隨著高爐噴吹和冶煉技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)熱風(fēng)溫度的要求不斷提高，目前先進(jìn)國(guó)家高爐的熱風(fēng)溫度已達(dá)到了1200t以上且呈不斷提高的趨勢(shì)對(duì)于那些熱風(fēng)溫度較低的高爐，提高風(fēng)溫，降低能耗和生產(chǎn)成本具有明顯的意義。風(fēng)溫問題是制約進(jìn)一步提高噴吹量和強(qiáng)化高爐冶煉的主要因素，也是進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本所要解決的關(guān)鍵問題之一。
本文以首鋼總公司（以下簡(jiǎn)稱首鋼）頂燃式熱風(fēng)爐為例，通過采用冷風(fēng)及煙風(fēng)匹配技術(shù)，研究冷風(fēng)及煙氣流場(chǎng)的合理匹配問題，為提高熱風(fēng)爐的風(fēng)溫，為進(jìn)一步提高煤比及降低生產(chǎn)成本打下了基礎(chǔ)。
1冷態(tài)實(shí)驗(yàn)的方法冷態(tài)實(shí)驗(yàn)以首鋼頂燃式熱風(fēng)爐為對(duì)象，設(shè)計(jì)并制作熱風(fēng)爐模型，以冷態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試流場(chǎng)，掌握熱風(fēng)爐的冷風(fēng)及煙風(fēng)分布情況，再通過一些氣流擾流裝置改變冷風(fēng)及煙氣氣流的走向，從而實(shí)現(xiàn)冷風(fēng)及煙風(fēng)的流場(chǎng)匹配。
1.1熱風(fēng)爐模型設(shè)計(jì)根據(jù)幾何相似及動(dòng)力相似原理，采用1：10的比例制作冷態(tài)模型，格子磚孔按當(dāng)量直徑用約200根有機(jī)玻璃管代替。由于熱風(fēng)爐的流動(dòng)介質(zhì)在送風(fēng)及加熱期間分別為冷風(fēng)和煙氣，在冷態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)全部用冷風(fēng)模擬，因此設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行相似計(jì)算來(lái)確定不同的送風(fēng)量和煙氣量。
以首鋼第4高爐為例，對(duì)于單座熱風(fēng)爐而言，冷風(fēng)的流量*=2250m3/min，根據(jù)格子磚的流通面積折算，當(dāng)量直徑*>=4.69m，格子磚孔的平均流速u=2.17m/s，動(dòng)力格子磚的絕對(duì)粗糙度（按混凝土管取下限平均0.037，則進(jìn)入第二自?；瘏^(qū)的臨界Reynolds數(shù)i2ek為比較e及iek可以看出，熱風(fēng)爐格子磚中的冷風(fēng)流場(chǎng)已進(jìn)入第二自?；瘏^(qū)。故而，在冷態(tài)模型中，只要其格子孔空氣流場(chǎng)的Reynolds數(shù)JZe'>J2ek，即為滿足二者之間的動(dòng)力學(xué)相似條件，冷態(tài)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果就基本反映了實(shí)際的流體動(dòng)力狀況*1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備為冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)備及儀器安裝示意圖。風(fēng)機(jī)供風(fēng)，分別進(jìn)入燃燒室和支柱空腔，二者通過風(fēng)機(jī)后的截止閥進(jìn)行切換。圖中兩個(gè)入口前的U型壓力計(jì)分別用于測(cè)量進(jìn)入支柱空腔及燃燒室的冷態(tài)模擬介質(zhì)一一空氣的壓力，而皮托管則用于計(jì)量二者的入口速度值以便通過入口前的閥門來(lái)調(diào)節(jié)工作狀態(tài)。測(cè)試點(diǎn)1，2分別用于測(cè)試煙氣及冷風(fēng)分布情況。
采用TSI8388-M-GB型熱線風(fēng)速計(jì)測(cè)試流速，測(cè)量精度為。2m/s，流速范圍為0m/s，測(cè)量溫度范圍為-10~60C，速度及溫度響應(yīng)時(shí)間分別為200坤和1.3模型及設(shè)備的校核bookmark4實(shí)驗(yàn)測(cè)得冷風(fēng)格子孔的流速=3.368m/s，其當(dāng)量可見，本冷態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵嗵幱诘诙阅；瘏^(qū)運(yùn)行狀態(tài)，滿足動(dòng)力相似條件，故可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選型及組成是合理可行的。
2冷態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)分析中引入氣體分布指數(shù)*.其值越大，說(shuō)明氣體分布的均勻程度越高。表達(dá)式如下孔速度（m/s），i；average為所有格子孔的平均速度（m/s）；e（o；）為求解平均值。
2.1冷風(fēng)流場(chǎng)分布情％bookmark5為添加匹配擾流裝置前后氣流的分布情況。從圖可以看出，添加冷風(fēng)匹配擾流裝置后（b），氣流的分布指數(shù)有了很大提高，提高幅度達(dá)到50%，在添加匹配擾流裝置前（a）的4個(gè)明顯峰值得以消除。
2.2熱風(fēng)爐底部空腔立柱上橫梁對(duì)冷風(fēng)氣流分布的彩響bookmark6a為爐箅子底部無(wú)橫梁冷風(fēng)氣流分布情況。添加橫梁后（b），冷風(fēng)分布出現(xiàn)了4個(gè)較為明顯的峰值區(qū)，相應(yīng)的氣流分布指數(shù)下降，幅度為10%左右。從圖可見，支撐橫梁對(duì)氣流分布的影響較大，在重新分配冷風(fēng)流場(chǎng)并使之與煙氣流場(chǎng)匹配時(shí)，匹配裝置的結(jié)構(gòu)及布置方式必須注意克服這一影響。
2.3改變?nèi)紵移龃u方式后煙氣流場(chǎng)特征bookmark7a是未改變砌磚方式熱風(fēng)爐煙氣的流場(chǎng)分布情況。從圖可見，氣流的分布呈鍋底狀，邊緣氣流量大，中心氣流小。這種氣流狀況與實(shí)際冷風(fēng)的流場(chǎng)特征不匹配，因此，在實(shí)際運(yùn)行中，往往造成煙氣在燃燒期間加熱格子磚的熱量在送風(fēng)期內(nèi)不能完全被冷風(fēng)內(nèi)帶走，即格子磚換ffl2添加匹配擾流裝置前后的氣流分布圍3有、無(wú)立柱上方橫梁時(shí)冷風(fēng)氣流分布Fig.3Influenceofcrossbeamoncoldair熱面積未能得到充分的利用。故應(yīng)該同時(shí)將二者的流場(chǎng)特征予以改變，使它們能達(dá)到匹配，從而充分利用格子磚的加熱面積。
從a，b對(duì)比中可看出：在熱風(fēng)爐頂部燃燒室內(nèi)設(shè)置適當(dāng)?shù)臒煔鈿饬鲾_流再分配裝置后，煙氣的鍋底狀分布情況得到較大改善，氣流分布指數(shù)得到提高，同時(shí)，其流場(chǎng)特征與同樣安裝匹配裝置后的冷風(fēng)流場(chǎng)特征已經(jīng)變得較為相似。
2.4討論從上述的測(cè)試結(jié)果看出，對(duì)于首鋼的頂燃式熱風(fēng)爐而言，由于采用單管送風(fēng)，在送風(fēng)時(shí)冷風(fēng)氣流沿冷風(fēng)入口中心線在各個(gè)格子磚孔中的分布有較大的速度梯度；同時(shí)，由于頂部燃燒器的布置方式基本為切向布置，在頂部燃燒室內(nèi)形成渦旋，通過各孔的煙氣氣流流場(chǎng)分布呈現(xiàn)凹陷狀，造成沿圓周徑向上格子磚孔的受熱狀況不同，因此各個(gè)格子孔的熱強(qiáng)度不同。正是由于送風(fēng)及煙氣的流場(chǎng)分布不匹配，使每立方米相應(yīng)的加熱面積沒有完全有效地利用起來(lái)，因此總的表現(xiàn)為格子磚孔加熱面積利用不夠。
對(duì)比―4可以看出，在冷風(fēng)及煙氣的流動(dòng)空間中同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的氣流匹配擾流裝置，二者的分布指數(shù)均有較大幅度提高，同時(shí)它們的流場(chǎng)分布特征較相似。通過這些措施提高了冷風(fēng)及煙氣的流場(chǎng)特征的匹配性。
田4改變砌磚方式前、后的煙氣流場(chǎng)分布情況冷態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果證明，本氣流匹配裝置對(duì)于冷風(fēng)入口的阻力影響極小，安裝擾流板后，阻力損失僅為50Pa左右。同時(shí)排煙阻力損失也極小，約為30Pa.因此，就目前的系統(tǒng)而言，安裝本氣流匹配裝置，將不會(huì)對(duì)鼓風(fēng)及排煙系統(tǒng)帶來(lái)影響，不必?fù)?dān)心額外的動(dòng)力損失*3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用1998年3，5和8月，分別在首鋼煉鐵廠第3，4和1號(hào)高爐熱風(fēng)爐上投入使用冷風(fēng)導(dǎo)流及煙氣導(dǎo)流匹配技術(shù)。
熱風(fēng)爐的格子磚在運(yùn)行過程中，在煙氣及冷風(fēng)這兩種逆流變溫介質(zhì)中被周期性的交替加熱和冷卻，要達(dá)到較高的換熱效率，就要求沿爐子徑向格子磚孔中交替通過的氣流分布速度梯度達(dá)到匹配，流場(chǎng)特征相似，這樣才能達(dá)到好的換熱效果。
從投入運(yùn)行的情況來(lái)看，所有裝置工作狀況良好，沒表11998年6―9月與1997年同期第3篼爐平均風(fēng)溫水平的比較有加大冷風(fēng)鼓風(fēng)及煙氣排放阻力損失，煙氣溫度、爐頂溫度、煤氣量及壓力均無(wú)明顯變化，熱風(fēng)爐的風(fēng)溫供應(yīng)能力明顯增強(qiáng)。表1即為1998年6―9月第3高爐平均風(fēng)溫水平與1997年同期的比較。從表可以看出，熱風(fēng)爐安裝氣流匹配裝置后，明顯提高了整體風(fēng)溫水平，平均提高了27.25C實(shí)踐證明，頂燃式熱風(fēng)爐采用此項(xiàng)氣流匹配技術(shù)在一定程度上提高了熱風(fēng)溫度。
目前，盡管在生產(chǎn)過程中存在各種停爐檢修、爐況、高爐利用系數(shù)等不確定因素，但采用此項(xiàng)氣流匹配技術(shù)亦可提高熱風(fēng)溫度水平20*25t.4結(jié)論冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，反映了熱風(fēng)爐實(shí)際的運(yùn)行情況。
根據(jù)冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)的煙氣及冷風(fēng)氣流匹配裝置能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，施工安裝較為方便。
熱風(fēng)爐安裝氣流匹配裝置后，明顯提篼了整體風(fēng)溫水平?？紤]在生產(chǎn)過程中的各種停爐檢修等不確定的因素，采用此項(xiàng)氣流匹配技術(shù)后，可綜合提高熱風(fēng)溫度水平工業(yè)實(shí)驗(yàn)所投入的氣流匹配裝置工作狀況良好，沒有加大冷風(fēng)鼓風(fēng)及煙氣排放阻力損失，煙氣溫度、爐頂溫度、煤氣量及壓力沒有變化，熱風(fēng)爐的風(fēng)溫供應(yīng)能力明顯增強(qiáng)。
