浅议鼓风动能与风口布局

孙智慧

(安阳钢铁集团公司炼铁厂)

摘 要  就鼓风动能的计算公式展开讨论，重点描述鼓风动能在高炉不同位置风口间的变化以及不同尺寸风口对鼓风动能的影响，从而给失败的调节寻找原因，并给风口调节提供另一种思路。

关键词  风口；调节；鼓风；动能；动量

前言

    高炉在实际生产中，难免由于设备、施工、气流分布、炉体冷却、风口布局等原因造成炉型不规则，严重时形成偏行，影响煤气利用，破坏生产指标，甚至引起恶性炉况。而且，和完美的人一样，完美的高炉几乎也是不存在的，难免存在某个方面的缺憾。所以，高炉工作者就要在生产中针对不同情况利用不同的手段进行调节，不外乎严格监督施工、精确安装设备、密切控制炉体冷却、保持合理煤气流分布。而煤气流的分布调节起来十分困难，原因就是影响煤气流分布的因素多，比如风口布局、软融带位置形状、炉墙形状、上部布料及炉料性能、操作方针等，而且煤气在炉内进行三次分布，各个环节都有可能影响到煤气的最终利用情况，进而影响操作技术经济指标甚至影响到基本顺行。煤气初始分布的调节其实也就是对回旋区进行合理控制。回旋区是高炉稳定操作的重要反应区，其形状对高炉生产影响很大，是化学能和热能的主要来源地。回旋区的形状和尺寸大小将直接影响高炉下部煤气的分布、上部炉料的均衡下降以及整个高炉内的传热传质过程。

    在高炉操作调节中，下部调节就是通过调节回旋区的形状和大小分布来控制炉况的，向来是其他调节手段的基础。以下部调节为基础，上中下部调节相结合是基本的调节原则。风口调节就是一项根本的调节方法，通过调节风口在高炉不同位置的不同尺寸来控制煤气流的初始分布在生产中经常用到。但是，调整的效果怎么样？各个高炉调节的方法不同，幅度不同，效果也就不言而喻。风口调节与风口鼓风有着直接的关系，通过理论和实践寻找这一关系并运用之，是我们最关心的。

1  鼓风动能与鼓风动量的概念

我们的技术书籍上给出了一个鼓风动能的经典公式^[2]，如下：

E= mv²= × × ( × × ) J/s

式中：E--------鼓风动能， J/s；

      m ------ 鼓风质量，Kg；

      v ------ 风速，m/s；

      Q ------ 风量，Nm³/s；

      n--------风口个数，个；

      A--------1个风口的面积，m²

      t--------鼓风温度，℃

      P--------鼓风工作压力，MPa

      1.293----鼓风密度，Kg/m³

我们且不说这个公式的正确与否，只看单位就可以看出，计算出来的不是能量，而是动量。因为能量的单位是J，而就J/S是动量的单位。也就是说，我们长期以来生产计算中所依赖的鼓风动能实际上是鼓风动量（P=mv）。关于这个问题在文献^[1]中有详细的描述，这里不作为重点进行解释。不过通过这一发现，我们在观念上似乎可能有一些改变，影响风口回旋区和燃烧带形状的不是鼓风动能，而是鼓风动量。发现这一问题能帮助我们做什么呢？根据动量定义，物体的质量和速度的乘积即为动量，所以，在研究风口鼓风对高炉的影响的时候，我们是不是可以只考虑鼓入风口的风的质量与进入风口时的风速就可以了呢？还不能这么早下结论，在参考了动量守恒定律后，我们再来看这个问题。相互作用的物体，只要系统不受外力作用，或者受到的合外力为零，则系统的总动量守恒，这就是动量守恒定律。实际上，在高炉生产中，鼓风进入风口，从微观上看，风和炉内的炉料进行的就是碰撞运动，在碰撞的瞬间，基本符合动量守恒定律的条件。那么，既然这样的话，我们在研究风口鼓风对高炉的影响的时候，只考虑鼓入风口的风的质量与进入风口是的风速是可以的。鼓入风口的风的质量减小，进入风口的风速不变则鼓风动量是减小的。

    其实，科学规律是相同的，结果也是相通的。运用能量守恒定律也可以得出相同的结论。E=1/2mv2是能量的定义公式，从公式中我们可以看出，风口前的鼓风动能和鼓风动量一样与风的质量和速度有关系。可在生产中，有时会有一种想法，认为，风的速度和出口大小有关系，风口调小后，风速会增大，虽然在E=1/2mv2中由于风口面积的缩小，m值变小了，但由于v增大，v2会更加大，从而，E也就会变大。其实，帕斯卡（Blaise.Pascal）早就通过一个实验(如下图)告诉我们了答案，那就是速度只与压强有关系，而与面积没有关系。也就是说，在高炉生产中，只要风压不变，风口面积大小改变并不能改变进入风口的风速大小，因为作用在风口面积上的压强是没有变化的。

    笔者为了证明这个问题，利用帕斯卡的试验装置做了一个试验，不同的是在容器的同一高度位置上分别设置两个面积相差3倍的液体流出口。容器装满水后，用外力给容器加压，同时打开两个液体流出口，此时，液体在压力的作用下向外流出。在认真分析试验过程准确无误后，得到如下结论：液体向外流出的距离和液体流出口面积的大小无关。这也就是说，在同样的压力下，液体的流速不会因为流出口面积的变化而变化。

    此时，我们再回到E=1/2mv²中，由于风口面积的缩小，m值变小了，但v是不变的，从而，E也就会变小，与动量守恒定律的结果相同，但与我们原来认为的情况正好相反。

2  风口面积调节与煤气初始分布

    由以上分析可以看出，对于单个风口，风口由大调到小，不论是鼓风动能还是鼓风动量都是减小的，反之，风口由小调到大，不论是鼓风动能还是鼓风动量都是增大的。那么，通过观察风口状况或利用别的手段判断燃烧带和回旋区情况后，就可以用这个思路，通过日常鼓风参数的调剂实现合适的鼓风动能或鼓风动量，达到控制燃烧带大小的目的，实现初始煤气流的合理分布，使整个炉缸温度分布均匀稳定，热量充沛，工作活跃。但是在实际生产中，却存在很多“治理偏行、越治越偏”的例子，到最后自己都不知道该如何调整了，归结到底就是没有真正弄明白风口大小与鼓风动能或鼓风动量的关系。比如，安钢5^#高炉上一代炉役，从开炉到停炉，一直在“治偏”，可到最后还是偏，不能说没有这个原因。

    另外，同样规格的风口安装在不同位置，获得的鼓风动能也是不一样的，从而影响到炉内的燃烧带和回旋区，致使各个风口前的煤气分布不均匀。这种现象产生的原因有三个。一是热风在经过围管后分配到各个风口时由于距离热风三岔口的位置不同造成的。北京科技大学的程树森教授做过一个小球模拟试验，试验的结果表明，在三岔口处和相对方向上，小球获得的能量比较大，而其它位置则小一些，但有一个变化曲线存在。二是风口的角度变化造成的。三是安装的原因造成的。不同的风口角度和安装情况能改变燃烧带和回旋区的形状，进而影响煤气流的初始分布。文献^[3]针对这一现象做了冷态和非等温冷态的模拟实验，提出影响高炉风口回旋区的因素的主次顺序是风口直径、插入深度、风口角度。可见，改变任一因素，都会造成回旋区的变化，风口直径改变回旋区的大小，插入深度改变回旋区的位置，风口角度和安装角度改变回旋区的形状。还有人提出风口的偏心安装可以获得更好的炉缸活跃指数，也是说明风口的安装对回旋区有很大影响。

3  正视风口布局与炉型的不规则

    其实，任何一个高炉，都有它自己的特点，决不能简单划一，就像人一样，不存在完全相同的两个人，高炉和高炉也决不会完全相同，正视它的特点，允许有不足也是正常的，不要刻意去追求完美十分重要。有的高炉工作者不能看到高炉的缺点存在，哪怕很小的缺点也不能容忍，这是不对的。就拿风口布局与炉型来说，不要看到别的同等级高炉指标如何如何，是什么样的煤气曲线，有什么样的好炉型，就非要和它一样，用一样的风口布局，用一样的料制，追求同样的炉型，等等。这样的结果往往是邯郸学步，徒劳无功。比如安钢5^#高炉上一代炉役，前期也是拼命治偏，可是越治越偏，指标也浪费了，后来干脆不治了，指标反而上去了，得到了“中华第一炉”的称号。可有几人能知道所谓的“中华第一炉”一直是一个偏炉子。当然，如果炉子偏行严重，影响了正常生产和指标，还是要进行处理的，不然会酿成大的事故。但是，治偏有治偏的办法，不能随心所欲，要遵循科学规律，建议看不准不要动，要综合各方面的信息进行分析，比如风口回旋区的大小、风口的明亮程度、炉身温度的差异、炉顶煤气曲线、料面情况、下料速度径向差异等等，看准了再调整，调整一定要遵循能量守恒定律和动量守恒定律，这样才能在方向上正确，至于力度是否恰当，要经过实践的检验才能得到答案，不要指望一下子就调整到位了，那往往是一厢情愿，很难有一步到位的。除了风口直径外，风口布局还包括风口的长短、角度，对风口的长短、角度进行调整时，和调整风口直径一样也要以燃烧带、回旋区的形状为依据，以初始煤气合理分布为目的进行调节，其调节原理也同样要遵循科学规律。

4  结论

    风口调节是指对风口的直径、长短、角度进行调整，要正确运用动量和能量守恒规律慎重进行。一个风口布局决定一个炉型，改变风口布局炉型也必然跟着改变。在一定程度内，可以容忍风口布局的个别不合理存在而不要急于调整。风口布局调整一定要遵循科学规律。

参考资料

[1] 关于炼铁鼓风动能的计算  那树人   《内蒙古科技大学学报》 2007年第26卷第2期

[2] 炼铁学  罗吉敖  冶金工业出版社  1994.6 第282页

[3] 攀钢2000m³高炉风口回旋区特征的研究  曾华锋  重庆大学  2007年硕士论文