ration of tuyere cooling was very unstable.A new method was studied in which N2 and CO2 was blown with oil simultaneously,in order to prevent the carbon deposition from annulus and improve the stability of the tuyere cooling. This method is very effective for stable tuyere cooling. KEY WORDS:oxygen bottom-blown tuyere,cooling,hot metal pretreatment, oil mixed with gas 在采用底吹氧的铁水预处理治炼过程中，由于吹氧强度和熔池温度受到严格的限制，风 口冷却剂的冷却强度就被约束在较低的范围内。当冷却强度较小的气态碳氢化合物不能在实 际生产中使用时，采用高冷却强度的轻质油冷却风口的工艺遇到了严重的困难。它主要来自 1990-11-31收稿 ·治金系(Department of Metallurgy) 303

知 卷第 山 北 京 科 技 大 学 学 报 一 ，。 年 月 ， 。 。 油气混吹冷却铁水预处理底吹氧风 口 尹 弘斌 ， 吴 平 男 ‘ 摘 要 在使用轻 质油 品冷却 铁水预处 理 底吹 氧风 口 时 ， 遇 到 了较严重的风 口 环缝 的结炭 堵塞 ， 以及风 口 冷却操 作 的不稳 定问题 。 文 中就此提出并 尝试 了油混氮气或 二氧化碳气体冷 却风口 的 方法 。 理 论和实践均表 明 ， 该 方法可 以避免管 壁结 炭现象 ， 同时 兼有促 进风 口 稳定 操 作 的 良好效 果 。 关健词 底 吹氧气风 口 ， 冷却 ， 铁 水预 处理 油气混吹 一 玄 夕 ， 不犷 ” 。 ， · · 一 ， ， ， 在采用底吹氧的铁水预处理冶炼过程中 ， 由于吹氧强度和熔池温度受到 严格的限制 ， 风 口 冷却 剂 的冷却强 度就被约束在较低的范围 内 。 当冷却强度较小的气态碳氢化合物不能在实 际生产 中使用时 ， 采 用高冷却强度的轻质 油冷却风 口 的 工艺遇到 了 严重的 困难 。 它 主要来 自 一 一 收稿 冶金系 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．04．020

风口的过冷堵塞和风口环缝的结炭堵塞之间的矛盾，并无法通过改善原有工艺得到解决。作 者曾提出1)，降低冷却剂的冷却强度和抑制环缝结炭的出现来解决问题。 轻质油在金属表面结炭主要是其中所含的芳香烃类物质在高油温、高氢分压和长滞留时 间的条件下产生的2,3)。尽管石油化工生产中有许多较实用的金属管壁结炭的清除方法(4)， 但在此均不适用。另外，治炼中单凭改善风口设计与操作也不能从根本上解决问题。因此， 作者构想了油与气体混合冷却风口的方法。 1油气混吹法的设想 从理论上讲，环缝内的油气混合两相流动将使油流速大幅度提高，这一方面降低了油的 出口温度，另一方面也缩短了油在金属管壁环缝内的滞留时间，对油品的结炭起到了较好的 抑制作用。由于两相流传热系数相应增加，不会影响到对管壁的冷却效果。同时，油气混合 可以降低单位时间送入炉内的冷却剂的冷却强度，避免风口顶端过冷的产生。这样就同时达 到了降低油的冷却强度和抑制结炭出现的双重目的。 从技术上讲，只要在供油主线路上增加一条供气旁路就可以实现油气混送的目的，操作 控制简单。这一部分投资可以通过油耗下降得以补偿，而且该方法若能获得成功，经济效益 是十分显著的。另外，油气混吹法将使底部气量增加，有利熔池的搅拌。 考虑到氨气和二氧化碳气价格低廉，来源广泛，决定采用该两种气体做为气源。若铁水 对含氮量有特殊要求，可用二氧化碳气取代。因混入袖品的二氧化碳气不会占很大的比 例，其对混合冷却剂的还原性没有直接影响，混合冷却剂仍具有抑制风口前端高氧势的优越 性。 Annulus 2实验设备与实验方法 LGap for oil 实验仍使用文献〔1)中所述的设备。选用 Gap for gas 了3mm×p6mm的铜管和φ7mm×中10mm的 0i1 不锈钢管，环缝宽度为0.5mm。实验中设计了 一个产生环缝两相流动的装置（如图1示)。 该装置下部通气，上部通油。当气体流经狭缝 时，抽引液体油一同进人环缝流动，达到了均 匀两相流动的目的。装置中的中间部分为-一个 楔状锥，可调节供油狭缝的宽窄，使两相流动 的均匀状况达到最佳。 实验时，将炉温升到一定值，通入固定流 量的油和气体，经一定时间后降至室温，测量 室温下实验前后压差的变化，并取下铜管测量 图1实现均匀两相流的装置 管上沉积炭长度。实验记录全过程外管壁温的 Fig.1 Apparatus for the formation of uniform two-phase flow 变化和油的出口温度。 304

凤 口的过冷堵塞和风 口 环缝 的结 炭堵塞之间的矛盾 ， 并无法通过改善原有工艺得到解决 。 作 者 曾提 出 “ ’ ， 降低冷却剂的冷却强度和抑制环缝 结炭的 出现来解决 问题 。 轻 质油在金属表面结炭 主要是其 中所含的芳香 烃类物质在高油温 、 高氢分压和长滞留时 间的条件下产生的 〔 ， “ ’ 。 尽管石油化工生产 中有许多较实 用的金属管壁结炭 的清除方法 〔 ’ ， 但在此均不适 用 。 另 外 ， 冶炼 中单凭改善凤 口设计与操作也不能从根本上解决 向题 。 因此 ， 作者构想了油与气体混合冷却风 口的 方祛 。 油气混吹法的设想 从理论上讲 ， 环缝 内的油气混合两相流动将使油流速大幅度提高 ， 这一方面降低了 油的 出 口温度 ， 另一方面也缩短了 油在金属管壁环缝 内的滞留时 间 ， 对油品 的 结炭起到 了 较好的 抑 制作 用 。 由于两相流传热 系数相应增加 ， 不会影响到对管壁的 冷却效果 。 同时 ， 油气混合 可以降低单位时间送 入炉 内的 冷却剂的冷却强度 ， 避免风 口顶端过冷的产生 。 这样就同时达 到 了降低 油的冷却强度和抑制结炭 出现的双重 目的 。 从技 术上讲 ， 只 要在供油主线路上增加 一条供气旁路就可以实现油气混送 的 目的 ， 操作 控制简单 。 这一部分投资可 以通过油耗下降得以补偿 ， 而且该方法若能获得成功 ， 经济效益 是十分显著的 。 另外 ， 油气混吹法将使底部气量增加 ， 有利熔池的搅拌 。 考虑到氮气和 二氧化碳气价格低廉 ， 来 源广泛 ， 决定采用 该两种气体做 为气源 。 若 铁水 对含氮量有特殊要求 ， 可用二氧化碳气取代 。 因 馄 入 油 品 的二氧化碳气不会占 很 大 的 比 例 ， 其对混合冷却剂的还原性没 有直 接影响 ， 混合冷却剂仍具有抑制风 口前端高氧势的优越 性 实验设备与实验方法 实验仍使用 文 献〔 〕 中所述的设备 。 选 用 了必 功 的铜 管和必 必 的 不 锈钢管 ， 环缝 宽度为。 。 。 实验 中设计了 一个产生环缝 两相流 动的 装置 如图 示 。 该装置下部通气 ， 上部通油 。 当气体流经狭缝 时 ， 抽 引液体 油一同进人环缝流动 ， 达到 了 均 匀两相流 动的 目的 。 装置中的 中间部分 为一个 楔状锥 ， 可调节供 油狭缝 的 宽窄 ， 使 两相流动 的均匀状况达到最佳 。 实验时 ， 将炉温升到 一定值 ， 通入 固定流 量的油和气体 ， 经 一定时 间后 降至 室温 ， 测量 室温下实验前后压差的变化 ， 并取下铜管测量 管上 沉 积炭长度 。 实验记录全 过程外管壁温的 变化和 油的 出 口 温度 。 一 图 实 现均匀两相 统的装置 一

3实验结果与分析讨论 3,1混气喷吹对环缝结炭的彩响 实验分别用N2气和CO2气做为混合气体进行测定。铜管壁面结炭长度的变化如图2所 示。混合情况下油的出口温度变化如图3所示。实验前后室温下的压降差示于图4。由图3可 见，随着气量的增加，混合冷却剂的出口温度下降较为明显。由图2可见，结炭长度降到临 界值(300mm)〔5)时的气流量约为(1,1~1.2)m3/h,此时，虽然其长度与单吹油的临界 点长度一致，但可以明显地观察到炭层的厚度变薄了。从图4中也可以看出，对应气流量 (1.1~1.2)Nm3/h时，室温压差变化也趋近零。当气流量高于1.8Nm3/h时，铜管壁面已 观察不到黑色的沉积炭，结炭现象几乎完全消失。所有这些均证明混气喷油冷却法对抑制环 缝结炭有极好的作用。 50 furnace tomp.77)t 011 flow rnio 7 L/h 400 Heal in3t1e1,5h一 UOqJE2 300 200 100 一C02 --=N2 0.5 1.0 1.5 2.0 Flow rate of gas/Xm3.h- 图2混人气体流量与结炭长度的关系 Fig.2 Relation between mixed gas flow ratc and the length of carbon deposition zonc 170 Furnace temp.775C 0il flow rate 7L/'h 160 Heating time 1.5h 150 140 一C02 130 N2 0 0.5 1.0 1.5 2.0 Flow rate of gas/Nm3.h-1 图3混入气体泷量与冷郑剂出口温度的关系 Fig.3 Relation between mixed gas flow rate and the temperature of coolant at lance outlet 3,2混态下供热热流与油流量对结炭的影响 图5所示的结果表明，混气喷油冷却使同样供热热流条件下结炭对油流量变化的敏感性 305

弓 实验结果 与分析讨论 。 混气喷吹对环缝结 炭 的影 响 实验分别用 气和 气做 为混合气体 进行测定 。 铜管壁面 结炭长度的 变化如图 所 示 。 混合情况下油的 出 口 温度 变化如 图 所示 。 实验前后 室温下 的压降差 示于图 。 由图 可 见 ， 随着气量的增 加 ， 混合 冷却剂 的 出 口 温度下降较 为明显 。 由图 可见 ， 结 炭长度降 到临 界值 〔 ’ 时 的气流 量约 为 。 “ ， 此时 ， 虽然 其长度 与单吹油的临 界 点长度一致 ， 但可 以明显地观察到 炭层的 厚度变薄了 。 从 图 中也可以看 出 ， 对 应 气 流 量 。 一 ” 时 ， 室温压差变化也趋近零 。 当 气流量高于 。 “ 时 ， 铜管壁面 已 观察不到黑色的沉 积炭 ， 结 炭现象几乎完全消失 。 所 有这些 均证 明混气喷油冷却法对抑 制环 缝结炭有极好的作 用 。 一 叨 一 一 明此叩 仁夕夕﹄、 闪三的 门曰 勺司一叫。叻口 一曲二﹄。 「 日 ‘ 卜 、 子 · 飞 图 混人 气体流量 与结 炭长度 的关 系 、 卜 盯 ，飞。 。 。 。 。 一， 。 ‘ 日 工 ’ 有 注 多 一 、 卜瓦、 一 、 、 兰全、 ‘ 一 、 厂习 、 、 － 一 》 、 一 一 一 叨如刊 尸甲羽﹃己。 洲习︹︸七 ﹂ 州“。 卜任。。 「 闪 日 闪 · 一 图 棍入气体流量 与冷却剂出 口 温度的关系 口 混态下供热热流与油流 对结 炭的影晌 图 所示的 结 果表明 ， 混气喷油冷却 使同－样供热热流 条件下结炭对油流 量 变化的 敏感性

Furiace temp.775 011 flow rate 7L/h 6,0 Hcoting time 1.5h_ 蛋 p 4.0 00, 0●6 Changing zone 2.0 0 -2.0 Depositing carbon region Non-dcpos:Ling carhon regton 0.5 1.0 1.5 2.0 f low rate of gas/Nm.h-I 图4混入气体流量对室温下环链内实验前后压降差的影响 Fig.4 Influence of mixed gas flow rate on the pressure drop change in lance between beforc and after test 大大地降低了。可以确信在环缝结炭不发生较大变化的情况下，大幅度调节油流量而保证风口 前端不过冷的操作是完全可能的。 1 500 10.5x105k1/hm2 750 35 400 300 775℃ B35℃ 200 100 --without gas MOT 8.4105kJ/h-m2 Gas flow rats I.8Nm3/h 0/ OGas flow rats 2.3Nm3/h Non-dep C-dep.region 5 6 7 8 910 11 Duter tube 1.d.7mm Flow rate of oil/L.h-1 Inner tubc o.d.finm 0 0.51.01.52.02.53.0 Flow ralc of gas/Nm3.h-1 图5混气喷吹条件下不同炉温时油流量 图6不同加热强度下临界结炭的油流量与气流量 与结炭长度的关系 的关系 Fig,5 Relation between oil flow rate and Fig.6 Relation between critical flow length of carbon deposition zone rate of oil and gas at different heating intensity 3.3混态下的临界结炭曲线 实验分别在775℃和835℃炉温下进行.为使实验结果更具代表性和适用性，作者根据实 测的炉温与钢管外壁温度估算了各温度对应的供热热流强度。实验将设备条件所决定的情况 下，临界结炭标准长度定为250mm。实验结果如图6所示。从图中可以看到每条临界线均有 一个突变点。实际上在前面的工作中已证实了小气流量时，相同供热供油条件下结炭长度稍有 增加的现象（如图2所示)。这说明油气混吹在气流量下限，就可抑制结炭长度，这一点应 306

。 。 汉几。 二山口旧。 。 。 「 － 「 一 ℃ 日里工 ， 门 卜 卜币 川 ， 、 。 “ －一 口尹 倪 、 咬 ‘ 卜 厂 门士 、 吵 抓、 一 云 ， 『 正〔 ’ 心 门 ￡ 口 习自。﹄门的自 。田 句闪耐 · 一 「 、， 七 盯 图 混人气体流量 对室温下环缝内 实验前 后压 降 差 的影响 。 五 大大地 降低了 。 可以确信在环缝结炭不发生 较大变化的 情况 下 ， 大幅度调节油流量而 保证风 口 前端不 过冷的操作是完全可能的 。 。 和。 。 从以二赫 、 军一 多， ‘ 、 、 入 三生 、 、 、 一 、 卜 、 ℃ 、 七 一 舀 恤阶，， 》恩卜一 性 闪 产 一 ， 二 卜 · 了 戈阮 父 刃喇叫。的。 。任三 司二刹如勺口。自﹄︵ 一 一 飞 夺火 门 卜 。 、、 。 ’ ， 十一 止 ·一工习工﹁甲曰口叫却门﹄岁。曰。自 图 混气喷吹条件下 不 同 炉温时油流量 与结炭长度的关系 。 叱 「 衬 。 。 入。 一， · 一 图 不 同加热强度下临界结炭 的 油流量 与气流量 的关系 混态下的临界结炭 曲线 实验分别在 ℃ 和 ℃ 炉温下进行 为使实验结果更具代 表性和适 用性 ， 作者 根据实 测的炉温与钢管外壁温度估算了各温度对应的供热热 流强度 。 实验将设备条件所决定的情况 下 ， 临 界 结炭标准 长度定为 。 实验结果如图 所示 。 从图 中可以看到每条临 界线均 有 一个突 变点 。 实际上在前面的工作 中已证实了小 气流量时 ， 相 同供热供油条件下结炭长度稍有 增加 的现象 如图 所示 。 这说明油气混吹在气流量下限 ， 就可抑 制结炭长度 ， 这一点应

给予足够的重视。 3.4油气混吹法冷却风口综合分析 从图6中选出气流量为(2.0,2.25,2.5)Nm3/h3个点所对应的两曲线的油流量值，并 与单吹油条件下的临界点相对比，得到了图 7。由图可见，随气流量的增加，操作所允许的 2.6 Critical C-denositing line 供热热流范围从b扩展到∫。风口安全操作范： 2.5 Gas F.R. 围随之由abcda扩展到ofcdo。以供热热流怎 increase 2.4 为2.2×105kJ/hm的条件为例，随气流量从三 Heat balance 0增到2.5Nm3/h,风口操作不仅从完全不安 2.3 全(a点)变到完全安全(e点)，而且还能兰 2.2 Flow rats of 允许一定范围(ef)的热流波动，使操作更稳E gas,No3/h 2.1 定。与此相应的是，用气油混合物代替油品可总 1-2.50 2.25- 使冷却剂的冷却能力下降，从而使过冷线右 2.09 ● 2.00 移，从另一个角度扩展了安全区。 90 6 9 101112 Flow rate of cil/L.h-1 4结 论 图7临界结炭曲线随混入气流量的增 加而发生的变化 (1)油气混吹法冷却铁水预处理炉底吹氧 Fig.7 Change of critical carbon deposit- 风口的方法，非常有利于风口的保护和稳定操 ing line with the incrcase of mix- ed gas flow rate 作，可延长风口的使用寿命。 (2)油气混吹情况下，高供热热流时内壁结炭，对油量变化的敏感性大大低于纯吹油的 情况，这使得大幅度变化油流量防止风口顶端过冷成为可能。 (3)小气流量下油气混吹法对管壁结炭的抑制作用不明显，只有当气流量达到一定值 时，这种效果才突出出来。 参考文献 1尹弘斌，吴平男。北京科技大学学报，1990,12(1)：8-14 2 Lacava A I and Fernandez-Raone E D.Coke Formation on Metal Sur- face,ACS,Washington D.C.,1982:90-106 3 Lavaca A I and Caraballo M.Coke Formation on Metal Surface,ACS, Washington D.C.,1982:110-121 4 Brown D E and Clerk J KK.Coke Formation on Metal Surface,ACS, Washington D.C.,1982:22-43 5尹弘城，吴平男。钢铁，1990,24(10)：15-19 307

给 予足够的重视 。 油 气混吹 法冷却风 口 综 合分析 从图 中选 出气流量 为 。 。 ， 。 ， 。 “ 个 点所对应 的两 曲线的油流量值 ， 并 与单吹油条件下的临 界 点相 对比 ， 得 到 了 图 。 由图可见 ， 随 气流量的增加 ， 操作 所允许的 供热热流 范围从 扩展到 。 风 口 安全操 作 范 飞· 二习叫︺二气汉翩州。口门认 围随之 由 扩展 到 。 以供热 热 流 为 · “ 条件为例 ， 随 气流 量从 增到 “ ， 风 口操作 不仅从完全 不安 全 点 变到 完全安全 点 ， 而且 还 能 允许一定范围 的热流波动 ， 使操作更稳 定 。 与此相应 的是 ， 用 气油混合物代替油品 可 使冷却 剂的 冷却能力 下降 ， 从而 使 过 冷 线 右 移 ， 从另 一个 角度扩展 了安全 区 。 一 日 一 君万 甲 ， 闪 。 户 上 乙 完 － 。 。 一 。 一 二 。 结 论 油气混吹法冷却铁 水预处理炉底 吹氧 风 口 的方法 ， 非常有利 于风 口 的保护和稳定操 作 ， 可延长风 口 的 使 用寿 命 。 厂 八 一 图 临 界结 炭 曲线 随 混人气流量 的增 加而 发生 的变化 油 气混吹情况下 ， 高供热热流 时 内壁结炭 ， 对油量 变化的 敏感性大大低于纯吹油的 情况 ， 这使得大幅度变化油流量防止风 口顶 端过冷成 为可 能 。 小 气流量下油气混吹 法对管壁结炭的抑制作用 不 明显 ， 只 有 当气流量达 到 一 定 值 时 ， 这种效 果才突 出 出来 。 参 考 文 献 尹 弘斌 ， 吴平男 北京科技 大学学报 ， ， 一 一 。 ， ， · · ， 一 ， ， 。 ， 一 ， ， ， 一 尹 弘斌 ， 吴平男 钢铁 ， ， 一