高炉风口的完善
2003-06-20 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
前苏联1976-1979年间，每年损坏风口达12000个，由此造成的生产损失估计为50万t/a。风口损坏主要是由于风口被铁水烧穿造成的（65%），另有17%是因风口法兰联接处及焊接处漏铁引起的。
在工艺水平高及结构完善的高炉上，风口使用寿命要高得多。在此研究及开发各种有效措施提高风口运行可靠性是一项迫切的任务。
据计算，铁水与被冷却表面接触时的散热系数为14kW/cm2。风口外壁温度升高到熔点（铜为1080℃），温度达1500℃的铁水落到风口上上时，其热流密度为4.7kW/cm2，冷却水必需保证从风口外壁排走铁水传导的热量。为此，在危机发生前必需有足够的热交换。目前，尚无风口水冷当中临界热流密度的准确数据。但人所共知，加快水流速度及提高水沸腾胶的欠热值可增强冷却效果。
据有关资料，用欠热50℃的水以1、2、3m/s的流速冷却风口时，临界热流密度分别为4.7、5.2及5.4 kW/cm2。当铁水在低速水流（1m/s）下落到铜风口上时会出现沸腾危机，风口壁冷却被中断，风口被烧穿。当冷却水流速较高（例如3 m/s）时，冷却的可靠性提高，临界热流密度增高。这时的热流密度临界值（5.4MW/ m2）会略高于铁水落到风口上时的热流密度（4.7MW/ m2）。但应设想：由于计算不够准确，水冷不能保证传统结构风口的可靠运行。
在保护风口表面免受铁水烧穿方面已提出许多方案。有人提出用耐火材料做的成型构件将风口表面包复起来形成风口保护外壳。顿涅茨克钢铁厂曾用一种优质耐火材料做风口外壳进行过试验。但在高炉运行中这种风口外壳很快破损（大约10-15天），接着风口便在无保护层状态下运行。
还有一种作法是用铸铜外壳保护高铝耐火材料作的风口表面及前沿。这种结构效果也不佳。
为了防止风口表面保护层破损，最近开发出一种特殊结构的钢制风口，即用铸钢构件固结围于风口前半部上的小型耐火制件。在设计这种结构的风口时，未再想用铜制造风口，而是认为用铸钢件代替铜更为合理。传统的钢质风口通过工业试验证实，其使用期限比铜制作低30%，这是因为钢的导热率低，仅是铜的1/10。因此当铁水落到风口上时，铜壁上的热流散发较慢，因而加重了热交换危机，加剧了过热度，结果钢壁被铁水烧穿。新设计的钢制风口由于采用特殊结构克服了这种弊端。
新钢质风口为双套式结构，由彼此搭接的外锥筒大套及内锥铜小套组成；大、小套反搭接处配有环状联接件。为保护内锥筒小套，在小套周围，以5mm的间距装设若干矩形断面的条形耐火块体，并在耐火条块之间的5mm空隙里注入钢水。因此，实质上是用铸成的钢质栅架将各耐火条块固结在一起。这种铸钢栅架还使风口小套表面上的热量容易向外散发。
可以想像出，在小套上加固各耐火条块用的铸钢栅架在铁水落到风口表面时，也会耗损（熔化）。但此铸钢栅架熔损到不太大的深度后（约为保护层的1/3），便会停止进一步的熔损，因为在保护层深处温度已经下降。为提高铸钢栅架对各耐火条块的把持强度，用定位销将铸钢栅架把紧在离炉膛较远的外锥筒大套上。
上述构型的钢制风口特点是使用寿命长，因为它排除了铁水对风口的烧穿。用这种钢制风口代替铜风口可降低风口费用，并能解决短缺的铜料难以低价采购的问题。
采用上述新型钢制风口可望改善风口空气的运动性能，达到与传统铜风口大致相同的导流效果。为此，在风口的空气流通口上装设适当的涡流装置，使燃料与空气混合物在风口处产生旋转运动，得到均匀的混合。此涡流装置由一系列穿孔叶片组成，与风口纵向中心线成35-30°角斜置于风口中。
为确定最合适的涡流装置，用模型对几种涡流装置方案作了研究。在试验中取有代表性、含一个风口的楔形炉子分段对象进行了观测。用水作模拟介质。水经风口被吸向涡流装置模型，然后经上部溢流管排走。使风口流通断面上雷诺指数在8000以上，以保证自模拟状态及模型水流要求流速。
水在模型里的流动方向是通过往不同水流中投放苯胺颜料溶液用肉有直接观察确定的。而水流速度是通过往水中投入粉状萘，用大灯泡的扁平光束从模型底下向上照射，待萘分子运动持续一定时间后进行拍照进行分析确定的。
整理照片资料绘制了速度场水平投影图。根据萘粒子运行轨迹及水平面速度场，对不同结构方案进行评价。评价的基本标准是，涡流装置必需保证天然气得到最好的混合与燃烧，其次是结构型式应简便耐用。
保证燃料充分混合与燃烧的条件是：风口中经涡流装置排送的部分气流应向上运动，对炉子周边炉料起“加工”作用，另一部分气流在脱离涡流装置叶片后，从风口流通孔射出，形成远距离冲击，直捣炉子中心。这样就可使燃气均匀地分布在整个炉子横断面上。这种气流运动方式对冶炼最为有利，可大大降低焦比。上述型式涡流装置可满足上述条件及要求。
本文介绍了一种新式风口。这种风口由钢板制的两个搭叠在一起的大、小套筒组成，用夹持在铸钢栅架里的条状耐火制伯保护靠近炉膛的小套外表面，可有效防止小套表面被铁水烧穿。
为使鼓风中的空气与燃料（天然气）更好的混合及燃烧，特在风口上安装经验证的涡流装置。这样就使燃气在炉子横断面上分布得更均匀，从而有助于降低焦比。
在工艺水平高及结构完善的高炉上，风口使用寿命要高得多。在此研究及开发各种有效措施提高风口运行可靠性是一项迫切的任务。
据计算，铁水与被冷却表面接触时的散热系数为14kW/cm2。风口外壁温度升高到熔点（铜为1080℃），温度达1500℃的铁水落到风口上上时，其热流密度为4.7kW/cm2，冷却水必需保证从风口外壁排走铁水传导的热量。为此，在危机发生前必需有足够的热交换。目前，尚无风口水冷当中临界热流密度的准确数据。但人所共知，加快水流速度及提高水沸腾胶的欠热值可增强冷却效果。
据有关资料，用欠热50℃的水以1、2、3m/s的流速冷却风口时，临界热流密度分别为4.7、5.2及5.4 kW/cm2。当铁水在低速水流（1m/s）下落到铜风口上时会出现沸腾危机，风口壁冷却被中断，风口被烧穿。当冷却水流速较高（例如3 m/s）时，冷却的可靠性提高，临界热流密度增高。这时的热流密度临界值（5.4MW/ m2）会略高于铁水落到风口上时的热流密度（4.7MW/ m2）。但应设想：由于计算不够准确，水冷不能保证传统结构风口的可靠运行。
在保护风口表面免受铁水烧穿方面已提出许多方案。有人提出用耐火材料做的成型构件将风口表面包复起来形成风口保护外壳。顿涅茨克钢铁厂曾用一种优质耐火材料做风口外壳进行过试验。但在高炉运行中这种风口外壳很快破损（大约10-15天），接着风口便在无保护层状态下运行。
还有一种作法是用铸铜外壳保护高铝耐火材料作的风口表面及前沿。这种结构效果也不佳。
为了防止风口表面保护层破损，最近开发出一种特殊结构的钢制风口，即用铸钢构件固结围于风口前半部上的小型耐火制件。在设计这种结构的风口时，未再想用铜制造风口，而是认为用铸钢件代替铜更为合理。传统的钢质风口通过工业试验证实，其使用期限比铜制作低30%，这是因为钢的导热率低，仅是铜的1/10。因此当铁水落到风口上时，铜壁上的热流散发较慢，因而加重了热交换危机，加剧了过热度，结果钢壁被铁水烧穿。新设计的钢制风口由于采用特殊结构克服了这种弊端。
新钢质风口为双套式结构，由彼此搭接的外锥筒大套及内锥铜小套组成；大、小套反搭接处配有环状联接件。为保护内锥筒小套，在小套周围，以5mm的间距装设若干矩形断面的条形耐火块体，并在耐火条块之间的5mm空隙里注入钢水。因此，实质上是用铸成的钢质栅架将各耐火条块固结在一起。这种铸钢栅架还使风口小套表面上的热量容易向外散发。
可以想像出，在小套上加固各耐火条块用的铸钢栅架在铁水落到风口表面时，也会耗损（熔化）。但此铸钢栅架熔损到不太大的深度后（约为保护层的1/3），便会停止进一步的熔损，因为在保护层深处温度已经下降。为提高铸钢栅架对各耐火条块的把持强度，用定位销将铸钢栅架把紧在离炉膛较远的外锥筒大套上。
上述构型的钢制风口特点是使用寿命长，因为它排除了铁水对风口的烧穿。用这种钢制风口代替铜风口可降低风口费用，并能解决短缺的铜料难以低价采购的问题。
采用上述新型钢制风口可望改善风口空气的运动性能，达到与传统铜风口大致相同的导流效果。为此，在风口的空气流通口上装设适当的涡流装置，使燃料与空气混合物在风口处产生旋转运动，得到均匀的混合。此涡流装置由一系列穿孔叶片组成，与风口纵向中心线成35-30°角斜置于风口中。
为确定最合适的涡流装置，用模型对几种涡流装置方案作了研究。在试验中取有代表性、含一个风口的楔形炉子分段对象进行了观测。用水作模拟介质。水经风口被吸向涡流装置模型，然后经上部溢流管排走。使风口流通断面上雷诺指数在8000以上，以保证自模拟状态及模型水流要求流速。
水在模型里的流动方向是通过往不同水流中投放苯胺颜料溶液用肉有直接观察确定的。而水流速度是通过往水中投入粉状萘，用大灯泡的扁平光束从模型底下向上照射，待萘分子运动持续一定时间后进行拍照进行分析确定的。
整理照片资料绘制了速度场水平投影图。根据萘粒子运行轨迹及水平面速度场，对不同结构方案进行评价。评价的基本标准是，涡流装置必需保证天然气得到最好的混合与燃烧，其次是结构型式应简便耐用。
保证燃料充分混合与燃烧的条件是：风口中经涡流装置排送的部分气流应向上运动，对炉子周边炉料起“加工”作用，另一部分气流在脱离涡流装置叶片后，从风口流通孔射出，形成远距离冲击，直捣炉子中心。这样就可使燃气均匀地分布在整个炉子横断面上。这种气流运动方式对冶炼最为有利，可大大降低焦比。上述型式涡流装置可满足上述条件及要求。
本文介绍了一种新式风口。这种风口由钢板制的两个搭叠在一起的大、小套筒组成，用夹持在铸钢栅架里的条状耐火制伯保护靠近炉膛的小套外表面，可有效防止小套表面被铁水烧穿。
为使鼓风中的空气与燃料（天然气）更好的混合及燃烧，特在风口上安装经验证的涡流装置。这样就使燃气在炉子横断面上分布得更均匀，从而有助于降低焦比。
