高炉风口参数的设计探讨
郭俊奎 马铁林
摘 要 风口是高炉送风系统的重要设备之一，通过对高炉风口参数进行分析、论述、探讨，阐述了风口数目,风口高度,风口角度、长度,风口直径对高炉冶炼操作、生产技术经济指标的影响,并从设计角度提出了风口参数的设计、计算参考数据和建议。
关键词 高炉 风口参数 设计 探讨
0 前言
高炉炼铁是一个综合的工艺过程，每一项工艺参数设计对高炉生产都有不同程度的影响，高炉风口是炼铁高炉重要的送风设备之一，有高炉炼铁生产工艺以来就存在风口，高炉鼓风、喷吹的燃料都是通过风口进入高炉内的。风口参数主要包括风口数量、高度、直径、角度和长度等数据，风口参数对其本身寿命及炼铁高炉生产技术经济指标有重要影响，是高炉下部调剂的重要手段之一。本文结合节能减排、降低能耗及新工艺的需要，更重要的是通过工业实践，对风口参数进行分析总结、论述探讨，提出了自己的看法，并从设计角度提出了风口参数的设计、计算参考数据和建议，希望使风口参数更加科学合理，做好风口参数设计，从而进一步提高炼铁生产技术经济指标。 1 风口数目的确定
高炉风口数目是高炉工艺设计的重要参数之一，主要取决于炉缸直径大小和鼓风机能力，高炉风口数目增多目前是一种趋势，增加风口数目有利于高炉的强化冶炼。风口数目在满足炼铁工艺要求的同时，还应符合风口的安装尺寸和结构要求。
风口数目的计算有多种方法，但还没有严格的理论计算公式，一般按经验公式粗略计算后确定。设计手册要求风口弧长间距在1200mm～1400mm，国内曾采用如下公式[1]：
f=2d＋1
式中：f—风口数目，个；
d—炉缸直径，m。
式中计算出来的风口数目较少。国外一般采用如下公式[1]：
f=πd/(1.0～1.2)或f=3d
风口数目一般为双数。高炉风口数目的合理设计与高炉操作、技术指标有很大关系。风口数目增多，风口弧长间距就小，高炉圆周进风相对均匀，可改善煤气流、温度分布，减少风口之间的“死料区”，炉缸燃烧均匀，可活跃炉缸，利于炉况顺行，有节焦、增产等作用，更有利于节能减排。中小高炉其效果十分明显，大高炉次之。
通过某140m3级高炉工业试验，风口由8个改为10个，和同等条件高炉相比，可提高日产量80 t～100 t，降低焦比10～15 kg/t.Fe。高炉炉缸8个风口时，风口中心线水平间夹角为45°，高炉改为10个风口时风口中心线水平夹角为36°，两者相差9°，也就是说8个风口时，相当于高炉炉缸内圆周72°(9°×8)范围内“无风口”，极大影响了炉缸的工作制度，对高炉技术经济指标影响较大。
上述试验表明，增加风口数目，炉缸燃料燃烧相对均匀、有效，有利于炉内煤气流的初始分布、温度分布、热量分布，可以活跃炉缸，利于炉况顺行，降低能耗，提高产量，有利于提高高炉的技术经济指标和经济效益，是节能减排的重要手段之一。
风口数目的增加，必须与风量、风压及风口直径等参数紧密配合，才能体现出增加风口数目的意义所在，否则，也会带来负面影响，达不到预期效果，反而影响高炉的强化冶炼。
笔者建议风口数目的确定应以炉缸风口之间的弧长间距为依据，以缩小风口弧长距离为原则，确定风口数目。建议风口弧长距离控制在1000 mm～1100 mm，不超过1200 mm。
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2 风口高度计算和风口角度
铁口中心线至风口中心线的垂直高度距离称为风口高度（Hf）。风口与渣口的高度差应能保障容纳上渣量和一定的燃烧空间，风口高度计算公式如下[2]：
Hf = Hz / k
式中：Hz 为渣口高度
k为渣口高度与风口高度之比，一般k=0.5～0.6，渣量大取低值。
从上式可以看出，风口高度与渣口高度有一定关系，而随着原燃料条件的改善，精料水平的提高，渣量减少是趋势，因此，可以认为风口高度也应是趋于减小，而现在设计中，风口高度的确定更多是参阅、类比同级高炉。
我们通过对高炉风口高度数据的数理统计、实践，通过控制适当的高径比，趋于矮胖的炉型，使用平风口时，风口高度与高炉有效高度的比值约为1/8.76。这一数据对中小高炉风口高度设计有一定的指导意义，而且通过实践，取得了比较好的技术经济指标。但此值有待在大高炉上实践、验证。
某1750 m3高炉生产指标不是太好，其风口高度为3700 mm，通过分析探讨，笔者认为此高炉的风口高度宜在3200 mm左右，现在高了约500 mm，对生产指标有影响。当然还有其它综合性因素的影响。
风口高度的大小与高炉内直接还原、间接还原的程度，以及高炉炉内直接还原区、间接还原区大小有很大关系，似是一个“分界线”，对炉内燃料的热能和化学能利用有影响。此值不合理，高炉不会有好的生产指标，易引起炉内事故，炉况不顺，焦比升高，不利于节能降耗。
高炉是非标准设备，风口高度对高炉内直接还原和间接还原有影响，对高炉生产、节焦、增产十分重要。同时也应认识到大中小高炉的风口高度在高炉内的“适应性”是有区别的。
实践表明，小高炉的炉缸直径小，风口相对也少，风口高度对高炉炉况的影响十分明显，只要相差正负75mm，就对生产影响极大。大高炉，特别是特大型高炉，风口数目多，距高炉中心相对远，风口燃烧的放射性鼓风作用等引起的风口高度“适应性”相对小高炉要强，也就是说特大型高炉的风口高度调整余地大，对高炉生产影响相对小，这也是大型高炉目前的风口高度差别大，也能适应高炉生产变化的一个重要原因。但是，大高炉、特大型高炉也应该有个最佳值，对生产才最有利。
风口角度是指风口中心线向下倾斜的角度，是调节高炉生产的手段之一。只要有角度，鼓风动能利用相对就差，直观分析就是三角形直角边与斜边的关系。风口有角度，风口距离高炉中心就远，不利于吹透中心。
风口高度与风口角度有相辅相成的关系，两者应紧密配合，高炉生产才会有好的技术指标。一般建议选零度平风口，不要有角度。笔者认为，不研究风口高度而研究风口角度意义不大。 3 风口直径和长度 3.1 风口直径
风口直径一般是指风口小套的内直径，表示高炉鼓风进入高炉时进风面积的大小。风口直径由风口的出口风速确定，一般风口的出口标态风速在100 m/s以上[2]，巨型高炉有的高达200 m/s。风口直径的计算有一些参考公式，主要是要保证风口的鼓风动能，可以作为一个重要的参考数据。推荐的风口面积计算公式为[3]：
S=1.803×10-4×(273＋t)×(γVb3)-2÷((101.325＋Pb)×(n3E)-2)
式中：S——风口面积，m2/个；
E——鼓风动能，(kg·m)/s； t——热风温度，℃； Pb——热风压力，kPa； γ——气体密度，kg/m³； Vb——风量，m3/min；
n——工作风口数目。
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当喷吹燃料时，V混(换成m3/min)代替Vb，用t混代替t即可。
风口直径的计算涉及变量参数比较多，特别是有的参数是瞬间变化的，要取值计算准确比较难。每座高炉有其各自的生产特点和规律，也是随时在变化的，而不是一个固定的值。计算值只是一个相对参考值，必须通过生产实践使用检验，应该以满足高炉生产操作工艺要求、炉况顺行、效益最大为原则。
改变风口面积大小是高炉操作下部调剂的重要手段之一，是对各风口流量的重新分配，从而影响风口回旋区的形状、大小，影响气流和温度的分布以及炉缸的均匀、活跃程度。当高炉炉缸煤气流分布不合理、炉缸工作不活跃时，有必要改变风口直径，调节各风口的进风压力、流量，使整个全炉缸内的燃烧、温度、煤气流分布尽可能均匀、合理，达到调节炉况顺行的目的。有人建议高炉铁口两侧的二个风口直径应小2 mm～3 mm，这个观点直观分析可行，但有待于生产操作实践的检验、证实。
在一定的冶炼条件下，高炉都有其适宜的操作制度与冶炼强度，风口直径一般不宜经常变动。 3.2 风口长度
风口长度有两个概念，一是风口小套的加工成品长度，二是风口小套伸入炉缸内的长度。我们探讨风口长度是指风口小套伸进炉缸内的长度。
设计手册要求风口小套前端伸进炉缸20 mm～50 mm，但笔者分析认为，在保证风压的前提下，风口小套不应该伸进炉缸内，超出炉墙，反而应缩回炉墙内。原因如下：
1)缩回炉墙内60 mm左右，与伸进炉缸30 mm～50 mm相差约100 mm，对风口本身没有任何影响，但相当于“炉缸直径”大了约200 mm，这对提高产量，促进燃烧，活跃炉缸有益，但必须有风压做保证。
2)风口小套全部或部分裸露在炉缸内，引起多种弊病：铁水滴落冲刷风口小套，小套损坏风险增加；风口小套后端和炉墙之间形成一个“回旋区”，对风口套极为不利；冷却水压力低时，易损坏，休风率高，备件消耗高；而风口小套缩回炉墙内，可有效解决上述问题。
3) 风口位于炉缸上部，直接与渣、铁、高温气流接触，工作条件十分恶劣。风口烧损的部位，多为风口伸入炉内部分的前端上缘和下缘。由于其与渣、铁接触，局部区域的热流强度超过了风口材质所能承受的临界热流强度，产生过热而被熔化所致[4]。高炉炉墙冲涮、侵蚀是必然的，高炉寿命越长，炉缸侵蚀越大，风口小套缩回炉墙有利于保护风口小套，延长风口小套寿命。
风口缩回炉墙，一可以保护风口，二必然要增加燃烧面积，活跃炉缸。有的学者提出和炉墙平齐，风口缩回炉墙内会促进缩回部分耐火砖的破损，也不利于形成合理炉型。但笔者认为，缩回炉墙是方向，定量缩回多少，大中小高炉应有区别。高炉生产炉内耐火材料砖衬必然磨损浸蚀，炉缸必然扩大，但是如何使高炉砖衬寿命长，侵蚀小，保持一定的工作炉型很重要。
因此，在保证高炉风压、风速的前提下，风口小套建议缩回墙内50 mm～100 mm，而且随着炉衬的侵蚀，应随时调整。通过在中小高炉上的工业实践表明，风口缩回炉墙，有利于延长风口寿命，而且炉况顺行，产量高，焦比低，对高炉操作无负面影响。 4 结论
通过分析、实践，笔者认为：
1)高炉风口在不影响其安装、维护的前提下，数目宜多。
2)风口高度应有一个相对合理、“固定”的数值，对高炉的稳定操作有益，与炉内直接还原和间接还原有很大关系。
3)风口直径不宜经常变动，且应使用平风口或小角度风口，并缩回炉墙内。 5 参考文献
[1] ×××.炼铁设计参考资料[M].北京:冶金工业出版社,1979:139. [2] 张树勋.钢铁厂设计原理(上册)[M].北京:冶金工业出版社,2005:77,78. [3] 周传典.高炉炼铁生产技术手册[M].北京:冶金工业出版祉,2002:321 [4] 万新.炼铁设备及车间设计[M].北京:冶金工业出版社,2007:50.
E-mail：gjk68@126.com
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