我的钢铁钢信通会员中心钢联无线客服中心 设为首页加入收藏│热线:400-820-0970

收藏词条   编辑词条 高炉热交换

创建时间:2008-08-02

高炉炼铁过程中炉内上升煤气流与下降炉料之间的热传递现象。从热工角度看高炉热交换属逆流式高温气流将热传输给运动着的散料床,使散料温度升高,而煤气自身温度降低的现象。它是高炉冶炼的主要过程之一。热交换不仅决定着高炉内温度场分布,而且还影响着冶炼过程的还原、造渣等一系列物理化学反应,因为上升的高温煤气既是载热体,又是还原剂,也就是在与炉料热交换过程中既提供炉料升温的热量,还提供各种物理化学变化所需的热量,保证还原等过程的进行。高炉内的温度场虽然因各高炉具体情况的不同,沿圆周及半径方向依煤气流分布而干差万别,但是沿炉子高度的温度分布却有共同规律(见图1):在炉料装入炉内的上部地区和从风口燃烧带形成煤气往上升的地区,由于煤气与炉料之间的温度差很大,进行着很强烈的热交换,形成高炉上部热交换区和下部热交换区;而在高炉的中部,煤气与炉料的温差较小(25~50℃),是热交换进行得极其缓慢的地区,被称为热交换空区或热储备区。热储备区的存在说明高炉是一种热交换很完善的设备。这种热交换规律是由前苏联学者基塔耶夫()教授发现,并通过热平衡方程和传热速率方程的联解给出了其传热规律的数学表达式。

传热方式和传热控制环节    

高炉内以传导、对流、辐射三种方式将热量由煤气传给炉料。其传热过程是由煤气向料块表面的外部传热和料块表面向料块核心的内部传热完成的。传导传热主要是在料块内部传热中起主导作用,也就是料块表面的热通过传导传热传到料块中心。由于高炉料柱内料块之间的接触绝大部分是点接触,所以料块之间的传导传热很小而常被忽】略不计。传导传热的传热方程为Qc=λ/r(t料表—t料核 )=hc(t料表—t料核);式中Qc为通过传导传送的热量,kj/m2sλ为炉料的导热系数,W/m•℃t料表、t料核为炉料表面和核心的温度,o C;hc为导出的导热系数W/•m2•℃r为炉料的半径,m。对流传热是运动的煤气流对料块外表面的主要传热方式,其规律为Qt=a(t料表—t料核);式中Qt为对流传热量,kJ/m2sα为对流给热系数,w/m2•℃,它与煤气的流速(以雷诺数为特征的流动状态)、煤气的运动黏度与料块的直径有关;t气为煤气温度,℃。辐射传热是高温煤气以辐射方式向料块表面传送热最,它与料块的黑度、煤气的温度和煤气中三原子气体(例如CO2H2O)含量和不对称双原子气体(CO)的含量等有关。辐射传热规律为Qr=ε Cr(T4气—T4料表)=hr(t气一t料表) ;式中Q为通过辐射传送的热量,kJ/m2•sε为黑度;Cr为辐射系数,w/mg2.K4hr为导出的辐射系数,w/m2•℃。研究和测定的结果说明:矿石的导出导热系数hc高于焦炭的,而矿石和焦炭的hc又分别高于它们的对流给热系数α,所以在高炉的热交换过程中对流给热是限制性因素。研究还证明不同温度下矿石的hc远高于(α+hr) ,因此对流给热仍然是控制环节,但是焦炭在高温下(725℃以上)hc小于(α+hr),这时焦炭本身的传导传热成为控制性环节。

热交换系数    从传热来说可用高炉内控制性环节的对流给热系数来评价高炉内料层中的热交换强度。在散料的热交换计算中有两种形式的给热系数:单位料块表面积的(αF)和单位料层体积的(αv),它们之间的关系为:单一球径的炉料αv=αF[6(1—ε) ] 任何形状的炉料αvαF[ 7.5(1—ε)d] ;式中ε为炉料的空隙度;d为炉料的直径,m。基塔耶夫根据C.费尔涅斯用高炉炉料和其他物料所做传热试验数据,导出αv的计算式;式中W气为气体流速,m/sT为气体的平均温度,K273+t气℃d为料块直径,mM为与料层透气性有关的系数,对一般高炉炉料M=0.5,对无粉末单一粒径的理想炉料M=1.0。季莫费耶夫()根据他人所做实验资料整理出的αF计算式为;式中系数为气体的导热系数和黏度;W气为气体的流速,m/sρ气为气体的密度kg/m。;d为散料的直径,m。如果考虑炉料内部传热,则综合热交换系数为

对于高炉所用实际炉料来说,综合热交换系数kv1100~6300W/m3.℃,或kF=25~130W/m2•℃。

料流和煤气流的水当量   

料流和煤气流在高炉内进行热交换时,单位时间内温度变化1℃所吸收或放出的热量(W料,W气)称为水当量或料流和煤气流的折算热容量(C料折C气折)。水当量常以生产单位生铁(1kg1t)作为计算它们数值的基准:W料=G料•c料W气=G气•c气式中G料G气为生产单位生铁的料流重量和煤气流的体积;C料、c气为炉料和煤气的比热容。

在高炉热交换过程中,炉料的升温过程不单纯是物理过程,而且还有化学反应过程,也就是有水分蒸发的吸热,结晶水分解,石灰石和白云石的分解,间接还原的放热和直接还原吸热,渣铁的熔化热以及冶炼过程的热损失等。所以在实际应用中把这些物理和化学过程的热都考虑计入水当量中,因此水当量也称为折算热容量。也就是把吸热或放热反应以及热损失的热量消耗折算为升高1℃所需要的热量。显然吸热反应增大了W料,而放热反应则减小了W料。在现代高炉上,高炉上部的W料C料折波动在1800~2500kJ/t•℃;下部的w料或c料折因直接还原吸热而波动在5000~6000kJ/t•℃。高炉煤气流的W气c气折在高炉上下部基本上都在2000~2500kJ/t•℃,因为煤气流在高炉下部小些,上部多些,其比值VV约为1.12~1.15(见炉缸反应和高炉煤气运动),而煤气的比热容则相反,下部的比热容因煤气温度高而大些,上部的比热容因煤气温度低而小些,其比值c/c约为0.89~0.91,这样高炉上、下部的W气c气折就稳定在同一水平上。(图2)

高炉内热交换规律从高炉内热交换过程中料流和煤气流的水当量在高炉高度上的变化看,出现三种情况,就是炉子上部W气>W料,m=W气/W料>1;炉子下部W气,W气/W料<1;以及炉子中部W气≈ W料,m= W气/W料≈1。从热交换的热平衡和传热速率两个基本方程联解得到上部热交换区和下部热交换区内煤气流温度变化和料流温度变化的表达式:

 

以上诸式中t料空、t气空为炉子中部热交换空区处的炉料和煤气温度,o C;t气缸为炉缸煤气温度,℃;F为炉料比表面积m2/m。V料为冶炼单位生铁炉料的体积,m3,r为热交换时间,h。

上部和下部热交换区的高度的表达式为:

式中C料为1m3炉料的比热容;ε为炉料的空隙度;P为料速,m/h;H为煤气温度从炉缸上升经热交换降到绳空时的高度,m;H为炉料温度从入炉经热交换升高到t料=0.95 t气空  时的高度,m。在热交换空区内,由于m≈1,热交换进行得极少,炉料和煤气温度沿高度基本上是两条平行的直线。将上述料流和煤气流的变化规律沿高炉高度绘制就得出图2中的热交换曲线。

高炉冶炼工艺因素

对热交换的影响炼铁工作者用料流和煤气流的水当量变化及m值的升降来评价冶炼工艺因素对热交换和炉内温度场分布的影响。(1)风温。风温提高以后,风口前燃烧的焦炭量减少,单位生铁形成的煤气量减少,W气也随之降低,W气/W料下降;理论燃烧温度升高,即t气缸上升,使高炉下部热交换区传热加强,H缩短,也就是高温区下移,进入上部热交换区时煤气流的热量减少,从而使炉身温度和炉顶温度下降(见高风温)。(2)富氧。富氧鼓风以后,最明显的特征是风中N2减少,燃料在风口前燃烧形成的煤气量减少,W气随之下降,而炉料的总消耗没有发生明显变化,W料不变,因此W气/W料下降;理论燃烧温度的提高也使t气缸上升,其结果同提高风温相似:高温区下移,炉身温度和炉顶温度降低。而且富氧比提高风温所造成的影响更大。因为进入上部热交换区煤气流带入的热量更少。所以在采取措施时,W气/W料下降到1.0是鼓风富氧的极限。为解决高富氧后炉身部位热量紧张,要减少该部位吸热过程的热量消耗或增加该部位的热量收入,前者可以采取不用含结晶水炉料,不用熔剂,降低热损失等,而后者可向炉身部位喷入热还原性气体等。(3)喷吹燃料。高炉喷吹燃料以后,因为喷吹燃料中碳氢化合物含量高,碳氢化合物在风口前转化为CO和H2放出的热量少于焦炭中碳转化为C0时放出的热量(例如CH4+0.5O 2一CO+2H 2+2230kJ/kg,C+1/2O 2一CO+9800kJ/kg),但是形成的煤气体积却相反,1mol碳氢化合物形成的气体体积比1mol碳形成的气体体积多了2倍H 2的体积。结果炉缸的理论燃烧温度降低了,W气增大了;而喷吹燃料置换了焦炭,从炉顶加入炉内的炉料的总消耗量降低,使W料减小了.最终是W气/W料增大。 t理的降低减弱了炉子下部的热交换,m的增大使炉身温度和炉顶温度升高(见高炉喷吹燃料),(4)焦炭负荷。负荷增加使高炉上、下部的W气/W料都降低.因为这时炉子上部和下部的W气/W料都降低了,而炉子中部的空区扩大。从热交换的角度看,高炉焦炭债荷增大的极限是W气/W料=1。在现代高炉上,原料准备很好,炉子上部的W料已经达到0.8~0.9W气。高炉的热能和化学能利用程度已经接近传热上和热力学上的最高值.这是任何火法冶金设备所不能比拟的。

相关词条:

高炉热交换 高炉炼铁 

合作编辑者:

词条统计

浏览次数:约 11359 次
编辑次数: 1 次
历史版本
最近更新:2016-01-26
创建者:

现货 供应 求购 百科 黄页