浅论高炉悬料.docx
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浅论高炉悬料
浅议“高炉悬料”
高炉的“悬料”问题,可以说是一个“悬而未决”的问题,老员工们说:
这么多炉长、工长、技师都研究一辈子了,也没有搞明白。
传统的研究方法已经走不通了,只有转换思路,才有突破的可能。
我们的研究论文中没有使用专业术语,而是从基本的物理知识讲起,任何一种理论都应当遵循科学的规律,同时要服从物理原则的限制。
悬料问题实际上就是一个纯粹的物理现象。
对于悬料现象的发生原理,传统理论是这样解释的。
炉料在炉体中受到两个作用力,一是使炉料下行的重力,二是阻碍下行的阻力。
当阻力大于重力时就会发生悬料。
阻力又分为两个力,摩擦阻力和空气浮力,摩擦阻力较小,阻力以空气浮力为主。
当悬料发生时,一般采取降风压的办法,减小浮力使炉料下滑。
因为高炉是一个封闭的系统,内部温度又非常高,所以无论哪种解释,其实都是一种猜想,我们将通过运用物理定律来论证这一现象。
下面首先来分析悬料后的症状,用物理知识中的“液体浮力”定律来分析。
1、悬料之后打开铁口,不出铁水只出风。
老员工讲,是因为怎样怎样导致反应减缓或停止,没有铁水了。
但是送风并没有完全停止,按道理,送风量应该和铁水量成正比,不应该一点铁水都没有啊。
悬料不等于说不反应,1200多度的热风,与炉料在哪儿接触,就在哪儿反应,并不一定要在风口处。
再者说,在堵口的时候,仍然有铁水在向外排放,开口后怎么就没有了?
所以说问题的关键不是“铁水有没有”,而是——“铁水哪去了”。
整个高炉内部从炉顶到炉底都填满了炉料,实际上铁水只存在于风口以下的炉料颗粒之间的空隙之中。
有的同事认为,铁口以下称为“死铁层”的空间,全部是铁水。
这是错误的认识,根据物理法则,在重力作用下炉料一定会“沉底”。
这一点一定要强调清楚。
风口以上的炉料是焦炭与矿石的混合炉料,风口以下的炉料就只剩下焦炭,因为矿石都熔化了,而焦炭可以耐受高温,并兼有强度。
当风口以上发生悬料,风口部位烧空,那么想象一下,风口以下还会维持原状吗?
当然不会。
焦炭与铁水的密度比例悬殊,所以当失去上方的压力后,焦炭必定会上浮,如同泡沫塑料漂浮于水面,铁水液面则必然会下落,铁水都“收缩”到铁口以下的空间中去了,成了真正的“死铁层”,出不来了。
2、根据参数记录,悬料后炉温经常会有所上升,然后再下降。
如果问老员工,反应停止了、铁水没有了,哪儿来的热量?
那么他们的回答究竟有多大的可信度呢?
能量守恒定律是绝对不能违反的,这是分析问题的根本前提。
在正常情况下,因为风向上走,所以燃烧的是焦炭与矿石的混合炉料,根据“液体浮力”定律,悬料后焦炭上浮,到达风口部位,这个时候,燃烧的是“纯焦炭”,是“纯爷们”,火力猛,当然会使炉温有所上升。
3、当降风压之后悬料下落,可能会使铁水或炉渣灌入风口堵塞。
前边已经讲到,按照老员工的说法,已经没有铁水了,又怎么会突然“蹿升”到风口的高度呢?
这些铁水是哪来的呢?
这样明显矛盾的逻辑,任谁也讲不清楚,任谁也听不明白。
但是按照我们的“液体浮力”定律来解释就简单明了。
降压后悬料落下来,砸到漂浮的焦炭上,把焦炭“摁”进铁水中,一个猛子扎到炉底,铁水液面必然会升高上涨。
举个非常简单的例子。
乌鸦找到半瓶水,可是够不到水面,怎么办?
乌鸦叼来几块“焦炭”,丢进瓶子里,水面上升,聪明的乌鸦就喝到水了。
进行理论研究的基本原则是:
力求以最简单的假设对各种现象做出统一的解释,这就是“简单性原则”。
我们以一个简单的“液体浮力”理论对各种症状做出了统一且合理的解释,所以是可信的,而复杂且矛盾的观点往往是错误的。
理论的第一步具有方向性,是整个理论的基础,因此一定要慎重,不要轻易下结论。
比如这个“不出铁水就是因为没有铁水”的结论,显然是过于草率了,以至于把整个思路带进了死胡同。
跟维修工老李讨论悬料问题,讲我们的“液体浮力”理论,讲到一半,老李说:
“老哥,后面的不用你讲我都明白了。
你的理论绝对正确”。
真正的道理不用多费口舌,方向确定了,过程就简单。
假如只告诉老李“用物理的液体浮力定律来分析”,相信老李自己也能够得出完整的推论。
只有自己亲自得出的结论才是可信赖的、有价值的,而错误的结论总是强迫人们去接受,当你最终接受并认可它的时候,说明你已经被“思想锚定”了。
现在开始讨论悬料的成因,先讲一个物理实验。
右手拿一杯水,盖上一张纸板,左手掌压住,翻转过来,使杯口朝下,然后慢慢移开左手,纸板和水不会掉落下来,也可以说是水悬在杯子里了。
这个实验证明了大气压力的存在,是大气压力或者说大气浮力使水悬在了水杯中。
但是仅有大气压力还不行,比如我们将一瓶水倒立起来,空气会化为水泡,穿过水层进入瓶中,消除瓶子内外的压力差,水就咕嘟咕嘟流了出来。
所以说必不可少的条件是要有一张纸。
空气和水都是流体,当它们处于颠倒位置时,不可避免要发生对流置换,它们之间没有一个稳定的界面来实现作用力。
纸板将水和空气分开,提供了一个界面,在重力与浮力之间起到平衡和传递的作用。
高炉悬料现象与这个实验有相同的原理。
炉体相当于玻璃杯,炉料相当于水。
炉料虽然是固体颗粒状,但是也具有流动性,所以才会有流沙、泥石流之说。
通过以上实验可以证明,仅有气压产生的浮力并不能使炉料产生悬空。
松散的炉料会不断“塌方”下落,进而整个料柱下行。
炉料下行实际上就是一个连续“塌方”的过程,并不是整体下滑。
因此悬料现象也需要这样“一张纸”。
通过以上实验,说明存在这张“纸”的必要性,“这个应该有”。
根据这个实验结论,咱们再来推理分析炉内的情况,看看是不是“这个可以有”。
炉料从上往下分为块状带、软熔带、滴落带、风口带、渣铁带和死铁层。
炉料的温度逐渐升高直至使矿石完全熔化为铁水。
由于高炉的运行并不能达到绝对的平稳,温度不可避免的会有一定的起伏波动。
既有长期缓慢的波动,也有短时间内快速的变化,比如说蜡烛的火焰,有时火焰大、有时火焰小,但总是在跳动。
软熔带刚好处于矿石的熔点温度范围,假如此处的矿石表面刚刚开始熔化滴落,这时突然出现温度比较大的的下落——是温度下降,并不一定指温度偏低——,刚刚熔化的铁水降温凝固,将矿石和焦炭粘连成一个“壳”,于是就会形成我们前边提到的“一张纸”。
这个“纸壳”的作用就是形成一个稳定的界面,依托下面高压空气产生的浮力,支撑起上方的炉料。
同时还有另外一个作用,就是降低透气性、增大气流阻力,使压力差增大、浮力增长,两个作用相加,从而形成悬料。
当炉况顺行时,极少发生悬料。
炉温过高和过低,都是不稳定状态,温度异常波动容易导致悬料,悬料使炉况恶化,温度变化剧烈极不稳定,又会引发下一次悬料,所以悬料现象经常集中爆发,“悬而又悬”。
可以认定悬料现象与温度变化之间有最直接的关系。
还有这样一种情况。
炉料的强度不够,在加热的过程中破碎细化,使透气性变差、浮力增大形成悬料。
但是前边我们已经论述,仅有浮力不足以形成悬料。
让我们再一次开动脑筋,展开想象力。
炉料在进炉前经过筛分,去除粉末,以保证炉料颗粒之间的空隙,维持透气性,气流由此空间上行,铁水由此空间下行滴落,各行其道相安无事。
如果炉料颗粒破碎,使透气性变差,压力增长,气流通过这个变窄的间隙,势必要“提速”。
打个比方,用橡胶水管洒水,当捏扁口部,会使水压增长水流提速,水流喷射得更远。
气流提速会对铁水滴落产生明显的阻力,甚至会裹挟铁水和炉渣上行到达低温区,降温凝固,形成我们前边提到的“纸壳”并导致悬料。
因为“纸壳”的透气性也差,所以一旦形成这种局面,就成了恶性循环,状况只会持续恶化,不会自行缓解。
“纸壳”底层逐渐熔化塌方,而上层会不断增长,保证悬料不会全部塌落下来。
所以“纸壳”的位置会上升,到达块状带,使亏料的空间逐渐增大。
有一种观点认为“上悬料”发生于块状带,这种说法没有科学道理。
世界上没有任何事物是绝对静止的,这层“纸壳”也“与时俱进”处于不断的发展变化之中,所以这个“纸壳”虽看似脆弱,却能够“巍然挺立、屹立不倒”。
减风降压的目的是降低浮力使炉料下落,但同时还有另外一个作用,就是降低风速,使铁水顺利滴落,把这个“纸壳”给它“烧穿”。
任何一种理论都不能违反自然规律,所以“纸壳”理论是解释悬料现象的核心所在,任何回避这一点的解释都是不完善的。
悬料的发生有极大的偶然性,偶然事件不能仅仅用“浮力”这一必然因素来解释。
浮力是内因,内因往往通过外因来发挥作用,而外因又是由各种其它各种因素综合作用导致的,由此才能正确理解悬料现象的偶发性和复杂性。
把复杂的事情弄简单很困难,但是把简单的事情搞复杂却很容易。
不管多么复杂的事物,其核心思路一定是简单的,最简单的解释往往最正确。
引起悬料的诱发因素有多种,但是悬料的根本原理和发展规律是一致的。
传统理论认为悬料有好几种,有冷悬、热悬、上悬、下悬等等,其实这些只是悬料发展过程中的不同阶段及其表象,却被“分解总结”成为不同的原理。
这种做法不符合自然科学的规律——普适性、统一性。
也就是说,一个定理或理论可以普遍适用于很多种现象,而各种现象可以统一于一种定理或理论。
如果我们为一个现象“总结”出好几个理论来,就好比给一个茶杯配好几把茶壶。
做一个总结,为悬料现象画“流程图”,按照传统理论是这样的:
1、冷悬炉温低渣流动性差压力升高悬料
2、热悬炉温高渣流动性好压力升高悬料
3、上悬发生于块状带压力升高悬料
4、下悬发生于软熔带压力升高悬料
5、料悬炉料破碎透气性差压力升高悬料
6、顽固性悬料
这种简单的线性思维方式是不对的,其中的每一条,都很难将它组织得逻辑严谨,更不要说是六条了,所以在新员工的追问之下,老员工往往会被问倒。
我们应当以全新的思维方式来研究这个问题,从事物的广泛联系中进行全面的综合思维,在把握整体全局的基础上进行综合分析,只有遵循这种完整性和系统性,才能保证思维的连贯和深入。
人们普遍缺失的,往往不是高深的理论,而是基本的常识。
举个简单例子,比如我们评判人的体型,可以用“高、矮、胖、瘦”来形容,但是却不能直接依照这四个字来进行分类,因为“高、矮”和“胖、瘦”属于不同的评判标准,所以应该分类组合为“高胖、高瘦、矮胖、矮瘦”四型,代表人物分别为:
习大大、奥巴马、郭德纲、潘长江。
同样道理,把悬料分为“冷、热、上、下”是常识性错误,应改为“冷上、冷下、热上、热下”。
所以传统理论的致命错误既不在于结论,也不在于过程,它实际是一个伪命题。
我们的理论流程图以“壳”作为发展的核心:
炉温低→↓
温度不稳→铁水下降结壳→→上悬料
炉温高→↑↓↑
→结壳→壳向上发展→→下悬料
↑↓
炉料破碎→透气性差→铁水上行结壳→→顽固悬料
最后再讨论一下“顽固性悬料”。
当风压降到零,悬料仍然落不下来,称为顽固性悬料。
传统的解释是由于炉料受热膨胀,与炉壁之间的挤压力所产生的摩擦力使炉料悬空。
提出两点疑问。
第一,前边已经讲到,一般认为浮力是造成悬料的“主犯”,摩擦力仅是“从犯”,那么对于顽固悬料来说,大哥已逃跑,让小弟摩擦力独自挑大梁,是不是会有“力不从心”的感觉呢?
炉料重量是多少?
接触面积是多少?
摩擦系数又是多少?
能不能给出一个明确的数据呢?
第二,高炉的构造并不是直上直下的圆筒,而是带有明显的锥度,上细下粗,目的是给予炉料在下降的过程中一个受热膨胀的空间。
既然已经有这个膨胀空间,为什么后边还强调膨胀产生摩擦力呢?
炉料的膨胀率是多少?
锥度是多少才能与之匹配?
之所以出现前后矛盾的现象,说明传统观点的推理过程出了差错,到最后无法自圆其说。
解释顽固悬料,仅凭摩擦力是不够的,炉料“挂不住”,还需要“托一下”,这就要用到“壳”理论。
悬料的底部不会是绝对平坦的,有时可能会向上凸起,搭成一座“壳拱桥”。
拱桥只是顶两头,而这个“壳”顶一圈,更像是鸡蛋壳,鸡蛋壳虽然轻薄脆弱,但是可以承受很大的压力。
有资料说,监测数据表明,出现悬料现象后风量锐减,到最后有的时候甚至会减到零,完全不通风了。
这说明“壳”经过一段时间的发展演化,变得更厚实更致密,强度也更高了,有了更大的承重能力。
而且此时已经发展成为“上悬料”,所负担的炉料重量降低,可以在承受的范围内。
当然也不是说所有上悬料都会成为顽固性悬料,这个概率还是比较低的。
讨论“膨胀力”,咱们举个形象的、类比的例子,比如说家里烧的煤炉,有时也会产生“悬料”的现象,一般都会用铁棍捣捣。
因为炉口很小,煤块会卡在里面,或者说是“撑”在炉壁上了,传统理论就是这么个意思。
但是高炉的体积非常巨大,这个理论就不能适用了。
打个形象的比喻,蚂蚁可以举起自己体重几十倍的东西,但是把蚂蚁放大到大象的尺寸,就没有了这样的神力,如果比恐龙还要大,可能会被自己的体重压死。
这种现象在科学上叫做“二分之三次方定律”,也可以叫做“1.5次方定律”。
举例子来说,当立方体的尺寸放大为两倍,表面积增长为四倍,重量增长为八倍,对地面的压强也随之增长到两倍,如果要维持压强不变,应当使立方体压扁为原来的高度,接触面的尺寸增长为原来的——2的1.5次方倍,即2.828倍。
对应于高炉,如果要维持与小炉子相同的重量⁄表面积的比值,只有造得跟小炉子同样粗细,靠增加高度来提高容量。
炉料不是一整块固体,而是具有一定流动性的颗粒物,可以当做流体来看待,虽然它的流动性是差了些。
流体内部的压力朝向各个方向,没有方向性。
炉料的上方并没有完全填满,下方又在不断的燃烧损耗,炉料塌落下行,所以这个膨胀力会被炉料自身给卸掉。
做一个思维实验。
一杯凉水,加热到九十度,体积膨胀了,会对玻璃杯产生“膨胀力”吗?
当然不会,水面上涨把力卸掉了,除非容器把水完全密封。
再举个例子,力是相互的,以很大的压力挤压一块冰使它悬空,来模拟膨胀力。
压力不断增长,最后冰块“嘣”的一下碎裂,压力立即随之消失,碎冰块掉落。
松散的炉料无法产生膨胀力。
用“膨胀力”理论来解释“顽固性悬料”是不成立的。
简单化思维是最优化的思维,它是一种最有力、最准确的思维方法。
简练才是真正的丰富,只有最简单的东西才具有最大的孕育性和想象空间,能够舍弃一切复杂的表象,直指问题的本质。
让思维变得简单而又有条理,比实现复杂的东西更困难。
对事物的最简单解释往往最正确,这一规律具有普遍的适用性。
人们往往因为掌握了许多知识,而喜欢将事情引入复杂化。
任何事情的复杂化,都是因为没有抓住最深刻的本质,没有揭示最基本规律与问题之间的最简短的联系,只是停留在表层的复杂性上,反而离解决问题越来越远。
只有化繁为简、直奔主题,方可少走弯路,这是放之四海而皆准的真理。