錢堃, 李偉華, 馬西武
(新余鋼鐵集團(tuán)有限公司,江西 新余 338001)
摘 要:新余鋼鐵集團(tuán)有限公司2 500 m3 高爐于2021年停爐大修,通過(guò)停爐前的準(zhǔn)備以及停爐過(guò)程中各參數(shù)的控制,較好地完成了停爐工作;同時(shí),根據(jù)拉姆公式推斷高爐爐底侵蝕深度,綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)條件、安全等方面的因素,最終確定殘鐵口位置。由于受多種因素影響,致使殘鐵放出量較少,文中詳細(xì)分析了殘鐵放出量少的原因以及解決措施,為今后停爐放殘鐵提供寶貴的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞:停爐;爐底侵蝕深度;殘鐵口位置;放殘鐵
新余鋼鐵集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱新鋼)9# 、10# 高爐(容積2 711 m3)于2009年投產(chǎn),爐齡已達(dá)13年,一代爐齡產(chǎn)鐵量達(dá)10 502 t/m3[1] ,采用陶瓷杯炭磚水冷爐底爐缸結(jié)構(gòu),爐底中心下部平砌5層炭磚,其中,下面2層為國(guó)產(chǎn)半石墨炭磚,中間1層為國(guó)產(chǎn)石墨炭磚,上面2層為進(jìn)口微孔炭磚,上部砌2層低導(dǎo)熱剛玉莫來(lái)石磚。2座高爐爐役后期,由于2# 鐵口下方區(qū)域侵蝕嚴(yán)重,爐襯溫度最高可達(dá)800 ℃,爐缸存在燒穿的危險(xiǎn),已嚴(yán)重威脅高爐生產(chǎn)安全。因此,新鋼9# 、10# 高爐相繼于2021年4月8日和11月15日降料面停爐,隨后開(kāi)展放殘鐵作業(yè),9# 高爐放殘鐵200 t,10# 高爐放殘鐵176 t,相對(duì)同類型高爐殘鐵放出量偏少。
1 高爐停爐前操作
1.1 爐溫堿度控制
9# 、10# 高爐停爐前鐵水溫度及爐渣成分如表 1 和表 2 所列。停爐前 3 天,爐溫堿度基本在合理范圍內(nèi),渣鐵物理熱量充足,10# 爐停爐前添加了螢石,以改善渣鐵流動(dòng)性。
1.2 渣鐵流動(dòng)性控制
渣鐵的流動(dòng)性與爐溫、爐渣堿度及渣中鎂鋁比(w(MgO)/w(Al2O3 ))等因素密切相關(guān)。低鎂鋁比渣處于穩(wěn)定性區(qū)域邊緣,當(dāng)對(duì)低鎂鋁比渣進(jìn)行冶煉時(shí),易出現(xiàn)渣鐵熱量不足、爐溫波動(dòng)大、渣鐵排放困難等問(wèn)題。因此,低鎂鋁比渣對(duì)冶煉條件和水平要求較高,而過(guò)高的鎂鋁比渣也存在不穩(wěn)定的區(qū)域??紤] MgO 含量對(duì)爐渣排堿的影響,在目前的冶煉條件 下,鎂鋁比控制 在 0.5~0.6 為宜[2] 。
由表 2 可知,10# 高爐停爐前鎂鋁比控制在 0.5左右,處于爐渣穩(wěn)定性的邊緣區(qū)域,易造成渣鐵排放困難等問(wèn)題。
1.3 停爐前鐵口角度的調(diào)整
停爐前 1 周,9# 高爐鐵口角度由 11.5°調(diào)整到12.5°;10# 高爐鐵口角度未調(diào)整,維持正常生產(chǎn)時(shí)的鐵口角度,不利于降低死鐵層的厚度,給放殘鐵及后續(xù)清理工作帶來(lái)一定的困難,因此,應(yīng)適當(dāng)提高鐵口角度。
1.4 停爐前控水及其他操作
9# 高爐鐵口下方炭磚溫度變化情況如圖 1 所示。9# 高爐停爐前,1# 鐵口下方炭磚溫度呈上升趨勢(shì),2# 鐵口下方炭磚溫度波動(dòng)較大,因此,基于安全考慮,9# 高爐停爐前,未對(duì)其采取提高冶煉強(qiáng)度、活躍爐缸的措施,且爐底水與爐缸側(cè)壁水串聯(lián),停爐前未對(duì)爐底水量進(jìn)行調(diào)整。
10# 高爐鐵口下方炭磚溫度變化情況如圖 2 所示。10# 高爐停爐前,鐵口下方炭磚溫度相對(duì)平穩(wěn)且略有下降的趨勢(shì),高爐具備提高冶煉強(qiáng)度、活躍爐缸的條件。
因此,停爐前 1 個(gè)月,適當(dāng)調(diào)整了高爐操作參數(shù),具體包括以下幾方面:
1)風(fēng)量、氧量調(diào)整。10 月 15 日前,10# 高爐風(fēng)量為4 850 m3 /min,氧量為10 500 m3 /h,自10月15日開(kāi)始,逐步提高冶煉強(qiáng)度,直至停爐前 2 周。風(fēng)量為 4 970 m3 /min,氧量為 13 800 m3 /h,產(chǎn)量提升至 6 750 t/d。
2)爐底、爐缸冷卻水量調(diào)整。11月2日,爐底水量由755 m3 /h調(diào)整至610 m3 /h,軟水總量由4 534 m3 /h調(diào)整至 4 484 m3 /h;11 月 9 日,爐底水量由 610 m3 /h調(diào)整 至 532 m3 /h,軟 水 總 量 由 4 484 m3 /h 調(diào) 整至4 000 m3 /h;11月10日,爐底水量由532 m3 /h調(diào)整至493 m3 /h,軟水總量由4 000 m3 /h調(diào)整至3 760 m3 /h。
3)裝料制度調(diào)整。10 月 10 日,適當(dāng)調(diào)整了布料矩陣,即
,確保中心氣流充足的同時(shí),適當(dāng)發(fā)展邊緣氣流[3] ,此外,還需滿足相對(duì)適宜的煤氣流速及溫度[4] 。
2座高爐在停爐前4天均添加一定量的錳礦洗爐,鐵中Mn含量由0.3%上升到0.6%左右,鐵水流動(dòng)性得到改善;10# 高爐在停爐料中加入螢石以改善渣鐵流動(dòng)性,確保停爐前最大限度地出凈爐內(nèi)渣鐵,但加入時(shí)間較短,未能增加殘鐵放出量。
2 停爐操作
2.1 9# 高爐停爐料的選擇
9# 高爐于 4 月 7 日 0:00 實(shí)現(xiàn)全焦冶煉,焦炭負(fù)荷由 4.00 降至 2.84,礦批(含錳礦)為 60 t,焦批為18.5 t,焦丁為 2.6 t,預(yù)設(shè)焦比為 590 kg/t,鐵水 Si含量控制為 0.8%~1.0%,堿度設(shè)定為 1.15左右,鐵水物理熱高于1 490 ℃,保證良好的渣鐵流動(dòng)性能。
2.2 9# 高爐停爐過(guò)程
4月7日0:00全焦冶煉料入爐,2:00停止噴煤,因停止噴煤導(dǎo)致理論燃燒溫度偏高,壓差上升且波動(dòng)大,高爐減風(fēng)至 4 700 m3 /min 左右,并降風(fēng)溫 至950 ℃。7:44停止富氧,壓差波動(dòng)幅度仍較大,9:10左右出現(xiàn)管道行程,故進(jìn)一步減風(fēng)至4 600 m3 /min,控制風(fēng)溫至900 ℃直至降料面。隨著壓差趨于穩(wěn)定,逐步恢復(fù)風(fēng)量至4 800 m3 /min,12:19裝完最后一批料后開(kāi)始降料面停爐,降料面進(jìn)程與爐頂煤氣成分有關(guān),要求 H2含量低于 12%,最高不高于 15%,O2含量低于2%[5] ,做到安全、環(huán)保、快速停爐[6] 。停爐過(guò)程中,根據(jù)頂溫情況調(diào)節(jié)打水量,切斷煤氣,前爐頂溫度控制為250~350 ℃,切斷煤氣后頂溫控制為300~400 ℃。 降料面過(guò)程中多次出現(xiàn)局部小管道,通過(guò)逐步減風(fēng)控制,直至22:35時(shí),煤氣中H2含量達(dá)到10.1%,開(kāi)爐頂放散閥,切斷煤氣,維持風(fēng)量1 900 m3 /min 直至休風(fēng),整個(gè)停爐過(guò)程中,為控制爐頂溫度,通過(guò)爐頂打水消耗水量共1 109 m3 ,耗時(shí)17 h。
2.3 9# 高爐停爐前的出鐵情況
9# 高爐停爐前出鐵情況如表3所列。開(kāi)始降料面時(shí)出鐵水 4 爐,最后 1 爐在風(fēng)口出現(xiàn)吹空后出鐵水,出鐵過(guò)程中渣鐵物理熱充足,流動(dòng)性良好,總出鐵量為917 t,比理論計(jì)算出鐵量約少70 t。
2.4 10# 高爐停爐料的選擇
10# 高爐于 11 月 14 日 10:00 實(shí)現(xiàn)全焦冶煉,焦炭負(fù)荷由4.25降至2.74,礦批(含錳礦、螢石)為62 t,焦批為20.6 t,焦丁為2 t,預(yù)設(shè)焦比為611 kg/t,爐溫控制為 0.8%~1.0%,堿度設(shè)定為 1.13左右,鐵水物理熱高于1 490 ℃,保證良好的渣鐵流動(dòng)性能。
2.5 10# 高爐停爐過(guò)程
與 9# 高爐類似,10# 高爐停爐前期停止噴煤后,也出現(xiàn)壓差波動(dòng)大的情況,通過(guò)減風(fēng)、降風(fēng)溫、減少富氧量等措施控制壓差,壓差逐步平穩(wěn)后高爐塌料,料線達(dá)到6.5 m。14:18裝完最后1批料后開(kāi)始空料線停爐,爐頂溫度控制與 9# 高爐相同,停爐過(guò)程中出現(xiàn)短期的管道征兆,其余階段壓力差平穩(wěn),無(wú)明顯爆震現(xiàn)象。直至 11 月 15 日 1:00 發(fā)現(xiàn)風(fēng)口變黑,開(kāi)爐頂放散閥,切斷煤氣,實(shí)現(xiàn)停爐過(guò)程中的煤氣全回收。整個(gè)停爐過(guò)程中,通過(guò)爐頂打水消耗水量共1 512 m3 ,總耗時(shí)13.3 h。
2.6 10# 高爐停爐前的出鐵情況
10# 高爐停爐前出鐵情況如表4所列,降料面后出鐵3次,最后1爐在風(fēng)口出現(xiàn)吹空后出鐵水,出鐵過(guò)程渣鐵流動(dòng)性良好,物理熱充足,共出鐵1 039 t,較理論出鐵量少21 t
2.7 兩次停爐過(guò)程對(duì)比
1)9# 高爐停爐總耗時(shí)17 h,10# 高爐停爐總耗時(shí)13.3 h。
2)停爐料裝入時(shí)間不同,兩次停爐、停氧、停煤時(shí)間有較大差異,
9# 高爐開(kāi)始降料面前 4 h 停止供氧操作,降料面前 10 h 停煤,實(shí)現(xiàn)全焦冶煉;10# 高爐降料面后 7.4 h 停止供氧操作,此時(shí)煤氣中 H2含量 為 5%,降 料 面 前 10 min 停 煤 操 作,實(shí) 現(xiàn) 全 焦冶煉。
3)開(kāi)始降料面后風(fēng)量差別較大,9# 高爐開(kāi)始降料面 7 h 后風(fēng)量減至 2 000 m3 /min 以下;10# 高爐開(kāi)始降料面 9 h 后風(fēng)量減至 2 000 m3 /min 以下,停爐進(jìn)程加快。9# 、10# 高爐停爐減風(fēng)情況對(duì)比如圖 3所示。
3 放殘鐵過(guò)程
3.1 殘鐵口位置理論推算
10# 高爐死鐵層設(shè)計(jì)高度為 2.3 m,2 層國(guó)產(chǎn)陶瓷墊及微孔炭磚厚度均為 0.802 m,3 層國(guó)產(chǎn)半石墨炭磚厚度為1.203 m。利用拉姆公式推算爐底陶瓷墊及炭磚的侵蝕程度[7-8] ,如式(1)和式(2)所列。

式(1)、式(2)中:X為爐底最大侵蝕深度,m;T0為鐵口中心線鐵水溫度,℃,取 1 500 ℃;T1為爐底中心溫度,取 300 ℃;h0為死鐵層設(shè)計(jì)深度,m;Tθ為鐵水凝固溫度,一般取 1 150 ℃;λ1、λ2、λ3分別為半石墨炭磚、微孔炭磚和陶瓷墊的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);α為 單位面積爐底平面上管壁對(duì)冷卻水的給熱系數(shù),W/(m2· h·℃);λq為鐵水導(dǎo)熱系數(shù),取17.45 W/(m·K); d1、d2、d3分別為半石墨炭磚、微孔炭磚和陶瓷墊的設(shè)計(jì)厚度,m;V為單位面積爐底冷卻水流量,m3 /(m2 ·h); C 為冷卻水的比熱容,為 4 186 kJ/(m3 ·K);d 為冷 卻水管內(nèi)徑,m;v 為冷卻水流速,m/s;b 冷卻水管間距,m。
10# 高爐爐底冷卻水量為755 m3 /h,水管內(nèi)徑d= 0.1 m,水管間距b=0.25 m,V=7.4 m3 /(m2· h),v=1.5 m/s, 因此,α=4.637 w/(m·2 ·h℃)。λ1=11 W/(m·K)、λ2= 11 W/(m·K)、λ3=3 W/(m·K)。經(jīng)計(jì)算X=1.38 m。
3.2 殘鐵量計(jì)算
10# 高爐死鐵層厚度為 2 300 mm,鐵口深度為 3 200 mm;鐵口傾角為 11.5°,出鐵后液面標(biāo)高 h1=2 300-3 200×sin(11.5°)=1 662 mm,侵蝕深度 h2=1 380 mm,爐缸內(nèi)液面總高度H=h1+h2=3 042 mm。
爐缸直徑 D=11 400 mm,ρ(Fe)取值為 7 t/m3 ,容鐵系數(shù) K一般取值 0.55~0.60[9] ,考慮到容鐵系數(shù)與死鐵層的死料堆大小有關(guān)[10] ,因此,K取值為0.50。殘 鐵量(W)根據(jù)式(3)計(jì)算。
W=K·π(D2 /4)·H·ρ(Fe) (3)
通過(guò)計(jì)算,侵蝕后爐缸的殘鐵量為 1 086 t,但10# 高爐只放出鐵水 176 t,爐缸理論殘余鐵水 910 t 左右,在實(shí)際清理爐缸過(guò)程中,估計(jì)殘鐵量為860 t, 理論計(jì)算與實(shí)際基本吻合。
3.3 放殘鐵作業(yè)
兩次放殘鐵作業(yè)分別選擇兩家爐缸專業(yè)清理公司,9# 高爐由南京聯(lián)合榮大工程材料有限責(zé)任公司負(fù)責(zé),10# 高爐由山東信隆工程材料有限公司負(fù)責(zé),殘鐵口的位置標(biāo)高選擇基本相似,9# 、10# 高爐放殘鐵開(kāi)孔情況如表5所列。2座高爐放殘鐵開(kāi)孔角度均為 12°。9# 、10#高爐停爐放殘鐵開(kāi)孔示意如圖4所示。
殘鐵口方位的選擇原則應(yīng)為爐缸水溫差和爐底溫度較高的方向,同時(shí)又要兼顧出殘鐵時(shí)方便鐵水運(yùn)輸[9] 。通過(guò)測(cè)量縱向溫度確定兩次放殘鐵爐殼拐點(diǎn)的位置[11] 。9# 、10# 高爐爐底為“象腳”狀侵蝕,“象腳”底部橫向侵蝕最嚴(yán)重,此處的爐缸環(huán)炭溫度最高,在其附近存在爐皮縱向溫度突變,即為溫度拐點(diǎn)[12] 。“象腳”狀侵蝕的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)殍F口附近[13] ,9# 高爐在東南角,10# 高爐在西南角,2個(gè)位置所在的區(qū)域較為開(kāi)闊,作業(yè)環(huán)境好。但從爐缸側(cè)壁溫度分析來(lái)看,2座高爐的南面均是侵蝕較弱的區(qū)域,侵蝕較嚴(yán)重的一側(cè)均在北面,即位于 1# 鐵口與2# 鐵口中間,不選擇此方向開(kāi)殘鐵眼有兩方面原因:
1)1# 、2# 鐵口中間有1根承重主梁,若在此方向架設(shè)殘鐵溝,必須對(duì)承重主梁進(jìn)行部分割除,將影響主梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
2)若在北面放殘鐵,只能選用 100 t 小罐裝鐵水,設(shè)置的沙壩較多,鐵流過(guò)大時(shí)不宜控制,容易造成鐵水落地,存在安全隱患。
9# 高爐于 4 月 9 日 2:20 左右打開(kāi)殘鐵口,停爐休風(fēng)約 21 h,開(kāi)殘鐵眼的時(shí)間偏長(zhǎng);10# 高爐放殘鐵吸取了9# 高爐的經(jīng)驗(yàn),在標(biāo)高相對(duì)偏低的位置放殘鐵,加大開(kāi)孔角度,10# 高爐停爐休風(fēng)后14 h打開(kāi)殘鐵眼,較9# 高爐快7 h。
從兩次清理爐缸的實(shí)際情況來(lái)看,2座高爐扒渣至第11層炭磚上表面時(shí),出現(xiàn)凝渣凝鐵層,標(biāo)高約為10.495 m,比殘鐵眼位置分別高1.5 m和1.3 m,且呈現(xiàn)中心較高、邊緣較低的情況。
4 放殘鐵量少的原因分析
4.1 凝鐵層的形成
開(kāi) 爐 初 期,高 爐 爐 芯 溫 度 最 高 點(diǎn) 溫 度 達(dá) 到1 080 ℃。隨著生產(chǎn)過(guò)程的進(jìn)行,高爐操作制度發(fā)生 改 變,爐 芯 溫 度 逐 漸 下 降,2014 年 降 至 200~300 ℃,持續(xù)到停爐。從爐芯溫度情況分析,高爐中 心 形 成 了 較 厚 的 凝 鐵 層,具 體 原 因 有 以 下 兩方面:
1)爐缸的冷卻強(qiáng)度過(guò)大。通常認(rèn)為1 150 ℃是爐缸耐火材料的侵蝕線[14] ,9# 、10# 高爐爐底水冷管布置在爐底封板之上,爐役后期加大爐底冷卻水量,冷卻強(qiáng)度較大,使?fàn)t底的1 150 ℃等溫線整體上移,凝鐵層逐步變厚。
2)高爐每年配合煉鋼廠檢修,停爐檢修1~2次,爐缸無(wú)熱量補(bǔ)充,爐底冷卻水逐步帶走爐缸熱量,使?fàn)t缸溫度下降,凝鐵層加厚。
4.2 操作制度的影響
煉鐵廠 2 座 2 500 m3高爐均于 2009 年開(kāi)始投產(chǎn),2014年之前,布料方式采取中心加焦模式以維持中心氣流,2014年,為節(jié)焦降耗,2座高爐相繼取消中心加焦。
9# 、10# 高爐取消中心加焦前后爐芯溫度變化情況分別如圖 5和 圖6所 示。2 座高 爐采用中心加焦時(shí),爐芯溫度一直高于 500 ℃,2013 年4 月前,最高達(dá)到 700 ℃以上。9# 高爐于 2014 年6 月、10# 高爐于 2014 年 10 月相繼取消中心加焦后,爐芯溫度均 出現(xiàn)較大幅度下降 ,下降 至300 ℃左 右,主要原因是取消中心加焦后,煤氣向爐缸中心滲透相對(duì)較少,導(dǎo)致高爐爐芯帶中部溫度降低[15] 。
5 提高殘鐵放出量的措施
為提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,提高高爐殘鐵放出量,采取以下措施:
1)參照侵蝕機(jī)理,停爐前根據(jù)高爐爐芯溫度情 況 調(diào) 整 為 上 部 裝 料 制 度,保 證 充 足 的 中 心 氣流,盡量提高高爐爐芯帶溫度,以降低爐缸殘鐵層的厚度。
2)在保證安全的前提下,停爐前 1~2 個(gè)月停止配加護(hù)爐劑,提前加入螢石、錳礦等洗爐劑洗爐,并且控制合適的爐溫、堿度,以及渣中鎂鋁比,改善渣鐵流動(dòng)性。
3)停爐前提前控制爐缸冷卻水的流量,以降低爐底冷卻強(qiáng)度[16] ,減少爐底散熱。
4)每年配合煉鋼檢修的長(zhǎng)時(shí)間停爐,應(yīng)嚴(yán)格控制爐底冷卻水量,做好爐缸的保溫工作,減少停爐過(guò)程中的熱量損失。
6 結(jié)束語(yǔ)
9# 、10# 高爐空料線停爐過(guò)程較為成功,尤其是10# 高爐,實(shí)現(xiàn)了全回收煤氣停爐,為高爐煉鐵提供了寶貴的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。
1)停爐料的選擇較為合理,停爐前爐況穩(wěn)定順行,爐溫、堿度控制在合適范圍內(nèi),且停爐前的渣鐵流動(dòng)性良好。
2)兩次停爐前準(zhǔn)備工作充分,通過(guò)手動(dòng)與自動(dòng)相結(jié)合的方式控制爐頂打水,停爐過(guò)程爐頂未出現(xiàn)明顯的爆震現(xiàn)象,做到了安全快速停爐。
3)兩次停爐放殘鐵量少,主要因?yàn)橥t前爐渣鎂鋁比控制偏低,高爐冷卻制度的控制不到位,以及高爐中心主導(dǎo)氣流不夠穩(wěn)定等;此外,在高爐設(shè)計(jì)上還存在局限性,爐缸侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域不具備開(kāi)殘鐵眼條件。
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