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安全長壽爐底爐缸內襯及結構技術的應用

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安全長壽爐底爐缸內襯及結構技術的應用

趙永安1,左海濱2,3),張建良2,3),王 2,3),焦克新2,3),武會卿4),劉代文4)

1.河南五耐集團實業有限公司,河南 鞏義 451250;2.北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室,北京 100083;3.北京科技大學冶金與生態工程學院,北京 100083;4. 山西建邦集團,山西 侯馬,043000)

由于入爐原料品位的下降和不穩定性,嚴重影響到高爐的安全生產和長壽,僅僅靠提高炭磚和陶瓷杯材料的質量性能已不能滿足高爐長壽的需要。碳復合磚很好的結合了炭磚和陶瓷杯材料的優點,又同時克服了它們各自存在的不足,特別是很好的解決了炭磚的抗鐵溶蝕性、抗氧化性和抗鋅侵蝕性差的問題,成為高爐爐底爐缸內襯的換代產品,通過對結構的改進,形成了獨特的安全長壽爐底爐缸內襯及結構技術。該技術完全可以在不同容積高爐上使用,并且在低品位爐料、高強度冶煉、頻繁更換原燃料種類的惡劣條件下,確保爐底爐缸部位溫度梯度分布合理、熱流強度適宜,使冷卻系統充分發揮作用,從而保證爐底爐缸部位的安全,實現高爐操作安全、生產高效、健康長壽。

關鍵詞:高爐;安全長壽;碳復合磚  

Application of Hearth Lining Safety and Longevity Structure Technology

ZHAO Yong-an1, ZUO Hai-bin2,3), ZHANG Jian-liang2,3), WANG Cong2,3), JIAO Ke-xin2,3), WU Hui-Qing4), LIU Dai-Wen4)

(1. Henan Winna Industrial group Co. LId, Gongyi 451250, China;  2.State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;  3.School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;  4.ShanXi JianBang Group,HouMa,043000)

Abstract: Due to the decline and instability of raw material, seriously affected the safety and longevity of the blast furnace. However, improving the quality performance of carbon brick and ceramic cup material has been unable to meet the demands of blast furnace longevity. Composite carbon brick combined the advantages of carbon brick and ceramic cup and overcomed the disadvantages. Composite carbon brick solved the problem of iron corrosion resistance, oxidation resistance and anti corrosion of zinc for carbon brick for blast furnace hearth lining. As the improvement of the the structure, "application of hearth lining safety and longevity structure technology" was formed. The technology can also be used in middle and small blast furnace and high blast furnace. In the condition low grade burden and high smelting intensity, Composite carbon brick ensure the temperature gradient of hearth distributing reasonable and the cooling system fully playing its role. Then the security of the hearth is ensured, and the blast furnace can operate in the condition of safety and longevity.

Key words: blast furnace; safety and longevity; carbon composite brick

1引言

上世紀50年代以后,隨著一些新材料、新技術、新裝備在高爐上的應用,高爐壽命得到了較大的提高,影響高爐壽命的限制性環節集中在高爐的爐底爐缸部位。據不完全統計,國內在近幾年就有50多座大型高爐發生了燒穿事故,而且不少發生在爐役的初期,有的甚至開爐不到一年,事故的不可預知性成為生產中重大的安全隱患。目前,高爐入爐原料品位的不斷下降和不穩定性導致高爐內堿金屬、鋅等雜質成分大量富集,使爐缸環境更為惡劣,高品位礦已不能成為精料技術的核心,精料技術轉化為以爐料質量穩定為核心更是說明了這一問題[1]。高強度的冶煉和原料質量的變化使爐缸部位傳統的內襯材料難以適應,根據爐缸的工作環境,我們總結這一區域的材料需具備的基本性能如下:(1)較好的導熱性能;(2)優良的抗鐵水溶蝕性;(3)優良的抗堿性;(4)優良的抗渣性能;(5)較好的抗鋅侵蝕性;(6)較好的抗氧化性;[2-6]

2傳統爐底爐缸材料的性能分析

目前傳統的爐底爐缸材料主要是各類炭磚及陶瓷杯材料,根據國內外市場上這兩類材料的性能指標,對照前言所述在爐缸區域內襯材料需具備的6項基本性能表明:各類炭磚普遍具備了其中的3項,即:(1)較好的導熱性能;(2)優良的抗渣性能;(3)優良的抗堿性。炭磚在爐缸內遲早是要接觸鐵水,但其抗鐵水溶蝕性與陶瓷杯相比較是非常差,一些高爐發生的老鼠洞形式的燒穿就是因為炭磚在局部失去粘滯層的隔離保護后直接接觸鐵水而造成的,同時在風口套下方的炭磚會因為風口套漏水而受到氧化,其抗氧化性又是其致命的弱點,因此炭磚在爐缸的使用雖然可以發揮冷卻系統的作用,但其仍然存在嚴重的不足和安全隱患。[7-10]

陶瓷杯材料具備了上述性能中的3項,即優良的抗鐵水溶蝕性、優良的抗堿性和較好的抗氧化性,但其較低的導熱性又限制了冷卻系統作用的發揮。因此這兩類材料均不能完全適應這一區域工作的需要。隨著冶煉條件和原料質量的變化,需要一種綜合性能優異的材料進行更新換代,以提高高爐下部的操作安全性和長壽性。[11-14]

3碳復合磚的性能和結構方案

3.1 碳復合磚的性能分析

根據以上條件的分析,為滿足爐缸區域內襯材料的基本性能,綜合了優良炭磚和陶瓷杯材料的優點,在微孔剛玉陶瓷杯中引入炭進行了試驗,得到了一種綜合了炭磚和陶瓷杯材料優良性能的材料碳復合磚,其主要性能指標與國內外優質炭磚及陶瓷杯性能的比較見表1


1 碳復合磚與國內外優質炭磚及陶瓷杯性能的比較

Table 1 Comparison of carbon composite brick with domestic and international high-quality carbon brick and ceramic cup

  

單位

碳復合磚

    

陶瓷杯

日本BC-7S

法國

AM-102

美國

NMA

德國

7RDN

國產超微孔炭磚

法國棕剛玉澆注塊

剛玉

莫來石

復合

棕剛玉

微孔剛玉

體積密度

g/cm3

2.98

1.58

1.56

1.62

1.77

1.69

3.29

2.86

3.02

3.32

顯氣孔率

%

10.96

13.99

17

18.86

15.05

17.29

10

18

13

9.7

透氣度

mDa

0-0.63

5.98

0.28

4.44

0.99

0.49

6.08

119

435

0.22

氧化率

%

0-0.9

2.49

8.09

18.06

5.27

5.6

0

0

0

--

鐵水溶蝕指數

%

0.31

15.79

13.46

28.18

19.42

26.77

0

0.54

0

0--0.78

抗渣侵蝕性

%

2.8

--

--

--

--

--

23.08

57

100

6.84

平均孔徑

μm

0.238

0.234

0.109

1.083

0.121

0.1

0.175

--

--

0.125

<1μm孔容積

%

80.44

76.33

78.67

53.4

76.08

82.51

95.33

--

--

83.24

室溫

W/m·K

17.34

7.55

8.85

4.96

12

20.22

6.35

4.16

--

5.91

300

16.21

11.3

11.8

11.3

18.95

22.06

4.93

4.48

5.03

4.53

600

14.27

12.4

14

16.1

20.42

24.07

5.42

4.46

--

4.09

800

13.78

12.4

15

16.6

19.49

22.93

4.61

5.08

--

--

 

原耐壓強度

MPa

76

46.58

29.41

29.93

44.25

45.28

66.08

105

98.41

159.3

后耐壓強度

MPa

79.93

51.13

37.1

32.15

58.6

54.16

67.05

35.8

6.55

200.56

強度變化率

%

5.2

9.77

26

7.4

33.77

19.61

2.38

—66

—93

21.24

體積膨脹率

%

2.92

6.32

3.23

2.84

1.66

3.32

5.84

17

31.86

2.14



從表1中可以看出碳復合磚很好的結合了炭磚和陶瓷杯材料的優點又同時克服了它們各自存在的不足,特別是很好的解決了炭磚的抗鐵溶蝕性、抗氧化性和抗鋅侵蝕性差的問題,成為高爐爐底爐缸內襯的換代產品,并完全滿足了所述爐缸區域內襯材料的基本性能要求,同時其導熱性從低溫到高溫呈下降的特性比炭磚材料更符合爐底爐缸內襯設計的原則。

2.2結構方案設計

針對傳統爐底爐缸結構設計存在的問題,結合碳復合磚的性能,提出新的設計方案。圖1為新設計方案的示意圖,爐缸部位全部應用碳復合磚,爐底上部應用碳復合磚,下部應用高導熱炭磚。

            

    圖1 爐底爐缸優化設計方案                                                 2   設計方案溫度場分布

Fig. 1 design scheme of BF hearth lining                  Fig. 2 design scheme of temperature distribution

在該技術方案中,以上幾個問題均得到了解決:

1)爐底爐缸內襯的導熱系數從冷面到熱面是一個降低的趨勢,這一趨勢符合冷卻系統設計的需要,也符合高爐爐底爐缸內襯設計的原則;

2)用碳復合磚作為爐缸材料,由于其含有一定的炭成分,其熱膨脹系數比陶瓷杯材料大大降低,且是一種材料結構,可以避免風口上翹、爐殼開裂的現象;

3)由于碳復合磚具有較好的導熱性,同時既有陶瓷結合又有碳結合,因此極易在工作面形成渣鐵殼保護層,渣鐵殼保護是形成永久型爐底爐缸結構的重要條件,也符合武鋼宋木森高工永久型爐襯的理論[15]。即使在異常情況下即使暫時失去了保護層的保護,碳復合磚優良的抗鐵溶蝕性又可為再次形成保護層贏得時間。

5)爐底碳復合磚的應用,把1150℃等溫線和800℃等溫線完全控制在碳復合磚層內(見圖2),即使將來爐底有所侵蝕,也不會侵蝕到炭磚,也就是說在整個爐役內炭磚是不接觸鐵水的,也就避免了炭磚抗鐵溶蝕性差的問題。

4安全長壽爐底爐缸內襯及結構技術的應用

該技術已應用于山西通才、山西高義、山西新金山、邯鄲縱橫、俄羅斯等20余座高爐,取得了極好的使用效果。

4.1 安全長壽爐底爐缸內襯及結構技術在小高爐的應用情況

4.1.1 山西通才410m3高爐應用情況

2007年在山西通才2#高爐設計方案中采用了此安全長壽技術。在該設計方案中,爐底采用了4層微孔模壓炭磚和兩層碳復合磚陶瓷墊,爐缸則取消了炭磚而全部采用碳復合磚,風口和鐵口也采用了碳復合磚,具體設計方案見下圖。

山西通才2#高爐下部設計方案

Fig. 3 design scheme of 2#BF hearth in Shanxi Tongcai

該高爐投產后,生產指標一直良好,與該廠另一座未應用此安全長壽技術的1號高爐比較,2號高爐焦比、焦丁比、煤比均低于1號高爐,具體生產指標見表2。該安全長壽技術所采用的碳復合磚具有較高的導熱系數,并且導熱系數從冷面到熱面呈降低的趨勢,符合爐底爐缸傳熱原理,這種特性保證了高爐爐缸部位冷卻系統的穩定,也間接提高了爐缸部位的壽命,其冷卻系統參數見表3





2 通才1#高爐和2#高爐1~5月平均生產指標

Table 2 average production index of 1#BF and 2#BF from January to May

類別

名稱

單位

1#

2#

爐容

爐容大小

m3

318

410

時間

投產時間

time

2009.05

2007.12

生產指標

日產量

t

1250

1550

利用系數

t/m3.d

3.93

3.78

焦比

kg/t

378

374

焦丁比

kg/t

25

21

煤比

kg/t

160

155

燃料比

kg/t

563

550


3 通才2#高爐爐底爐缸部位冷卻參數 

Table 3 The average cooling parameters of 2#BF in Tongcai 

位置

冷卻壁材質

水管布置方式

每塊冷卻壁

面積/m2

冷卻壁

水管數

水管尺寸

(內徑)/mm

水量/m3/h

水速/m/s

一段

鑄鐵

直管

1.32

4

37

12.3

3.3

二段

鑄鐵

直管

1.722

4

37

12.3

3.3

三段

鑄鐵

直管

1.558

4

37

12.3

3.3


從圖4和圖5可以看出,自通才2#高爐投產以來,利用系數逐年上升,并處于較高水平,與之相反的是原料入爐品位卻一直處于較低水平。近幾年來,受原燃料價格波動影響,通才頻繁更換原燃料種類,但冶煉強度依然不變,這對高爐爐底爐缸部位的安全性有很大的影響。在這種惡劣的外界條件下,采用炭磚+陶瓷杯結構的1號高爐投產兩年半時爐缸部位侵蝕嚴重,而采用此安全長壽技術的2號高爐因為碳復合磚良好的導熱性和抗侵蝕性,保證了其安全正常生產,節約了經濟成本。 

4 通才2#高爐2008~2014年利用系數                                5 通才2#高爐2008~2014年入爐品位

Fig.4 utilization coefficient of 2#BF in Tongcai    Fig.5 raw material quality of 2# BF in Tongcai

通才2#高爐在運行7年后對爐身上部進行了維修,在此過程中對高爐的下部進行了檢查。發現在爐缸內形成了約250mm厚較穩定的渣鐵保護層,僅在鐵口部位有輕微侵蝕見下圖,其余風口及以下部位幾乎沒有侵蝕,沒有出現爐缸象腳狀蝕損,也沒有出現風口上翹、爐殼開裂等現象(見圖67

 圖鐵口部位有輕微侵蝕                                            爐缸部位幾乎沒有侵蝕  

    Fig.6 iron mouth parts with slight erosion                Fig.7 hearth almost no erosion

4.1.2河北縱橫450m3高爐應用情況

河北縱橫4座高爐爐容均為450m3,從表4中可以看出,2#采用的是碳復合磚+陶瓷杯的結構,3#高爐采用的是全碳復合磚結構,采用炭磚+陶瓷杯結構的4#高爐也正在準備大修用碳復合磚。目前, 2#3#高爐運行正常,4#高爐也在2014年的擴容改造中選用碳復合磚方案,說明碳復合磚在縱橫已成為高爐爐底爐缸內襯的換代產品。

4 縱橫4座高爐結構基本情況

Table 4 The basic situation of four blast furnaces in Zhongheng

爐號 

爐容m3

爐缸結構 

開爐時間 

目前狀況 

1 

450 

炭磚+陶瓷杯 

2013.05 

正常 

2 

450 

碳復合磚+陶瓷杯 

2012.12 

正常 

3 

450 

全碳復合磚 

2012.11 

正常 

4 

580 

炭磚+陶瓷杯 

2012.01 

準備大修用全碳復合 


8、圖9分別對比了四座高爐的平均利用系數和平均燃料比,從圖中可以看出,采用碳復合磚的2#3#高爐的利用系數高于其他兩座座高爐,并且平均燃料比也低于1#4#高爐的平均燃料比。這說明在較高的利用系數下,采用此安全長壽技術的高爐運行穩定,未出現燃料升高的情況。表5列舉了河北縱橫3#高爐的冷卻參數,根據傳熱學可以計算出爐底爐缸1~3段熱流強度,分別為3.39 kW/m27.91 kW/m26.57 kW/m2從計算結果來看,各段的熱流強度均在合理值范圍內,這說明應用此安全長壽技術的爐底爐缸傳熱狀況良好,保證了爐底爐缸部位的安全。 

                                                     圖8 河北縱橫4座6月份高爐平均利用系數                                 河北縱橫4座高爐6月份平均燃料比

Fig.8 The average utilization coefficient of blast furnaces      Fig.9 The average fuel ratio of blast furnaces

5 河北縱橫3號高爐冷卻參數

Table 5 The average cooling parameters of 3#BF in ZhonghengHebei

位置

冷卻壁材質

每塊冷卻壁

面積

冷卻壁

塊數

冷卻壁

水管數

水管尺寸

(內徑)/mm

水速/m/s

溫差/

熱流強度

/kW/m2

一段

鑄鐵

1.191

24

4

32

3.6

0.3

3.39

二段

鑄鐵

1.191

24

4

32

3.7

0.7

7.91

三段

鑄鐵

2.46

26

4

32

4.3

1.2

6.57


該技術不僅在中小高爐的應用中取得很好的效果,而且成功地應用在大高爐上。山西通才
1860m3高爐采用了安全長壽爐底爐缸內襯及結構技術,于20127月投產。該高爐在低品位礦石、頻繁更換原燃料、高強度冶煉等復雜惡劣的環境下,高爐依然穩定運行,生產指標良好,具體生產指標見表6 在惡劣的原燃料條件下保持高強度冶煉,爐底爐缸冷卻系統的穩定運行成為爐底爐缸安全的保證,投產近兩年,冷卻系統一直穩定運行,具體參數見表84.2安全長壽爐底爐缸內襯及結構技術在大高爐的應用情況

表6 通才1860m3高爐1~5月平均生產指標

Table 6 average production index of 1860m3 BF from January to May

類別

名稱

單位

3#

爐容

爐容大小

m3

1860

時間

投產時間

time

2012.07

生產指標

日產量

t

4150

 

利用系數

t/m3·d

3.19

 

焦比

kg/t

325

 

焦丁比

kg/t

23

 

煤比

kg/t

170

 

燃料比

kg/t

518


7 通才1860m3高爐爐底爐缸部位冷卻參數 

Table 7 The average cooling parameters of 1860m3 BF in Tongcai

位置

冷卻壁材質

水管布置方式

每塊冷卻壁面積

冷卻壁

塊數

冷卻壁

水管數

水管尺寸

(內徑)/mm

水量/m3/h

/m/s

一段

耐熱

鑄鐵

直管

1.8

24

4

58

25

2.3

二段

鑄鋼

直管

2.7

24

4

58

25

2.3

三段

鑄鋼

直管

2.1

26

4

58

25

2.3


通才1860m3高爐爐底爐缸安裝有熱電偶測溫裝置,自投產以來爐底爐缸部位溫度運行平穩,表8中列出了爐底爐缸部位距冷卻壁100mm處和距冷卻壁200mm處的平均溫度。從表中可以看出,爐底爐缸各點溫度正常,溫度梯度分布合理,證明該技術確保了通才大高爐爐底爐缸的穩定,從而確保了高爐的安全長壽。綜合各項指標和數據,說明此安全長壽技術已成功應用在大高爐上,并且取得非常不錯的效果,證明該技術完全可以向大高爐推廣。 

8 通才1860m3高爐爐底爐缸部位冷卻參數

Table 8 The average cooling parameters of 1860m3 BF in Tongcai

測溫點

4層爐底

6.398m

5層爐底

6.799m

6層爐底

7.2m

爐缸

7.6m

爐缸

8.0m

爐缸

8.4m

爐缸

8.8m

距外表面100mm

95.5

115.4

124.3

130.0

162.2

178.3

179.5

距外表面200mm

106.4

130.0

151.8

162.8

183.5

214.0

215.5


綜上所述,安全長壽爐底爐缸內襯及結構技術完全可以應用在中小高爐和大高爐上,并且在低品位爐料、高強度冶煉、頻繁更換原燃料種類的惡劣條件下,確保爐底爐缸部位溫度梯度分布合理、熱流強度適宜,使冷卻系統充分發揮作用,從而保證爐底爐缸部位的安全,也間接地保證了高爐運行穩定,生產指標合格。 

5結論

1)炭磚和陶瓷杯材料均不能完全適應現代高爐爐底爐缸的需要,隨著冶煉條件和原料質量的變化,需要一種綜合性能優異的材料進行更新換代,以提高高爐下部的操作安全性和長壽性。

2)通過在國內20余座高爐的使用表明,碳復合磚解決了炭磚的抗鐵溶蝕性、抗氧化性和抗鋅侵蝕性差的問題,并且具備很好的自護爐機制,能夠形成穩定的保護層體系,避免磚襯與鐵水的直接接觸,保證爐缸結構穩定,成為高爐爐底爐缸內襯的換代產品。其配套的安全長壽爐底爐缸內襯及結構技術更符合爐缸傳熱原則,并避免了風口上翹、爐殼開裂,把1150℃等溫線和800℃等溫線完全控制在碳復合磚層內。

3)通過在國內20余座高爐的使用表明,該技術完全可以滿足不同容積高爐的使用,并且在低品位爐料、高強度冶煉、頻繁更換原燃料種類的惡劣條件下,確保爐底爐缸部位溫度梯度分布合理、熱流強度適宜,使冷卻系統充分發揮作用,從而保證爐底爐缸部位的安全,實現高爐操作安全、生產高效、健康長壽。


參考文獻

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