在高炉炼铁过程中使用天然气（NG），能够显著削减所需的焦炭用量，特别是使用经过预热的天然气时效果更佳。当大部分天然气在风口内部燃烧时，其燃烧释放的热能以及转化产物，能在间接还原过程中得到最为有效的利用。倘若天然气未经燃烧便进入高炉，它可能会参与其他化学反应（例如引发烟灰产生的热解反应）。天然气在风口内部燃烧存在一定缺点，较高的工作温度以及冷却水系统更大的热损失，会致使其部件的使用寿命缩短。可采用以下几种方法来缓解这些影响：改进风口内壳的冷却系统、为风口选用替代材料、在内壳上使用耐火材料或者热喷涂涂层等。一种行之有效的解决方案是在风口的鼓风通道内设置隔热衬套。
传统上，天然气是通过一根单独的管道喷吹入风口的，该管道从风口内壳壁穿入鼓风通道。采用这种设计方案的实际运行经验表明，当天然气喷吹量达到每吨铁水130m3及以上时，鼓风通道内的燃烧条件就会恶化。这会导致高炉炉缸内的理论火焰温度降低，以及天然气对焦炭的置换比下降。因此，改善风口性能的关键目标包括：强化风口内的天然气燃烧效果，重点通过优化鼓风通道内的燃烧均匀性来实现；减少水冷壁的热损失，从而延长风口的使用寿命。
当天然气通过风口内壳的单根管道输送时，热风气流会将气体推向鼓风通道的壁面。燃烧在鼓风通道内开启，这将导致隔热衬套受热不均，并引发热应力，进而降低其耐用性并造成构件损伤。因此，保持天然气在配备隔热衬套的风口鼓风通道内的均匀分布将具有积极意义——既有助于改善天然气与鼓风空气的混合及燃烧效果，也有利于实现隔热衬套内热应力的更均匀分布。
提前将天然气喷吹入鼓风通道，能促进其与鼓风空气更好混合，并使在风口内的燃烧更充分，因此有人建议将天然气输送至法兰腔，再通过一组孔洞将其分配到鼓风通道中。
本研究探究了用于天然气喷吹的法兰孔数量和直径对配备鼓风通道隔热衬套的高炉风口性能的影响。
本研究利用Ansys软件对高炉风口内的气体动力学和传热过程进行了数值模拟。该软件已被多位学者成功应用于高炉风口及风口区域相关过程的分析研究。 本模拟模型基于综合钢铁厂采用的典型高炉风口设计方案。该设计包含一个位于法兰内部的环形集气腔，集气腔上设有若干孔洞用于将天然气喷吹入鼓风通道内。集气腔的工作区段覆盖315°圆周范围，其余45°区域则封闭设置，以容纳风口冷却系统的进、出水管路。天然气供气管的内径设定为41mm。为便于建模，将集气腔腔体的矩形横截面等效替换为面积相等的圆形截面。建模时假设集气腔的横截面直径为32mm，集气环的平均直径设为330mm。法兰孔（即分配管道）的轴线相对于集气腔平面朝鼓风方向倾斜20°。模型中采用了实际填充集气腔孔洞和鼓风通道的气体参数，以及隔热衬套的几何参数（厚度为9mm，长度为382.5mm）——该衬套通过一个8mm厚的环形结构与天然气隔开。图1示出了风口工作区段示意图。 通过求解能量方程并考虑可能的燃烧过程，采用了一个将化学反应与湍流相关联的模型（有限速率/涡流损耗模型）来解决传热问题。同时，将边界条件拓展至包含风口的内壳、前端以及水冷系统。 本研究重点分析了法兰孔的直径和数量对风口性能的影响。具体而言，法兰孔直径（dh）的取值范围为12.3-16.7mm，孔的数量（n）为3-11个；对应的集气腔入口处（即天然气供气管处）所有孔的总面积（Sout）与天然气供气管横截面积（Sin）之比（即孔的总面积/供气管截面积）介于0.27-1.82之间。模拟计算结果汇总于表1。 表1显示，Qreac、Tout、νout以及CO2out的数值随Sout/Sin比值的增大而减小，并且这些参数之间存在较强的相关性。这一趋势在以下两种情况下均有所体现：一是在保持法兰孔直径不变的情况下，即dh=12.3mm（第1、3、4种情况）和dh=16.7mm（第2、5、8种情况），法兰孔数量从3个增加到11个；二是在保持法兰孔数量不变的情况下，即n=3（第1、2种情况）、n=6（第3、5种情况）、n=11（第4、8种情况），增大法兰孔直径（从12.3mm增加到16.7mm）。这种现象可以解释为：在固定法兰孔直径的情况下增加法兰孔数量，或者在固定法兰孔数量的情况下增大法兰孔直径（即法兰孔的总面积增大），都会降低法兰入口处所需的天然气压力，同时也会降低法兰孔出口处的天然气流速（见表1）。结果显示，天然气进入鼓风通道中的穿透深度减小，其与空气的混合强度也随之降低，从而导致燃烧效率下降。 鼓风通道内法兰孔出口处的天然气最大温差（ΔTg）随Sout/Sin的变化情况显示，当Sout≤Sin时，ΔTg的变化主要归因于法兰孔出口处天然气速度差（Δνg）。然而，当Sout＞Sin时，由于靠近供气管道的法兰孔附近开始发生燃烧，ΔTg会急剧升高。例如，当Sout/Sin=1.82时，ΔTg达到1850℃，这比Sout=Sin时的情况高出近一个数量级。此时，衬套中最大热应力区域位于靠近供气管道的位置。这种燃烧不均匀性可以通过调整法兰圆周上各孔的直径来缓解。而当Sout≤Sin时，则不会出现这一问题。 Qins、Tins、ΔTins以及σ随Sout/Sin比值增大而先增大，在Sout/Sin=1时达到最大值，然后开始减小。值得注意的是，Qins和Tins呈单调减小趋势，而ΔTins和σ则呈现非单调变化。这一现象可以解释为：当Sout/Sin比值接近1时，燃烧区域向衬套壁靠近；而当Sout/Sin＞1时，对喷嘴热负荷的降低成为影响Qins和Tins的主导因素，而对于ΔTins和σ，另一个影响因素是ΔTg急剧增大。总体而言，衬套内部的温差越大，其平均热应力也就越高。第1种情况（3个法兰孔均匀分布）被认为是最优方案：它能够在喷嘴出口处提供最高的反应放热和天然气–空气混合气体温度，同时使衬套内的温差和平均热应力最小，因为此时燃烧区域远离衬套壁。不过，在此配置下，集气腔中的法兰孔的总面积最小，这意味着要保证足够的流量，要么大幅提高入口气压，要么增大Sin（见表1）。 在保持Sout恒定的情况下增加法兰孔数量，可以改善衬套的操作条件；也就是说，能够减小Qins、Tins、ΔTins和σ。例如，对比第4种情况（11个直径为12.3mm的法兰孔）与第5种情况（6个直径为16.7mm的法兰孔）可以发现，这两种配置下，集气腔中的法兰孔的总面积大致相同，且接近但不超过集气腔入口的横截面积。在第5种情况下（法兰孔数量较少），天然气-空气混合气体的气体动力和热力参数均高于第4种情况。尽管流速ν1-ν11大致相同，且燃烧起始位置距离衬套壁的距离也相近，但由于法兰孔之间的间距增大，导致衬套内的温差ΔTins更高，从而引起更大的热应力σ。 作为对比，还研究了一种喷嘴内未设置衬套的情况（即表1中的4a情况）。研究发现，与配备衬套的喷嘴相比，无衬套的喷嘴通过鼓风通道水冷壁的热损失明显增大，其整体热性能也大幅度降低。 1）Qreac、Tout、νout、CO2out、Pgin以及ν1-ν11值随Sout/Sin比值增大而减小；而Qins、Tins、ΔTins以及σ则先增大，在Sout/Sin=1时达到最大值，然后开始减小。当Sout＞Sin时，鼓风通道内圆周向温度梯度（ΔTg）会显著增大。 2）为强化风口区域的热力过程并改善衬套的操作条件，宜保持Sout/Sin＜1。这可以通过增大入口天然气压力或Sin来实现。 3）在保持Sout恒定的情况下增加法兰孔数量，可改善衬套的操作条件；即减小Qins、Tins、ΔTins和σ的数值。 4）无衬套风口的冷却水热量损失显著增大，且热性能明显低于配备衬套的风口。
