关于高炉死铁层深度的计算方法

摘要  对高炉死铁层深度计算公式进行了讨论，推出一组简便易行的计算公式，并得出死铁层深度应与高炉有效高度相关的结论。

关键词  高炉  死铁层  计算

一般认为，高炉合理的死铁层深度，对减少炉缸铁水环流，延长炉底、炉缸寿命至关重要，是高炉长寿的重要环节之一。本文主要对死铁层深度计算的理论依据及计算方法进行一些探讨。

1 死铁层设计的现状

目前，国内高炉死铁层设计的主要依据是经验公式：

h₀=（0.15-0.20）d    （1）

但在实践中，不同高炉的死铁层深度差别很大，浅的h₀/d只有0.1，而深的h₀/d达到0.22（如鞍钢新1号高炉）。随着高炉喷煤比的增加和入炉焦比的大幅度降低，各厂高炉都有把死铁层加深的趋势，例如：马钢四铁厂1号2500m³高炉设计的死铁层深度为1600mm，而2号2500m³高炉则加深到2300mm；武钢也把加深死铁层作为高炉长寿的主要技术措施之一，死铁层深度由1000mm逐渐加深到2000mm；鞍钢的3200m³新1号高炉甚至加深到了2804mm。显然，随着高炉技术的进步，式（1）的指导性已经弱化。

2 关于死铁层深度的讨论

从高炉解剖结果看，高炉料柱应当悬浮在铁液中。只有当料柱浸入铁液有足够的深度时，才能产生足以托起整个高炉料柱重量的浮力。为了消除铁水环流，合理的死铁层深度，应能保证出铁后高炉料柱仍能浮在铁水中，并且，高炉料柱的底面与炉底热面仍然保持适当的距离。这个距离应能在炉底热面上形成凝固或半凝固状的铁水凝固层以及即使在出铁时也不流动或流速较低的铁水缓流层（文中将缓流层与凝固层和城为稳定层）。

（1）如果死铁层深度过浅，高炉料柱甚至在出铁前也不能浮起来，出铁时铁液就没有顺畅的通道，只能依靠焦炭空隙尤其是焦炭与炉墙间的空隙渗透。在这种情况下，焦炭空隙度以及炉缸直径的大小都会严重影响出铁过程。由于环炉墙的阻力较小，容易形成严重的环形侵蚀。又由于炉底空间不足，即使有凝固的铁壳也会因为影响高炉操作而被作为炉缸堆积处理掉。

（2）如果高炉料柱在出铁前能够浮起来，但铁口打开不久随着液面的下降又压在炉底热面上，即使铁层深度不足，料柱不能始终浮在铁液中。这种情况下炉底无法形成缓流层，铁水环流虽可减弱却依然存在。没有缓流层，在炉底热面形成凝固的铁壳保护层也很困难。

（3）如有深度足够的死铁层，则出铁时的铁水不再直接由焦炭间隙流向铁口，而是先流到稳定层上方的空间储存，当铁口打开时，再由稳定层上方流向铁口。料柱底面虽然随着出铁过程升降，但整个过程料柱仍然浮在铁水中，并保有足够的稳定层。这种情况下，铁流通道顺畅，出铁阻力非常小，因此，炉缸直径的大小对出铁影响不大，焦炭空隙度对出铁影响甚微，铁水环流基本消除。

式（1）是在第一种情况的基础上建立的经验式。对于现代高炉，应在第三种情况的基础上寻求更合适的计算方法。

3 死铁层深度的计算

3.1 模型的建立

在上述第三种情况下，高炉料柱主要受到三个力的作用，即：料柱自身的重力、液体（主要是铁水）的浮力以及△P对高炉料柱所产生的升力。其他如空隙度与炉缸直径而产生的阻力以及炉墙摩擦力等均可忽略。

因为单位底面积的料柱所受浮力与其所排开的铁液的重量相同，友谊有：

料柱所受到的浮力=料柱的重量-由P产生的升力

因此，料柱浸入液体中的最小深度，即料柱能浮在炉缸之中的最低限度的死铁层深度（以下简称浮力层）为：

h₀₂=（R_s·H_uB_s+R_jH_uB_x-△P）/R_T={[R_k·A/（A+1）+R_j/(A+1)]·H_uB_s+R_CH_uB_x-△P}/R_T      （2）

式中  h₀₂——浮力层深度；

       R_s——上部料柱的综合密度；

       H_u——高炉有效高度；

       B_s,B_x——分别为上部料柱高度和下部料柱高度在整个高炉有效高度中所占的比例；

       R_k,R_j,R_T——分别为铁矿石、焦炭和铁水的密度；

       A——矿焦比；

       △P——热鞥压力与炉顶压力之差。

以上所讨论的都是出铁后的情况，炉渣应已出净，因此渣液的影响无需列入计算。

当设计的死铁层h₀小于由（2）式求得的浮力层h₀₂时，就不能保证高炉料柱在铁后仍能浮于铁水中；当h₀+h_z仍小于浮力层h₀₂时，即便在出铁前高炉料柱也难以在铁水中浮起来。

3.2 死铁层深度h₀

除h₀₂以外，死铁层深度还应包括所需的稳定层h₀₃和由于铁口角度而产生的铁口层h₀₁，即：

死铁层深度h₀=h₀₁+h₀₂+h₀₃  （3）

式中  h₀₁——铁口层（=Lsinγ），指由于铁口深度（L）与角度（γ）而产生的铁口通道内侧中心线与外侧中心线之间的高差；

      h₀₃——稳定层，包括凝固层与缓流层，是保证炉底表面能形成凝固层并且在形成凝固层以后铁水仍能在出铁时快速流向铁口的必要空间。

随着高炉炉容的扩大与冶炼强度的提高，铁口深度不断加强，铁口层对死铁层深度的影响不可忽视。

稳定层由缓流层与凝固层组成。缓流层可按300-600mm考虑，大高炉应取上限；凝固层可按150-200mm考虑，有陶瓷杯或陶瓷垫的高炉可以将底垫作为凝固层考虑。

3.3 高炉上下部料柱比例的确定

由式（2）可见，浮力层深度与炉料的上、下部料柱比例有关。高炉上下部料柱的比例由软熔带的位置所决定。影响软溶带位置的因素很多，炉型设计时将炉腹作为软熔带，即以炉腰为分界，炉腰以上为上部料柱，炉腰以下为下部料柱。笔者据此对国外不同等级高炉的设计炉型尺寸分别进行统计（见表1-5）。结果表明，高炉上部料柱的高度大约占有效高度的63%-68%。

3.4 死铁层深度的计算实例

以全烧结矿冶炼，烧结矿密度1.6，焦炭密度0.5（其他参数见表1-5）为设定条件，对表1-5中的高炉，按（2）—（3）式计算死铁层深度，结果列于表6。从计算可见，所需的死铁层深度均深于现有深度。对500m³以上的大中型高炉，料柱侵入铁液中的最小深度h₀₂大致占H_u的8%。即：

h₀₂=0.08H_u       （4）

对500m³以下的小型高炉，料柱侵入铁液中的最小深度h₀₂大致占H_u的6%。即：

h₀₂=0.0H_u6        （5）

表1 部分500m³以下高炉参数

表2 部分1000-1800m³高炉参数

表3 部分2000-2600m³高炉参数

表4 部分3200m³高炉参数

表5 部分4000m³级高炉参数

表6 按表1-5条件计算的死铁层深度8.1

注：表中高炉多有底垫，故凝固层深度均未计入。

4 影像死铁层深度的因素

这里主要讨论影响浮力层深度h₀₂的影响。

显然，影响浮力层深度的首要因素是高炉有效高度H_u，有效高度越高则料柱高度越高，料柱重量越重，浮力层深度自然也越深。

软熔带高度的影响，即式（2）中B_s、B_x的影响。由于上部料柱的密度远远大于下部料柱的密度，因此软熔带位置的高低将影响整个料柱的密度，从而影响浮力层的深度。<500m³高炉的h₀₂/H_u之所以与其他炉型差距较大，主要是因为软熔带位置较高，上部料柱比例较小之故（设计上表现为炉腹高度所占比例较大）。

矿焦比A的影响。矿焦比A增大则料柱重量增加，浮力层深度相应增加。随着高炉入炉品位和喷煤比的提高，矿焦比随之增加，这是近年来死铁层深度逐步加深的重要原因。

高炉炉型不同，顺行压差也不尽相同。不同的矿石品种其密度也不相同。这些都会对浮力层深度产生一定的影响。

5 结论

（1）推算出一组简便易行的死铁层深度计算公式（2-5式），并对几种不同类型高炉的死铁层深度进行了试运算。这组公式应比式（1）有更强的指导意义。

（2）提出了“死铁层=铁口层+浮力层+稳定层”的概念。浮力层深度与高炉有效高度密切相关。

（3）目前许多高炉的死铁层深度不足，应充分考虑铁口层与缓流层的深度需要。