高炉气流压强梯度场研究及其理论和实际意义

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1980.02.014 北京钢铁学院学报 1980年第2期 高炉气流压强梯度场研究 及其理论和实际意义 炼铁散研室杨永宜 摘 要 煤气流影响高炉炉料及渣铁运动的基本力学因素不是热风（煤气）压强的艴对 值或总压差，而是压强梯度矢量场的性质。本文通过理论推导和实验论证压强梯度 是作用于炉料及渣铁的一种体积力，並证明局部压强梯度超过炉料容积重量是炉内 发生悬料的力学条件。对成渣带、风口循环区外以及渣铁滴落带的液相行为作了分 析。此外，压强梯度是描述流速场和压强场，建立高炉散料流体力学模型的重要杠 杆，面流体力学模型又是传热和传质模型的基础，从本研究得出指导生产的重要结 论。 高炉内溶态和固态炉料与煤气逆流运动的力学规律对高炉内热交换和以氧传递为主的传 质过程有密切联系，因而是支配高炉颗行和煤气热能、化学能利用的最根本规律。高炉要实 现计算机控制，全面自动化只能以这种研究作为基础。 一、煤气流压強梯度的物理力学性质 煤气流压强梯度的性质由于长期以来未被人认识，一直很少有人注意它。其实，它是一 个很重要的力学因素。从苏联的一些学者开始，到现在的一般教科书和文献，对高炉炉料下 降的力学条件仍引用和看成： F=(W料-F脑-F料)-△P×A=W效-△P·A (1) F一一炉料的剩余重量，即促使其下降的力，公斤， W料一炉料本身重量，公斤， F一炉墙对料柱的摩擦力，公斤， F料一不动或慢动部分对快动部分的阻力，公斤， △P一煤气流压差，公斤/米2， A一高炉平均截面积，米2。 建立力平衡方程(1)的人认为：当F=0,高炉发生悬料。这是把压差阻力当作作用于料 18

北 京 钢 铁 学 院 学 报 1 9 8 0 年第 2 期 高 炉 气 流 压 强 梯 度 场 研 究 及 其 理 论 和 实 际 意 义 炼铁教研 室 杨永 宜 摘 要 煤气流 影 响高炉炉 料 及渣 铁运 动 的墓主力 学因素 不是 热风 ( 煤气) 压 强 的艳对 值 或总压 差 , 而是 压 强 梯度矢量场 的性质 。 本文通过 理 论 推导和 实验论 证压 强 梯度 是 作用 于炉料及喳铁 的一 种体积力 , 业证 明局部 压 强梯度超过 炉料容积重 量是 炉内 发 生悬 料的力学条件 。 对成渣 带 、 风 口 循环 区 外 以及渣 铁 滴落 带的液相 行为 作 了分 析 。 此 外 , 压 强梯度是 描 述流速 场 和压 强 场 , 建立 高炉散料流体 力学模型 的重 要杠 杆 , 而 流 体力学模型 又 是传 热和 传质模型 的基 础 , 从本研 究得 出指导生产的重 要 结 论 。 高炉内溶态 和固态 炉料 与煤气逆流运 动的力学规律对高炉内热 交 换 和以氧传递为主 的传 质过程 有密切 联系 , 因 而是 支配 高炉顺行 和煤 气热能 、 化学能利 用的最根 本规 律 。 高炉 要 实 现计算机控 制 , 全 面 自动 化只 能 以 这 种研究作为基础 。 一 、 煤气流压 弦梯度 的物理 力学性 质 煤 气流压 强梯度的 性质由于 长期 以 来未被人认识 , 一 直很少 有人 注意它 。 其实 , 它是 一 个很 重要 的力 学因 素 。 从苏 联 的一 些学者开始 , 到现在 的一 般教 科书和文献 , 对 高炉炉料下 降的力学 条件仍 引用和 看 成: F 二 ( W 料 一 F 脑 一 F 钊 ) 一 △ P x A 二 W 效 一 △P · A ( 1 ) F 一 一炉 料的剩 余 重量 , 即促 使其下降的力 , 公斤 ; W料 — 炉 料本身重 量 , 公斤 , F 脑 — 炉墙对料柱 的摩擦 力 , 公斤 , F 料 — 不动或 慢 动部分 对快 动部分 的阻 力 , 公 斤 , △P — 煤气流压 差 , 公 斤 /米 2 , A — 高炉 平 均截 面积 , 米 2 。 建 立力平衡 方程 ( 1 )的人认为 ; 当F 二 。 , 高炉发生 悬料 。 这是把 压差 阻力当作作用 于料 1 8 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1980. 02. 014

柱底面的外力，因而是错误的。可以用实验证明，对于均一散料层，当△P×A=W料，即 △P=hY料时，散料不会悬住，这相当于煤气流速达到临界流化速度，炉料仍能下降。用 (1)式指导生产是有害的，例如不顾具体条件不恰当地减风以求减小△P,以为那样可以促进 顺行等等。 为了弄清压差的物理力学性质，先研究一下气料穿过的散料柱的有效重昼。 图1为装有均匀散料的竖炉，对料面下深度h处的一个微元（厚度为dh)进行受力分 析，得出： qA+pA+dG=(q+dq)A+(p+dp)A+xDdhT (2) 式中： A一竖炉横断面积，米2， G一料重，公斤，dG=A·dh·Y,Ys:炉料堆比重，公斤/米， q一h深度处料柱有效重量，公斤/米2， 又设f一散料者炉墙的摩擦系数： ξ一炉料侧压力系数。 则有 T=e·fq (3) 方程(2)可变为： AY,dh=(dq+dp)A+πD.dh.f.s·q 设 dp=grad×dh=xdh,得 dq/y.-SP--B-ftq)-db 再进行积分得出h深料层的有效重量为： (4) 4f5 如果没有气流则含=0，(4)式即变为精述料仓中料床压力的1an56n公式(1。 q。=P-。4, 公斤/米2 (5) (4)和(5)式都表明，随着料柱深度和h/D比值逐步增加，qh並不按比例增大，而是增 大到一个极限值后不再增长（见图3中的曲线2），比值为： 4f 一公斤/米2 (6) 最重要的是(4)式表明： 月：和Y,的因次及性质相同，△P对料柱的力学作用不是其绝 19

柱 底面 的外力 , 因 而是 错误 的 。 可 以 用 实验证 明 , 对子均一 散料层 , 当 △ P x A = W 料 , 即 △ P = h 丫料 时 , 散 料不会悬 住 , 这相 当于 煤 气流速达 到临 界流 化速度 , 护料 仍 能下 降 。 用 ( 1) 式指 导生 产是 有害 的 , 例 如不顾具体条件不恰当地 减风 以 求减小△P , 以为那 样可 以 促进 顺 行等等 。 为了 弄清压差 的 物理 力学 性质 , 先研 究一下 气料穿 过 的散料柱 的有效重 量 。 图 l 为装有均匀 散料的竖 炉 , 对料面下 深度 h 处的一个微元 ( 厚度为 d h ) 进行受 力分 析 , 得 出 : q A + p A + d G = ( q + d q ) A + ( p + d p ) A + 兀 D d h T 式 中 : A — 竖炉横断 面 积 , 米 2 ; G — 料重 , 公 斤 , d G = A · d h · Y . , 丫 : : 炉料堆比 重 , 公斤 /米 . , q — h 深度 处料柱 有效 重 量 , 公 斤 /米 2 ; 又设 f — 散料者炉墙的摩擦系 数 , 息 — 炉料侧 压力系数 。 则 有 T 二 七 · .f q 方 程 ( 2) 可变 为 : ( 2 ) A 丫 : d h = ( d q + d p ) A + 兀 · D · d h . f · 七 · q △ p _ , , , . Q p = g r a u X Q n = 一「 X a l , 借 △ p a q / 、 丫 : 一 一厂 4 一 一 石一 I ` q ) = d n 再进 行积 分得 出 h 深料层 的有效 重量为 : △一h一P 一 q h = 4 f 七 乓 1 一 e 一 :与 公 斤 /米 : ( 3 ) ( 4 ) ( 4 ) 式即变 为描述 料仓 中料床压 力的aJ n s s e n 公 式 ( 1〕 。 丫一。 了 ``、一: , _ _ 。 、 , 一 _ ~ 、 二 , : △ P 叉日米 仪 月 气况贝 U一工 , ~ 1 1 h q , h 一 、制 卜 一 “ ’ “ ` ” 〕 公 斤 /米 : ( 5 ) ( 4 )和 ( 5 )式 都表 明 , 随 着料柱深 度和 h / D 比值 逐 步增 加 , q h 业不按 比例增大 , 而是 增 大 到一 个极 限值后不再增长 ( 见 图 3 中的 曲线 2 ) , 比 值为 : , △P 、 _ L Y : = 一石一 ) ” . 、 , , 、 , , , q m “ ` = 一一一丽百一一公厂 / 不 - ( 6 ) 最 重要 的是 ( 4) 式 表 明: △ P h 和 丫 . 的因次及性质 相 同 , △ P 对料 柱 的力学作用不是其绝

对值的大小，而是压强梯度”的大小，其性质是一种体积 力。·压强梯度是一个矢量，其方向和流速矢量的方向一致。 在图1中气流向上，故相当于抵消炉料重量的一种“阿 基米得浮力”。如果气流为非垂直方向，则同时有水平方向 ds" 的分力。 有几种描述气流通过散料层压强梯度的大同小异的公 Axd9+dg)(P+dpxA 式，其中以Ergu n公式较为完备： . -P= 图1竖炉中散料柱 内部受力分析 =15000寸g+1.764a2寸g: (7) (7)可简写为一个矢量与一个数性函数的乘积： =g,+立g) (8) 式中ε一炉料空隙度，米3/米·， dP一散料直径，中一形状系数： μ—一气体粘度，公斤·秒/米2， Yg一气体重度，公斤/米， Vg一一气流速度，米/秒。 二、高炉内压強梯度场的特殊性及对治炼的影响 1.因为局部料层公>Y:导致悬料 当增大到与Y,相等，床层开始流化，相当于(4)式中qh=0,气流速度继续增加， 料床逐渐膨胀即e相应增大保持△P不再增大始终等于hY,,图2在临界流速V。下△Pmx =△P°。 但高炉内矿石和焦炭是分批分层装入的，各层透气 性不同，即(7)(8)式中ε，dP等不同，故各层中的压强 ap 梯度也不相同。 超 设在图3的园简中，h2是透气性特差的一层料， 此料层1、3的透气性更差(f,大于f,和f)。当Vg 达到一个使h2开始流化的数量时，h1层还有一定的剩 余重量限制hz层膨胀，因此hz层中压强梯度随Vg增大 而继续增大，如图2中的虚线，产生向上作用于h1层 的剩余浮力（△P超）。 图2均匀散料床的流化过程 在这种条件下，当△P超等于或大于h1层的有效重量时即发生悬料。如果把h,料层取 20

_ }i纷 , T l吮石 . 卜厂示 ’ 1弓:’l. , `…季 和哭’. 。 .:. ’ 子 . 。 · 日 ’ 。 佗 ·二 hl l ’ ’. 气 ·汤夏` 一 月 ’ ` 甩 : , . 门. : 卜, … 洲 对值的大小 , 而是压强梯度辈 的大小 , , 其性质是 一 种体积 ’,J ~ 因 / 、 ’ J ” ” ’ J ~ ~ ~ ~ ~ h 川 / 、 ’ J 一 , 六 卜洲 ~ .l -r ~ 力 。 压 强梯度是一个矢量 , 其方 向和 流速矢量的方向 一致 。 一 ~ . 一 ~ 、二 一 . : _ , △P . ~ 、 . , 一 ~ 、 、 , , 二如 . 一 ~ 一 ~ ’, ~ 在 图 1 中气流 向上 , 故 二井一 相 当于抵消炉料 重量的 一种 “ 阿 油 ~ ` ’ 、 v . “ ’ 叫 一 , ~ h , 曰 一 J J从 ” ’ 厅 ` 曰 ~ ~ ~ 基 米得 浮力 ” 。 如果 气流为非垂 直方 向 , 则 同时 有水平 方向 的分 力 。 有几 种 描述 气流 通 过散料层 压 强梯度 的 大同 小异的公 式 , 其 中以 E r g u n 公式 较为 完备 : d胜 执 : 。 l栅卜妇 , e P 小 d只娜 口 . 口. . . : : : 竖内炉部 受中散力分料析柱 _ △ P 一 V尸 二 一 h 一 图 l 1 5 0 ( 1 一 。 ) , 协 ( 小d P ) 名 e 「 九 + 1 . 7 5 `拓劣 ` 孙 ( 7 ) ( 7 )可 简 写为一 个矢 量 与一个数性 函 数的乘 积: 等 = 犷g ( f l + ` : ,节g , , ( 8 ) 式 中 。 — 炉料空 隙度 , 米 吕 /米 吕 , d P — 散料 直 径 , 小— 形 状系 数 , 林 — 气体粘度 , 公 斤 . 秒 /米 : , Y g — 气体重度 , 公 斤 /米 . , V g — 气流速度 , 米 /秒 。 二 、 高炉内压 孩梯度场 的特殊性及对冶炼的影响 ~ 二 。 - 二 △p 、 _ _ 四 刀 J月 . p 币冲月皿 代犷 r ~ 尸夕 丫 s 布 . f ~ 忍皿完二峨平粉 之J n 当 等 增大到 与 丫 : 相 等 , 床层开 始 流化 , 相 当于 ( 4 )式 中 q ” = 。 , 气流速 度继 续增 加 料床 逐渐 膨胀 即 e 相应 增 大 保持 △ P 不 再增大 始终 等 于 h y : = △ P 。 。 但 高 炉 内矿 石 和焦 炭是 分批 分层 装 入的 , 各层 透气 图 2 在临 界流 速 V 。 下 △P m . : } 。 。 1 性不 同 , 即 (7 )(8 )式 中匀 d P 等不同 , 故 各层 中的压 强 aP 梯度也 不 相 同 。 ’ 超 设在 图 3 的 园筒 中 , h : 是 透 气性特 差 的一 层 料 , 此 料层 l 、 3 的 透 气性 更差 ( f : 大于 f ; 和 f 3 ) 。 当V g 达 到一 个使 h : 开始 流化 的数 量时 , h , 层还 有一定 的剩 余 重 量限制 h Z 层膨胀 , 因此 h : 层 中压 强梯 度随犷g 增大 而继 续 增大 , 如图 2 中的虚线 , 产生 向上作用于 h : 层 的 剩 余浮 力 ( △P 超 ) 。 / 丫. ~ y 图 2 均 匀散料 床 的流 化过 程 在这 种 条件下 , 当 △ P 超 等于或大于 h ; 层 的有效重 量时 即发生 悬 料 。 如果 把 h : 料层 取

悬料脱节 W料9K △P公斤/米2 ①.W4=hY3 @m=半2-：f3合) 45 ③P.>片，%≥ 图3不均匀散料层剩余浮力的形成 去，h2连同其上面的h,料层将悬在炉内。以上理论的推导和试验证明是作者在1962年完成 和发表的〔2)。 国外注意到压强梯度的作用见1975年R.E.War ner发表的论文〔3)。 根据前面试验和分析，立即可以得出指导生产的几项重要结论： (1)装入高炉的料批，只要有一层透气性特坏，也将破坏整个高炉的顺行和强化，即使 其它各层都是透气性很好的炉料。对于透气性不好的原料，最好用小料批，使原料布成坏 状，不致形成隔断整个高炉横断面的诱发悬料的基础。 (2)必须筛净入炉料粉末，整粒或按粒度分级入炉， (3)有些矿石或烧结矿、球团矿入炉后低温还原粉化严重，形成二次粉末，应研究解决 办法， (4)高炉内成渣带（或软熔带）应设法不使连成一片，最好能分割成许多块，以免诱发 悬料。近年来对许多高炉进行解剖证明用大料批操作可以使成渣带被焦炭层隔断，形成“焦 炭气宙”。 2.压强梯度对液态渣铁运动的影响 在成渣带以下，渣，铁在焦炭空隙中穿滴下流。当B≥Y时，炉流将放浮悬，品≥Y快 时，铁滴将被浮悬。显然，由于比重不同，炉渣将优先被浮起，貯积在焦炭空隙中。 压强梯度是-一个矢，在煤气流有水平分 速度的地点也有水平分力。 高炉内至少两个地区肯定有气流水平分速 度：一是风口前循环区附近，一是煤气流穿过 成渣带地区。 (1)风口前循环区 鼓风经风口喷入炉内，可看作流体力学中 流的“源”。按连续性原理，在风量一定时， 等压面 离“源”越近，则流线越密，压强梯度也越 大（图4）。 图4以风口为源的等压面和流线图谱 21

一加 .口 : - --- . . 口 o : . 0 甲 : 认:., :.o 于 述弃 稀, 。 籍一 _ : ” ’., 可厂’.i 救料脱节 娜 :.i 介分 加 : 三称’:.,o 了 舀 了 。 。 , ’. 日瞬并表名 . i ! 才 1 冬 11 爹 11 l _ ] Q . 呀` ~ h钻 . _ 人 二 _ ~ ` , 匕 _ 连匕 、 , 一 叶 多分 1 公 公印、二 二山沂呀￡` 【卜 之 一 J ~ - 一 ’ 「 ’ 一 4 , 毋 ` ’ 一 , 每 却 华喀 , > 令 `叭`> 舀 气 图 3 不 均 匀散料层 剩 余 浮力 的 形成 去 , h : 连 同其 上 面的 h : 料层 将悬 在炉内 。 以 上理论的推导 和试 验证 明是 作者 在 19 6 2年完 成 和发表的 ( 2 〕 。 国外注意 到压强梯度的作用见 19 7 5年 R . E . W a r n e r 发 表的论 文 ( 3 〕 。 根据 前面 试 验 和分析 , 立 即可 以 得出指导 生产的几项 重要 结论 : ( l) 装入 高炉的料批 , 只 要有一层 透 气性特 坏 , 也将破坏整 个高炉的顺 行和 强 化 , 即使 其 它各层都是 透 气 性很 好 的炉料 。 对 于透气 性不好 的原料 , 最 好用 小 料批 , 使原料布 成坏 状 , 不致形 成隔断整 个高炉横断面的诱发悬料的基础 。 ( 2) 必 须 筛净入炉料 粉末 , 整 粒 或按粒度分级 入 炉 , ( 3) 有些矿石或 烧结 矿 、 球团矿 入炉后 低温 还原粉化严 重 , 形 成二 次粉末 , 应 研究 解决 办法 ; ( 4) 高炉 内成渣 带 ( 或 软熔带 ) 应 设法不使 连 成一片 , 最好 能 分割 成许 多块 , 以 免诱 发 悬料 。 近 年来对许 多 高炉进行解剖 证 明用 大料批 操作可 以使成 渣带 被 焦炭层 隔断 , 形 成 “ 焦 炭气窗 , 。 2 . 压 强梯 度对液 态泣铁运 动 的形 晌 在成 渣带以 下 , 渣 、 铁 在焦炭空 隙 中穿滴 下 流 。 当 钾七丫 , 时 , 炉渣 将 被浮悬 , 契 七 , 铁 0 n U U 时 , 铁 滴 将被 浮悬 。 显然 , 压 强梯度 是 一个矢岌 , 速 度 的 地 点也 有水平 分力 。 由于比 重不 同 , 炉渣 将优先被 浮起 , 狞 积 在焦炭 空 隙 中 。 在煤 气 流有水平 分 高 炉 内至 少 两个 地 区肯定 有气流 水 平分 速 度 : 一 是风 口 前循环 区附 近 , 一是 煤气 流 穿过 ’ 成 渣 带地 区 。 ( 1) 风口 前循环区 鼓风 经 风 口 喷 入 炉 内 , 可看 作流体力学 中 流的 “ 源 ” 。 按连 续性原 理 , 在风 量 一定 时 , “ 源” 越近 , 则 流线 越 密 , 压 强梯度 也 越 ( 图 4 ) 。 ` 图 4 以风 口 为源的 等压 面 和 流 线 图措 2 1 离大

因此，在循环区顶上焦炭层中最容易发生渣液貯积或局部“液泛”现象，在循环区的前 方或正前方焦炭层中，渣铁受水平压强梯度的作用被推向炉中心。其结果循环区上面的炉渣 将绕过循环区向炉中心同时向下倾斜下流，使循环区变成所谓“干区”。过去许多研究工作 者从风口取出过渣、铁样，看来相对和绝对数量都是不多的。 许多生产经验可以证明以上推论：有的高炉在炉凉停风后，在风口前循环区上缘常发现 有一层硬壳。说明停风前有炉渣积蓄。1977年以来，我们在我院0.3米3实验高炉和首钢23米8实 验高炉用富氧高风温炼稀土硅铁合金，含〔Si)达30%以上，含稀土10%以上（首钢为3~ 5%)。稀土金属是极易氧化的元素。如果渣铁主要以风口前循环区穿过，含金必然被氧 化，不会炼出品位那么高的合金〔4)。 (2)成渣带下沿初成渣的运动方向 在一般正常工作和使用较大料批的高炉 中，成渣带根据等温线的分布大致如图5所 示，（开始软化1000-1100℃，完全流动1300- 1400℃)，这种倒V字型成渣带不仅在日本， 最近在我国解剖的高炉上都得到证实。1978年 作者在首钢23米实验高炉作试验时，有一次 三小时停止上料和吹小风，使中心焦炭下降到 成渣带以下，从炉顶入孔直接观察过成渣带象 风口带 图5但是立体分布的情况。 从成渣带下沿开始形成的初成渣受到重 图5正常工作高炉成渣带的大致分布 力和煤气压强梯度水平分力的作用，一个力向 1.焦炭和矿石分层的干区， 下，一个力向炉壳，结果将向外倾斜下流如图 2. 矿石已开始软化，但不能流动； 5中白色箭头所指方向。显然，假如高炉边缘 3。焦炭锥体内，已熔化的渣铁滴落带， 气流发展甚烈，成渣带成V字型，初成渣将偏 4.风口循环区上部局部渣液贮积。 向炉中心倾斜下流。前者过头时高炉易形成炉缸边缘堆积，后者过头时则形成中心堆积。生 产中有很多现象用此可得到很好解释：如休风过急时，有时风口大量灌渣。炉冷时从风口观 察有时炉渣象窗外阵雨一样突然暴发。 二、压強梯度在高炉过程数学模型中的应用 为了实现高炉冶炼过程计算机控制，必须先建立包括热交换和传质过程（指以氧交换为 主的传质过程)以及最根本的描述煤气分布和运动的模型。由于影响冶炼过程的因素既多又 复杂，高炉数学模型进展很慢。计算机在高炉上的应用远不如轧钢成熟，甚至不如炼钢及烧 结过程进展快和成熟。最近几年从V.Stanek开始〔6)以及美国J.Szekely(7)和日本的鞭· 馓〔8〕研究煤气分布数学模型，采用了确定煤气流速度场的方法，同时用模型实验加以比 较，这种研究方法是正确的。值得指出，在他们的理论工作中，压强梯度同样是建立数理方 程的基本出发点。由此可见，研究高炉流体力学，压强梯度是一把钥匙。 1,高炉内煤气流速场（流线图） 高炉颜行时，煤气流动近似于一种驻定流动，空间各点的煤气流速Vg不因时间而改变， 煤气速度不超过0.6-).8倍音速（实际上满足这一要求），可以把煤气当作不可压缩流体处 22

因此 , 在循环 区顶 上焦炭 层中最 容 易发生渣液狞 积或局 部 “ 液 泛 ” 现象 , 在循环 区的前 方或正 前方 焦 炭层 中 , 渣铁受 水 平压强梯度的作用 被推 向炉中心 。 其结果 循环 区 上面的炉渣 将绕过 循环区 向炉中心 同 时向下 倾斜 下 流 , 使循 环区变 成所谓 “ 干区 ” 。 过去许 多研究工 作 者 从风 口 取 出过渣 、 铁 样 , 看来 相 对和 绝对数量都是不多的 。 许多生 产经验可 以 证 明以 上推 论 : 有的高炉在炉凉停风 后 , 在风 口 前循环 区 上缘 常发现 有一层 硬壳 。 说明停风 前有炉渣积 蓄 。 19 7 7年以 来 , 我们 在 我院 0 . 3米 昌 实验 高炉和首 钢 23 米 . 实 验 高炉用富氧高风温炼稀 土 硅铁 合金 , 含 ( 5 1〕达 3 a % 以 上 , 含稀土 10 % 以 上 ( 首 钢为 3 ~ 5 % ) 化 , 。 稀土 金属 是 极易氧化的元 素 。 如果渣 铁主 要 以 风 口 前循环区 穿过 , 含金 必 然 被氧 中 , 示 , 不会炼 出品 位那 么高的合金 ( 4 〕 。 ( 2) 成 渣带下 沿初 成渣的运动方 向 在 一般 正 常 工作 和使用 较 大料 批 的高炉 成渣带 根据等温 线 的分布大致 如 图 5 所 ( 开始 软化 1 0 0 0一 1 10 0 ℃ , 完全 流动 1 3 0 0一 1 4 0 0 ℃ ) , 这种 倒 V 字型 成渣 带不仅 在 日本 , 最 近 在 我国解剖 的高炉上都得 到证 实 。 19 7 8年 作者 在首钢 23 米 . 实验 高炉作试 验 时 , 有一次 三 小时停止 上料 和吹 小风 , 使中心 焦炭 下降到 成渣带 以 下 , 从炉顶 入孔 直接 观察过 成渣带 象 图 5 但是 立 体分布的 情 况 。 从 成 渣带下 沿 开 始形成的 初成渣 受 到重 力和煤气 压 强梯度水 平 分力的 作用 , 一 个力向 下 , 一个力向炉壳 , 结果 将 向外倾斜下 流如图 5 中白色箭头所 指 方向 。 显 然 , 假如 高炉边缘 气 流发展 甚 烈 , 成渣带成 V 字型 , 初 成渣 将偏 图 5 正 常工 作 高炉成 渣 带的大 致 分布 1 . 焦炭 和 矿石 分层 的干 区 , 2 . 矿石 已开 始软 化 , 但不 能流 动 , 3 . 焦炭锥 体内 , 已 熔化 的渣铁 滴 落 带 ; 4 . 风 口 循 环 区上 部 局部渣液贮 积 。 向炉 中心 倾斜 下 流 。 前者 过头时高炉易形成 炉缸边缘堆 积 , 后 者 过头 时则形 成 中心堆 积 。 生 产 中有很 多现象用此可 得 到很好解释: 如 休风 过 急时 , 有时风 口 大 量灌 渣 。 炉冷 时 从风 口 观 察有时炉渣象窗外阵雨一 样突然暴发 。 二 、 压 嗤梯度在 高炉过程 数学模型 中的应 用 为了实现高炉冶炼过程 计算机控 制 , 必 须先建立包括热 交 换和传质 过程 ( 指 以 氧交 换为 主 的传质过程 ) 以及 最根 本的描述煤气分布和 运动 的模型 。 由于影响 冶炼过程的 因素既多又 复杂 , 高炉数 学模型 进 展很 慢 。 计 算机在高炉上的应 用远不 如 轧钢 成熟 , 甚至 不如炼钢及烧 结 过程 进 展快 和 成熟 。 最 近 几年从 V . S t a n e k 开 始〔6 〕以 及 美国 J . S z e k e l y 〔7 〕和 日本的 鞭 · 嫩 ( 8 〕研 究煤 气 分布数学模 型 , 采 用 了确定 煤气 流 速度 场的 方 法 , 同 时用模 型实验加 以 比 较 , 这 . 种 研究 方法 是 正确的 。 值 得 指 出 , 在他 们的 理论工作 中 , 压 强梯度同样是建立数理 方 程 的 基本 出发点 。 由此可 见 , 研究 高炉流体力学 , 压 强梯 度 是一把钥匙 。 1 . 离炉 内煤气 流 速场 ( 流锐 I ) 高炉 顺 行时 , 煤 气 流动近 似于 一种驻定 流 动 , 空 间各点的煤气流速魂不 因时间而 改变 , 煤气速度不超过 0 . 6一。 . 8 倍 音速 ( 实际 上满 足这一要求 ) , 可以把煤气当作不 可压缩流 体处 22

理而不致引起大的歪曲〔5)。为了数据处理方便，文献〔4)〔5)的作者都假定炉内煤气为一种 平面平行流动。下面将指出，这是需要改进的地方，因为与高炉实际相差较大。我们准备按 图4三元坐标系来处理。 按连续方程： divYgVg-0 (10) 气体的运动方程是表示压强梯度和速度Vg具体关系的方程(8)： -VP=Vg(f:+f:IVgl (8) 设(x,y)为空间任一点M(x,y)的势函数，(x,y)为流函数，则对于不可压缩流体 (近似假定)，应满足： div(grado)=0 (11) 因而 div△P =div(8(,+i,I=0 (12) 按流函数定义： V,x=-a中. ay V= 6x (13) 则 g=-8:+8驶，g1=V8驶)+（时h 8x (12)中f1,f2,I7g均为数性函数，g为矢性函数，按7(uA)=uV·A+Vu…A展开 (12),代入各值，得： iv[(-8+8驶ix+i/水g)+(8)]-0 (14) 展开(14)可以得出一个非线性二阶偏微分 实线Ψg虚线Ψ1 ,‘方程。结合必要的边界条件即可求出流函数 b(x,y)的值。(x,y)=C(任一常数)相 无 当于一根流线。 因 也可以求出p(x,y)的值，(x,y)=C 次 (任一常数)即为等压线。 由于(14)展出的偏微分方程复杂，只能先 食 把它化为差分方程，並将流场分为大小一定的 正方网格，对每一个网格的结点求解，因为工 气体 作绿大，必须借助于电子计算机。 喷入口 J.Szekely对一个二维平面流模型(1米 ×50毫米×100毫米)，一个风口，炉料为3.07- 4.68毫米的玻璃球做试验。先用解方程〔14)展 无因次距离 开式的方法作出流线图（计算网格为11×15）， 图6气体和液体的流函数图 计算结果见图6。模型试验用染料作示踪剂， 风量=0.28米·/分，液量=900厘 结果与算出的流线定性地吻合。 米/分（实线为气体流线，虚线为 液体流线) 23

理 而不 致引起大的歪曲 〔5 〕 。 为 了数据处理 方便 , 文 献 〔4 〕 〔5 〕的作者都假定炉内煤气为一种 平 面平 行 流动 。 下 面 将指 出 , 这是需要 改 进 的地方 , 因为与高炉实际 相 差 较大 。 我们 准备按 图 4 三 元 坐标 系 · 来处 理 。 按 连续 方 程 : d 1 v Y g V g = 0 气 体的 运动方 程 是 表示压 强梯度和速 度魂具 体关系的方程 ( : ) : , 卜 ~ 卜 一 V P 二 V g ( f : + f : }V g } ) ( 10 ) ( 8 ) 设 甲 ( x , y )为空 间任一 点 M ( x , y )的势函数 , 中( x , y ) 为流 函数 , 则对 于不可压缩 流体 ( 近似 假定 ) , 应 满足 : d i v ( g r a d 甲 ) = 0 ( 1 1 ) 因而 八P . _ 户 _ _ . 少 d ` v 八石 = d ` y 〔 V g ( t : + 士: } V g } ) 〕 二 0 ( 1 2 ) 按 流 函数 定义 : vs, 一 :岁 , v g, , = 名生 ( 1 3 ) 愁 一 器 i + 一 黔 , }为 二 此夕 一 + (器 )z 一氛助ay ( 12 ) 中 f , , f : , ( 12 ) , 代入 各值 , }V g !均为数性函数 ,V g 为矢性函数 , 按 V · ( u A ) = u V · A + V u · A 展 开 i 一暑誉 j )( f l · f Z 丫 ( 一 豁 ) : + (豁 ) · ) 〕 二 。 一 ( 14 ) Z` 、 ū!L|I V . d 无因沈高度 展 开 ( 1 4) 可 以得 出一 个非线 性二 阶 偏微 分 ` 方程 。 结 合必要 的边 界条 件 即可 求 出 流 函 数 哈( x , y ) 的 值 。 冲( x , y ) = C ( 任 一 常数 ) 相 当于一 根 流线 。 也 可 以 求 出 甲 ( x , y ) 的值 , 劝( x , y ) = C ( 任 一 常数 ) 即为等压线 。 由于 ( 1 4) 展 出的偏 微 分方程 复杂 , 只 能先 把 它化 为 差 分方程 , 业 将流场分为大小一定的 正方 网格 , 对每一 个网格 的结 点求解 , 因为工 作 量大 , 必须 借助于 电子 计算机 。 J . S z e k 。 行 对 一个二 维平 面 流模型 l( 米 x 50 毫米 x 4 0 毫米 ) , 一 个风 口 , 炉料为 3 . 07 - 4 . 6 8毫米的 玻璃 球做试 验 。 先用解方 程 ( 1 4 〕展 开 式的 方 法作出流线 图 ( 计算 网格为 n x 1 5) , 计 算结果 见 图 6 。 模 型试 验 用染 料作 示踪 剂 , 结果与算 出的流 线定 性地 吻 合 , 实线甲 g 虚 线平 l 气体 喷入 口 i黝{ … l { 贡 l { I} 丫 ! l ) ) I { } . 丫 \{! { l 、 , 、 图 风 量 夭因次距 离 气体和 液体 的流 函 数 图 0 . 28 米 . / 分 , 液 量 = 90 0 厘 米 , /分 ( 实线为气体流 线 , 皮 线为 液体流 线 )

结 論 1.高炉内煤气流压强梯度是作用于炉料的一种体积力。它是一个矢量，有大小和方 向。由多层炉料组成的高炉内，局部料层的压强梯度可以发展到大于炉料的容积重量，因而 将该层料浮起，导致悬料。在有渣液的局部地区，将促使渣铁液倾斜下降。 2,从高炉生产看，危险地区是粉末多和透气性特坏的固体散料层，成渣带（尤其是渣 粘度大的情况)以及风口前循环区外围，尤其焦炭耐磨强度不好的情况。 3,压强梯度是运用流体力学原理计算高炉内流速场和等压面的重要杠杆，对于庞大而 复杂的高炉内部，是建立数学模型与研究不易接近的高炉内部的杨理化学变化的重要手段。 参考文献 (1)Janssen,H.A.:Z.Verein Deutscher Ing 1895,39,1045. 〔2)杨永宜，朱景康：金属学报，8(1965)№.2,153-164 〔3 )Warner,R.E.:Blast Furnace Aerodynamics Australasian Inst Of Min and Metall 〔4)杨永宜，蓝一诚等，北京钢铁学院学报(1979)：1，P37-49 〔5)A,AJIECAHIEPOB“数学，它的内容，方法和意义”第2卷196页。 (6)Stanek,V.and Szekely J.:A.I.chE.J.(1974)20,974 (7)Szekely,J.and Kajiwara,Y.:Trans.Of ISIJ (1979)N.2,PP76-83 〔8)桑原守，鞭，，铁上钢（1976)N.5. 24 1

结 丛p 涌 1 . 高炉内煤气 流 压强梯度是作用 于 护料的一种体 积 力 。 它 是一 个矢量 , 有大小和方 向 。 由多层 炉料组 成的 高炉内 , 局 部料层的 压 强梯度可 以发展 到 大于炉料的 容积重 量 , 因而 将该层 料浮起 , 导致悬 料 。 在有渣液的局 部地 区 , 将促使渣 铁液 倾斜下 降 。 2 . 从 高炉生产 看 , 危险地 区是粉末多和透 气性特坏的固体散料层 , 成渣带 ( 尤其是渣 粘度大的情况 ) 以及风 口 前循环 区外围 , 尤其焦炭耐磨强度不好的情况 。 3 . 压强梯度是运用流 体力学原理计算高护内流速场和等压 面的 重要 杠杆 , 对于庞大而 复杂的高炉内部 , 是建立数学模型与研究不易接近的高炉内部的物理 化学变化的重要 手段 。 参 考 文 献 〔1〕 J a n s s e n , H . A . : Z . V e r e i n D e u t s e h e r I n g 1 8 9 5 , 3 9 , 1 0 4 5 0 〔2〕 杨永宜 , 朱景康 : 金属学报 , 8 ( 1 9 6 5 ) 沁 . 2 , 一5 3一 26 4 〔3〕 W a r n e r , R . E . : B l a s t F u r n a e e A e r o d y n a m i e s A u s t r a l a s i a n I n s t o f M i n a n d M e t a l l 〔4 〕 杨永宜 , 蓝一 诚 等 , 北京钢 铁学院学报 ( 1 9 7 9 ) 沁 : l , P 3 7一 4 9 ( 5 ) A . A 月 E C A H 口E P O B “ 数学 , 它的内容 , 方法 和意义 ” 第 2 卷 1 96 页 。 〔6〕 5 t a n e k , V . a n d S z e k e l y J . , A . 1 . e h E . J . ( 1 9 7 4 ) 2 0 , 9 7 4 〔7〕 S z e k e l y , J . a n d K a j i w a r a , Y . : T r a n s . o f I S I J ( 1 9 7 9 ) N . 2 , P P 7 6一 8 3 〔8〕 桑原守 , 鞭嵌 , 铁 巴钢 ( 1 9 7 6 ) N . 5