摘要:與煉鐵同仁探討當(dāng)前國(guó)內(nèi)大環(huán)境下煉鐵所遇到的分歧和問(wèn)題,糾正概念上的誤導(dǎo)。本文由三部分系統(tǒng)闡述:1)精料技術(shù),2)科學(xué)評(píng)價(jià)高爐生產(chǎn)效率,3)目前國(guó)內(nèi)高爐生產(chǎn)一代爐齡偏短、事故頻發(fā)的分析。精料曾經(jīng)是高爐煉鐵的重要手段和目標(biāo),但是由于低成本煉鐵,對(duì)精料技術(shù)產(chǎn)生了懷疑,甚至由于部分企業(yè)、專家的鼓吹使得精料技術(shù)有了倒退,買礦的低成本并不代表煉鐵的低成本。每個(gè)高爐都有自己的生產(chǎn)特點(diǎn),科學(xué)計(jì)算的方法的分析、認(rèn)識(shí)本高爐生產(chǎn)的現(xiàn)狀,并且有理可依的正確提高生產(chǎn)效率。高爐長(zhǎng)壽是一個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜的工程,中部、下部都有相應(yīng)的問(wèn)題,本文著重介紹了高爐中部的掛渣系統(tǒng)影響因素,爐缸側(cè)壁的保護(hù)方法。高爐爐缸的維護(hù)是建立在檢測(cè)系統(tǒng)之上的,因此,檢測(cè)數(shù)據(jù)是科學(xué)判斷的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:煉鐵;高爐;精料;生產(chǎn)效率;長(zhǎng)壽;
3.扭轉(zhuǎn)高爐一代爐齡短,且頻繁出現(xiàn)事故現(xiàn)象
高爐長(zhǎng)壽是一個(gè)系統(tǒng)工程,它由設(shè)計(jì)、筑爐、檢測(cè)、操作等多方面因素綜合形成的結(jié)果。有關(guān)這方面的解釋,我們已在過(guò)去幾次會(huì)議介紹過(guò),因篇幅限制,不再重復(fù),現(xiàn)在高爐建成投產(chǎn)以后如何來(lái)維護(hù),克服存在問(wèn)題而避免事故,延長(zhǎng)高爐壽命。
調(diào)研表明生產(chǎn)中決定壽命的是兩個(gè)部位:高爐中部的爐身下部,爐腰爐腹部位和高爐下部爐缸側(cè)壁部位。前者表現(xiàn)為渣皮頻繁脫落,銅冷卻壁大量過(guò)早燒壞而被迫停爐。后者表現(xiàn)為側(cè)壁溫度身高異常,殘余厚度300mm左右,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)漏鐵,甚至燒穿而被迫停爐。
3.1高爐中部問(wèn)題
生產(chǎn)中這部位要維持穩(wěn)定的渣皮來(lái)保護(hù)。因此對(duì)影響渣皮的因素要做全面了解,并采取有效的措施來(lái)保護(hù),經(jīng)過(guò)我們的研究,影響渣皮的因素較多,分析如下:
(1)爐氣溫度對(duì)渣皮的影響
爐氣溫度溫度升高導(dǎo)致爐氣與冷卻壁熱面熱量交換增大,冷卻壁本體溫度升高,不利于爐渣在冷卻壁表面的凝結(jié);
銅冷卻壁本體測(cè)溫?zé)犭娕嫉臏囟饶芤欢ǔ潭壬戏磻?yīng)冷卻壁熱面狀況及掛渣情況,但其測(cè)量值低于冷卻壁本體最高溫度,因此不能以之作為判斷冷卻壁是否安全工作的標(biāo)準(zhǔn)。
爐氣溫度溫度升高導(dǎo)致爐氣與冷卻壁熱面熱量交換增大,渣皮厚度逐漸減?。幻簹鉁囟阮l繁波動(dòng)導(dǎo)致渣皮厚度頻繁變化,易引起渣皮整體脫落。
(2)冷卻制度對(duì)渣皮的影響
銅冷卻壁對(duì)冷卻水流速的變化比較敏感:在水流速值較小時(shí)(<1.5m/s),增大水流速能顯著降低冷卻壁本體溫度,保護(hù)冷卻壁;而水流速較大時(shí)(>1.5m/s),水速的增大對(duì)冷卻壁的降溫效果很微弱。
爐氣溫度越高,增大水速對(duì)冷卻壁的降溫效果越明顯。
冷卻水溫度的降低能顯著降低銅冷卻壁本體溫度,冷卻水溫度每降低1℃,壁體溫度也將降低約1℃。
在水流速值已經(jīng)較大時(shí),應(yīng)采取降低冷卻水進(jìn)水溫度的方式來(lái)調(diào)節(jié)冷卻壁本體溫度,而非盲目追求高水速。
由于渣皮導(dǎo)熱率很?。s1.2~2.0W/(m·K)),因此冷卻水流速及冷卻水溫度的變化對(duì)渣皮厚度的影響很小;
調(diào)整冷卻制度的意義在于調(diào)整冷卻壁本體溫度,保護(hù)冷卻壁不被燒壞,而非調(diào)整渣皮厚度。
(3)爐渣性質(zhì)對(duì)渣皮的影響
爐渣在冷卻壁熱面凝固的臨界溫度定義為“掛渣溫度”;
掛渣溫度越高,冷卻壁本體溫度越低;較高的掛渣溫度能提高冷卻壁對(duì)爐氣溫度的適應(yīng)能力:
掛渣溫度1050℃:臨界溫度1370℃;
掛渣溫度1100℃:臨界溫度1395℃;
掛渣溫度1150℃:臨界溫度1430℃;
掛渣溫度越高,渣皮厚度越大,但渣皮厚度隨爐溫波動(dòng)而顯著變化;
掛渣溫度越低,渣皮厚度越小,但渣皮厚度隨爐溫波動(dòng)的變化較??;
掛渣溫度不宜過(guò)高,也不宜過(guò)低,應(yīng)保證適宜的掛渣溫度以保證厚度合適且穩(wěn)定的渣皮。
爐渣導(dǎo)熱率越高,渣皮的厚度越大;
對(duì)于不同的爐料結(jié)構(gòu),所能形成的渣皮厚度不同,爐料結(jié)構(gòu)調(diào)整時(shí),應(yīng)多關(guān)注冷卻壁渣皮厚度的變化及冷卻壁本體溫度的變化
(4)鑲磚材質(zhì)對(duì)渣皮的影響
爐氣溫度較低時(shí),鑲磚導(dǎo)熱率的變化對(duì)冷卻壁本體溫度影響較?。?
爐氣溫度較高時(shí),鑲磚導(dǎo)熱率的變化對(duì)冷卻壁本體溫度的影響較大,且爐溫越高,影響越明顯。
鑲磚導(dǎo)熱率變化對(duì)筋肋位置渣皮厚度的影響較小,但對(duì)燕尾槽位置渣皮厚度有較大影響;
燕尾槽內(nèi)鑲磚被爐渣取代后,筋肋和燕尾槽位置渣皮厚度均明顯減小;
銅冷卻壁熱面爐襯可不采用優(yōu)質(zhì)耐火材料,但燕尾槽內(nèi)應(yīng)采用導(dǎo)熱率較高,且壽命較長(zhǎng)的鑲磚。
(5)渣皮厚度變化對(duì)其穩(wěn)定性的影響
冷卻壁本體應(yīng)力值隨著渣皮厚度的增大呈現(xiàn)先下降,后上升的趨勢(shì),在計(jì)算條件下,渣皮厚度約20mm時(shí)冷卻壁本體應(yīng)力值最小;
在各渣皮厚度條件下,冷卻壁本體應(yīng)力均隨著爐氣溫度的升高而升高;
冷卻壁渣皮厚度并非越大越好,而應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)以降低冷卻壁本體應(yīng)力,延長(zhǎng)冷卻壁使用壽命。
銅材與爐渣的結(jié)合能力很弱,因此冷卻壁主要依靠爐渣與鑲磚的結(jié)合實(shí)現(xiàn)掛渣;
渣-磚界面應(yīng)力值隨著渣皮厚度的增大呈現(xiàn)先下降,后上升的趨勢(shì),在計(jì)算條件下,渣皮厚度約28mm時(shí)渣-磚界面應(yīng)力值最?。?
為保證爐渣與鑲磚穩(wěn)定結(jié)合,應(yīng)保持渣皮厚度在合適的范圍內(nèi)且維持穩(wěn)定。
(6)水速變化對(duì)渣皮穩(wěn)定性的影響
冷卻水流速增大后,冷卻壁熱面溫度降低,但渣層的溫度梯度增大,導(dǎo)致渣層應(yīng)力值有所上升,但上升幅度很小;
在渣皮厚度較小時(shí),水流速的增大對(duì)渣-磚界面應(yīng)力的影響較大;渣皮厚度較大時(shí),水速的變化基本不影響壁體及渣-磚界面應(yīng)力的大小。
渣-磚界面應(yīng)力的頻繁波動(dòng)易導(dǎo)致渣皮脫落,因此應(yīng)盡量保持水流速的穩(wěn)定(尤其在渣皮厚度較小時(shí))。
(7)爐型結(jié)構(gòu)對(duì)渣皮的影響
冷卻水流速變化對(duì)冷卻壁本體及渣-磚交界面處應(yīng)力的的影響
“等效爐腹角”:風(fēng)口頂端和爐腹-爐腰折點(diǎn)連線與水平線之間夾角;
在經(jīng)過(guò)軟熔帶整流前,隨著等效爐腹角的增大,煤氣流速逐漸增大,對(duì)冷卻壁沖刷加強(qiáng),影響渣皮穩(wěn)定性及冷卻壁壽命。
采用薄壁爐襯后,無(wú)法依靠操作形成合理操作爐型,原始設(shè)計(jì)爐型即為操作爐型,目前國(guó)內(nèi)許多高爐存在爐腹角過(guò)大的問(wèn)題,可依靠加長(zhǎng)風(fēng)口進(jìn)行調(diào)整,即調(diào)整“等效爐腹角”。
冷卻水流速變化對(duì)冷卻壁本體及渣-磚交界面處應(yīng)力的的影響
軟熔帶位置越高,冷卻壁熱面煤氣流速越大,對(duì)冷卻壁的沖刷作用越強(qiáng),影響渣皮穩(wěn)定性及冷卻壁壽命。
不同的軟熔帶形狀及位置均會(huì)影響冷卻壁熱面煤氣流速,對(duì)冷卻壁穩(wěn)定掛渣產(chǎn)生影響。
通過(guò)調(diào)研搞清楚影響因素,我們提出渣皮的合理操作措施的建議如下:
①.上部調(diào)劑:利用合理的裝料制度控制邊緣煤氣流,打開中心,減少邊緣煤氣流對(duì)渣皮的沖刷,并提高煤氣利用率。
②.選擇合理的爐料結(jié)構(gòu),調(diào)整軟熔帶位置,保證合理的煤氣流分布;
③.選用合理的造渣制度,控制爐渣的流動(dòng)性及掛渣溫度;
④.下部調(diào)劑:適當(dāng)縮小風(fēng)口面積和風(fēng)口長(zhǎng)度,并適當(dāng)采用斜風(fēng)口,使鼓風(fēng)動(dòng)能增加,吹透中心,抑制邊緣煤氣流;
⑤.噴煤和富氧合理結(jié)合:富氧后風(fēng)口回旋區(qū)體積減小,邊緣發(fā)展;增加噴煤量可使?fàn)t缸煤氣量增大,回旋區(qū)體積增大,利于中心發(fā)展。因此,可在條件允許的情況下提高富氧,并配合以合理的噴煤量。
⑥.高風(fēng)溫操作:高風(fēng)溫帶入熱量替代了部分焦炭燃燒熱量,CO減少,爐缸溫度較高而爐身、爐腰、爐腹溫度下降,利于渣皮穩(wěn)定存在。
⑦.冷卻水速的增大和冷卻水溫的降低對(duì)銅冷卻壁本體降溫效果明顯,但對(duì)渣皮厚度的調(diào)整作用不大。水速和水溫的波動(dòng)易引起爐渣和壁體鑲磚結(jié)合位置應(yīng)力的波動(dòng),因此應(yīng)盡量保證水速及水溫的穩(wěn)定。
3.2高爐下部爐缸側(cè)壁問(wèn)題
生產(chǎn)實(shí)踐和對(duì)高爐長(zhǎng)壽問(wèn)題調(diào)研,煉鐵工作者得出共識(shí),建立穩(wěn)定的爐缸保護(hù)層以隔離鐵水和炭塊工作面的直接接觸,避免炭球被鐵水快速溶損,并在一代爐齡期間精心維護(hù)和維護(hù)時(shí)最關(guān)鍵的。我們將在今年昆明煉鐵年會(huì)上來(lái)討論這個(gè)問(wèn)題,這里簡(jiǎn)單說(shuō)明,供參考。
在爐缸保護(hù)層形成的機(jī)理上有共識(shí)內(nèi)容也有分歧觀點(diǎn)。共識(shí)之處是保護(hù)層是通過(guò)冷卻炭塊工作面溫度下降,通過(guò)鐵水與炭塊工作面的熱交換,將靠近工作面的鐵水溫度下降。隨著鐵水溫度的下降,鐵水析出石墨和高熔點(diǎn)的化合物(例如鈦礦護(hù)爐的TiC,TiN,Ti(C,N))形成黏稠的保護(hù)層隔離了主流鐵水與炭塊的直接接觸而保護(hù)爐缸側(cè)壁。
分歧之處是一部分專家認(rèn)為保護(hù)層是凝固在炭塊表面的固態(tài)保護(hù)層,認(rèn)為生產(chǎn)中保護(hù)層沒(méi)有凝結(jié)在炭塊工作面,而只是黏稠狀的液態(tài)保護(hù)層,凝固層是高爐停爐后溫度下降才凝固的。
不論哪種觀點(diǎn)在爐缸形成穩(wěn)定保護(hù)層是爐缸長(zhǎng)壽的關(guān)鍵,因此對(duì)影響保護(hù)層生成與穩(wěn)定存在的因素要有足夠的了解。
通過(guò)我們的研究,影響因素主要有:爐缸側(cè)壁的冷卻,高爐的冶煉強(qiáng)度,生鐵成分,爐缸狀態(tài),出鐵操作等。
(1)爐缸側(cè)壁的冷卻
保護(hù)層的形成和穩(wěn)定存在的決定性因素之一是炭塊工作表面能否達(dá)到形成保護(hù)層的溫度,中冶賽迪王剛等的兩個(gè)圖說(shuō)明了冷卻的狀態(tài)和影響因素,希望大家很好的理解。
氣隙的熱阻很大,影響傳熱,從而也影響碳磚表面溫度。氣隙的大小與碳磚表面溫度和保護(hù)層厚度成反比。消除氣隙是降低碳磚表面溫度和穩(wěn)定保護(hù)層厚度的重要手段。
冷卻時(shí)降低碳磚表面溫度的重要手段,前面已說(shuō)明冷卻的重要意義,研究冷卻對(duì)碳磚熱面溫度的結(jié)果如圖:
王剛等對(duì)保護(hù)層厚度與碳磚殘厚和氣隙厚度的情況研究后提出評(píng)估高爐狀態(tài)的意見,可供參考。
綜合炭磚殘厚、保護(hù)層厚度、氣隙厚度情況,分為非常好、好、一般、不好、差、很差、極差7級(jí)。
(2)冶煉強(qiáng)度
過(guò)高的冶煉強(qiáng)度是影響高爐長(zhǎng)壽的負(fù)面因素,單位時(shí)間內(nèi)強(qiáng)大的鐵水環(huán)流使炭磚工作表面溫度升高,不利于形成保護(hù)層,而且已形成的,在鐵水環(huán)流的沖刷下變薄,甚至消失,給環(huán)流鐵水磨損碳磚創(chuàng)造機(jī)會(huì),碳磚被逐步滲蝕,剝落而減薄,最終形成象腳型(或稱蒜頭型)侵蝕,生產(chǎn)中側(cè)壁溫度急劇升高,就是這樣造成的。我們長(zhǎng)期提倡維持與冶煉條件相適應(yīng)的爐腹煤氣量生產(chǎn)以求形成穩(wěn)定的保護(hù)層。我們也提出在爐缸側(cè)壁出現(xiàn)警界狀態(tài)時(shí),應(yīng)降低冶強(qiáng),危險(xiǎn)時(shí)應(yīng)降低冶強(qiáng)20%,一直維持到停爐大修。
(3)生鐵成分
生鐵成分的影響主要是[C]和[Si],在加鈦礦護(hù)爐時(shí)還有[Ti]。
高爐煉鐵生產(chǎn)的鐵水,其含碳是無(wú)法控制的,過(guò)去認(rèn)為高爐鐵水是飽和含碳的,但實(shí)際上高爐鐵水中含碳并沒(méi)有達(dá)到100%的飽和度,高的達(dá)到了94%,低的只有90%。這樣欠飽和度達(dá)到6%~10%,欠飽和度的鐵水在爐缸內(nèi)與碳磚接觸就要滲蝕炭塊。欠飽和度越大的鐵水就會(huì)將保護(hù)層內(nèi)的石墨碳溶解而破壞保護(hù)層,欠飽和度低的鐵水對(duì)保護(hù)層的形成和穩(wěn)定存在是有利的,我國(guó)寶鋼3號(hào)高爐第一代鐵水飽和度在93%以上,它長(zhǎng)壽達(dá)19年。
鐵水中的[Si]與碳的關(guān)系是,[Si]越高,[C]以石墨狀態(tài)存在于鐵水中就越多,鑄造生鐵就是實(shí)例。因此,[Si]高易于析出石墨碳形成保護(hù)層。過(guò)低的[Si]和稍高的[S]是對(duì)保護(hù)層的形成和穩(wěn)定存在是不利的,某些高爐生產(chǎn)低[Si]生鐵0.2%以下而生鐵中[S]達(dá)到0.05%以上,爐缸側(cè)壁受到嚴(yán)重侵蝕是不可取的。根據(jù)研究,我們提出,在加鈦?zhàn)o(hù)爐時(shí),要將[Si]提高到0.5%,才使護(hù)爐有明顯效果。
[Ti]的影響表現(xiàn)在加鈦后在爐缸內(nèi)形成高熔點(diǎn)的TiC,TiN和Ti(C,N)化合物,比較少的質(zhì)點(diǎn)懸浮于鐵水中,與[Si],[C]等形成的鈦球團(tuán)促使保護(hù)層的形成和穩(wěn)定存在,但要起作用需要鐵水中的[Ti]在0.1%以上。在警戒狀態(tài)時(shí)還要提高到0.2%~0.25%,要充分發(fā)揮護(hù)爐作用。加鈦?zhàn)o(hù)爐還要將[Si]提高達(dá)到[Ti]+[Si]=0.6%~0.7%。
(4)爐缸狀態(tài)
正常生產(chǎn)時(shí)要求有活躍的爐缸狀態(tài):t理=2200±50℃,焦炭進(jìn)入燃燒帶時(shí)的溫度tc=75%t理,具有儲(chǔ)備熱>630kJ/kg生鐵。與此同時(shí)中死料柱要有良好的透氣性和透液性,使高溫煤氣能穿透中心而加熱焦炭,鐵水,爐渣達(dá)到tL=0.75t理,t鐵水=tc-2000±50℃,t渣=t-150±50℃,同時(shí)出鐵時(shí)鐵水能穿過(guò)死料柱而減少環(huán)流,減少高速環(huán)流對(duì)保護(hù)層的沖擊。
(5)出鐵
搞好除鐵和維護(hù)好出鐵口是維持穩(wěn)定保護(hù)層的重要內(nèi)容,這要求我們轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)理念,減少出鐵次數(shù)(大型高爐6~8t/min,中小高爐4~5t/min)維持合適的出鐵口深度(出鐵口前形成的泥炮厚度,大高爐不超過(guò)1000mm,以800mm尾號(hào),中小高爐不超過(guò)800mm,以600mm為好)選擇好炮泥,炮泥質(zhì)量應(yīng)保證開口順利,堵口有效,而且至少要保證20min出鐵穩(wěn)定,此外要避免風(fēng)口,冷卻壁漏水。
總之要使保護(hù)層形成和穩(wěn)定存在,必須要有完善的冷卻系統(tǒng),要維持與冶煉條件相適應(yīng)的冶煉強(qiáng)度,增加鐵滴滴落時(shí)間,提高鐵水碳飽和度,要保持爐缸活躍,特別是保證死料柱有良好的透氣性和透液性減少鐵水環(huán)流,爐前精心操作。加鈦?zhàn)o(hù)爐是要保證[Ti]+[Si]=0.6%~0.7%。
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