高炉风口鼓风均匀性及风口参数调节研究
梅亚光，程树森，李洋龙
（北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京 100083 ）
摘 要：采用数值模拟的方法对典型的大中小 3 种不同容积的高炉的风口均匀性进行了研究，并分析了风口调节措施对鼓风参数的影响。 结果表明：风口鼓风参数分布规律与热风围管中各支管位置处的压力分布规律一致，高炉风口尺寸相同时，各风口鼓风参数也不同；高炉圆周方向各风口的鼓风参数存在最大及最小值，对于不同容积的高炉，达到最值的风口位置也随之变化；总风量增加时，风口不均匀性增加，大高炉鼓风动能不均匀性最大。 总风量不变时，减小某风口的面积，该风口的风量、鼓风动能并未增加；风口长度的增加对高炉鼓风参数的调节影响不大。
关键词：高炉风口；均匀性；鼓风参数；风口调节；数值模拟
高炉风口均匀性及鼓风参数的调节对高炉的长寿、高效及节能减排至关重要，风口不均匀会导致高炉圆周方向炉缸活跃性不一致， 同时影响高炉生铁质量，鼓风参数的调节是高炉日常操作的重要环节。但由于高炉送风系统的复杂性及检测的困难性，导致高炉风口鼓风均匀性的研究较少。 对于这种高速流动的高温气体， 一般采用数值模拟的方法对该类型的问题进行研究。
在高炉生产过程中， 一般要求风口参数保持固定，不能轻易改动，但是在高炉出现炉况不顺行时，高炉操作者经常需要调节风量、风口直径或长度以及配合上部调剂使高炉恢复顺行。 吴狄峰 [1] 等以 1 200 m 3 高炉送风系统为研究对象， 通过数值模拟的方法研究得出，调整风口直径是对风口流量的重新分配，而不是对速度的重新分配，总风量不变时，缩小少数几个风口面积会使各风口风速都增大，而面积减小的风口风量和鼓风动能会减小，其他风口的鼓风动能增大。 肖永忠 [2] 等以 2 200 m 3 高炉送风系统为研究对象，通过建立数学模型和 1∶10.6 的物理模型，研究得出缩小一个或少量几个风口的直径， 风速下降，邻近风口风速增加，当全部或大部分风口的直径缩小时，整个风口的平均风速才会增加。 李洋龙 [3]等以 3 200 m 3 高炉送风系统为研究对象， 将送风系
统简化成一个由风口小套组成的并联管路，建立了风口压力损失的机理模型，经过理论计算定量给出各风口调整前后的风量、风速和鼓风动能。
以上研究对于认识高炉风口风量分配规律有参考意义，但其研究只针对某一类型的高炉。 随着我国高炉容积的大型化， 5500m3 特大型高炉的风口均匀性亟需研究。本文分别以 800m3 、 2000m 3 和 5500m3高炉为研究对象， 利用CFX 15.0 研究了风口结构相同时的送风系统内热风流动过程以及缩小风口面积和增加风口长度对各风口鼓风参数的影响。
1 物理模型及计算条件
图 1 所示为高炉送风系统截面图， 热风从热风总管和热风围管接口处进入围管， 然后逐一分配到各个热风支管，再经过直吹管，最后经过风口送入高炉炉腹，在风口前端形成风口回旋区。
图 2 所示为计算过程中用到的三种不同容积高炉的送风系统物理模型俯视图及风口编号情况，其主要尺寸见表 1 。 一般来说，高炉的容积越大，其风口数目越多。
因为送风系统绝热较好， 热风在流动的过程中温度基本保持不变， 所以将流动过程看成是等温过程。风口的风速远远小于当地的声速，马赫数远小于1 ， 故可将热风的流动当作等温不可压缩湍流处理，计算模型选用标准 k-ε 双方程模型， 壁面设为无滑移壁面，近壁面处流动采用壁面函数进行处理，壁面粗糙度为 6.3 μm ，热风密度为 1.262 kg/m 3 ，动力学黏度为 5.442×10 -5 kg/ （ m · s ）， 三种不同容积高炉的正常鼓风量在 2 200 m 3 /min 、 3 500 m 3 /min 及 8 400m 3 /min 上下波动，故入口速度分别设置为 27.639 m/s 、 33.693 m/s 及 50.763 m/s ，出口边界采用压力边界条件， 出口表压分别设置为 3.2×10 5 Pa 、 4×10 5 Pa 及4.5×10 5 Pa（均为10的5次方） 。
2 计算结果及分析
2.1 流场分析
不同容积高炉送风系统内部热风流动情况基本类似， 所以本文仅以 5500m3高炉为例研究送风系统的热风流动情况。 图3（a）和3 （ b ）分别为送风系统内部热风速度分布云图和热风流线图， 从图中可以看出，在热风总管与围管交接的三岔口处，存在一个半圆形的速度梯度区域， 在热风总管两侧的围管内部存在两处较大的涡流，分别位于 20 # 和 23 # 支管正上方。 图 4 为其中一侧涡流处热风速度矢量图，从图中可以看出， 贴近 23 # 支管处热风流动速度较大，随
后部分热风改变流动方向，向围管上壁面流动，一部分热风向上流动后，返回与初始气流汇合从而形成涡流，涡流中心热风速度较小。 热风在围管中向两侧流动时速度逐渐减小，在总管正对面处，两股热风交汇，速度达到最小。 图 5 为热风在 16 # ~21 # 热风支管中流动的速度矢量图，从图中可以看出，除 19 # 支管外，其他 5 个支管内均存在涡流，涡流区域在支管中上部靠近总管的一侧，因为送风系统的高度对称性，在 22 # ~27 # 支管中存在同样的现象， 并且随着热风继续向两侧流动，支管中涡流逐渐消失。在直吹管和风口中，随着流动横截面积的减小， 热风流动速度逐渐增加，在风口前端，热风流动速度达到最大约 257 m/s 。
2.2 压力分布
图 6 为 5 500 m 3 高炉送风系统内部压力分布云图，从图中可以看出，在热风总管与围管交接的三岔口处，同样存在一个半圆形的压力梯度区域，该区域
中心的压力值最大约 494.93 kPa ，而在 20 # 和 23 # 支管上方的压力值最小约 493.09 kPa ， 所以在热风流向两侧的过程中，围管中的热风压力先减小后增大。在直吹管和风口中， 压力值随着热风流动横截面积的减小而减小， 在风口前端达到最小值约 450 kPa 。热风从总管到风口前端，压力逐渐减小，热风经过送风系统的过程中所受的阻力损失包括管道内表面摩擦引起的沿程阻力损失和因管道截面变化引起的局部阻力损失 [4] 。
2.3 围管中压力分布对风口均匀性的影响
由于送风系统是通过热风总管将热风送入热风围管中，然后再分配到各个风口，这种分配方式本身就会造成风口鼓风参数的不均匀。生产数据显示，即
便各风口的尺寸完全相同也并不能保证热风在圆周上保持均匀， 在生产过程中发现在围管与总管接口的三岔口处的风口进风量要高于对面风口， 该风口位置是多次发生管道的部位 [5] 。图 7 为风口风速与围管内压力分布的关系，其中风速是指各风口出口截面上的热风速度平均值，热风围管内的绝对压力值是指围管轴线与各支管轴线交点处的热风绝对压力值。
从图 7 中可以看出，对于 800 m 3 高炉，各风口风速关于热风总管呈近似 V 形的对称分布，在热风总管两侧的 9 # 和 10 # 风口处风速最小约为 212.6 m/s ， 在热风总管正对面的风口处风速最大约为 215.5m/s ；对于 2 000 m 3 高炉，各风口风速关于热风总管呈近似 W 形的对称分布， 在热风总管两侧的 13 # 和16 # 风口处风速最小约为 198.4 m/s ， 在热风总管正对面的风口处风速最大约为 201.1 m/s ，而在总管两侧最近的 14 # 和 15 # 风口风速较大约为 199.8 m/s ；
同样对于 5 500 m 3 高炉， 各风口风速关于总管呈近似 W 形的对称分布， 不同的是总管两侧最近的 21 #和 22 # 风口风速达到最大值约为 258.4 m/s ， 而相邻
的 19 # 、 20 # 、 23 # 、 24 # 风口速度达到最小值约为 254.3m/s ；因为各风口面积和长度完全相同，所以风量和鼓风动能遵循同样的分布规律。比较三种不同容积高炉送风系统热风围管中压力分布与对应风口的风速分布可以发现，两者分布规律相似， 所以在各风口的长度和直径都相同的情况下，送风系统的送风不均匀性主要来源于热风围管中压力分布的不均匀性，无论大小高炉，风速最小的风口都分布在总管附近，对于中小高炉，风速最大的风口大都分布风口正对面， 对于风口数目较多的大高炉，风速最大的风口为距离总管最近的两个风口。
2.4 总鼓风量对风口均匀性的影响
方差是一种常用的衡量数据离散程度的指标，对于三种不同容积的高炉， 分别计算了 5 种不同总鼓风量下的各鼓风参数的方差， 作为评价鼓风参数圆周均匀性的指标。 如图 8 所示为鼓风参数均匀性与总鼓风量的关系， 从图中可以看出， 无论高炉大小，随着总鼓风量的增加，风速、风量和鼓风动能的方差都增加， 即风口不均匀性将随着总送风量的增加而增加， 而且风速和风量的方差基本随着总鼓风量的增加而线性增加， 鼓风动能方差的增加幅度较为明显， 即鼓风动能的不均匀性随着总鼓风量的增加而产生的变化较大。对于中小型高炉，其鼓风参数方差始终维持在较小的范围内，对于大高炉，其风速和风量方差均较小，但鼓风动能方差较大，也就是说大高炉各风口鼓风动能的不均匀性较大。 5500m3高炉总风量为 8400 m 3 /min 时， 鼓风动能最大的风口与最小的风口相差 6.9 kJ/s ，鼓风动能的差异性影响了高炉燃烧带的大小和形状， 最终将影响高炉煤气流的初始分布。
2.5 风口参数调节
高炉大型化是炼铁技术发展的趋势 [6] ，但是随着高炉容积的增大，炉缸死料柱透气性和透液性变差，中心煤气流较弱，而边缘煤气流得到发展，加剧了对
炉墙的冲刷 [7] 。高炉生产过程中需要通过调节风口改变鼓风参数来活跃炉缸中心、 抑制边缘煤气流的发展以及减轻对铁口的侵蚀， 常用的调节方法是改变
风口的面积和长度。传统的认识为总鼓风量一定时，增加风口长度对鼓风参数影响较小， 而缩小风口面积能提高风口风速和鼓风动能， 但是鼓风动能也不
宜过大以免影响高炉顺行 [8-9] ，所以通常的做法是通过适当缩小风口面积来增大鼓风动能达到吹透炉缸中心的目的，或者增加风口长度，将热风引入炉缸中
心，提高炉缸中心的活跃度，但这种认识并不正确。
（ 1 ）单个风口调节图 9 为三种不同容积高炉缩小 1 # 风口直径 20mm 对鼓风参数的影响，从图中可以看出，缩小一个风口面积对三种不同容积高炉风口鼓风参数的影响规律是相似的，即缩小风口面积，有利于提高所有风口的风速， 其中作调整的风口风速增加量远大于其他风口，其他风口的风量和鼓风动能均有所增加，但作调整的风口的风量和鼓风动能有明显的降低。 所以对于上述三种容积高炉风口风量和鼓风动能不均匀性可以通过调整风口的直径对其进行调整， 如对于 5 500 m 3 高炉， 总管两侧最近的 21 # 和 22 # 风口，风量和鼓风动能最大， 可以适当减小这两个风口的直径， 从而降低风量和鼓风动能， 对于邻近的 19 # 、20 # 、 23 # 和 24 # 风口，风量和鼓风动能最小，可以适当增加这两个风口的直径，增加风量和鼓风动能。同样对于 800 m 3 或 2 000 m 3 高炉，在总管对面，风量和鼓风动能达到最大， 也可以采用相同的原理对其进行调节。 而传统认识为在总管和围管接口选用小风口，在对面选用大风口 [10] ，其实高炉风口布局应根据风口鼓风参数分布情况进行调整，不能一概而论。图 10 是三种不同容积高炉增加 1 # 风口长度 70mm 对鼓风参数的影响，从图中可以看出，增加风口长度对三种不同容积的高炉风口鼓风参数的影响都很小，但是对于作调整的风口，其风速、风量和鼓风动能都有所降低，对于其他未作调整的风口，大部分风口的鼓风参数值有少量的增加， 少数风口有较小的降低，但是不管增加还是降低的风口，其变化值都较小。总的看来，增加风口长度对风口的鼓风参数的影响不大，其中对于作调整的风口，鼓风参数降低值会相对大一些，对于其他未调整的风口，影响较小。
（ 2 ）多个风口调节
某钢厂 5 500 m 3 高炉在生产过程中为了抑制铁口区域过快侵蚀，维持圆周方向工作均匀性，对铁口附近的风口尺寸进行了调整，缩小、加长或者同时缩小和加长了风口， 图 11 为风口和铁口位置示意图，调整后参数如表 2 所示， 其余未列出的风口保持不变，直径均为 130 mm ，长度均为 625 mm 。
图 12 为风口调整后鼓风参数的变化情况，从图中可以发现， 2 # 、 10 # 、 23 # 和 31 # 缩小风口直径 5 mm后，风速增大，风量和鼓风动能降低， 6 # 、 7 # 、 27 # 和 28 #增长风口 75 mm 后，风速、风量和鼓风动能均增加，但增加幅度小于其他风口， 这是因为部分风口缩小直径后，造成其余直径不变风口鼓风参数增加，增加风口长度和缩小风口面积效果叠加后， 造成这 4 个风口的鼓风参数增加幅度略小于其他风口， 这也说明缩小风口直径对鼓风参数的影响远大于增加风口
长度。 15 # 、 16 # 、 36 # 和 37 # 既缩小了风口直径，又增加了风口长度，所以风量和鼓风动能的降低幅度最大。
3 结论
（ 1 ）本文采用数值模拟的方法对国内典型的大中小三种不同容积高炉的风口均匀性及影响因素进行了研究， 研究结果与生产现象和已有文献报道吻合，间接验证了模型的合理性。
（ 2 ）高炉风口尺寸相同时，各风口鼓风参数也不同， 鼓风参数分布与热风围管中各支管处压力分布规律一致；对于不同容积的高炉，鼓风参数达到最值的风口位置也随之变化， 800 m 3 高炉鼓风参数最大风口分布于热风总管正对面，最小风口为 9 # 和 10 # ；2 000 m 3 高炉鼓风参数最大风口同样分布于热风总管正对面，最小风口为 13 # 和 16 # ； 5 500 m 3 高炉鼓风参数最大风口为距离总管最近的 21 # 和 22 # ，最小风口为相邻的 19 # 、 20 # 和 23 # 、 24 # 。
（ 3 ）对于不同容积高炉，鼓风参数不均匀性都随着总鼓风量的增大而增大， 大高炉的鼓风动能不均匀性最大。
（ 4 ）总风量不变的情况下，缩小风口面积使得所有其他未调整风口的风速、风量以及鼓风动能增加，而缩小面积的风口风速增加幅度最大， 其风量和鼓
风动能则减小； 增加风口长度对其他未调整风口的风速、风量和鼓风动能影响很小，而增加长度的风口的风速、风量和鼓风动能有较小的下降；对多个风口
的面积和长度同时进行调整时， 面积调整为主要影响因素。
参考文献：
[1] 吴狄峰 , 程树森 , 赵宏博 , 等 . 风口尺寸对高炉操作影响的研究 [J].钢铁 , 2008, 43(4): 18-23.
[2] 肖永忠 , 梁南山 , 毕学工 , 等 . 涟钢 2 200 m 3 高炉风口供风特性研究 [J]. 炼铁 , 2006, 25(1): 45-47.
[3] 李洋龙 , 程树森 , 陈川 , 等 . 合理调整高炉风口参数的数学模型及措施 [J]. 钢铁 , 2015, 50(6): 26-34.
[4] 陈辉 , 张卫东 , 马泽军 , 等 . 高炉送风系统压力损失的理论解析[J]. 钢铁 , 2011, 46(2): 22-25.
[5] 张庆东 , 孙占国 , 韩云平 . 安钢 2 200 m 3 高炉合理送风制度探析[J]. 炼铁 , 2009, 28(4): 33-34.
[6] ZHOU Dongdong, CHENG Shusen, WANG Yingsheng. Production and development of large blast furnace from 2011 to 2014 in China[J]. ISIJ International, 2015, 55(12): 2519-2524.
[7] 朱锦明 , 王臣 . 宝钢高炉送风制度与炉缸维护的探讨 [J]. 炼铁 ,2015, 34(1):1-4.
[8] 陈川 , 程树森 . 炉缸煤气流分布的影响因素 [J]. 钢铁 , 2012, 47(12):24-29.
[9] 华建明 , 张龙来 . 鼓风动能对高炉冶炼的影响及控制 [J]. 炼铁 ,2005, 24(4): 4-8.
[10] 张贺顺 , 马洪斌 , 任健 . 首钢高炉送风制度的基础研究 [J]. 钢铁研究， 2010, 38(5): 1-5.
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