王 一 杰 , 張建良 , 焦 克新 , 王 翠 , 鄧 勇
( 北京科技大 學(xué)冶金與 生態(tài)工程學(xué)院, 北 京 100083 )
摘 要:高爐爐缸側(cè)壁溫度升高不僅給高爐安全生產(chǎn)帶來巨大隱患,也嚴(yán)重威脅著髙爐長壽。 本文綜述了高爐爐缸側(cè)壁溫度升髙的原因,歸納總結(jié)了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。 結(jié)果表明:爐缸側(cè)壁高溫點(diǎn)一般位于鐵口附近及鐵口中心線以下1—1.5m處,通過爐缸傳熱體系分析, 從傳熱學(xué)角度分析了爐缸鐵口附近側(cè)壁溫度升高的原因, 發(fā)現(xiàn)鐵水環(huán)流、 冶煉強(qiáng)度、 爐缸氣隙、 炭磚侵蝕和冷卻強(qiáng)度等是影響爐缸側(cè)壁溫度升高的重要因素, 并總結(jié)了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施,為治理爐缸側(cè)壁溫度升高提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞: 高爐;爐缸側(cè)壁;傳熱學(xué); 鐵口
隨著鋼鐵行業(yè)的發(fā)展,裝備制造水平的提高,高爐大型化已經(jīng)成為必然趨勢,高爐長壽越來越為人們所關(guān)注。我國高爐長壽技術(shù)發(fā)展迅速,部分高爐壽命達(dá)15年以上[1] 。但近些年來,國內(nèi)許多高爐出現(xiàn)了爐缸側(cè)壁溫度異常升高的現(xiàn)象,爐缸燒穿事故也不斷增加 [2],不僅給髙爐安全生產(chǎn)帶來巨大隱患,也嚴(yán)重威脅著高爐長壽。本文綜述了前人在爐缸側(cè)壁溫度升高問 題上的研究成果,歸納總結(jié)了應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施,為治理爐缸側(cè)壁溫度升高提供參考依據(jù) 。
1 爐缸側(cè)壁溫度升高案例分析
近幾年來,我國高爐出現(xiàn)爐缸側(cè)壁溫度升高的現(xiàn)象不斷增多,表1列出了發(fā)生爐缸側(cè)壁溫度升高的部分高爐統(tǒng)計(jì) 。
由表1可以看出,不論是小高爐還是大高爐,均存在爐缸側(cè)壁溫度升高的現(xiàn)象,且高溫區(qū)域 一般出現(xiàn)在鐵口附近及鐵口中心線以下1—1.5m處, 高溫點(diǎn)溫度一般在500℃以上,個(gè)別高爐達(dá)到 900℃ 甚至超過1000℃,成為高爐生產(chǎn)的重大安全隱患。
因此,有必要掌握爐缸側(cè)壁溫度升高的原因,尋求解決對(duì)策,實(shí)現(xiàn)高爐安全生產(chǎn)和高爐長 壽。
2 高爐爐缸傳熱體系
根據(jù)傳熱學(xué)理論,通過爐缸內(nèi)襯導(dǎo)出的熱量絕大部分被冷卻水帶走,通過爐殼散失的熱量 可以忽略不計(jì), 因此爐缸傳熱可近似看做穩(wěn)態(tài)傳熱。高爐爐缸傳熱示意圖如圖1所示[3-4]。
爐缸熱流強(qiáng)度由式(1)表示。
式中 : t1為冷卻水溫度 ,℃ ; t4為鐵水溫度 ,℃ ; α1為冷卻水與水管壁之間的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·℃) ; % α2為鐵水與爐墻之間的對(duì)流換熱系數(shù), W/(m2·℃) ; li為爐缸各部分的厚度,m ; λi為爐缸各部分的導(dǎo)熱系數(shù) ,W/(m2·℃)。
3 爐缸側(cè)壁溫度升高原因
爐缸側(cè)壁溫度與爐缸傳熱體系的熱流導(dǎo)一熱流導(dǎo)出過程是否穩(wěn)定、平衡有密切關(guān)系。在上述 分析中,鐵水對(duì)流換熱q2為爐缸傳熱體系的熱量收入部分,冷卻壁導(dǎo)熱為爐缸傳熱體系的 熱量支出部分,當(dāng)收入和支出相等,整個(gè)傳熱體系達(dá)到一種平衡狀態(tài), 才能保證側(cè)壁溫度的穩(wěn)定。從爐缸傳熱體系的熱量收入、熱量傳遞、 熱量支出三個(gè)方面解釋爐缸側(cè)壁溫度升高的原因。
3.1 熱量收入
根據(jù)式(2),爐缸傳熱體系熱量收入由鐵水溫度t4和鐵水與爐墻對(duì)流換熱系數(shù)α2決定, 鐵 水環(huán)流和冶煉強(qiáng)度是其主要影響因素。
3.1.1 鐵水環(huán)流
鐵水環(huán)流主要影響鐵水與爐墻對(duì)流換熱系數(shù)α2,鐵水環(huán)流加劇, 對(duì)流換熱系數(shù)α2增大,爐 墻熱面溫度上升。關(guān)于鐵水環(huán)流速度的影響因素,通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)[5],死料柱孔隙率 增大、死料柱直徑減小以及死料柱在爐缸中浮起時(shí),都有利于減少側(cè)壁周圍的鐵水環(huán)流密度, 降低鐵水環(huán)流的速度。
此外,鐵口參數(shù)對(duì)鐵水流動(dòng)也有影響。減小鐵口直徑,可以降低出鐵速度,減緩鐵水環(huán)流;合適的鐵口深度和角度也有利于降低鐵水流速。周國凡[6]認(rèn)為,鐵口深度為爐缸半徑的 0.45 倍較為合適,鐵口角度由10°增加到20°時(shí)鐵水速度可降低 6%~7%。
3.1.2 冶煉強(qiáng)度
提高冶煉強(qiáng)度可以增加高爐產(chǎn)量,鐵水流速增大,鐵水環(huán)流加劇。陳川[7]等人研究表明,鐵水每升高50℃℃,炭磚熱面溫度升高 33℃℃;高爐利用系數(shù)從1.8t(m3·d)提高到2.6t/(m3·d),換熱系數(shù)從80W/(m2·℃)增加到115W/(m2·℃),炭磚熱面溫度提高 120℃。
此外,有研究表明[8],隨著冶煉強(qiáng)度的提高,焦炭氣孔率增加,反應(yīng)性增強(qiáng),焦炭劣化加劇,導(dǎo)致下降到爐缸的焦炭粒度和強(qiáng)度迅速減小,造成爐缸死料柱孔隙度下降加劇了鐵水環(huán)流。
3.2熱量傳遞
爐缸各部分熱阻決定了爐缸熱量能否傳遞到冷卻壁上。氣隙和爐缸炭磚侵蝕狀況是影響熱量傳遞的重要因素。
3.2.1 爐缸氣隙
爐缸氣隙是指爐缸冷卻設(shè)備與炭磚之間出現(xiàn)的間隙,或爐缸炭磚與搗料間以及炭磚內(nèi)部出現(xiàn)的斷層或間隙。通常爐缸氣隙問題容易發(fā)生在大塊爐缸炭磚加吸收熱膨脹的填料層結(jié)構(gòu)的高爐上。鄒忠平錯(cuò)誤!未找到引用源。等人分析了爐缸氣隙產(chǎn)生的主要因素有爐殼變形、烘爐不徹底或爐缸漏水、耐材施工質(zhì)量差、冷卻壁存在大量縫隙以及爐缸壓漿不合理。郭憲臻[10]等人在安鋼8號(hào)高爐爐缸條件下,通過計(jì)算得出氣隙熱阻占爐缸傳熱體系總熱阻的27.1%,計(jì)算結(jié)果如圖 2、圖3所示。氣隙的存在會(huì)顯著增大爐缸側(cè)壁熱阻,阻礙熱量傳導(dǎo);同時(shí)氣隙中的煤氣和水蒸氣會(huì)加劇碳素沉積反應(yīng)。由于上述原因,氣隙的存在會(huì)導(dǎo)致炭磚熱面渣鐵殼厚度減小甚至脫落,引起側(cè)壁溫度升高。
3.2.2爐缸炭磚侵蝕
爐缸炭磚侵蝕的原因分為物理因素和化學(xué)因素,物理因素包括鐵水對(duì)炭磚的滲透和溶蝕、鐵水環(huán)流的沖刷、熱應(yīng)力,化學(xué)因素包括堿金屬侵蝕、CO2和 H2O對(duì)炭磚的氧化、碳素沉積反應(yīng)[11]。
(1)鐵水對(duì)炭磚的滲透和溶蝕。當(dāng)炭磚熱面的渣鐵殼脫落或者消失后,爐缸中的鐵水在靜壓力的作用下會(huì)通過炭磚氣孔向炭磚內(nèi)部滲透。通過高爐爐缸破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)[12]炭磚熱面存在脆化層,會(huì)加快鐵水向炭磚滲透。由于鐵水中的碳未達(dá)到飽和,會(huì)不斷溶蝕炭磚,造成炭磚物理性能降低,進(jìn)而被侵蝕破壞。
(2)鐵水環(huán)流的沖刷。鐵水環(huán)流是爐缸“象腳”侵蝕的重要原因之一,而鐵水環(huán)流強(qiáng)弱主要取決于死料柱空隙度以及死料柱在爐缸中的狀態(tài)。改善焦炭質(zhì)量可以提高死料柱空隙度,加深死鐵層深度可以使死料柱浮起,兩者均有利于減弱鐵水環(huán)流。但提高死鐵層深度會(huì)加大爐缸鐵水靜壓力,加快鐵水對(duì)爐底炭磚的溶蝕。關(guān)于死鐵層合理深度孫金鐸[13]認(rèn)為一般按爐缸直徑的15%~20%設(shè)計(jì)較合適,大型高爐死鐵層深度不宜大于 2.5~3.2m。
(3)熱應(yīng)力。高爐冷卻系統(tǒng)導(dǎo)致炭磚兩側(cè)存在溫度梯度,產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力導(dǎo)致炭磚產(chǎn)生微裂紋,是炭磚環(huán)裂的誘因[14]。
(4)堿金屬侵蝕。堿金屬在爐缸部位只能以氣態(tài)形式存在。當(dāng)炭磚產(chǎn)生微裂紋時(shí),堿金屬蒸氣就會(huì)順著裂紋進(jìn)入炭磚內(nèi)部,導(dǎo)致微裂紋擴(kuò)張,最終引起炭磚開裂、碎化。
(5)炭磚氧化。H2O和CO2在高溫下都可以氧化炭磚造成炭磚粉化,加快炭磚侵蝕。其氧化反應(yīng)為:
(6) 碳素沉積反應(yīng)。在高爐 450~650℃區(qū)間內(nèi)[15]會(huì)發(fā)生碳素沉積反應(yīng):
CO進(jìn)入炭磚與炭磚發(fā)生反應(yīng),或鐵水中的[C]析出,沉積的碳使炭磚體積膨脹,產(chǎn)生裂紋,造成炭磚破壞。
一般來說,生產(chǎn)高爐爐缸爐底炭磚熱面存在一層渣鐵焦炭的沉積物即渣鐵殼。渣鐵殼的熱阻很大,并且具有較強(qiáng)的抗沖刷能力,可以有效的保護(hù)炭磚不被侵蝕。然而,原燃料條件以及操作制度的變化會(huì)導(dǎo)致渣鐵殼減薄甚至脫落,使炭磚失去保護(hù)層而遭到破壞。此外,在高爐實(shí)際生產(chǎn)中不可避免地會(huì)發(fā)生管道、崩料和懸料等事故,這些爐況異?,F(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響爐料正常下降以及煤氣流的合理分布,引起爐況波動(dòng),造成爐缸不活;爐況恢復(fù)時(shí)所采取的措施如加空焦和錳礦、螢石等洗爐料,也會(huì)引起爐缸炭磚熱面的渣鐵殼減的脫落,并對(duì)炭磚造成一定程度的破壞,最終使?fàn)t缸側(cè)壁溫度升高。
3.3熱量支出
爐缸熱量主要由冷卻水帶走,冷卻壁結(jié)構(gòu)不變的情況下,冷卻制度對(duì)冷卻壁的冷卻強(qiáng)度起主要作用,決定了爐缸傳熱體系的熱量支出。
3.3.1 冷卻制度
冷卻制度包括冷卻水水量、水速和水溫。許俊[16]等人研究表明,水量和水速的變化可以改變冷卻水與水管壁對(duì)流換熱系數(shù)a1,而冷卻水對(duì)流換熱熱阻占整個(gè)爐缸傳熱體系熱阻的比例很小,無限制提高水速并不能有效改善爐缸熱量傳遞,一般確定爐缸冷卻水速為 2.0m/s比較合適。
由式(2)(3)可知,降低水溫t1使得爐缸熱流強(qiáng)度q3增大,在其他條件不變的情況下,爐墻熱面溫度t3降低,有利于保護(hù)爐襯。
冷卻水質(zhì)對(duì)冷卻壁的冷卻效果也有很大影響。水質(zhì)較差,水中的鈣、鎂離子會(huì)逐漸析出,在冷卻水管內(nèi)壁上形成水垢。程素森[17]等人研究發(fā)現(xiàn),水垢相當(dāng)于一層隔熱層嚴(yán)重影響冷卻壁的傳熱。對(duì)于鑄鐵冷卻壁,當(dāng)結(jié)垢厚度為1~5mm,冷卻壁綜合傳熱系數(shù)降低28%~68%。
4 爐缸側(cè)壁溫度升高應(yīng)對(duì)措施
4.1降低鐵水環(huán)流速度
鐵水環(huán)流速度與死料柱狀態(tài)有關(guān),原燃料質(zhì)量以及爐缸工作狀態(tài)對(duì)死料柱狀態(tài)有重要影響。焦炭是整個(gè)高爐料柱的骨架,焦炭質(zhì)量對(duì)死料柱透氣透液性有重要影響。焦炭是堿金屬富集的主要載體,堿金屬對(duì)焦炭熱態(tài)性能的危害也最大,其他有害元素,如Zn,Pb可以催化焦炭氣化溶損反應(yīng),降低焦炭強(qiáng)度,特別是多種元素共同作用,焦炭劣化更嚴(yán)重[18-20]。爐缸不活,爐缸中心難以吹透,造成死料柱孔隙度下降,鐵水環(huán)流增強(qiáng)。
因此,應(yīng)改善原燃料條件,保證焦炭質(zhì)量,適當(dāng)降低焦炭反應(yīng)性,提高焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度;嚴(yán)格控制焦丁入爐,提高料柱透氣性;降低原燃料中有害元素含量,建立有害元素入爐控制標(biāo)準(zhǔn);提高高爐排出有害元素的能力。在操作上以“促進(jìn)中心氣流發(fā)展,適當(dāng)抑制邊緣氣流”為原則,保證爐缸活躍。具體操作分為以下兩個(gè)方面:(1)下部調(diào)劑,即通過送風(fēng)制度進(jìn)行調(diào)整。增加小風(fēng)口和長風(fēng)口的數(shù)量,縮小進(jìn)風(fēng)面積,增強(qiáng)鼓風(fēng)動(dòng)能,保證爐缸中心活躍。及時(shí)更換上翹的風(fēng)口,調(diào)整風(fēng)口布局,保證鼓風(fēng)動(dòng)能充足。
(2) 上部調(diào)劑,即通過裝料制度進(jìn)行調(diào)整。改變布料矩陣,采用中心加焦的布料模式,調(diào)整煤氣流的分布,加快爐缸死料柱的更新,提高死料柱的透氣透液性。調(diào)整鐵水成分,適當(dāng)增加鐵水中[Si]含量,提高鐵水物理熱,保證渣鐵具有良好的流動(dòng)性,減少死料柱中滯留的渣鐵,提高死料柱透氣透液性,減弱鐵水環(huán)流;降低鐵水中[S]含量,減輕鐵水[S]對(duì)炭磚的侵蝕。
4.2 控制冶煉強(qiáng)度
通過降低風(fēng)量、降低富氧率、退焦炭負(fù)荷以及堵風(fēng)口降低冶煉強(qiáng)度,可以迅速降低爐缸熱負(fù)荷,降低鐵水環(huán)流速度,對(duì)降低爐缸側(cè)壁溫度效果顯著。但會(huì)嚴(yán)重降低高爐產(chǎn)量,影響高爐經(jīng)濟(jì)效益。
4.3 爐缸壓漿
對(duì)于消除爐缸部位氣隙,最有效的方法就是爐缸壓漿壓漿材料、壓漿工藝是影響爐缸壓漿效果的重要因素。壓漿材料要根據(jù)高爐爐缸耐火材料選擇。李峰光[21]等人利用ANSYS 軟件建立了壓漿過程爐襯應(yīng)力計(jì)算模型,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高壓漿的壓力,采用“少量、多孔”的壓漿方針可以顯著改善壓漿效果,要避免在爐壁最薄處開孔壓漿。
4.4 減緩爐缸侵蝕
鈦礦護(hù)爐是減緩炭磚侵蝕的有效措施。其機(jī)理是:在渣-鐵反應(yīng)中,中的(TiO2)可被鐵水中的C還原生成Ti,其反應(yīng)方程式為:
當(dāng)鐵水中[Ti]的含量達(dá)到一定值后,便會(huì)以TiC或TiN 的形式在爐缸侵蝕部位的低溫區(qū)域析出,其反應(yīng)方程式為:
析出的 TiC 和 Ti經(jīng)過物相重構(gòu)演變可形成 Ti(N,C)固溶物。
焦克新[22]等人在熱力學(xué)的基礎(chǔ)上建立含鈦?zhàn)o(hù)爐渣鐵有效鈦含量控制模型,定量研究了達(dá)到護(hù)爐效果鐵水[Ti]含量,并且通過模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)提高鐵水中[Si]、[C]的含量,可以提高鐵水中 TiC 的析出溫度,進(jìn)而改善護(hù)爐效果。
鐵口部位工作狀況比較惡劣,出鐵時(shí)渣鐵的機(jī)械沖刷和高溫的渣鐵熱流導(dǎo)致鐵口侵蝕往往比較嚴(yán)重。加強(qiáng)鐵口維護(hù),是治理爐缸側(cè)壁溫度升高的關(guān)鍵。加深鐵口深度,控制好鐵口的角度,改善炮泥質(zhì)量,保證泥包具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,提高泥包的保護(hù)效果;提高開口質(zhì)量,保證良好的出鐵情況,穩(wěn)定出鐵時(shí)間,減緩出鐵速度,減少鐵水環(huán)流的侵蝕。
4.5 加強(qiáng)高爐冷卻系統(tǒng)管理
加強(qiáng)對(duì)高爐冷卻設(shè)備的監(jiān)控,及時(shí)更換損壞的冷卻壁及風(fēng)口,避免冷卻水進(jìn)入爐缸。同時(shí)改善冷卻水質(zhì),避免冷卻水管結(jié)垢,提高冷卻效果。
5 結(jié)論
(1) 鐵口部位是侵蝕最為嚴(yán)重的地方,高溫點(diǎn)往往出現(xiàn)在該部位。
(2)爐缸側(cè)壁溫度與爐缸傳熱體系的熱流導(dǎo)入一熱流導(dǎo)出過程是否穩(wěn)定、平衡有密切關(guān)系,熱量收入和支出相等,整個(gè)傳熱體系達(dá)到一種平衡狀態(tài),才能保證側(cè)壁溫度的穩(wěn)定。
(3)影響爐缸側(cè)壁溫度的因素主要有鐵水環(huán)流、冶煉強(qiáng)度、爐缸氣隙、炭磚侵蝕和冷卻強(qiáng)度。
(4)爐缸側(cè)壁溫度升高的應(yīng)對(duì)措施有改善原燃料條件降低冶煉強(qiáng)度、活躍爐缸中心、消除爐缸氣隙、加強(qiáng)鐵口維護(hù)、加強(qiáng)冷卻系統(tǒng)管理以及鈦礦護(hù)爐。
這項(xiàng)工作得到了高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助項(xiàng)目(B13004)的大力支持。
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