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第四章 高炉冶炼过程的传输现象
1.写出欧根公式，说明式各因子的物理意义，指出该式对高炉作定性分析时适用的区域，并从炉料和煤气两方面分析影响ΔP的因素及改善炉内透气性的主要途径。
?g??空??1??????空?(1??)2?P答：欧根公式： ?150??1.75?233L(de??)???de?????2式中：ΔP/L —— 散料层的压力降梯度(N/m2/m)； μ —— 气体粘度(Pa·s)；
ω空——气体的空炉流速(m/s)； de ——颗粒的当量直径(m)； ρ ——气体密度(kg/m3)； ε ——散料层的空隙率(—)； φ ——颗粒的形状系数(—)。
第一项代表层流情况，第二项代表紊流情况。
高炉煤气流速可高达10～20m/s，相应的Re≈1000～3000，高炉处于紊流状态，故公式第一项可舍去，简化为：ΔP/L=1.75?[1??2]?(???g空)。 3de????影响因素： ①炉料方面A.形状系数Φ：一般无法调节。
B.粒度的影响：从ΔP↓角度出发，de↑,但是从还原和传热的角度de↓，因此矛盾。一般是保证传热和改善间接还原，即使用较小粒度的矿石。改善透气性的重点是增加孔隙率ε。
C.?影响最大：要求入炉炉料粒度均匀，无粉末。增大?的具体方法：整粒→按粒度分级入炉→使炉料具有较高机械性能。
②煤气方面：A. 煤气密度ρg 一般情况下是无法调节的。
D. 煤气流速ω是决定性的影响因素：a. 提高风口前气体温度T→气体膨胀→ω空↑→ΔP↑;b.炉顶压力↑压缩炉内煤气体积→ω空↓?ΔP↓。
欧根公式可以定性分析高炉产量的极限。欧根公式只适用于炉身上部没有炉渣和铁水的―干区‖。
Q2?3?K() 透气性指数：?P1??2.运用杨森公式分析影响散料层内炉料下降的因素。
(r料-?P)?DH?4?'n'HD?(1?e)
4?'n'答：杨森公式:w有效?式中：μ′ —逆流运动中的摩擦系数；n′ —逆流运动中的侧压力系数； D —炉体直径；H —炉体高度；ΔP/H —煤气的压降梯度。 分析影响炉料下降的因素：① 炉型：矮胖型高炉→D↑→第一项增加，第二项减小→ w′有效↑ (但不要忽略炉身预还原的高度)。
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② 炉墙结厚或结瘤时，μ′↑→不利于炉料下降。 ③ 负荷加重时(焦炭↓ 矿石↑)，r料↑→ w′有效↑。 ④ ΔP ↓ 时， 煤气流对料柱的浮力↓ → w′有效↑。 ⑤ 炉料有效重量并不随料柱高度的上升而无限上升，而是趋于一个常数。不宜靠过分增加高炉高度来提高下料的顺畅度!
?Pd(?P)?r料'→则会产生局部悬料。因为高炉不是均一⑥ 虽有r料?，但若
Hdh?Pd(?P)小于r料时，也会出现局部的压力梯度散料层，在高炉平均压降梯度＞
dhHr料的情况！
3.试述“管道行程”的生成机理及其危害。
答：生成机理：煤气在炉内沿径向分布，与其所遇到的阻力成反比。换言之：煤气总是沿着透气性好的路线上升的。高炉炉料的特性及在炉内的分布是不同的，即各种炉料的粒度、密度各不相同，且分布也不均匀，在炉内局部出现气流超过临界速度的状态是可能的，形成气流的局部通道，压差下降，即为局部―管道行程‖。
―管道行程(Channeling)‖的危害：炉顶温度↑、炉料加热不充分、间接还原不好、铁水质量不稳定、炉尘吹出量↑、焦比↑。
4.试述高炉下部充液散料层内的流体力学特征及“液泛现象”的危害。
答：特征：在高炉的软熔带以下部位，唯一的固体为焦炭；在软熔带以下，液态渣铁穿过焦炭散料层；与炉身干区相比，料层孔隙度ε↓，煤气流受向下滴落的液态渣铁阻碍；当渣量多、渣粘度大、煤气流速快时，出现煤气把渣铁托住而类似粥开锅时的―液泛现象‖。
危害：①高度弥散在渣铁间的气泡，使煤气流阻力大大升高；②被煤气流吹起的渣铁，在上部较低温度区域，有重新冷凝的危险；③渣铁的重新冷凝，一方面将导致料柱孔隙度降低，煤气流动受阻。另一方面，可造成炉墙结厚、结瘤，破坏高炉顺行。
5.运用流体流量比及液泛因子的概念，讨论防止高炉发生“液泛现象”的对策。
1?2FS?gL?g2答：流体流量比：K?()，液泛因子：f??3???0.2。
g??lG?l流体流量比的物理意义：液态渣铁与上升煤气流量之比。
液泛因子的物理意义：煤气向上的浮力与液态物质向下运动的重力之比。 式中：L—— 液体的质量流量(kg/m2?h)； ω—— 煤气空炉速度(m/s)；
G—— 气体的质量流量(kg/m2?h)； Fs—— 焦炭比表面积(m2/m3)； ρg—— 气体的密度(kg/m2)； g—— 重力加速度(m/s2)； ρl—— 液体的密度(kg/m2)； ε—— 焦炭层孔隙度(—)； η—— 液态物质粘度(Pa·s)。 防止高炉发生―液泛现象‖的对策:①提高焦炭粒度→Fs↓→f↓(液泛因子)；②改善焦炭强度→避免冶炼过程的细粒化→f↓，③降低炉渣粘度→ η↓→f↓；④减少渣量L↓→K(流体流量比)↓；⑤减小气流速度υ↓→f↓(高压操作)；⑥大力发展间接还原(间接还原不好时，渣中FeO与C反应生成CO→渣体积↑→ω↑→f↑)；⑦ 提高炉渣表面张力(表面张力小，易起泡→渣体积↑→ω↑→ f↑)。 6.试述高炉中发生悬料的机理(分上、下部悬料)。
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答：由于高炉透气性变差，引起高炉压差过大，有效作用力F<0，支托起炉料，使得炉料难以下行，称为悬料。一般分为上部悬料和下部悬料，前者可以用杨森公式解释，后者可以用液泛现象解释。
块状带的悬料：块状带是由矿石和焦炭的层状分布结构组成的。当料层中某一局部由于升华物冷凝、碳素沉积反应或由于碱金属蒸汽的强烈作用而强度下降产生了大量粉末，造成局部料层空隙度变小。阻力因子急剧增大，局部煤气压降梯度随之增大，炉料停止下降，悬料。
下部悬料，高炉软熔带以下出现了液相，产生悬料：热制度的波动引起软熔带位置的变化;液泛现象(对液泛现象的进一步研究证明，液态物，特别是炉渣的表面张力也有很大影响)。 7.试述高炉软熔带的成因、影响软熔带形成状况的因素以及监测软熔带形状和位置的方法。
答：铁矿石被加热到一定温度时开始软化、熔融，在高炉的横断面上形成一个环圈状矿石软熔层。这一粘滞状态的矿石软熔层与固体焦炭层相交，形成了高炉软熔带。
影响软熔带形成状况的因素:①矿石软熔性能(位置、厚度);②高炉内煤气流的分布(形状)。
调节软熔带的途径：矿石软熔层的空隙度大大降低(0.38?0.1)，透气性极差；煤气流通过软熔带的通道约减少1/2，导致软熔带的煤气流阻力最大；软熔带：高低影响还原，厚薄影响顺行，形状影响消耗。
监测：1.炉顶横截面煤气CO2分布(形状)；2.炉顶横截面十字温度(形状）；3.炉身静压力(位置和厚薄)。
8.试述高炉高度方向上的温度分布特征(要画出示意图)。
答: （1）上部热量交换区：热交换比较强烈，发生Fe2O3被间接还原成Fe3O4及部分FeO；（2）空区(又称热储备区)：炉料与煤气的温差很小(5～50℃)，即发生微弱的热交换，发生FeO的间接还原及部分直接还原；（3）下部热交换区： 热交换强烈，所有强烈吸热的反应皆在此区发生。
空区大约占炉身高度的50%～60%，如此长的区域，从热交换来看，似乎不起什么作用，但对间接还原来说是非常重要的。因为这个区域(800～1000℃)对间接还原特别有利(因为无碳素熔损反应的干扰影响)。
9.试述水当量的定义及其在高炉高度方向上的变化特征。 答：水当量是指单位时间内炉料或炉气温度变化1℃所吸收或放出的热量。 常以冶炼单位生铁的炉料及煤气作为衡量水当量的标准。
煤气的水当量基本为一常数，而炉料水当量在高温区有一突变并呈现一峰值。在低温区Ws
10.用水当量的概念分析影响高炉炉顶煤气温度、炉缸渣铁温度的因素。 答：① 上部热交换区：ω气＞ω料即煤气降低1℃所放出的热量＞ 炉料上升1℃所吸收的热量。任意截面上，根据热平衡方程有：G料×C料(t料空－t料顶) = G气×C气(t气空－t气顶)，易得到故(t料空－t料顶) ＞ (t气空－t气顶)，即炉料加热快，煤气冷却慢。
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t气顶?t气空-?料，由此可分析影响炉顶煤气温度的因素：即凡是使由（t料空-t料顶）?气?料?(即使ω气↓)均可使炉顶煤气?气此可分析影响炉顶煤气温度的因素：即凡是使
温度↓。措施有：提高风温，减少焦比→煤气量↓→ω气↓；富氧→煤气量↓ →ω气↓。 ②空区：ω气＝ω料，炉料吸热与煤气放热基本上保持平衡，因此炉料和煤气的温度变化都不大。
③ 下部热交换区：?料??气，炉料升高1℃所吸收的热量＞ 煤气降低1℃所放出的热量。同理可得到即煤气冷却快，炉料加热慢。可见影响炉缸渣铁温度的主要因素是t气缸和
‘?气‘?缸'‘。提高炉缸渣铁温度的措施：为使w气↑→ 焦比不变时，提高风
温、富氧；为使ω′料↓→减小直接还原比例、减小渣量。
注：
1、高炉是一个以煤气上升、炉料下降的逆流式移动床为特征的反应器，存在着多相物质间的传质、传热和动量传输，传输过程非常复杂。
高炉中的软熔带是传递阻力最大的地方，因此要求软熔带应尽可能薄、位置应尽 可能低。
2、附壁效应：靠炉墙处，由于实际的孔隙度ε实际较大，且通道较为光滑，故此处气体易通过，即所谓―附壁效应‖。
球的面积?d26A?3?=料 3、比表面积S=
球的体积?d/6d1-?形状系数??与实际颗粒体积相等的球的表面积d ?实际颗粒的表面积ds4、炉料下降的条件:（1）自身重力＞ 阻力。阻力：炉料―炉墙间摩擦力(P墙)、
不同速度炉料间的摩擦力(P料)、上升煤气流对炉料的浮力(ΔP浮)。炉料下降的有效作用力F＞0，F=(w料重－P墙－P料－ΔP浮)＞0=(w有效重量－ΔP浮)＞0。（2）除有下降的能力外，还需要有空间。提供空间：风口燃烧焦炭、周期性出渣铁（主要）、炉料的重新排列组合、炉料的软化熔融。
当有空间条件下，且w有效＞ ΔP浮时，炉料可顺利下降！
5、煤气分布关系到：炉内温度分布、软熔带形状、炉况顺行、煤气利用。 影响煤气分布的因素：①燃烧带：鼓风动能大——发展中心煤气流，鼓风动能小——发展边缘煤气流，通过送风制度调整。②炉料：分布焦炭多、大块料多处——煤气流发展，矿石多、小块料多处——煤气流抑制，通过装料制度调整。 高炉煤气分布的三个阶段：原始分布——炉缸燃烧带、再分布——炉身下部软熔带、第三次分布——炉身上部块状带。煤气沿高炉截面分布状况的检测方法：1、炉喉径向煤气CO2测定；2、炉喉径向煤气t测定。
6、高炉条件下的传热方式和给热系数，传导传热、对流传热、辐射传热。高炉
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