摘要
氧气高炉作为现有传统高炉的改进方案，采用高富氧乃至全氧喷吹，理论燃烧温度升高，鼓风量减少，鼓风动能小，风口回旋区大小和燃烧带范围可能发生重大变化;氧气高炉设置炉身风口，喷吹加热煤气补充上部块状带热量，然而已有研究表明炉身喷吹煤气存在明显的“贴壁效应”;氧气高炉焦比显著降低，焦炭层大幅减薄，导致软熔带形状、位置和透气性发生显著变化，影响了软熔带的二次煤气分布。本文针对氧气高炉工艺，基于相似准则的基本原理，采用物理实验和数值模拟相结合的方法，围绕氧气高炉炉内气固运动进行了基础研究，为氧气高炉工艺的开发利用提供参考。 首先，以几何相似、曳力相似为准则，以鼓风动能相似为目标，搭建带有风口回旋区的430m3高炉下部1∶3扇形冷态物理模型，对高炉风口回旋区的一般性流动规律进行了研究。气流空塔流动时，大部分气流运动至炉膛中心，然后折向上运动形成中心气流;一部分气流运动至炉膛中心后折向下运动，形成炉缸底部回流;少部分进入炉内后立即向上运动，形成边缘气流。几乎没有出现有限空间射流理论中因高速流动产生低压区域导致的二次卷吸流。针对颗粒运动的研究结果表明，粒径较细的煤粉表现出明显的流态化特征，在回旋区内的停留时间较短，仅为0.012s。大部分煤粉随高速气流，快速进入到回旋区上部焦炭床中。回旋区内焦炭颗粒因为受到气体曳力、自身重力和颗粒间摩擦力的综合作用，处于近似力平衡的状态，挤压在回旋区端面缓慢蠕动和原地振动，速度为0.08～0.4m/s。与传统高炉相比，氧气高炉在鼓风动能缩小25.6％的情况下，回旋区的深度和高度分别缩小了20％和15.8％。回旋区高度的变化小于深度的变化。 然后，结合铁矿石可控气氛程序还原实验和软化熔滴实验，提取料层惯性阻力系数，建立氧气高炉软熔带的多孔介质模型，研究不同的煤气流速度对软熔带压差的影响以及软熔带煤气二次分配在煤气压差和速度方面的作用。在焦比下降、焦炭层减薄和软熔带内有更多的矿石软熔层的情况下，软熔带压差约为90kPa，与500m3级传统高炉的经验值基本一致。氧气高炉焦比显著降低，焦炭层厚度仅为传统高炉的一半，氧气高炉软熔带仍然具有较高的透气性，为低焦比生产操作提供了理论支持。 在回旋区气固运动规律和软熔带透气性研究的基础上，进一步建立430m3氧气高炉全炉1∶3扇形冷态物理模型，通过向不同位置的球团矿浇注不同量石蜡的方法构造出不同氧气高炉工艺条件下的软熔带位置和透气性特征，耦合铁矿石不同间接还原度带来的软熔带透气性差异和炉身喷吹气体速度，重点研究了间接还原度为70％和90％时两种氧气高炉工艺炉内煤气流的径向、圆周向分布规律和炉缸、炉身煤气协同运动规律。回旋区尺寸较大时，气流的穿透深度更大，中心气流比例增加了6％。软熔带对中间带气流有明显的导流作用，高透气性软熔带有助于气流形成在径向的均匀分布。与风口同列布置相比，错开排列的上下风口可以使炉顶煤气流的分布更加均匀，但同列布置和错开排列的差异并不明显。在炉顶截面，炉身喷吹煤气流占比最高可达到60.47％，较低时可达到33.34％。炉身喷吹煤气径向穿透能力增加，圆周向充分发展，取代炉腹上升煤气，成为新的边缘气流，“占位效应”明显。炉身喷吹煤气的流速达到10～20m/s时，可形成较强的径向和圆周向穿透力。 最后，仍以430m3高炉内型为参考，建立氧气高炉全炉多孔介质模型。模型可模拟出高炉内某些特定的传输现象，例如，风口回旋区内煤气流高速回旋运动，充分发展的中心气流和少量的边缘气流，死料柱、软熔带区域内速度较低的煤气流。通过模拟发现，与传统高炉相比，氧气高炉软熔带压差占全炉压差的比例仍在70％～80％的范围内。全炉压差随炉身风口高度不断增加而逐渐降低，但当炉身风口已经高于软熔带时，继续提高炉身风口的高度对于降低炉内压差的作用很小。炉身煤气进入炉内后，经过快速的径向扩张后，其径向深度不再随炉身半径或炉身高度的变化而变化。因此只能通过增加炉身风口处的煤气流速的方法来增加炉身喷吹煤气的穿透力。以间接还原度70％为条件，进行了软熔带倾角60°、45°和30°的对比研究，发现，软熔带倾角减小时，软熔带变矮并趋于扁平，软熔层数逐步减少，软熔带和全炉压差显著降低。提高间接还原度、降低软熔带倾角和减少软熔带内软熔层数均可降低全炉压差和软熔带压差，为进一步增加鼓风量，提升冶炼强度，提高氧气高炉的有效容积利用系数提供了必要条件。
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