高炉布料       (burden distribution of blast furnace)

指高炉炼铁过程中，炉料(主要是矿石和焦炭)在高炉炉喉的分布。高炉布料的基本规律是高炉冶炼工艺理论的重要组成部分，控制高炉布料是高炉操作的一个重要手段。习惯上称之为“上部调剂”。通常高炉炉料是分批装入高炉炉喉的。根据经验确定一批料的矿石量与按焦炭负荷确定的批料焦炭量组成料批，通过布料设备双钟或旋转布料器装入炉喉，从炉体纵剖面上看，矿石与焦炭呈分层重叠结构(见图1)。高炉是一种逆流反应器，煤气在高炉下部产生，而后上升穿过料层；炉料从上部下降与煤气作用，完成加热、还原、造渣、熔化等冶炼过程。模型研究和高炉解剖均已证明，炉料在炉内由上而下，温度逐渐升高，直到熔化前，一直保持炉喉布料的层状结构。矿石层和焦炭层透气性不同，矿石层的阻力比焦炭层大10～20倍。实践证明，焦炭多的地方煤气流较发展，因而炉料温度升高快，从高炉料柱纵剖面上看，煤气发展的地方软融带的位置也较高。可见高炉布料对煤气分布以及软融带的形状和位置等是有重要影响的，这关系到煤气能量的充分利用，炉料的顺利下降以及高炉一代寿命的长短。正常的高炉行程在炉内圆周方向上煤气与炉料的分布都是均匀或基本均匀的，因此，分析研究煤气和炉料的分布主要是截面上沿半径方向的分布。煤气分布一般以其成分中CO₂ 含量在半径方向不同点的数据绘成的炉顶煤气CO₂ 曲线图作分析判断，近年来发展为以炉喉十字测温所得温度曲线作分析判断，而炉料的分布以料层厚度或料面高度等分析判断。既然高炉布料是控制煤气分布的重要手段，所以研究布料要先了解高炉内煤气分布的类型(见高炉煤气分布)，然后掌握布料规律、装料制度的选择、装料制度与送风制度的关系以及一种特殊装料方法：混装。

双钟炉顶布料规律       

布料装置为双钟的高炉，大钟打开，炉料从大料斗内沿大钟斜面流下落到炉内料面上，形成环形料堆，从纵剖面上看炉料沿料面向高炉中心和炉墙两侧滚动、滑动、堆积，形成斜坡。炉料斜坡的坡面与水平面的夹角称为堆角(图1中ψ角)，不同炉料的堆角不同，一般情况焦炭堆角大于矿石堆角(这一性质将影响炉料分布)。料堆的顶点称为堆尖，堆尖在半径方向上的位置，可以标示炉料分布情况。影响炉料分布的因素很多，主要有料线深度、装料次序、批重等等。

料线深度        高炉内的料面是不断下降的，当料面降低到一定程度时就要加料，此时料面距布料器下缘的高度即为料线深度，或简称料线。料线深度对炉料分布的影响是以堆尖在半径方向上的位置为特征的，它们的关系可用式(1)表示：

式中h为料线深度，m；β为大钟角度，(^。)；Q为炉料重量，kg；P为煤气对炉料的浮力，kg；L_x 为炉料堆角位置距大钟边缘或溜槽末端在x轴方向的水平距离，m；η为修正系数。由式(1)可以看出炉料分布与料线的关系是：在其他条件一定时，料线越深(h值越大)，堆尖越靠近边缘(L_x 值越大)，边缘分布的炉料越多。图2是用公式(1)计算的具体实例，从图中看出，当h=2．66m时，炉料堆尖与炉墙重合，再深，炉料反弹到炉内。

装料次序      使用大钟布料器，装料次序是常用的调剂方法。装料次序有正同装、正分装、倒同装和倒分装等多种形式。正同装为矿石在前焦炭在后，大钟打开一7欠矿石和焦炭同时装入炉内；正分装为矿石在前焦炭在后大钟打开两次矿石和焦炭分别装入炉内；倒同装为焦炭在前矿石在后同时装入高炉；倒分装为焦炭在前矿石在后分别装入高炉。各种装料次序对布料的影响可用料层厚度以及矿石层和焦炭层厚度之比来判断。一批料装入炉内形成一定厚度，如图3所示，中心处厚度为y₀，炉墙处厚度为y_B，堆尖处厚度为y_G，先装入炉料的炉内堆角为ψ₁，后装入的为ψ₂，则炉料任一点的分布可由下式计算：

(3)式中△y₁ 为自高炉中心线到堆尖范围内，一批料的料层厚度，m；△y₂ 为自炉料堆尖到炉墙范围内，一批料的料层厚度，m；x为自高炉中心线到料面上任一点的水平距离，m；n为炉料堆尖位置距高炉中心的水平距离，m；ψ₁为前一层炉料(也叫原始料面或一次料面)的堆角，(^。)；ψ₂为后一层炉料(也称新料面或二次料面)的堆角，(^。)。

由式(2)可以看出装料次序的作用：当y₀ 、n一定时，堆角大的炉料布到堆角小的炉料之上，以堆尖为界，自炉子中心到堆尖，愈向边缘，炉料分布愈多；自堆尖到炉墙则相反。一批料放到炉内，矿石层和焦炭层厚度之比，决定煤气通过的阻力变化，反映了炉料分布的本质特征，这个比值叫布料特征数。分别用E_B 表示高炉边缘的比，用已表示中心处的比：

E_B=y_BK／y_BJ      (4)

E_O=y_OK／y_OJ     (5)

式中y_BK 、y_OK分别表示一批矿在高炉边缘和中心处的料层厚度，m；yBJ、yOJ分别表示一批焦炭在高炉边缘和中心处的料层厚度，m。

以一座中型高炉的具体数据，用式(4)、式(5)计算不同装料次序的炉料分布，得出如下结果：

从以上数据看，正分装与倒分装对布料的影响是接近的，正同装与倒分装差别较大，差别最大是从正同装变到倒同装。

批重              批重对布料的影响在于料层厚度，二者数量关系可用式(6)表示：

(6)

式中ρ为炉料堆密度；W为批重；V为一批料的体积。式(6)有几种变形：

(1)当y₀ =0，即一批料分布在高炉中心处的厚度是0，则

(7)

此时炉料刚好布到中心，这个批重值W₀ 叫临界批重，小于W₀，炉料布不到中心。

(2)当n=1/2d₁ ，炉料堆尖与炉墙重合，式(6)变成

(8)

由式(8)可导出y₀ 的计算式：

(9)

从上述计算式，可以看出批重的作用。批重有一个临界值，当批重大于临界值时，随矿石批重增加而加重中心，过大则炉料分布趋向均匀；当批重小于临界值时，矿石布不到中心，随批重增加而加重边缘或没有明显影响。

炉料粉末对布料的影响       

高炉煤气从下部上升，速度较快，穿过固体料柱时携带大量粉末。当气流离开料面，速度骤然下降一倍多，煤气中的粉末部分沉降落到料面上。如边缘煤气发展，则粉末大部分落到中心，造成中心“堵塞”；如中心发展，则形成边缘“堵塞”。这种变化，在炉料粉末增多时特别明显。两种情况均需及时处理，否则破坏高炉行程。对粉末(特别是小于3mm的)多的高炉，只能用双峰型煤气分布，保证粉末落到中间环节，维持高炉顺行。

界面效应    

指矿石层和焦炭层在装料过程中于交接面处的混合与料面变形现象。这种现象对布料有重要影响。首先它破坏了炉料的层状结构，使布料操作复杂化；其次，它在一定程度上降低了料柱透气性。

混合      不同粒度的炉料如果同装，在大钟内和离开大钟后，均有部分混合。两种粒度不同的炉料同时或分别装入炉内，在炉料界面上互相渗透形成混合层。混合层孔隙度小，对煤气阻力大，不利于高炉强化。在炉料中，矿石和焦炭的粒度差越大，混合层所占比例越高。实践表明，大钟开启时同装的炉料中，焦炭先落到料面上，其后焦炭与矿石混合料落下来，最后矿石落到焦炭层上面，其中部分较小粒度的矿石渗透到焦炭层中，形成焦矿混合层，降低了料层透气性。分装的混合效应，比同装要小，这也说明，装料应逐步走向分装。

变形     在装料过程中，由于上层炉料对下层炉料的撞击、推挤，料面发生不规则变形。以同装为例，倒同装时，焦炭落到炉内尚未形成稳定的料层，马上受下落矿石的碰撞、推挤，结果部分焦炭被挤到中心；正同装时，先落入炉内的为矿石，前一批的焦炭已形成稳定的焦层，间隔一段时间后矿石才落到焦炭上，在此期间随料柱下降，炉内堆角已经减小，因此矿石的推挤作用大大减少，也即较倒同装变形小。

减少界面效应的措施      操作上可采用两种措施：(1)尽量用分装，减少装料过程的混合。分装，每批炉料入炉，中间都有一段时问间隔，这段间隔，使已进入炉内的炉料形成稳定的料层，炉内堆角在下降过程趋于平坦，第二种料入炉对第一种料的推挤作用减小。(2)避免用深料线操作。入炉料对料面的推挤、碰撞力，与料线有关，力学计算表明，推力与料线深度平方根成正比。因此使用较浅的料线是减少界面效应的有效措施。

无钟布料    

世界上第一个无钟布料装置，于1972年在德国汉博恩厂(}Iambor•nPlant)投产。多年来，无钟操作积累了大量经验，对推进高炉发展起了巨大作用。

无钟与大钟在操作上的区别      区别有4：(1)无钟布料灵活，可以把炉料布到炉喉平面任何地方；一般大钟角度ρ=50^。～53^。 ，是固定的，布料位置受到限制。高炉直径越大，这种限制越明显。(2)无钟布料，一批料要转8～12圈，比大钟放料时间长5～10倍，炉料在缓慢流动中，粉末易在落点料面处集中，形成粒度偏析，因此粒度差别较大的炉料组成，要用多环或螺旋布料以减少偏析。大钟布料一次放入炉内，时间短，偏析较无钟小，但界面效应较无钟严重。(3)无钟布料因溜槽旋转产生离心力，在堆尖外侧的炉料炉内堆角较内侧的小，形成不对称的炉料分布。所以，采用螺旋布料，料面形成平坦的台阶，而不是明显的锯齿状。(4)与大钟相比，无钟布料所形成的炉内堆角比较大。表1给出一组实测数据。

                                     表1无钟与大钟布料的炉内堆角

 
  炉    别

高炉容积
 

  装料
 

  炉内堆角／(。)
 

    ／m 3
 

  方式
 

 
矿石

 
焦炭

日本水岛4号炉
日本千叶6号炉

    4323
    4500

    大钟
    无钟

27～28
32．5

 29～30
35～35.5

溜槽角度对布料的影响        无钟布料，主要用溜槽角度控制炉料分布。用公式(10)可以具体算出不同β角和不同料线深度，炉料堆尖位置的分布。图4是计算实例。

式中L_x 是炉料从溜槽末端到料面沿X方向移动的距离(见图2)：

式中h为料线深度(溜槽末端与高炉中心线重合时末端到料面的距离)，m；m为炉料质量，kg•s² ／m；Q为炉料重量，kg；C₁ 为炉料在溜槽末端的速度，m／s；L₀ 为溜槽长度，m；β为溜槽工作角度，(^。)；ω为溜槽旋转速度，r／s；n为炉料堆尖位置距高炉中心的水平距离，m。

无钟布料方法        依炉喉直径不同，将炉喉断面分成均匀的8～11等分，溜槽角度对应于每等分，分成8～11个角度，依据这些角度，安排具体的装料制度。设炉喉直径为d。，将炉喉面积分成N等分，第i圈的直径为d_i (图5)，则

(12)

炉料落点在1／4(d _i + d _i+1)处，使炉料布到直径为d _i 和d _i+1 两个圆环围成的环形面积上。以1／4(d _i + d _i+1)  代入式(10)，则

(13)

式中d _i 和d _i+1 分别表示第i圈和第(i+1)圈的直径；除β_i 外，其余参数均已知，故可解出β_i 值。式(13)可用于操作选择和设计计算。

溜槽角度确定后，按操作试验结果，安排装料，表2是日本千叶厂6号炉(V_u=4500m³ ，d₁ =10.5m)的装料方法。

                                  表2千叶厂6号炉无钟布料

    溜槽位置

    1          2         3         4        5        6         7          8         9        10

    溜槽角度

    52。    50．5。    48．5。    46．5。    44。    41．5。    38．5。    35．5。    31．5。    25．2。

    布
    料

  焦炭
 

    2           2        3         3        1        1          1          O        O        O
 

    圈
    数

 
  矿石

       
    3           2        3         2        2        1           1         O        O        O

装料制度的选择   

原料粒度与装料制度的关系             选择装料制度，首先要考虑原料粒度组成。若原料中小于3mm的粒度较多，装料制度要保证煤气有两条通路，煤气分布呈双峰型，避免因粉末再分布造成高炉边缘或中心“堵塞”。

高炉容积与装料制度关系               小型高炉，料柱短，阻力小；炉缸直径小，中心容易活跃，布料上可争取煤气分布接近平坦型。但由于小高炉炉料条件较差，故大部分采用双峰操作，一部分炉料条件稍好的，采用中心发展型。大高炉的炉缸直径大，中心不易活跃；料柱高，对煤气阻力大，一般采用中心发展型的装料制度，既能保证高炉顺行，又使煤气能量得到充分利用。而原料中粉末极少，且炉顶压力很高的大型现代化高炉已采用平坦型的装料制度，煤气利用达到η_CO  =0.5％。

煤气速度与装料制度的关系        炉内煤气流速与煤气分布类型关系密切。一般煤气流速低，高炉容易顺行，对于冶炼强度较低原燃料条件又较好的高炉，以接近平坦型的装料制度操作。同理，高压操作的高炉，顶压越高，煤气流速越低，也可用接近平坦型装料制度生产。高冶炼强度、低顶压的高炉，只能用中心发展型或接近中心发展型的装料制度，否则高炉难以保持稳定、顺行。

料线深度的选择       料线一般是固定不变的，只是在其他手段调剂失灵时，才改变料线。频繁地改变料线，容易导致料线深度的准确性变差。料线一般选择在碰点以上。其他条件一定，料线愈深，炉料堆尖愈靠近边缘，边缘分布的炉料愈多。在生产中为加重边缘，可适当降低料线，但深料线加重了界面效应，这是操作者所不希望的。料线选在碰点以下，缺点较突出：(1)炉料撞到炉墙后，反弹到炉内，不仅炉料多碰摔一次，增加了粉末量，而且破坏了布料规律，使煤气流分布紊乱；(2)料线过深，料面以上的高炉容积，不能充分利用，浪费了宝贵的高炉空间；(3)料线过深，炉顶温度高，一旦有塌料发生，顶温会更高，加速炉顶设备的损坏。所以，正常操作，料线选在碰点以上，加料后余500mm左右即可。

批重的选择         一批料加到炉内，分布是规则的。对于大钟高炉，分布到边缘和中心的厚度确定一批料分布的形状，两者厚度之比D=-y_B／y_O反映了这种炉料在炉内分布的特点，这个值越大，表示这种炉料在边缘越多。图6是根据某中型高炉的生产数据算得的矿石批重W_K与批重特征数D_K的关系。从图中看出，批重有3个不同的特征区：激变区、缓变区和微变区。在激变区，批重少许变化，边缘料层厚度与中心料层厚度之比会发生急剧变化；在微变区，不论批重增加或减少，对高炉料分布影响不大；在缓变区，批重变化对炉料分布的影响，介于两者之间。所以，为保持高炉稳定顺行，高炉最大批重应选在微变区。

生产中还注意到：批重大，界面少，界面效应减少；但批重过大，料面趋向平坦，对煤气阻力增加，如果炉料强度和粒度不很理想，超大批重，高炉就难以接受。所以，一定的原料条件，批重相应有个合适范围，过大，易形成煤气“两头堵”，高炉很难稳定。

装料制度与送风制度互相适应           高炉要达到较高的生产水平，装料制度与送风制度必须互相适应。这种互相适应可以概括为：如装料制度以疏导中心为主，下部能够接受较高的风速；如装料制度以发展边缘为主，则下部不可能接受很高的风速，中心通路被矿石“堵塞”，中心煤气就难以穿过。不论改变装料还是改变送风制度，均要考虑两者互相结合，互相适应。为了改变长期边缘发展，即改变边缘发展型煤气分布，在装料制度上不应过急地加重边缘负荷(E_B值)，而应逐步加重，防止边缘突然“堵塞”，煤气失去通路，破坏高炉顺行。与此同时，逐步提高风速，使煤气向中心延伸，活跃中心气流，削弱边缘气流，这样上、下配合，互创条件，能较快地改变发展边缘的错误操作。长期不能改变边缘发展，往往是上、下部调剂未能适应的结果。

混装          

矿石和焦炭混合后装入高炉叫混装。混装和同装不同，同装虽然矿石和焦炭一同入炉，但矿石和焦炭并不混合，或矿石先于焦炭入炉，或焦炭先于矿石入炉，各自保持自己在炉内为单独一层。

70年代前苏联在克里沃罗格厂开始试验在矿石中混入小块焦，效果良好，以后日本进行了更深入的实践。1985年，中国马鞍山钢铁公司开始混装试验，每批矿石中加入75～150kg、5～25mm的小块焦(相当于20～40kg／t)，结果高炉透气性改善，煤气利用率有所提高。现在矿石层中加小块焦已成为普遍采用的一项技术。80年代这一技术发展到矿、焦完全混装，即将矿、焦加在同一个料车或同一条输运皮带上，使之完全混合，然后装入高炉。中国济南铁厂也在100m³ 高炉进行试验，取得了焦比降低3．2％，产量提高6．3％的效果。

混装后不再存在独立的焦炭层，焦炭在软熔的矿石中起骨架作用、软融层变薄，其透气性得到改善。前苏联洛基诺夫(B．и．JorиHOB)教授发现，矿石含粉率<20％时，分层装料比混合装料时的料柱透气性好，在粉末含量20％～30％时，两种装料制度的料柱透气性相同，当矿石含粉率>25％～30％时，则混装制度的料柱透气性好。中国杭州钢铁厂使用含粉少的高碱度烧结矿和酸性球团矿的炉料结构时试验混装，也发现了这种规律。但混装后料线、批重、装料次序、溜槽角度等均不起调剂作用，要想改变煤气分布，只能依靠几种矿、焦不同混合比例，按不同方式入炉，或依不同粒度组成的混合料分别入炉，这些方法，装料设备及设备场地较同装或分装复杂、庞大，投资必然增加。

混装也像其他装料方法一样，还在发展中。