关于高炉入炉风温的探讨

孟凡双

（鞍钢股份有限公司 炼铁总厂，辽宁 鞍山114021）

高炉风口区理论燃烧温度是指在绝热条件下风口区燃料进行不完全燃烧， 燃料和鼓风带入物理热及燃烧反应放出的热量全部传给燃烧产物所能达到的温度，也称高炉火焰温度或绝热火焰温度，应是指煤气等燃烧产物离开燃烧带时绝热条件下的平均温度，因此其确定应在燃烧带范围内。高炉风口区域的热状态主要标志为理论燃烧温度， 其高低不仅决定炉缸热状态，也对炉料的热传递、还原反应、造渣、脱硫以及渣铁温度、化学成分等方面产生极大的影响。高炉生产中通常以理论燃烧温度作为判断炉缸热状态的重要参考指标。 理论燃烧温度与风温、湿度、燃料种类、富氧量以及喷吹量等有关。 因此，各参数的变化也都最终反映在理论燃烧温度的变化上， 根据理论燃烧温度的高低可以判断当前操作参数匹配的合理与否。 高炉风口区域的理论燃烧温度一般都是按照经验公式进行计算，并不断地进行修正。在理论燃烧温度计算中， 一般都以高炉热风管道上测量的风温作为高炉鼓风带入的热量计算，本人认为不妥，高炉热风管道测量的温度与实际进入炉内的风温有一定的差别，作者对风口进行传热学分析计算，高炉实际进入高炉炉内的风温低于通过热风管道点偶测量的温度，同时风口水压对入炉风温有一定的影响。

1 理论分析

以2 000 m3高炉螺旋风口为例， 风口结构如图1 所示，高炉风口为纯铜材质，铜含量大于99.5%，密度为 8 910 kg/m3，比热容为 380 J/（kg·K），导热系数为 280 W/（m2·K）。

图1 高炉风口结构示意图

从图1 中可以看出， 高炉鼓风通过风口进入高炉炉内，高炉鼓风与风口之间通过对流传热，风口通过冷却水对其冷却， 冷却水与风口之间通过对流传热，风口安装在炉内，高炉风口与炉内通过辐射传递热量。 计算高炉热风通过风口进入高炉内部的传热学分析，根据能量守恒，描述流体温度场的能量微分方程式， 即鼓风对流传递的净能量+炉内辐射能量=冷却水对流传递出的能量+耗散功散热损失量：

以对流方式进入元体的净热流量：

单位时间内，沿x 方向热对流传递到微元体的净热量：

单位时间内、 沿y 方向热对流传递到微元体的净热量：

辐射热流量：

耗散功率变成的热流量：

推导出能量的微分方程：

2 计算结果和分析

2.1 边界条件

由于高炉风口小套在使用过程中存在的多种不可控因素，为方便传热学理论计算，做如下假设：（1）冷却水为不可压缩的牛顿流体，流量稳定，且忽略水的重力对冷却水流动的影响；（2）将冷却水看做连续流体，不考虑温度变化对水流的影响，流动状态为湍流；（3）鼓风为不可压缩的牛顿流体，即黏性耗散项为零。

根据上述情况，具体的边界条件见表1。

表1 边界条件

2.2 不同测量风温下的入炉风温

高炉鼓风通过风口进入高炉炉内，高炉风口沿着高炉四周布置，由于风口接触炉内高温和鼓风，需要对风口进行冷却，风口冷却水带走的热量，使高炉入炉风温有一定的降低，在高炉风口水温差一定而入炉风温不同情况下，计算高炉的入炉温度变化见图2。

图2 入炉风温随表风温的变化图

从图3 可以看出高炉表风温与入炉风温差在35 ℃左右，随着表风温的降低，其与入炉风温的差值增大。高炉风口冷却强度一定的前提下，高炉入炉风温与高炉表风温差值变化不大。因此，高炉操作者在计算高炉风口理论燃烧温度时， 一般是使用高炉表风温。但实际高炉表风温与入炉风温有一定的差值，影响我们对风口理论燃烧的判断。入炉风温的提出，利于高炉操作者真实判断高炉风口理论燃烧温度。

图3 损失风温随表风温的变化图

2.3 冷却水温差对入炉风温的影响

高炉风口冷却水进出口温度差， 表征了冷却水带走热量的多少，温差越大带走的热量越多，高炉的入炉风温就越低（见图4、图5）。 高炉风口冷却水的温差为4 ℃时，高炉风温损失量为27 ℃；水温差为9℃时，高炉风温损失量接近70 ℃。 高炉的入炉风温损失量非常大， 我们一再追求高炉风口的寿命而提高冷却强度的同时， 我们付出了巨大的损失风温的代价。 应合理控制水温差，减少入炉风温的损失。

图4 水温差与入炉风温的变化图

2.4 冷却水压力对水温差影响

为了有效防止风口熔损，提高风口的冷却强度，风口前端边缘温度小于其临界熔温度673 K， 提高风口水压力来减少风口的破损， 水压提高导致风口水温差增加， 水温差增加则风口冷却水把鼓风的量带走的就多，风温损失的就多。风口冷却水压力与水温差的影响关系见图6。

图5 损失风温随表风温的变化图

图6 冷却水压力与水温差的变化图

风口的冷却水温差随着压力增加而增大， 为了追求高炉风口在线连续长时间运行， 提高水压来减低风口前端熔损温度，水压提高意味着能耗增加，因此控制合理的风口水压，既保证风口的冷却强度，又减少能耗。

3 结论

计算高炉风口区理论燃烧温度时， 使用的表风温与高炉入炉风温有一定的差， 对入炉温度的正确理解， 有利于高炉操作者真实判断高炉风口理论燃烧温度。 一再追求高炉风口的寿命而提高冷却强度的同时，付出了巨大的损失风温的代价。应合理控制水温差，减少入炉风温的损失。因此控制合理的风口水压，即保证风口的冷却强度，又减少能耗。