高炉煤气流合理分布对高炉长寿、高效、低耗和优质有重要作用。高炉煤气流在高炉内部经过风口、软熔带和块状带到达料面,炉顶装料设备及制度对料面炉料分布、块状带炉料分布和软熔带有重要影响。目前,高炉无钟炉顶系统主要分为并罐式和串罐式。由于并罐式无钟炉顶系统具有赶料能力强和建设成本低等优点,因此被国内大多数大型高炉所采用,如宝钢1#4966 m3高炉、梅钢5#4070 m3高炉和首钢京唐1#、2#及3#5500m3高炉等。研究发现并罐式无钟炉顶高炉布料过程会产生落点偏析、流量偏析、粒度偏析和碱度偏析,以上偏析会影响煤气流在块状带的分布,从而影响块状带炉料的预热和还原,进一步影响到软熔带,最终影响高炉长寿稳定顺行。无钟炉顶设备结构和装料制度对以上偏析均有影响。大型高炉炉喉直径更大,一旦无钟炉顶设备结构及装料制度不合理,会导致更为严重的落点偏析、流量偏析、粒度偏析和碱度偏析。因此,优化并罐式无钟炉顶设备结构及装料制度,对大型并罐式无钟炉顶高炉长寿稳定顺行至关重要。本文首先建立了包含矿焦槽、上料主皮带、换向溜槽、左右料罐、Y型管、中心喉管、旋转溜槽和炉喉的5500 m3高炉并罐式无钟炉顶系统三维几何模型,运用离散单元法仿真和1:1模型实验研究了无钟炉顶设备结构和装料制度对高炉布料过程落点偏析、流量偏析、粒度偏析和碱度偏析的影响,主要研究内容及结果如下:1:1模型实验结果与离散单元法仿真结果基本吻合,验证了离散单元法仿真结果的准确性和可靠性。通过离散单元法仿真分析了料罐出口位置(料罐出口在左、料罐出口在中和料罐出口在右)、料罐出口倾角(50°、60°和70°)和换向溜槽倾角(35°、45°和55°)对落点偏析、流量偏析和粒度偏析的影响。结果表明料罐出口位置、料罐出口倾角和换向溜槽倾角对落点偏析和流量偏析影响较小。当料罐出口在中、料罐出口倾角为70°和换向溜槽倾角为55°时,料面中心炉料粒度较大,料面径向炉料粒度分布更有利于发展中心气流。通过离散单元法仿真分析了中心喉管直径(600mm、650 mm和730 mm)和旋转溜槽结构(光面圆溜槽、料磨料圆溜槽、光面方溜槽和料磨料方溜槽)对落点偏析、流量偏析和粒度偏析的影响。结果表明中心喉管直径和旋转溜槽结构对粒度偏析影响较小。缩小中心喉管直径和选用方溜槽能够有效减小落点偏析和流量偏析。通过离散单元法仿真分析了不同含铁炉料上料时序(块矿位于上料时序料头、块矿位于上料时序料中、块矿位于上料时序料尾和块矿占据整个上料时序)对流量偏析、粒度偏析和碱度偏析的影响。结果表明不同含铁炉料上料时序对流量偏析和粒度偏析影响较小。当块矿位于上料时序料头时,综合炉料碱度在料面径向上分布最均匀。通过离散单元法仿真分析了入炉球团矿比例(30%、40%、50%和60%)对落点偏析、流量偏析、粒度偏析和碱度偏析的影响。结果表明球团矿比例对料面炉料落点偏析和流量偏析影响较小。随着球团矿比例的提高,炉料平均粒度也随之增大,料面径向综合炉料碱度分布逐渐变得不均匀,料层空隙度增大,料层透气性变好。为了更加深入地研究影响高炉煤气流分布的因素,实现对煤气流的控制。本文建立了 5500 m3高炉本体三维几何模型,利用离散单元法和计算流体力学耦合仿真分析了软熔带倾角(30°、45°和60°)、软熔带根部高度(9.6 m、12.6m和15.6m)和矿石层厚度(1m、1.2m和1.4m)对炉内气固两相流动及分布的影响。计算结果表明:(1)软熔带倾角及其根部高度增大和矿石层厚度减小均能降低高炉料柱压差。(2)软熔带倾角及其根部高度增大,软熔带顶部区域(高炉中心)气流速度也随之增大。(3)软熔带倾角及其根部高度增大,均会导致炉内死焦堆区域随之减小。(4)软熔带倾角及其根部高度增大,死焦堆区域内焦炭颗粒所受应力随之减小,死焦堆表面颗粒易于进入回旋区被消耗。总之,通过优化并罐式无钟高炉炉顶设备结构和装料制度,实现料层中合理的粒度偏析,避免其落点偏析、流量偏析和碱度偏析,结合原燃料冶金性能和其它高炉操作制度,保持适当的软熔带倾角及其根部高度和料层厚度,有利于实现高炉长寿、高效和绿色生产。