專利名稱：一種利用氣動原理抑制和調節(jié)煉鐵反應器布料偏析的方法
技術領域：
本項發(fā)明屬于鋼鐵冶金技術領域，更具體地講，涉及一種利用氣流完成抑制和調節(jié)高爐等煉鐵反應器爐頂布料過程爐料偏析的方法。
背景技術：
布料是包括煉鐵高爐、直接還原豎爐和熔融還原爐等煉鐵反應器操作中最有效， 也是最常用的上部調劑手段之一。通常，煉鐵反應器的頂部都裝有布料系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中，通過布料系統(tǒng)將焦炭、礦石、熔劑等粒狀含鐵原料和燃料裝入爐內，高溫煤氣從爐身下部產(chǎn)生或導入，與向下移動的顆粒床逆流作用，進行傳熱、傳質和化學反應，完成冶煉過程。 其中，爐料料柱的透氣性狀況直接影響了煤氣流的分布和利用率，與反應器的生產(chǎn)效率息息相關，而料層的透氣性的分布不僅由爐料的質量分布決定，同時也受沿徑向的粒度分布所影響。如果布料過程中由于爐料的密度和粒徑不同，引起布料過程的徑向偏析嚴重時，將導致爐況難行、懸料、粘結等諸多問題。因此，抑制和調節(jié)爐料在布料過程的偏析，提高爐料分布的控制精度，將煤氣流分布調整到穩(wěn)定、合理的范圍，是保證煉鐵反應器長期、穩(wěn)定、高效運行的關鍵技術之一，也是煉鐵科技工作者們一直關注并致力于盡快解決的問題之一。高爐用無鐘溜槽式爐頂布料器和熔融還原爐用萬向節(jié)布料器是兩類主要應用的布料系統(tǒng)，雖然在機械結構與操作模式上兩種設備具有較為明顯的不同，但就其功能而言， 爐料均是通過料倉和中心喉管下落，沿著可以旋轉和可以調節(jié)角度的溜槽/料斗將爐料布置在爐喉處，形成合適的料面形狀。布料過程可以調節(jié)布料批重，布料圈數(shù)，布料模式(單環(huán)、多環(huán)等)等。但無論是高爐、直接還原豎爐還是COREX豎爐、氣化爐等煉鐵反應器，生產(chǎn)使用的原、燃料均是形狀不規(guī)則的大量顆粒，其粒徑也不是均勻單一的，而是分布在一定的區(qū)間內，因此，布料過程中不可避免地會發(fā)生顆粒粒徑和密度偏析，即粒徑或密度相同 (近)的顆粒趨向于相同的速度，落在相同的爐喉半徑處。如此累積，粒徑較大的顆粒聚集區(qū)，煤氣過分發(fā)展，粒徑較小的粉塵聚集區(qū)，煤氣發(fā)展較弱，這種由于爐料偏析造成的煤氣分布不均勻化嚴重影響了爐內熱效率與煤氣利用率，降低生產(chǎn)效率。因此，布料操作時應盡量抑制爐料粒徑偏析，但是現(xiàn)有的布料裝置并不能有效解決上述問題，需要采用其他措施抑制這種爐料偏析。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術存在的以上問題，本發(fā)明提出一種煉鐵反應器的爐頂布料裝置及方法。所述裝置和方法主要通過引入氣流對不同粒徑、密度的固體顆粒作用力的差異，從而能夠抑制或調節(jié)高爐無鐘溜槽爐頂與豎爐萬向節(jié)布料器等煉鐵反應器在布料時爐料沿徑向的粒徑、密度偏析現(xiàn)象。本發(fā)明的一方面提供了一種煉鐵反應器的爐頂布料裝置，所述裝置包括加料罐、 中心喉管、旋轉布料器和氣體噴吹系統(tǒng)，其中，所述氣體噴吹系統(tǒng)設置在煉鐵反應器的爐頂，用于從煉鐵反應器外部將氣體導入爐頂內部，然后將氣體向從旋轉布料器排出并即將布入煉鐵反應器的物料噴吹。本發(fā)明的另一方面提供了一種煉鐵反應器的爐頂布料方法，所述方法為在通過可旋轉和可調節(jié)角度的旋轉布料器將物料布入煉鐵反應器的爐頂?shù)耐瑫r，通過向從旋轉布料器排出并即將布入煉鐵反應器的物料噴吹一束或多束氣體，以調節(jié)或抑制布料過程中的物料偏析。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于通過在諸如高爐或豎爐等煉鐵反應器的爐頂加料設備加裝氣體噴吹系統(tǒng)，來實現(xiàn)對物料流噴吹氣體，從而改變爐料顆粒在料面處的落點，進而影響不同粒徑爐料的具體分布，最終避免了爐料在布料過程中出現(xiàn)的偏析現(xiàn)象，有利于改善煉鐵反應器的透氣性和生產(chǎn)的順行。此外，本發(fā)明能夠廣泛應用于煉鐵高爐、直接還原豎爐、熔融還原豎爐和熔融還原氣化爐等煉鐵反應器，作為布料偏析的調節(jié)手段能夠發(fā)揮其重要作用。


通過參照附圖對示例性實施例進行的詳細描述，本發(fā)明的上述和其它特征和/或優(yōu)點對本領域技術人員來說將變得更加清楚，附圖中圖Ia示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的煉鐵反應器的爐頂布料裝置的使用效果圖；圖Ib示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的煉鐵反應器的爐頂布料裝置中的物料受力分析圖；圖Ic示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的煉鐵反應器的爐頂布料裝置的結構剖視圖；圖Id示意性地示出了沿A-A線截取的根據(jù)本發(fā)明第一實施例的煉鐵反應器的爐頂布料裝置的氣體圍管的剖視圖；圖加示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的煉鐵反應器的爐頂布料裝置的使用效果圖；圖2b示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的煉鐵反應器的爐頂布料裝置中的物料受力分析圖；圖2c示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的煉鐵反應器的爐頂布料裝置的結構剖視圖；圖2d示意性地示出了沿A-A線截取的根據(jù)本發(fā)明第二實施例的煉鐵反應器的爐頂布料裝置的氣體噴嘴圓盤的剖視圖；圖3a示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的煉鐵反應器的爐頂布料裝置的使用效果圖；圖北示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的煉鐵反應器的爐頂布料裝置中的物料受力分析圖；圖3c示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的煉鐵反應器的爐頂布料裝置的結構剖視圖。附圖標記1:加料罐 2:中心喉管 3:氣體導管 4:旋轉布料器
5:固定裝置6:氣體圍管 7:氣體噴嘴 8:爐壁9 氣體噴嘴圓盤
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明一方面的煉鐵反應器爐頂布料裝置包括加料罐、中心喉管、旋轉布料器和氣體噴吹系統(tǒng)。其中，所述氣體噴吹系統(tǒng)設置在煉鐵反應器的爐頂，用于從煉鐵反應器外部將氣體導入爐頂內部，然后將氣體向從旋轉布料器排出并即將布入煉鐵反應器的物料噴吹。在一個實施例中，氣體噴吹系統(tǒng)可以包括氣體導管、氣體噴嘴和固定裝置，其中， 所述氣體導管的位于煉鐵反應器內的一端與氣體噴嘴連接，氣體導管的位于煉鐵反應器外的一端用于將氣體導入煉鐵反應器，所述固定裝置用于將氣體導管固定在煉鐵反應器的爐頂?shù)膬缺谏?，或者用于將氣體導管固定在旋轉布料器上。在一個實施例中，所述氣體噴吹系統(tǒng)還可以包括連接在氣體噴嘴與氣體導管之間的氣體圍管或氣體噴嘴圓盤。所述氣體噴嘴的數(shù)量可以為4 M個，并且這些氣體噴嘴可以沿旋轉布料器的中心線或者沿煉鐵反應器的中心線對稱設置。所述氣體噴嘴的噴吹角度可調節(jié)。在本發(fā)明中，所述煉鐵反應器可以包括高爐、豎爐、熔融還原爐和氣化爐，所述旋轉布料器可以包括溜槽、旋轉料斗或萬向節(jié)布料器。根據(jù)本發(fā)明另一方面的煉鐵反應器爐頂布料方法為在通過可旋轉和可調節(jié)角度的旋轉布料器將物料布入煉鐵反應器的爐頂?shù)耐瑫r，通過向從旋轉布料器排出并即將布入煉鐵反應器的物料噴吹一束或多束氣體，以調節(jié)或抑制布料過程中的物料偏析。在一個實施例中，所述氣體的噴吹方向、壓力和氣流速度可調節(jié)。所述氣體的壓力可以為0. 5 2. 5個大氣壓。所述氣體可以為煉鐵反應器尾氣、一氧化碳、氮氣、空氣或氬氣。在下文中，將結合附圖來描述本發(fā)明的示例性實施例。為了清楚起見，可以夸大或縮小附圖中的各個部件的尺寸。實施例1如圖Ia至圖Id所示，本實施例的煉鐵反應器爐頂布料裝置包括加料罐1、中心喉管2、溜槽4和氣體噴吹系統(tǒng)。氣體噴吹系統(tǒng)設置在煉鐵反應器的爐頂，用于從煉鐵反應器外部將氣體導入爐頂內部，然后將氣體向從溜槽4排出并即將布入煉鐵反應器的物料噴吹。氣體噴吹系統(tǒng)包括氣體導管3、固定裝置5、氣體圍管6和氣體噴嘴7，其中，氣體導管3的位于煉鐵反應器內的一端與氣體圍管6連通，多個氣體噴嘴7連接與氣體圍管6連通，氣體導管3的位于煉鐵反應器外的一端用于將氣體導入煉鐵反應器，固定裝置5用于將氣體導管3和氣體圍管6固定在煉鐵反應器的爐壁8上。在本實施例中，氣體噴嘴7的數(shù)量為4個，并且這些氣體噴嘴 7沿煉鐵反應器的中心線對稱設置。氣體噴嘴7的噴吹角度可調節(jié)。如圖Ia和圖Ib所示，在從與固定在爐壁8上的氣體圍管6連通的氣體噴嘴7噴出的氣體作用到下降的物料流上時，爐料顆粒下降時受到氣體噴嘴7噴出的氣體作用力P和重力mg的雙重作用，且在氣體曳力作用下，料流的物料顆粒改變了自由下落的運動軌跡。圖Ia的虛線箭頭表示氣體噴嘴7噴出氣體的氣流方向。圖Ib中虛線箭頭示出了氣體作用力方向，虛線OD表示原始料流的下降軌跡，曲線OC表示加裝氣體噴嘴7并實施噴吹后的實際料流軌跡。此外，在本實施例中，氣體導管3的數(shù)量可以為1條或多條。實施例2如圖加至圖2d所示，本實施例的煉鐵反應器爐頂布料裝置包括加料罐1、中心喉管2、旋轉料斗4和氣體噴吹系統(tǒng)。氣體噴吹系統(tǒng)設置在煉鐵反應器的爐頂，用于從煉鐵反應器外部將氣體導入爐頂內部，然后將氣體向從旋轉料斗4排出并即將布入煉鐵反應器的物料噴吹。氣體噴吹系統(tǒng)包括氣體導管3、固定裝置5、氣體噴嘴圓盤9和氣體噴嘴7，其中，氣體導管3的位于煉鐵反應器內的一端與氣體噴嘴圓盤9連通，多個氣體噴嘴7連接與氣體噴嘴圓盤9連通，氣體導管3的位于煉鐵反應器外的一端用于將氣體導入煉鐵反應器，固定裝置5用于將氣體導管3 和氣體噴嘴圓盤9固定在旋轉料斗4的末端。在本實施例中，氣體噴嘴7的數(shù)量為16個， 并且這些氣體噴嘴7沿旋轉料斗4的中心線對稱設置。氣體噴嘴7的噴吹角度可調節(jié)。圖加和圖2b中示出了從旋轉料斗末端下降的爐料顆粒受到噴吹氣體作用力P和重力mg的共同作用下的運動軌跡。圖加中的虛線箭頭表示氣體噴嘴7噴出氣體的氣流方向。圖Ib中虛線箭頭示意氣體作用力方向，虛線OD表示原始料流軌跡，曲線OC表示加裝氣體噴嘴7并實施噴吹后的實際料流軌跡。此外，在本實施例中，氣體導管3的數(shù)量可以為 1條或多條。實施例3如圖3a至圖3c所示，本實施例的煉鐵反應器爐頂布料裝置包括加料罐1、中心喉管2、溜槽4和氣體噴吹系統(tǒng)。氣體噴吹系統(tǒng)設置在煉鐵反應器的爐頂，用于從煉鐵反應器外部將氣體導入爐頂內部，然后將氣體向從溜槽4排出并即將布入煉鐵反應器的物料噴吹。氣體噴吹系統(tǒng)包括氣體導管3、固定裝置5和氣體噴嘴7。其中，氣體導管3的位于煉鐵反應器內的一端與氣體噴嘴7連通，氣體導管3的位于煉鐵反應器外的一端用于將氣體導入煉鐵反應器。氣體噴嘴7指向溜槽4的出口下沿，且氣體噴嘴7的位置低于溜槽4的出口。氣體噴嘴7的噴吹角度可調節(jié)。固定裝置5用于將氣體導管3固定在溜槽4上，以使氣體導管3的下部與溜槽4實現(xiàn)同步旋轉，保證氣體噴嘴7始終對準溜槽4的出口方向。圖3a和圖北示出了從氣體噴嘴7噴出的氣體作用到料流上，爐料顆粒在氣體曳力作用下改變了原來自溜槽4中自然下落的運動軌跡。圖3a中的虛線箭頭表示的是從氣體噴嘴7噴出的氣體方向。圖北中虛線箭頭示意氣體作用力方向，虛線OD表示原始料流軌跡，曲線OC表示加裝爐頂布料裝置后在噴吹氣體的作用下的實際料流軌跡。在本發(fā)明的方法中，噴吹氣體的噴吹方向、氣流速度和壓力可以根據(jù)實際生產(chǎn)的要求進行調節(jié)。下面解釋噴吹氣體的各個參數(shù)對物料落點的影響。氣體吹過顆粒流時，會對顆粒產(chǎn)生一定的曳力。合適的曳力會明顯地改變粒徑較小的顆粒的運動軌跡，而不會影響較大顆粒的軌跡。噴吹氣體后，顆粒受力如圖Ia所示。氣流對固體顆粒的阻力公式為P = 1/2CdA P V2式中，Cd-阻力系數(shù)；P -氣體密度，kg/m3 ；A-爐料最大橫斷面積，m2 ；ν-煤氣速度，
以某公司2500m3高爐為例，爐頂裝置無鐘布料器。布置一批燒結礦，燒結礦密度 1950kg/m3，假設礦石顆粒為球形。爐料離開料斗速度V = 5m/s，溜槽懸掛點至料線距離 4. 6m，溜槽長度3. 89m，溜槽傾角α =45°，設置直角坐標系，原點在料斗末端。氣流噴射方向與料斗夾角β =90度，噴口直徑為50mm，氣流速度為5m/s，如圖Ib中箭頭所示。現(xiàn)在求解噴吹氣體后，不同粒徑顆粒落點位置變化。噴吹氣體離開噴嘴后，吹向下落的顆粒，將氣流軌跡設為兩條平行直線。拋物線與直線的交點區(qū)域即是氣流對顆粒作用區(qū)域。爐料在空區(qū)主要受到重力作用，根據(jù)= W + ，代入相應數(shù)據(jù)得顆粒在空區(qū)
下落時間t = 0. 47s。根據(jù)物理原理和數(shù)學方法可以確定各點的坐標和相應的運動方程。分別計算粒徑為3mm，5mm, 12mm的燒結礦顆粒在氣流作用下的運動軌跡變化。假設噴吹氣體為爐頂凈煤氣，煤氣密度Pg=I. 34kg/m3。顆粒沿氣流方向的加速度為a JC^pA
m得 a3 = 2. 58m/s2 ;a5 = 1. 55m/s2 ；a12 = 0. 64m/s2。氣流對顆粒的作用時間由顆粒下落速度和噴嘴形狀等決定。由于顆粒下落重力加速度遠大于氣流加速度在豎直方向上的分量，所以忽略氣流對顆粒下落時間的影響。由\yA-y()\ = Vcosa-t,+\gt；得氣流對爐料的作用時間、=0. 015s。計算顆粒在氣流作用區(qū)域內的水平徑向位移S' 3 = 0. 21 X 10 ；S' 5 = 0. 12X 10 ；S' 12 = 0. 05X ΙΟ^ιι。離開氣流作用區(qū)域后，顆粒在水平方向上的位移變化量為S" 3 = 12. 44X 10 ；S" 5 = 7· 47X l(T3m ;S〃 12 = 3· 11 X ΙΟ^ιι。故氣流作用前后，不同粒徑顆粒在水平徑向上的位移變化量為S3 = S' 3+S" 3=12. 65X10_3m;S5 = S' 5+S〃 5 = 7. 59X 10 ;S12 = S' 12+S〃 12 =3. 16X10^11。綜上計算結果，氣流對小顆粒(粉塵)的落點位置改變較大，對大顆粒落點幾乎沒有影響，完全可以實現(xiàn)設計任務?，F(xiàn)場生產(chǎn)可以根據(jù)布料需要，調節(jié)氣流速度與噴嘴角度。根據(jù)上述計算方法，提出本專利的具體應用案例。實施例4COREX預還原豎爐大量使用球團礦，現(xiàn)以某廠的COREX球團礦粉塵為例，假設豎爐爐頂加裝了實施例1的爐頂布料裝置，氣流噴嘴出口直徑50mm，氣流方向與料斗中心線夾角90°，噴吹爐頂凈煤氣，煤氣密度Pg=L 34kg/m3?？紤]布置一批球團礦，球團礦粉密度 3400kg/m3,爐料離開料斗末端速度V = 7m/s。COREX豎爐爐喉直徑8. 33m,料線高度細，布料器料斗長度1.429m，料斗轉速0.15r/s。球團礦粉粒度分布如表1所示。根據(jù)生產(chǎn)要求， 在料斗傾角為30°時，需要將粒徑為5mm的礦粉顆粒在落點處外拋10mm。計算在此條件下需要的氣流速度。
表1球團礦粉塵粒度組成與需要氣速
權利要求
1.一種煉鐵反應器的爐頂布料裝置，包括加料罐、中心喉管和旋轉布料器，其特征在于，所述爐頂布料裝置還包括氣體噴吹系統(tǒng)，所述氣體噴吹系統(tǒng)設置在煉鐵反應器的爐頂， 用于從煉鐵反應器外部將氣體導入爐頂內部，然后將氣體向從旋轉布料器排出并即將布入煉鐵反應器的物料噴吹。
2.如權利要求1所述的爐頂布料裝置，其特征在于，所述氣體噴吹系統(tǒng)包括氣體導管、 氣體噴嘴和固定裝置，其中，所述氣體導管的位于煉鐵反應器內的一端與氣體噴嘴連接，氣體導管的位于煉鐵反應器外的一端用于將氣體導入煉鐵反應器，所述固定裝置用于將氣體導管固定在煉鐵反應器的爐頂?shù)膬缺谏?，或者用于將氣體導管固定在旋轉布料器上。
3.如權利要求2所述的爐頂布料裝置，其特征在于，所述氣體噴吹系統(tǒng)還包括連接在氣體噴嘴與氣體導管之間的氣體圍管或氣體噴嘴圓盤。
4.如權利要求2或3所述的爐頂布料裝置，其特征在于，所述氣體噴嘴的數(shù)量為4 24個，并且這些氣體噴嘴沿旋轉布料器的中心線或者沿煉鐵反應器的中心線對稱設置。
5.如權利要求2或3所述的爐頂布料裝置，其特征在于，所述氣體噴嘴的噴吹角度可調節(jié)。
6.如權利要求1所述的爐頂布料裝置，其特征在于，所述煉鐵反應器包括高爐、豎爐、 熔融還原爐和氣化爐，所述旋轉布料器包括溜槽、旋轉料斗或萬向節(jié)布料器。
7.一種煉鐵反應器的爐頂布料方法，其特征在于，所述方法為在通過可旋轉和可調節(jié)角度的旋轉布料器將物料布入煉鐵反應器的爐頂?shù)耐瑫r，通過向從旋轉布料器排出并即將布入煉鐵反應器的物料噴吹一束或多束氣體，以調節(jié)或抑制布料過程中的物料偏析。
8.如權利要求7所述的爐頂布料方法，其特征在于，所述氣體的噴吹方向、壓力和氣流速度可調節(jié)。
9.如權利要求7所述的爐頂布料方法，其特征在于，所述氣體的壓力為0.5 2. 5個大氣壓。
10.如權利要求7所述的爐頂布料方法，其特征在于，所述氣體為煉鐵反應器尾氣、一氧化碳、氮氣、空氣或氬氣。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用氣動原理抑制和調節(jié)煉鐵反應器布料偏析的方法。所述裝置包括加料罐、中心喉管、旋轉布料器和氣體噴吹系統(tǒng)。氣體噴吹系統(tǒng)設置在煉鐵反應器的爐頂，用于從煉鐵反應器外部將氣體導入爐頂內部，然后將氣體向從旋轉布料器排出并即將布入煉鐵反應器的物料噴吹。本發(fā)明通過對物料流噴吹氣體，從而改變爐料顆粒在料面處的落點，進而影響不同粒徑爐料的具體分布，最終避免了爐料在布料過程中出現(xiàn)的偏析現(xiàn)象，有利于改善煉鐵反應器的透氣性和生產(chǎn)的順行。本發(fā)明能夠廣泛應用于煉鐵高爐、直接還原豎爐、熔融還原豎爐和熔融還原氣化爐等煉鐵反應器。
文檔編號C21B11/00GK102212629SQ201110138360
公開日2011年10月12日 申請日期2011年5月23日 優(yōu)先權日2011年5月23日
發(fā)明者張玉棟, 李強, 鄒宗樹 申請人:東北大學