8 炉料和煤气运动及其分布

第七章高炉内炉料和煤气的运动高炉内存在着两个相向运动的物质流：自上而下的炉料流和自下而上的煤气流。

高炉内许多反应都是在炉料和煤气不断地相向运动条件下进行的，炉料和煤气的运动是高炉炉况是否顺行和冶炼强化的决定性因素。

因此，稳定炉料和煤气的运动并使之合理地进行，常常是生产中保证获得良好冶炼的重要途径。

一、炉料运动（一）炉料下降的空间条件和力学分析1、空间条件高炉内不断出现的自由空间是保证炉料不断下降的基本前提。

自由空间形成的原因是：（1）焦炭在风口前的不断燃烧；（2）炉料在下降过程中由于小块炉料填充于大块炉料的间隙中，焦炭中的碳素在到达风口前参加直接还原和渗碳过程，固体炉料变成为液态渣铁和气体，从而引起的体积缩小；（3）周期性的放渣放铁。

在上述诸因素中，焦炭的燃烧影响最大，其次是液态渣铁的排放。

2、力学分析高炉内不断出现的自由空间只是为炉料的下降创造了先决条件，但炉料能否顺利下降。

还取决于下述的力学关系：P＝P料－P c－P k－P气= P料－P摩－P气（7-1）式中P——使炉料下降的力；P料——炉料的重量；P c——炉料与炉墙之间的摩擦力；P k——炉料与炉料之间的摩擦力；P摩——炉料下降时受到的总的摩擦力；P气——煤气对炉料的阻力（浮力）。

很显然，只有当P>0时炉料才能下降；P愈大，则愈有利于炉料顺利下降；当P接近或等于零时，则炉料产生难行或悬料。

须要指出的是，要使炉料顺利下降（也称为炉料顺利），不仅要求整个料柱的P大于零，而且还要求各个不同高度截面上和同一截面不同位置上的P大于零。

显然，某处的P=0时，则某处的炉料是悬料。

因此，炉料不顺行的现象，不仅可能在高炉上部或下部出现，也可能在某一截面上的某一区域出现。

为了讨论问题方便起见，引入料住有效重量这一概念。

料柱的重量克服了摩擦阻力后所剩下的重量，称为料柱的有效重量，即P有效＝P料－P摩（7-2）就整个料柱而言，料柱本身的重量由于受到摩擦阻力的反作用，并没有全部作用在风口平面或炉底上，真正起作用的只是料柱的有效重量。

第五章高炉炉料和煤气运动高炉冶炼各过程都是在炉料和煤气相向运动、互相接触的过程中进行的。

没有炉料和煤气的相向运动，其它过程就停止。

没有炉料和煤气的接触，传热和传质等过程就不能顺利进行。

煤气上升与炉料下降，双方互为阻力，彼此依赖，互为消长。

下降的炉料是上升煤气的阻力，而上升的煤气是下降炉料的阻力。

这个矛盾贯穿于高炉冶炼全过程，支配着其它矛盾。

生产实践证明，改善料柱透气性，保证煤气流合理分布，使炉料顺利下降，是矛盾统一的关键，也是保证高炉顺行，获得高产、优质、低耗的前提。

第一节炉料下降的条件及力学分析对固体炉料下降的基本要求：1、能够被上升煤气充分加热和还原；2、均匀下降；3、有利于煤气流合理分布一、炉料下降的条件基本条件：高炉下部能不断提供使其炉料下降的空间。

产生空间的原因：1、风口前焦炭燃烧；2、直接还原、渗碳消耗固体碳；3、矿石熔化、炉料下降过程中小块料填充到大块料之间引起的体积收缩；4、定期排放渣铁。

二、炉料下降受力分析炉料下降空间只是炉料下降的必要条件，炉料能否顺利下降，还取决于力学条件。

使炉料下降的力是其本身重力（W料）；阻止炉料下降的力有：1、炉墙对炉料以及料块之间的摩擦力（P摩）；2、上升煤气对炉料的阻力（P气）；3、炉缸液态渣铁对炉料的浮力（P液）。

因此，炉料下降的有效作用力（P）：P=W料—P摩—P液—P气=P有效—P气P有效= W料—P摩—P液，炉料有效重量。

从上面可看出，只有P>0,即P 有效>P 气，炉料才能顺利下降，才能保证冶炼顺利进行。

若P ≤0，即P 有效≤P 气，炉料不能顺利下降，炉料将被煤气托起，造成悬料或被流化。

由此可见，要是炉料顺利下降，必须是 P>0,即P 有效>P 气，这要从二方面着手：一是增大P有效，二是降低P 气。

增加P 有效；1、增加W 料，即提高焦炭负荷，增加炉料堆比重；2、减小P 摩，可适当减小炉身角β，增大炉腹角α，适当发展边缘气流，以及保证炉墙光滑等。

一解释题：1．炉料、煤气的水当量答案：所谓水当量就是指单位时间内通过高炉某一截面的炉料或煤气，其温度升高或降低1℃所吸收或放出的热量，即单位时间内使煤气或炉料改变1℃所产生的热量变化。

（包括化学反应热、相变热和热损失等）。

2．炉料有效重力答案：料柱重力克服散料层内部颗粒间的相互摩擦和由侧压力引起的摩擦力之后的有效质量力。

3．高炉内的热交换现象答案：炉缸煤气在上升过程中把热量传给炉料．温度逐渐降低。

而炉料在下降过程中吸收煤气热量，温度逐渐上升，使还原．熔化和造渣等过程顺利进行。

这就是热交换现象。

4．透气性指数:答案：表示通过散料层的风量与压差的比值，即单位压差通过的风量，反映气流通过料柱时阻力的大小。

以Q/△P表示，其中Q—风量，△P—压差。

二填空题1．两种或多种粒度混合的散料床层,其空隙率与大小粒的( )比和( )比有关。

答案：直径；含量P1282．高炉炉料下降的力学表达式为( )。

答案：F＝G料－P墙－P料－ΔP浮3．高炉内运动过程是指在炉内的炉料和( )两流股的运动过程。

答案：煤气4．高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气三种煤气中，发热值最低的是( )，发热值最高的是( )。

答案：高炉煤气；焦炉煤气5．初渣在滴落带以下的焦炭空隙间向下流动，同时煤气也要穿过这些空隙向上流动。

所以，炉渣的( )和( )对于煤气流的压头损失以及是否造成液泛现象影响极大。

答案：数量；物理性质(粘度和表面张力)6．在( )区间内，煤气与炉料的温差很小，大约只有50℃左右，是热交换极其缓慢的区域，常称为热交换的( )。

答案：炉身中下部；空区或热储备区7．高炉的热交换是指( )与炉料的热量传递。

答案：煤气流8．高炉内的( )是热量的主要传递者。

答案：煤气9．越到高炉下部炉料对热量的需求越（）。

答案：大10．煤气的压降梯度升高至与炉堆积密度相等时，发生( )。

答案：悬料11．煤气的危害是中毒、( )、爆炸，而氮气的危害是( )。

答案：着火；窒息12．高炉原料特别是烧结矿，在高炉上部的低温区还原时严重( )、( )，使料柱( )降低( )恶化。

高炉冶炼过程中的炉料与煤气运动高炉冶炼过程中的炉料与煤气运动高炉冶炼过程中伴随着物质与能量的传递过程。

这些物理过程是在流动的物质中发生的，即反应介质是以一定的速度运动而展开的，形成了以动量传递为基础的物质传递和热量传递。

高炉冶炼是在炉料自上而下，煤气自下而上，即在两个相互逆向运动过程中进行的，逆向流股中热量及动量的传递与输送包括两个物理机理，一种是由物质的分子运动引起的传递过程，另一种是流体微团移动引起的输送过程。

高炉的冶炼过程尽管十分复杂，但是它具有的传输现象的特点仍然是很明显的。

例如煤气穿过炉料层而上升是流体力学现象；煤气流加热炉料是传热现象；煤气流还原铁矿石以及风口前燃烧等都包含着气体扩散的传质现象。

因此，高炉冶炼的工艺原理，由于结合了传输理论的应用而进入新的阶段。

一、散料层的流体力学现象分析1、散料的主要参数矿石、焦炭、石灰石等粒状物叫散料，它们的透气性对高炉冶炼指标有极大的影响。

从流体力学看，散料各个颗粒间空隙所占的相对体积及单位体积的总表面积，对透气性有决定性影响。

（1）空隙度散料各个颗料间空隙所占的相对体积即孔隙率或空隙度。

（2）比表面积散料体积中物料的表面积与体积之比称为比表面积。

（3）形状系数（4）当量直径（5）平均流速2、炉料下降的力学分析物体在运动过程中总会遇到阻力，当炉料在高炉内自上而下运动时也是如此，炉料要往下运动必须使它自身的重力超过阻力，受到的阻力主要来自三个方面：（1）炉料与炉墙之间的摩擦力P；墙；（2）炉料与料柱下部死焦堆之间的摩擦力P料。

（3）上升煤气对炉料的阻力及阿基米德浮力△P浮3、煤气经散料层的阻力损失高炉内煤气穿过炉料的通路近似于许多平行的、弯弯曲曲的、断面形状多变化的、但又是互相连通的管束，煤气流穿过这些管束的压力降是煤气作用于散料层的一种阻力或浮力，风压变化即代表这种阻力变化。

4、在有液相条件下的煤气流动高炉下部和炉身干区不同，这里唯一尚存的固体炉料是焦炭，在与煤气流向上的同时，液体渣铁往下滴落穿过焦炭的空隙，在气、固、液三相之间进行着剧烈的传热，还原与气化反应。

高炉炼铁工竞赛复习题一、填空题（共120题）1．炉腹呈倒圆台型，它的形状适应的体积收缩的特点。

答案：炉料熔化后2．炉腹冷却壁漏水进入炉内，将吸收炉内热量，并引起炉墙。

答案：结厚3．炉缸煤气是由、H2和N2组成。

答案：CO4．炉缸煤气是由CO、和N2组成。

答案：H25．炉缸内燃料燃烧的区域称为燃烧带，它是区。

答案：氧化6．热矿带入的热量使温度升。

答案：炉顶7．炉料的粒度不仅影响矿石的，并且影响料柱的透气性。

答案：还原速度8．炉渣必须有较高的，以保证生铁的质量。

答案：脱硫能力9．炉渣是由带正，电荷的离子构成的。

答案：负10．炉渣中FeO升高，铁水含[Si]便。

答案：下降11．炉渣中MgO、MnO、FeO等能粘度。

答案：降低炉渣12．煤粉仓和煤粉罐内温度，烟煤不超过℃，无烟煤不超过80℃。

答案：7013．煤粉燃烧分为加热、和燃烧三个阶段。

答案：挥发分挥发14．难熔化的炉渣一般说来有利于炉缸温度。

答案：提高15．喷煤后炉缸煤气量要增加，还原能力。

答案：增加16．批重增大时可以，增大边缘的透气性。

答案：加重中心负荷17．确定铁口合理深度的原则是炉缸内衬到之间距离的1.2～1.5倍。

答案：炉壳外表面18．炉况失常分为两大类：一类是失常，一类是失常。

答案：炉料与煤气运动；炉缸工作19．高炉的热量几乎全部来自回旋区和。

热区域的热状态的主要标志是t理。

答案：鼓风物理热；碳的燃烧20．相对而言型的软融带对炉墙的侵蚀最严重。

答案：V型21．炉缸煤气热富裕量越大,软熔带位置，软熔带位置高低是炉缸利用好坏的标志。

答案：越高；热量22．在高炉内焦炭粒度急剧变小的部位是在答案：炉腰以下气化反应强烈的区域23．影响高炉寿命的关键部位是和。

答案：炉缸；炉身中部24．TRT是煤气、转为电能的发电装置。

答案：压力能；热能25．冷却壁背面和热面的温差会引起甚至断裂.答案：挠度变形26．热风炉烘炉升温的原则是、、答案：前期慢、中期平稳、后期快27．造渣制度应根据和确定。

第七章高炉内炉料和煤气的运动高炉内存在着两个相向运动的物质流：自上而下的炉料流和自下而上的煤气流。

高炉内许多反应都是在炉料和煤气不断地相向运动条件下进行的，炉料和煤气的运动是高炉炉况是否顺行和冶炼强化的决定性因素。

因此，稳定炉料和煤气的运动并使之合理地进行，常常是生产中保证获得良好冶炼的重要途径。

一、炉料运动（一）炉料下降的空间条件和力学分析1、空间条件高炉内不断出现的自由空间是保证炉料不断下降的基本前提。

自由空间形成的原因是：（1）焦炭在风口前的不断燃烧；（2）炉料在下降过程中由于小块炉料填充于大块炉料的间隙中，焦炭中的碳素在到达风口前参加直接还原和渗碳过程，固体炉料变成为液态渣铁和气体，从而引起的体积缩小；（3）周期性的放渣放铁。

在上述诸因素中，焦炭的燃烧影响最大，其次是液态渣铁的排放。

2、力学分析高炉内不断出现的自由空间只是为炉料的下降创造了先决条件，但炉料能否顺利下降。

还取决于下述的力学关系：P＝P料－P c－P k－P气= P料－P摩－P气（7-1）式中P——使炉料下降的力；P料——炉料的重量；P c——炉料与炉墙之间的摩擦力；P k——炉料与炉料之间的摩擦力；P摩——炉料下降时受到的总的摩擦力；P气——煤气对炉料的阻力（浮力）。

很显然，只有当P>0时炉料才能下降；P愈大，则愈有利于炉料顺利下降；当P 接近或等于零时，则炉料产生难行或悬料。

须要指出的是，要使炉料顺利下降（也称为炉料顺利），不仅要求整个料柱的P 大于零，而且还要求各个不同高度截面上和同一截面不同位置上的P大于零。

显然，某处的P=0时，则某处的炉料是悬料。

因此，炉料不顺行的现象，不仅可能在高炉上部或下部出现，也可能在某一截面上的某一区域出现。

为了讨论问题方便起见，引入料住有效重量这一概念。

料柱的重量克服了摩擦阻力后所剩下的重量，称为料柱的有效重量，即P有效＝P料－P摩（7-2）就整个料柱而言，料柱本身的重量由于受到摩擦阻力的反作用，并没有全部作用在风口平面或炉底上，真正起作用的只是料柱的有效重量。

一解释题：1．炉料、煤气的水当量答案：所谓水当量就是指单位时间内通过高炉某一截面的炉料或煤气，其温度升高或降低1℃所吸收或放出的热量，即单位时间内使煤气或炉料改变1℃所产生的热量变化。

（包括化学反应热、相变热和热损失等）。

2．炉料有效重力答案：料柱重力克服散料层内部颗粒间的相互摩擦和由侧压力引起的摩擦力之后的有效质量力。

3．高炉内的热交换现象答案：炉缸煤气在上升过程中把热量传给炉料．温度逐渐降低。

而炉料在下降过程中吸收煤气热量，温度逐渐上升，使还原．熔化和造渣等过程顺利进行。

这就是热交换现象。

4．透气性指数:答案：表示通过散料层的风量与压差的比值，即单位压差通过的风量，反映气流通过料柱时阻力的大小。

以Q/△P表示，其中Q—风量，△P—压差。

二填空题1．两种或多种粒度混合的散料床层,其空隙率与大小粒的( )比和( )比有关。

答案：直径；含量P1282．高炉炉料下降的力学表达式为( )。

答案：F＝G料－P墙－P料－ΔP浮3．高炉内运动过程是指在炉内的炉料和( )两流股的运动过程。

答案：煤气4．高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气三种煤气中，发热值最低的是( )，发热值最高的是( )。

答案：高炉煤气；焦炉煤气5．初渣在滴落带以下的焦炭空隙间向下流动，同时煤气也要穿过这些空隙向上流动。

所以，炉渣的( )和( )对于煤气流的压头损失以及是否造成液泛现象影响极大。

答案：数量；物理性质(粘度和表面张力)6．在( )区间内，煤气与炉料的温差很小，大约只有50℃左右，是热交换极其缓慢的区域，常称为热交换的( )。

答案：炉身中下部；空区或热储备区7．高炉的热交换是指( )与炉料的热量传递。

答案：煤气流8．高炉内的( )是热量的主要传递者。

答案：煤气9．越到高炉下部炉料对热量的需求越（）。

答案：大10．煤气的压降梯度升高至与炉堆积密度相等时，发生( )。

答案：悬料11．煤气的危害是中毒、( )、爆炸，而氮气的危害是( )。

答案：着火；窒息12．高炉原料特别是烧结矿，在高炉上部的低温区还原时严重( )、( )，使料柱( )降低( )恶化。

【本章学习要点】本章学习炉料在高炉内的物理化学变化,高炉内铁氧化物的还原反应，高炉内非铁元素的还原，生铁的生成与渗碳过程，高炉炉渣的成分与作用，硫的分布情况，炉渣脱硫反应及其条件，高炉内燃烧反应的作用，影响燃烧带大小的因素，炉料和煤气运动情况。

第一节炉料在炉内的物理化学变化炉料从炉顶装入高炉后，自上而下运动。

被上升的煤气流加热，发生了吸附水的蒸发、结晶水的分解、碳酸盐的分解、焦炭中挥发分的挥发等反应。

图3-1 炉内的状况一、高炉炉内的状况通过国内外高炉解剖研究得到如图3—1所示的典型炉内状况。

按炉料物理状态，高炉内大致可分为五个区域或称五个带：1)炉料仍保持装料前块状状态的块状带；2)矿石从开始软化到完全软化的软熔带；3)已熔化的铁水和炉渣沿焦炭之间的缝隙下降的滴落带；4)由于鼓风动能的作用，焦炭作回旋运动的风口带；5)风口以下，贮存渣铁完成必要渣铁反应的渣铁带。

高炉解剖肯定了软熔带的存在。

软熔带的形状和位置对高炉内的热交换，还原过程和透气性有着极大的影响。

二、水分的蒸发与结晶水的分解在高炉炉料中，水以吸附水与结晶水两种形式存在。

1．吸附水吸附水也称物理水，以游离状态存在于炉料中。

常压操作时，吸附水一般在105℃以下即蒸发，高炉炉顶温度常在250℃左右，炉内煤气流速很快，因此吸附水在高炉上部就会蒸发完。

蒸发时消耗的热量是高炉煤气的余热。

所以不会增加焦炭的消耗。

相反，由于吸附水蒸发吸热，使煤气的温度降低，体积缩小，煤气流速降低，一方面减少了炉尘的吹出量，另一方面对装料设备和炉顶金属结构的维护还带来好处。

2．结晶水结晶水也称化合水，以化合物形态存在于炉料中。

高炉炉料中的结晶水一般存在于褐铁矿(nFe203·mH20)和高岭土(A123·2Si02·2H20)中，结晶水在高炉内大量分解的温度在400～600℃，分解反应如下：这些反应都是吸热反应，消耗高炉内的热量。

三、挥发物的挥发挥发物的挥发，包括燃料挥发物的挥发和高炉内其他物质的挥发。