DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.08.005
基于死焦堆受力模型的高炉炉缸炉底温度差异
李洋龙1, 2，程树森1, 2，周生华3
(1. 北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京，100083；
2. 北京科技大学 钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京，100083；
3. 山钢股份莱芜分公司炼铁厂，山东 莱芜，271104)
摘要：调研国内2座大型高炉，发现炉缸与炉底温度关系存在差异，高炉A炉缸、炉底温度变化趋势相反，而高炉B炉缸与炉底温度变化趋势一致。利用死焦堆受力平衡模型，分析国内4座高炉的死焦堆浮起状态、炉缸炉底温度或者侵蚀的差异。研究结果发现，高炉内部死焦堆浮起高度会影响炉缸侧壁、炉底温度关系，进而影响其侵蚀形貌。高炉A死焦堆浮起高度明显大于高炉B死焦堆浮起高度，导致高炉A和B炉缸、炉底温度变化关系不一致。渣液面高度和死焦堆的空隙率会影响死焦堆的浮起高度，分析不同因素导致空隙率减小时的死焦堆浮起状态。死焦堆沉坐炉底时，炉缸、炉底温度变化趋势相反；死焦堆小幅度浮起时，炉缸、炉底温度变化一致；死焦堆大幅度浮起时，炉缸、炉底温度变化趋势相反。
关键词：高炉；炉缸炉底；死焦堆；死铁层；侵蚀
中图分类号：TF572 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)08-2569-08
Difference of blast furnace hearth bottom temperature based on deadman mechanical model
LI Yanglong1, 2, CHENG Shusen1, 2, ZHOU Shenghua3
(1. School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;
2. State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;
3. Laiwu Branch Company of Shandong Iron and Steel Co., Ltd., Laiwu 271104, China)
Abstract: The investigation of two large domestic blast furnaces showed that the relationship between hearth and bottom temperature of blast furnace is different. The change trend of hearth temperature was opposite to bottom temperature for blast furnace A. However, the variation trend of them for furnace B was the same. The floating state of deadman and hearth bottom temperature and erosion were calculated by deadman mechanical model based on four domestic blast furnaces. It is found that the floating heights of deadman will influence the relationship between hearth and bottom temperature and then affect the erosion profile of hearth bottom. The floating height of deadman of furnace A is bigger than that of furnace B so that the change trend of hearth bottom temperature between furnace A and B is different. The height of slag level and porosity of deadman have a great effect on floating height of deadman. The influence of decreased porosity on the floating of deadman caused by different factors is also analyzed. When deadman is sinking at bottom, the temperature tendency of hearth sidewall and bottom center is contrary. The change trend of hearth and bottom temperature is the same with a slight floating deadman, whereas they are opposed with a heavy floating deadman.
Key words: blast furnace; hearth bottom; deadman; salamander; erosion
随着高炉大型化的发展，实现高炉长寿最关键因素之一是炉缸炉底的长寿[1-3]。高炉炉缸炉底的工作环境注定了炉缸炉底内衬不可避免的受到侵蚀，炉缸炉底侵蚀的程度和速度往往决定了高炉一代炉役的长短。近些年，高炉炉缸炉底侵蚀加剧甚至烧穿现象时有发生，并且不同高炉的炉缸侵蚀位置和形貌存在一定差异；炉底中心温度和炉缸侧壁温度之间也表现出复杂的关系，在某些高炉上二者协调一致，在某些高炉上变化趋势相反，而这些问题是现场操作中极为关心的，又是急需解决的。炉缸死焦堆的状态直接影响铁水流动，进而影响高炉炉缸炉底侵蚀，通过死焦堆受力分析可以判断死焦堆的沉浮状态[4-5]。许多研究者通过高炉解剖、取样分析，研究了炉缸炉底内部渣铁水流动和砖衬侵蚀形貌[6-8]。利用数值模拟[9-12]和高炉生产数据[13-17]，分析了影响侵蚀的因素以及控制侵蚀的措施。但是，死焦堆浮起状态与炉缸炉底温度变化的关系仍有待明确，理清炉缸侧壁温度与炉底温度对应关系有利于准确判断炉缸炉底内部的活跃状态和侵蚀程度，有效指导高炉设计操作。随着高炉逐步采用经济炉料，原料品位逐渐降低，焦炭灰分逐渐增加，导致高炉渣量大幅度增加，死焦堆透气透液性变差，是否对高炉死焦堆沉浮状态产生影响值得深思。为了解决上述问题，本文作者基于死焦堆受力模型，以国内4座容积不同的高炉为例，计算了炉缸死焦堆浮起所需的最小死铁层深度和死焦堆的浮起高度，研究了渣液面高度及不同原因导致死焦堆空隙率降低对死焦堆沉浮状态的影响，分析了炉缸侧壁温度与炉底温度变化规律及二者的关系，讨论了不同死焦堆浮起状态对炉缸、炉底温度的影响。
1 高炉死焦堆受力分析
高炉死焦堆的浮起与沉坐是由死焦堆的受力状态决定的。朱进峰对高炉死焦堆受力进行分析[4-5]，死焦堆“浮起”的最小死铁层深度计算式为
(1)
式中：hmin为死焦堆浮起满足的最小死铁层深度，m；ρm为料柱的平均密度，kg/m3，满足
；ρo和ρc分别为矿石和焦炭的真密度，kg/m3；mo和mc分别为吨铁消耗的矿石和焦炭量，其中mo=1 000/T(Fe)，kg；T(Fe)为矿石品位；g为重力加速度，g=9.81 m/s2；△V为块状带体积，满足△V=V-VH-VT-N×VRW，m3；V为高炉有效容积，m3；VH为铁口以上的炉缸死焦堆体积，VH=A×hH；hH为铁口到风口中心线距离，m；A为炉缸横截面积，A=πD2/4，m2；D为炉缸直径，m；VT为炉喉空区体积，近似
，m3；其中dT为炉喉直径，hT为料线深度，m；VRW为单个回旋区体积，
，dRW为回旋区深度，m；N为风口数，个；ε和εd分别为炉料、死焦堆的空隙率；P为煤气浮力，N；f为壁摩擦力，N。
死焦堆实际浮起高度由下式计算：
(2)
式中：Hs为炉渣液面距离铁口的高度，m；κ为渣铁深度比，满足
；γ为渣比，kg/kg；a为与高炉设计参数和实际操作数据有关的常数，满足：
λ为与高炉炉况相关的常数，满足
；h为设计的死铁层深度，m。
2 高炉参数及模型验证
2.1 国内4座高炉参数
调研了国内4座有效容积不同的高炉，分别称为高炉A，B，C和D，有效容积分别为4 699 m3，3 200 m3，750 m3和125 m3，高炉的相关参数列于表1中。其他计算参数如下所示：焦炭和矿石的密度分别为ρc=990 kg/m3，ρo=3 520 kg/m3；死焦堆空隙率εd=0.3；炉料平均粒径dp=0.02 m；铁水和炉渣的密度分别为ρi=7 000 kg/m3，ρs=2 740 kg/m3。
2.2 模型验证
高炉D有效容积为125 m3，高炉炉缸直径3.2 m，设计的死铁层深度为0.3 m。高炉停炉后进行了炉体解剖，解剖结果发现高炉死铁层深度增加至1.35 m，并且死焦堆处于浮起状态，炉底凝固铁层分为2部分：下部铁层内没有焦炭，即炉底的无焦空间，也是铁水凝固后死焦堆浮起的高度，为0.6 m；上部铁层中分布有均匀的焦炭颗粒，属于死焦堆的一部分，厚度为 0.6 m，如图1所示。
将凝固铁层厚度换算成液态铁层的厚度，并与模型计算结果进行比较，列于表2中。炉役前期，设计的死铁层深度为0.3 m，而死焦堆浮起所需的最小死铁层深度约为1.32 m，表明炉役前期死焦堆始终沉坐炉底，加剧了炉底与炉缸拐角位置的侵蚀。随着侵蚀的进行，死铁层不断加深，炉缸直径也不断增大。炉役后期，计算得到的死焦堆浮起高度约为0.732 m，计算值与测量值的相对误差约为7.9%，模型结果与实际基本符合。
表1 高炉参数
Table 1 Parameters of blast furnace
图1 高炉D炉缸炉底铁层形貌
Fig. 1 Profile of iron layer of hearth bottom for blast furnace D
表2 高炉D死焦堆浮起高度的计算结果与实测结果比较
Table 2 Calculated results and measured results of floating height of deadman for blast furnace D
3 结果分析
3.1 高炉死焦堆沉浮状态分析
表3所示为4座高炉原始设计的死铁层深度和计算得到的死焦堆浮起所需的最小死铁层深度。从表3可见：高炉A和B设计的死铁层深度大于浮起所需的最小死铁层深度，因此，高炉A和B的死焦堆在炉缸中始终可以浮起；但是，高炉A死焦堆的浮起高度远大于高炉B死焦堆的浮起高度，二者分别为0.968 m和0.414 m。高炉C和D设计的死铁层深度都要小于浮起所需的最小死铁层深度，高炉C和D在炉役前期沉坐炉底。由于大高炉往往是连续出铁，炉缸渣、铁液面的波动远小于小高炉，并且大高炉炉缸内部的炉渣不可能完全排尽，因此，高炉A和B死焦堆实际的浮起高度更大。
表3 高炉A~D设计与计算的死铁层深度
Table 3 Calculated and designed depth of salamander of blast furnace A-D
3.2 高炉炉缸炉底温度特征分析
由于高炉C和D已停炉解剖，缺乏温度数据，下面主要分析当前仍在正常运行的高炉A和B的温度数据。图2所示为高炉A和B炉缸炉底结构及热电偶位置示意图。高炉A炉底砖衬由下至上依次为石墨砖、普通炭砖、微孔炭砖和2层陶瓷垫；炉缸砖衬为热压小块炭砖NMD和NMA。图2(a)中标注的热电偶包括炉底中心的热电偶B-1、铁口下方1~1.5 m附近的热电偶H-1和H-2以及炉缸铁口附近的热电偶H-3和H-4。高炉B炉底砖衬由下至上依次为1层高导热石墨炭砖、3层超微孔炭砖、2层刚玉莫来石；炉缸砖衬为热压小块炭砖NMD和NMA；图2(b)中标注的热电偶包括炉底中心的热电偶B-1~B-4和炉缸第6层热电偶。可见：高炉A和B炉缸炉底的设计理念和砖衬材质较为接近。
图2 高炉A和B炉缸炉底结构及热电偶位置
Fig. 2 Structure of hearth bottom and positions of thermocouples for blast furnace A and B
图3所示为高炉A炉缸炉底热电偶温度。热电偶位置见图2(a)所示。从图3可见：炉底热电偶B-1与炉缸热电偶H-1~H-4的温度变化趋势相反。当炉底温度降低时，炉缸温度逐渐升高；而当炉底温度升高时，炉缸温度逐渐降低。
图4所示为B高炉炉缸炉底热电偶温度曲线。图4(a)所示为炉底中心热电偶温度B-1~B-4，图4(b)所示为炉缸第6层热电偶温度，热电偶位置如图2(b)所示。从图4可见：炉底中心热电偶温度的变化趋势与炉缸侧壁热电偶温度变化基本一致，即炉底热电偶温度升高时，炉缸热电偶温度也基本表现升高的趋势，而随着炉底温度的降低，炉缸侧壁温度也表现降低的现象。
图3 高炉A炉缸炉底热电偶温度
Fig. 3 Temperature of hearth bottom thermocouples for blast furnace A
图4 高炉B炉缸炉底热电偶温度
Fig. 4 Temperature of hearth bottom thermocouples for blast furnace B
3.3 高炉死焦堆浮起状态与炉缸炉底温度的关系
从上面的分析可以判断，由于高炉A和B炉缸死焦堆浮起高度不同，影响了炉缸侧壁温度与炉底温度的关系。高炉A死焦堆浮起高度较大，导致炉底无焦空间较大，铁水环流主要位于炉缸与死焦堆边缘位置。由于炉底自由铁水层较厚，沿炉底流过的铁水速度变化较小，因此炉底温度直接受到死焦堆温度的影响。当死焦堆的透气透液性较好时，渣铁水流过死焦堆，死焦堆温度相对较高，炉底温度也较高；同时，炉缸侧壁的铁水环流较小，炉缸侧壁温度降低。当死焦堆的透气透液性较差时，渣铁水难以穿过死焦堆，死焦堆温度降低，导致自由铁水层的温度相应降低，炉底铁壳的厚度也可能增加，导致炉底温度降低；又由于死焦堆边缘与炉缸侧壁的铁水环流增强，炉缸侧壁温度升高。可见，这种情况下的炉缸温度与炉底温度变化趋势相反。
高炉B死焦堆浮起较小，铁水的环流主要位于炉缸侧壁与炉底区域，当死焦堆的透气透液性较好时，渣铁水能够穿过死焦堆，炉底和炉缸侧壁的铁水环流较弱，表现为炉缸侧壁、炉底温度降低；而当死焦堆透气透液性较差时，死焦堆边缘的铁水环流加剧，冲刷炉缸和炉底内衬，导致了炉缸侧壁、炉底温度升高。可见，这种情况下的炉缸温度与炉底温度变化趋势具有一致性。
4 讨论
4.1 高炉渣液面高度对死焦堆浮起高度的影响
图5所示为炉渣液面高度对死焦堆浮起高度的影响，炉渣液面高度表示渣液面距离铁口中心线的高度。从图5可见：当渣液面高度等于0 m时，即炉渣完全排尽，此时死焦堆的浮起高度可认为是其最小的浮起高度。随着炉渣液面高度由0 m增加至1.6 m，高炉A和B死焦堆浮起高度分别由0.968和0.414 m增加到2.379和1.742 m；而高炉C和D在渣液面高度分别大于1.0 m和1.3 m时才能够浮起。可知：炉缸内渣液面的高度对于死焦堆浮起高度有明显的影响。大型高炉一般采取连续出铁作业，因此，在炉缸内部时刻存在着一定厚度的渣层，随着高炉原料品位的降低和燃料灰分的增加，高炉渣量进一步增大，在高炉产量不变的条件下，死焦堆受到的炉渣浮力也增加，导致高炉死焦堆浮起高度增加。
图5 炉渣液面高度对死焦堆浮起高度的影响
Fig. 5 Influence of slag-level height on floating height of deadman
4.2 死焦堆透气透液性对死焦堆浮起高度的影响
死焦堆透气透液性主要体现在炉缸焦炭的粒径和死焦堆空隙率。在焦炭平均粒径变化较小的条件下，分析死焦堆空隙率对于死焦堆浮起高度的影响。死焦堆空隙率减小主要有3个原因：1) 自身焦炭粉化、粒度不均造成的空隙率降低；2) 渣填充死焦堆空隙；3) 铁填充死焦堆空隙。图6所示为死焦堆空隙率对最小死铁层深度和死焦堆浮起高度的影响，此处考虑空隙率降低是由自身焦炭造成，图中实心点曲线表示最小死铁层深度，空心点曲线表示死焦堆浮起高度，死焦堆浮起高度为负值表示死焦堆沉坐炉底。死焦堆空隙率由0.50变化至0时，高炉A，B，C和D死焦堆浮起所需的最小死铁层深度分别由3.465，3.357，2.762和1.742 m降低至2.134，2.008，1.628和1.007 m；渣层厚度为1 m时的死焦堆浮起高度分别由1.089，0.473，-0.640和-0.656 m提高至2.420，1.822，0.494和0.079 m，可见：高炉A和B的死焦堆始终浮起，但是浮起高度不同，并且随着死焦堆空隙率的减小，浮起高度逐渐增加；而高炉C和D在开炉初期处于沉坐状态。
死焦堆的空隙率越小，死焦堆的实际体积(不包括空隙)越大，死焦堆的重力以及受到渣铁水的浮力也相应增大。由于焦炭与渣铁水之间较大的密度差，导致了较大体积的死焦堆受到更大的向上作用力，也更容易上浮。随着高炉焦炭质量降低，进入高炉炉缸焦炭的强度下降，焦炭也更容易粉化和粒度不均，导致死焦堆空隙率减小，死焦堆在炉缸的浮起高度增加，炉缸死焦堆活跃性也降低。
图6 死焦堆的空隙率对最小死铁层深度和死焦堆浮起高度的影响
Fig. 6 Influence of deadman porosity on minimum depth of salamander and floating height of deadman
当炉缸死焦堆透液性不好或者渣铁水黏度较大时，都容易引起部分渣铁水滞留在死焦堆中，渣铁堆积导致死焦堆的透气透液性进一步恶化，空隙率降低，活跃性也变差。图7所示为由于渣或者铁的填充使死焦堆空隙率减小，最小死铁层深度(图7(a))以及渣液面距离铁口中心线高度1 m时死焦堆浮起高度(图7(b))的变化。考虑死焦堆原始空隙率为0.5，部分渣或者铁滞留在死焦堆中并且难以排除时，死焦堆空隙率将降低。由于液态铁水填充时，铁水自身的浮力与重力相等，此处考虑凝固铁的填充。从图7(a)可见：当死焦堆被渣填充导致空隙率由0.5降低至0时，高炉A~D的死焦堆浮起的最小死铁层高度分别由3.465，3.357，2.762和1.742 m降低至2.028，1.965，1.616和1.019 m，表明了渣填充导致死焦堆空隙率降低，会使死焦堆更容易浮起。而铁填充时，高炉A~D死焦堆浮起的最小死铁层高度分别提高至3.690，3.575，2.941和1.855 m，铁填充死焦堆并凝固后，死焦堆重力明显增加，导致死焦堆浮起难度加大，死焦堆浮起需要的最小死铁层深度增加。从图7(b)可见：渣填充引起死焦堆空隙率降低时，死焦堆浮起高度增加；而铁填充引起死焦堆空隙率降低时，死焦堆浮起高度降低，渣铁的填充也导致死焦堆透气透液性恶化。
图7 死焦堆的空隙被渣或者铁填充时的最小死铁层深度和死焦堆浮起高度
Fig. 7 Minimum depth of salamander and floating height of deadman by filling with slag or iron
图8所示为不同条件导致死焦堆空隙率由0.5减小至0.25时死焦堆的浮起高度。从图8可见：死焦堆浮起高度的大小顺序依次为：焦炭自身粉化、渣填充、渣铁填充和铁填充。以高炉A为例，焦炭粉化、渣填充、渣铁填充、铁填充导致空隙率减小至0.25时的死焦堆浮起高度分别为1.976，1.922，0.859和0.831 m。主要是由于死焦堆自身粉化以及渣滞留引起的空隙率降低时，其死焦堆浮力较大，重力较小，浮起高度也相应增加；而凝固铁的密度较大，滞留在死焦堆中后，死焦堆重力增加幅度最大，导致死焦堆最难浮起。
图8 不同条件导致死焦堆空隙率减小时死焦堆浮起高度
Fig. 8 Floating height of deadman at different cases of decreased porosity of deadman
4.3 高炉炉缸炉底温度的关系
从上面炉缸死焦堆不同的沉浮状态可以得到炉缸温度与炉底温度变化的关系，结果如表4所示。从表4可见：当死焦堆沉坐炉底时，炉底温度就可以表征死焦堆的活跃性。当死焦堆透气透液性较好时，炉底温度升高，铁水环流的减弱使炉缸侧壁温度降低；当炉缸死焦堆透气透液性较差时，炉底温度降低，铁水环流随之增强，使炉缸侧壁温度攀升，炉缸侧壁温度和炉底温度表现出截然相反的变化趋势，在炉缸炉底交界位置也容易发生象脚状侵蚀。高炉C就是死焦堆沉坐炉底的例子，图9所示为高炉C解剖后炉缸炉底的侵蚀形貌，由于该高炉死焦堆在整个炉役过程中基本处于沉坐状态，导致在炉缸炉底交界位置发生了较为严重的象脚状侵蚀。高炉D最终的侵蚀形貌为锅底状侵蚀(图1)，由于在整个炉役死焦堆浮起高度不断发生变化(炉役前期死焦堆沉坐炉底，炉役后期死焦堆浮起)，侵蚀形貌是不同时期、不同死焦堆浮起状态综合作用的结果，存在一定的复杂性。
表4 死焦堆沉浮状态对炉缸温度与炉底温度关系的影响
Table 4 Influence of floating state of deadman on relationship between hearth and bottom temperature
图9 高炉C解剖后炉缸炉底的侵蚀形貌
Fig. 9 Erosion profile of hearth bottom of blast furnace C after dissection
当死焦堆小幅度浮起时，由于炉底具有一定的无焦空间，铁水可以从炉底流过。当死焦堆透气透液性较好时，渣铁水能够穿过死焦堆，使炉底和炉缸侧壁的铁水流动变缓，铁水环流减弱，炉底温度和炉缸侧壁温度降低；当死焦堆透气透液性较差时，炉底无焦空间和炉缸侧壁的铁水流动加快，铁水环流增强，炉底温度和炉缸侧壁温度升高，如高炉B炉缸炉底的温度变化。从图4可知：高炉B炉底热电偶温度变化趋势相同，共发生了4次明显的降低，出现了4个波谷，炉缸侧壁温度和炉底温度表现出较为一致的变化趋势。从整体温度变化趋势上看，炉缸炉底热电偶温度逐渐升高，表明了炉缸炉底砖衬逐渐受到侵蚀。需要指出的是，当炉缸整体不活时，炉缸侧壁温度与炉底温度也都会表现出逐渐降低的现象，但是此时炉况已经异常，容易引起炉缸转凉，甚至发生炉缸冻结。
当死焦堆大幅度浮起时，炉底具有较大的无焦空间和自由铁水层，由死焦堆活跃性变化引起的炉底铁水流动速度变化较小，因此炉底温度仍然主要受到炉缸死焦堆温度的影响。当死焦堆透气透液性较好时，死焦堆温度较高，炉底中心温度相应较高，炉缸侧壁的铁水流动减缓，炉缸侧壁温度降低。而当死焦堆透气透液性较差时，渣铁水主要沿着死焦堆和炉缸侧壁边缘流动，导致死焦堆温度降低，炉缸侧壁温度升高，而炉底较大的自由铁水层温度由于死焦堆温度降低而降低，炉底凝固铁层厚度可能增加，最终表现为炉底温度较低。因此，炉缸侧壁温度和炉底温度表现出变化相反的趋势，如高炉A炉缸炉底的温度变化。从图3可知：高炉A炉底热电偶温度发生了4次明显的降低，出现了4个波谷(第4次炉底温度降低过程不完整)，当炉底温度降低时，表明炉缸中心活跃性较差，随之引起炉缸侧壁的温度升高。从整体趋势上看，炉缸热电偶温度逐渐升高，表明了炉缸砖衬逐渐侵蚀。
5 结论
1) 以国内4座不同有效容积的高炉为例，基于死焦堆受力模型，分析了炉缸死焦堆的浮起状态，发现高炉A和B死焦堆都能够浮起，最小浮起高度分别为0.968 m和0.414 m，而高炉C和D死焦堆在炉役前期沉坐炉底。高炉A死焦堆的浮起高度明显大于高炉B死焦堆的浮起高度，导致两高炉炉缸侧壁温度和炉底温度的变化关系存在截然相反的现象。
2) 渣液面高度的增加会增加死焦堆浮起的高度。分析焦炭自身粉化、渣填充和铁填充引起死焦堆空隙率降低对死焦堆浮起的影响，焦炭自身粉化和渣填充使死焦堆更容易浮起，凝固铁填充使死焦堆浮起高度降低。
3) 炉缸侧壁温度和炉底温度的关系随着死焦堆浮起高度而变化。死焦堆沉坐炉底时，炉缸侧壁温度与炉底温度变化趋势相反；死焦堆小幅度浮起时，炉缸侧壁温度与炉底温度变化趋势一致；死焦堆大幅度浮起时，炉缸侧壁温度与炉底温度变化趋势相反。
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(编辑 陈爱华)
收稿日期：2015-11-01；修回日期：2015-12-30
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(61271303)(Project(61271303) supported by the National Natural Science Foundation of China)
通信作者：李洋龙，博士研究生，从事高炉炉缸炉底侵蚀研究；E-mail：yanglong.xlnm@163.com
