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熱風爐技術

節能減排、降本增效,離不開高爐長壽與高風溫操作

發布時間:2018-08-02點擊量:116

 

 

我國高爐煉鐵生產技術雖然取得了明顯的進步,但鋼鐵企業高爐長壽和生產安全方面的問題日益突出。今年以來,據不完全統計,我國有10座高爐爐缸出現問題,以致燒穿;國外近年也有10余座高爐(爐缸直徑大于9米)出現爐缸問題,經濟損失巨大。此外,我國鋼鐵企業煉鐵風溫與能效水平與國際先進水平仍有一定差距,企業之間熱風溫度差距較大,使能源利用效率降低,影響了我國煉鐵工序能耗和成本的降低。

因此,如何從設計、關鍵設備與材料選擇、施工和操作維護等方面系統總結國內外高爐長壽技術和高風溫熱風爐技術的成功經驗,分析研究高爐長壽技術和高風溫熱風爐技術應解決的突出問題與發展趨勢,特別是高爐爐缸爐底的損壞機理分析、長壽爐缸爐底結構設計、長壽關鍵要素的分析和對策、熱風爐實現高風溫的方法及其關鍵技術等,從而促進我國高爐長壽技術和高風溫熱風爐設計、生產最佳技術實踐的發展和推廣應用,這對促進我國煉鐵實現高效安全、低碳環保、降本增效,具有非常重要的現實意義。

為此,中國金屬學會和煉鐵分會于2012年11月21日~23日在北京聯合召開了“高爐長壽技術和高風溫熱風爐技術研討會”。來自全國煉鐵界的二百多位代表出席了會議。

深入了解爐內現象 探索高爐爐缸長壽秘方

中冶賽迪工程技術股份有限公司煉鐵專家項鐘庸認為:高爐長壽是分別從爐體結構、材料、設備、管理、操作方面綜合采取措施的。提高爐底炭磚致密程度-高導熱性、提高爐身冷卻壁的冷卻能力、控制爐缸側壁和爐底的冷卻、強化側壁溫度管理、改善爐料分布等才能達到延長高爐的壽命。

高爐爐底、爐缸的侵蝕可分為三種類型:蘑菇狀侵蝕、象腳侵蝕和鍋底狀侵蝕。一般希望呈鍋底狀侵蝕以避免爐缸側壁的損壞,由于生產條件的變化,最近出現了寬臉狀侵蝕,雖然底部呈鍋底狀向爐底下部侵蝕,可是仍然不能避免向側壁侵蝕的趨勢,已經引起煉鐵界的重視。

為了防止爐缸事故以及采取最佳的綜合措施,力求提高操作技術,保護爐缸側壁的護爐、防止鐵水環流對側壁的沖刷,防止未還原的爐料進入爐缸、防止不飽和碳素的鐵水與炭磚接觸、結合鐵口使用方法和冷卻強度保持爐缸部位的粘滯層,極力抑止爐缸部位炭磚的侵蝕,這是煉鐵企業必須重視和做到的重要環節。

煉鐵科技工作者用示蹤原子對爐缸內鐵水流動狀態進行研究分析,發現爐內渣鐵的不均勻流動的原因是死料堆內存在妨礙鐵水流動的區域。因此,他們在生產試驗和解剖調查的基礎上,進行縮小尺寸模型的補充試驗,研究鐵水流動、死料堆底面變化和死料堆內焦炭的更新等,并在此基礎上,建立了爐內鐵水流動的數學模型,其研究結果對于出臺預防爐缸事故的措施大有裨益。項鐘庸認為,只有深入研究了爐內現象,才能更好地找到解決高爐爐缸長壽的有效方法。

爐底壽命有突破 爐缸長壽耐材質量關鍵

高爐冶煉的強化程度對于爐缸壽命的影響是不容忽視的。因為爐缸內的鐵水都要通過鐵口流出,它都要沖刷鐵口附近的耐火材料。為了衡量高爐冶煉強化程度對于爐缸壽命的影響,通常以鐵口的出鐵強度(一個鐵口每天的平均出鐵數量,噸/天)這一指標來衡量。

30年前,我國高爐的平均利用系數不過1.5t/m3·d左右,鐵口的出鐵強度一般<1500t/d,盡管爐缸砌筑所使用的材料是導熱率僅有4~6w/m﹒℃的半石墨磚,爐缸冷卻也遠不如現在完善,但爐缸壽命仍可以達到~8年。直至目前,由于高爐利用系數不斷提高,相應的出鐵強度達到了2000~3000t/d(個別高爐已經達到了4000 t/d),這樣,雖然砌筑爐缸用耐火材料和冷卻系統都得到了很大的改善,但不少高爐的爐缸壽命仍然威脅著高爐的正常生產。這一事實說明隨著高爐出鐵強度的提高,對于爐缸壽命的影響是極其不利的。

自從微孔和超微孔炭磚問世之后,爐缸炭磚的導熱率、微孔指標以及機械強度都有很大的提高,大幅度減小了炭磚冷熱面溫差引起的溫度應力和爐缸的化學侵蝕,炭磚的環裂問題基本上得到了解決。爐底采用水冷和使用較高導熱率炭磚的前提下,侵蝕形狀不再是“鍋底型”,而是“象腳型”,這說明爐底壽命也已經得到了解決。

中冶京誠工程技術有限公司煉鐵專家吳啟常教授認為,下一步的工作重點將是高冶煉強度操作條件下的高爐爐缸側壁的長壽問題。爐缸長壽的關鍵在于耐火材料質量的突破。

國內外高爐生產實踐表明:在爐缸側壁“象腳型”侵蝕區域采用高導熱率的炭磚和良好的冷卻所建立的傳熱模型,對于形成凝固層的合理性是毋容置疑的,但是僅僅依靠它來實現爐缸長壽是遠遠不夠的,還必須使用具有抗鐵水溶蝕指數良好的耐火材料才有可能達到目的。因此,為了實現高效操作條件下的爐缸長壽,吳啟常指出應該建立如下模式的爐缸結構:合理的傳熱模型+良好的微孔結構和抗鐵水熔蝕功能。

從延長爐缸側壁“象腳型”侵蝕區域壽命的角度出發,理想的耐火材料應同時具備如下性能:

一是導熱率和微孔指標達到當前微孔或超微孔炭磚的水平;二是抗鐵水溶蝕指數達到陶瓷杯材料的水平。近年來發表的研究成果表明,將爐缸砌筑材料性能從傳統的水平提高到上述理想水平是可能的。其途徑有二:

一是在炭基材料的基礎上加入金屬鋁粉,在高溫焙燒條件下形成碳化鋁(Al3C4),可以大幅度提高炭磚的抗鐵水熔蝕和沖刷能力。德國SGL公司走的就是這條路。他們生產的9RD—N超微孔炭磚,鐵水熔蝕指數達到了很低的水平。全球出鐵強度最高(>4000t/d)的沙鋼5800m3爐缸側壁所使用的就是這種炭磚;

另一是在Al2O3基材料的基礎上,加入C、Si和其它金屬粉末,使之在高溫焙燒條件下形成金屬碳化物,其產品不僅具有較高導熱率和較好的微孔指標,而且也具有良好的抗鐵水熔蝕指數,河南五耐、安耐克以及其它耐火材料企業正在走這條路。

上述兩條途徑的共同特點是在生產配料中加入更多種類的金屬粉末(例如硅、鋁或其它金屬),通過強化焙燒,在維持良好的導熱率和微孔指標的基礎上,進一步改善了材料的抗鐵水熔蝕性能。這些產品正在接受高爐生產的考驗中;北京瑞爾非金屬材料公司則提出了雙向錯臺陶瓷墊和爐缸側壁隔熱夾層的使用技術方案,為實現高爐爐缸長壽進行新的嘗試。

吳啟常建議:有關領導部門盡快組織力量對行業標準(YB/T141-1998)進行完善和修改。調整微孔或超微孔磚的導熱率、微孔指標以及鐵水熔蝕指數等指標。組織國內產、學、研單位抓緊爐缸砌筑材料的開發、研究和應用,提高我國爐缸用耐火材料的生產水平,盡快改變我國大型高爐炭磚長期依賴進口的局面。

高爐高效長壽是系統技術的綜合體現

寶鋼集團首席專家林成城在介紹了寶鋼3號高爐高效長壽歷程和高效長壽技術路線的實踐,對比分析了歐美、日本和寶鋼3號高爐長壽的特點。歐美高爐的長壽在一定程度上得益于其精料水平和高冷卻強度設計,其運行成本相對較高;日本高爐長壽得益于低冶煉強度,其運行效率相對較低;

而寶鋼3號高爐的長壽是在高冶煉強度下,摸索與低冷卻強度相匹配的操作技術實踐中實現的。他強調指出:高爐高效長壽是系統技術的綜合體現,系統裝備(冷卻系統、耐材配置)要符合高爐高冶煉強度工藝客觀規律,高爐設計理念必須與高爐原燃料條件、操作技術特點和操作習慣相匹配,

高爐操作技術需要正確解決高強度冶煉與長壽的矛盾關系,保持高爐長期穩定是實現高效長壽的根本。寶鋼3號高爐依托高爐長期穩定操作制度,特別是確立下部合理送風制度,保持一定的鼓風動能可以確保一定長度的回旋區,高爐一次煤氣流趨向中心,使徑向分布趨于均勻,保證一定中心氣流,使死料柱保持一定溫度,維持一定透氣和透液性,確保爐缸活躍,減小死料柱體積,有利于吹透爐缸,減緩爐缸渣鐵環流對爐缸側壁侵蝕。同時要立足高爐邊緣氣流合理穩定控制,維護合理穩定高爐操作爐型實現高效長壽的經驗值得借鑒。

中冶賽迪工程技術股份有限公司煉鐵專家鄒忠平對高爐爐缸長壽關鍵要素進行了分析:1)不定形材料固化不好被氣蝕產生氣隙破壞了傳熱體系,壓入料與膠泥等不定形材料沖突,不定形材料受到腐蝕,不定形材料施工不合格,爐墻串氣導致氣隙;2)爐缸漏水產生水蒸汽對爐缸不定形材料及炭磚的氧化及在炭磚熱面形成炭粉,導致凝固層的脫落而使炭磚受到異常侵蝕;3)爐缸耐材結構配置不合理,炭磚質量差、不滿足爐缸的使用條件; 4)灌漿維護不當,壓力過高,灌漿料不合適加速了爐缸問題的進一步惡化;5)操作中未及時注意爐缸問題的發展,監測數據不足、未及時抓住爐缸的異常,在異常情況下,進一步強化操作和降低原燃料質量,導致問題的惡化;6)冷卻設備及水系統配置不合理、傳熱效率低;7)原燃料質量的惡化,爐芯不活躍,環流加強,凝固層不穩,加上爐墻氣隙的存在,傳熱能力不足,導致爐缸的異常侵蝕;8)鋅及堿金屬的危害。

他強調指出:當前許多高爐爐缸燒穿及爐缸溫度高的問題,主要原因不是因為爐缸的冷卻強度不夠、不能將爐缸的熱量帶走,而是因為膠泥等不定形材料出現了問題、爐墻中有較多的氣隙存在、爐缸的熱量不能及時傳遞到冷卻水系統中來所致。增加水量可增加水的對流換熱能力,但并不能顯著增加爐缸冷卻強度,不是解決當前爐缸問題的根本辦法。強化施工管理、合理控制爐缸外側耐材溫度、防止膠泥等不定型材料被氣蝕形成氣隙熱阻,保證爐墻傳熱體系的有效性,防止不當壓漿,可能是解決當前爐缸問題的關鍵。調節水溫,雖然不能顯著調節冷卻強度,但對冷卻設備附近不定形材料的性能有較大的影響,可合理利用。

高風溫是當代高爐煉鐵技術發展的重要方向

北京首鋼國際工程技術有限公司煉鐵專家張福明認為:新世紀初,當代高爐煉鐵技術面臨著資源短缺、能源供給不足和生態環境的制約,實現高爐煉鐵工藝的可持續發展,必須采用高風溫、高富氧大噴煤技術,降低燃料消耗和生產成本,這是當代高爐煉鐵技術發展的重要方向。

高風溫是綜合技術,是降低燃料比、提高噴煤量的重要技術保障。在當前條件下,利用低熱值高爐煤氣實現1250℃以上高風溫,是實現低品質能源高效利用和高效能源轉換最優化的技術措施。要系統解決高風溫的獲得、高溫熱風的穩定輸送和高效利用等關鍵技術問題,采用高效長壽熱風爐及高效格子磚,優化熱風爐操作,保障高溫熱風的穩定輸送,延長熱風爐壽命,使高溫熱風得到高效利用。到21世紀中期,當代高爐采用高風溫、高富氧大噴煤、精料、長壽、環境保護等綜合技術,進一步降低燃料比,具有廣闊的發展前景。

為了獲得高風溫關鍵是提高拱頂溫度和強化熱風爐的換熱過程,縮小拱頂溫度與送風溫度之間的差值。國內普遍采用三種流程獲得高風溫:熱風爐廢氣預熱流程、附加燃燒爐預熱流程和附加熱風爐預熱流程。中冶京誠有關專家認為:附加燃燒爐預熱流程和附加熱風爐預熱流程,雖然可以獲得比較令人滿意的風溫,但由于熱風爐熱效率較低,將導致能源消耗和CO2排放量的增加。因此建議采用熱風爐高溫廢氣預熱流程,將熱風爐燃燒末期的廢氣溫度提高到550℃,用板式換熱器對煤氣和助燃空氣進行預熱,以實現送風溫度達到1280±20℃的目標。同時,為保證高溫送風,我們必須充分認識管道盲板力的存在及其危害性,它是熱風出口或三岔口組合磚出現溫度過高甚至掉磚的最重要原因之一,可以通過設置端部波紋管補償器和相應的拉桿裝置的方法消除盲板力對于拉桿覆蓋范圍內的管道系統的影響,從而達到消除熱風主管堵頭、聯絡管上下端與主管連接處盲板力的影響。

攻玉喜有它山石

山西通才工貿有限公司副總經理兼煉鐵廠廠長武會卿在會上介紹:與山西通才1860m3高爐配套的豫興熱風爐于2012年7月13日點火送風投產,至今生產穩定順行,各項生產技術指標不斷提升,三個月達產,10月份高爐最高日產量達到4040t/d,10月份平均利用系數達到2.78t/(m3.d),燃料比508  kg/t,焦比357kg/t,焦丁比9kg/t,煤比142kg/t,風溫1307℃,達到了預期的設計水平。為充分發揮豫興頂燃式熱風爐的技術優勢,雙方不斷優化高爐操作,逐步提高風溫,終于在2012年10月實現月平均風溫1307℃,開創了中型高爐超高風溫生產實踐的新紀錄,達到了國內外同類型高爐高風溫操作的領先水平。

他們根據熱風爐燃燒、氣體流動、傳輸過程的理論研究,優化了熱風爐燃燒器、燃燒室,蓄熱室、爐體耐火材料內襯和管道結構設計,有效提高了熱風爐的加熱能力和工作效率,自主設計、研究開發了下列多項熱風爐高效長壽技術:

優化熱風爐拱頂和環形陶瓷器設計結構,將熱風爐拱頂和陶瓷燃燒器作為整體進行設計優化。采用自由膨脹的低應力設計體系,延長拱頂和陶瓷燃燒器使用壽命。對熱風爐的高溫、高壓管道進行了系統的設計優化,通過對管系受力計算,合理設置波紋補償器、拉桿和管道支架,實現了管道系統低應力設計,滿足了高溫熱風穩定輸送的要求。

為了有效抑制熱風爐爐殼晶間應力腐蝕,熱風爐高溫區爐殼和熱風管道內壁采取噴涂防酸涂料的綜合防護措施。優化了熱風管道的內襯設計結構,水平管道與垂直管道連接處采用各自獨立的組合磚結構,使兩者之間的熱膨脹不互相干繞,解決了孔口磚襯熱膨脹不均,造成管道竄風的技術難題,滿足了1350℃高風溫的送風要求。

這真是:它山之石,可以攻玉!類似豫興公司這樣的高風溫熱風爐技術一定會在國內發揚光大、不斷涌現。

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