激波穩定風量的新型高爐風口理論與實驗研究

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tags:    時間:2014-03-11 13:16:59
激波穩定風量的新型高爐風口理論與實驗研究簡介
目前,國內外煉鐵行業採用的高爐送風裝置,儘管在材質、製造工藝及其銜接方式等方面有了很大的提高,但是在內型結構上改進不大。就風口的內型結構而言,現在絕大多數是收縮型的。這種傳統型的高爐風口的鼓風量不僅取決於風機的鼓風能力,而且還受爐內壓力波動…
激波穩定風量的新型高爐風口理論與實驗研究正文
目前,國內外煉鐵行業採用的高爐送風裝置,儘管在材質、製造工藝及其銜接方式等方面有了很大的提高,但是在內型結構上改進不大。就風口的內型結構而言,現在絕大多數是收縮型的。這種傳統型的高爐風口的鼓風量不僅取決於風機的鼓風能力,而且還受爐內壓力波動的影響,在風機能力一定時,風量也要隨爐內壓力波動而變化。


為適應煉鐵工藝技術水平不斷提高的要求,中外冶金工作者進行了一些有益的研究,寶鋼煉鐵廠為實現高強度的冶鍊操作,在高爐送風系統設計中,採用了在送風支管的A-2管內澆注成文丘里管的結構,以測量送風支管的送風量。日本根據高爐噴煤的實際也在研究開發含有氧-煤燃燒器的高爐風口,我國冶金工作者也在研究適合大能力噴煤的長壽風口。

為真正充分開發送風裝置的功能,既保證恆定平穩均勻地送風,又能熱態計量,實現熱調熱控。鞍山鋼鐵學院經過兩年的基礎理論和實驗研究,利用氣體力學的等熵原理〔1〕,設計了一種新型送風裝置,在內型結構上有別於傳統風口的內型。實驗結果表明:高爐爐內壓力在一定範圍內波動時,這種新型的送風裝置能利用激波自動調節並抵制爐內壓力的波動,使風量恆定,進而實現穩定供風,穩定高爐的操作。該種送風裝置將成為煉鐵行業高爐風口更新換代的新設備。

1 基礎理論研究與分析

1.1 亞音速流與超音速流間的區別

氣體力學研究表明,氣體在流出時按其流出速度可分為亞音速(或音速)流和超音速流兩種情況〔2〕。

兩種氣體在流動狀態上,由於M(馬赫數)不同、氣體流速W、壓力P、密度ρ、溫度T的變化規律有明顯不同。

從本文研究的目的出發,我們關心的是兩種流動狀態下,氣體通過噴嘴流出時,其流量變化的不同。

亞音速氣體流量V可按下述公式計算:

式中 P0——原始壓力(或供風壓力)

 P——出口壓力(可視為爐內壓力或反壓室壓力)

 F出——噴嘴出口斷面面積

 μ——流量係數

 r——氣體重度

 g——重力加速度

從(1)式可看出,在噴嘴幾何尺寸和溫度T一定時,F出、T、μ、r均為定數,g為常數,氣體流量V取決於噴嘴前後的壓差(P0-P),即使原始供風壓力P0不變,當出口壓力P(可視為爐內壓力或反壓室壓力)有變化時,氣體流量V也隨其變化而改變。傳統的高爐風口絕大多數是收縮型,屬亞音速噴嘴,因而,每個高爐風口的風量隨爐內壓力的波動而改變。

超音速氣體流量可按下述公式計算:

式中 0.4——常數(空氣介質)

 μ——流量係數

 F臨——臨界截面積

 P0——原始壓力(或供風壓力)

 T0——滯止溫度

從(2)式可看出,在噴嘴幾何尺寸和溫度T0一定的情況下,F臨、T0、μ均為定數,g為常數,氣體流量V僅取決於原始壓力P0,這是超音速氣流在超音速噴嘴中流出的一個重要特點。高爐風口如採用超音速噴嘴,在供風壓力P0不變的情況下,風口的風量應該是恆定的。
1.2 激波的產生及其對流量的影響

開發和設計新型的高爐風口時,還必需考慮超音速氣流在前進過程中,受到爐內壓力的波動和障礙物(爐料)的影響而產生激波的情況。激波出現后,激波后的氣體變成亞音速流,激波前仍為超音速流,由於氣體流動的連續性,儘管激波后的氣流變成了亞音速流,但只要激波前還存在超音速流,流量就與爐內壓力無關,超音速高爐風口可在壓力波動一定範圍內流量保持不變,但並不是無限制的,究其原因,在於激波的位置和發展,它允許爐內壓力波動有一最大值,即激波的位置移動到超音速風


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