王永強,武曉陽,譚亞韡,閆 飛,張文祥,張仕駿
(河鋼集團唐山鋼鐵集團有限責(zé)任公司,河北 063000)
[摘 要] 提高高爐鐵鉤的使用壽命有利于煉鐵廠的生產(chǎn)穩(wěn)定性,同時也可以降低耐火材料消耗。唐鋼自2020年退城搬遷至唐山樂亭后,高爐主鐵溝通鐵量一直處于較低水平,其中 2020年下半年高爐主鐵溝的平均通鐵量僅為 7 萬噸,不利于生產(chǎn)的穩(wěn)定。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),影響唐鋼新區(qū)高爐主鐵鉤壽命的原因主要為主鐵溝溝型不合理、休風(fēng)復(fù)風(fēng)作業(yè)無標(biāo)準(zhǔn)。本文針對上述影響因素分別制定了改進(jìn)措施,通過主鐵溝耐火材料局部加強、規(guī)范高爐休風(fēng)復(fù)風(fēng)作業(yè)等改進(jìn)措施的實施,在 2021年第 4季度高爐主鐵溝平均通鐵量達(dá)到 13.32萬噸,較投產(chǎn)初期提升超過 90%。
[關(guān)鍵詞] 高爐鐵溝;通鐵量;耐材壽命;成本
0引言
高爐鐵溝分為主鐵溝、支鐵溝和渣溝,是高爐渣鐵排放的通道,它作為高爐煉鐵生產(chǎn)工序中的一個極為重要的環(huán)節(jié),是必不可少[1]。在所有鐵溝中,最重要的是主鐵溝,熔融鐵水和鐵渣從出鐵口流出后排入主鐵溝,當(dāng)鐵水和熔渣的混合物達(dá)到主鐵水溝末端時,由于鐵水與鐵渣密度不同且互不相溶,自然分為兩層,上層為鐵渣、下層為鐵水,上層鐵渣經(jīng)撇渣器阻擋進(jìn)入渣溝,下層鐵水經(jīng)撇渣器下方通道流入支鐵溝,主鐵溝的主要作用就是實現(xiàn)渣鐵分離[2]。主鐵溝主要由支撐結(jié)構(gòu)與耐火材料內(nèi)襯組成,實際生產(chǎn)中主鐵溝的使用環(huán)境極度惡劣,主要受到高溫液態(tài)鐵渣的侵蝕和鐵水的沖刷。主鐵溝的耐火材料內(nèi)襯一般采用剛玉、碳化硅、石墨、有機纖維及水泥等組成的不定型澆注料,施工時采用一次性澆筑成型。而主鐵溝的通鐵量和使用壽命直接影響著高爐生產(chǎn)的作業(yè)率、耐火材料消耗和生產(chǎn)成本,因此提高主鐵溝通鐵量和使用壽命是煉鐵工作者重要的研究內(nèi)容之一。
唐鋼新區(qū)煉鐵事業(yè)部目前建成 3 座 2922m3高爐,均為 4 出鐵口設(shè)計,耐火材料的使用為供應(yīng)商整體承包模式,采用噸鐵結(jié)算。自退城搬遷投產(chǎn)后,唐鋼新區(qū)主鐵溝通鐵量整體偏低,2020年下半年主鐵溝通鐵量僅為 7萬噸左右,遠(yuǎn)低于行業(yè)平均水平。本文針唐鋼新區(qū)高爐主鐵溝通鐵量整體偏低的原因進(jìn)行了分析,制定了改進(jìn)措施,并對改進(jìn)措施實施效果進(jìn)行了總結(jié)。
1 主鐵溝耐材侵蝕機理
1.1 沖刷侵蝕
高爐出鐵口至主鐵溝落鐵點高度落差一般為150~300mm之間,及特殊情況可以達(dá)到350mm,鐵水從出鐵口噴出前具有較大的動能和勢能,噴射至落鐵點,對鐵溝耐火材料造成直接沖擊。根據(jù)孫長余的模擬結(jié)果[3],貯鐵式主鐵溝落鐵點受沖擊較輕,但其側(cè)壁的耐火材料受到的沖擊很嚴(yán)重;對于非貯鐵式主鐵溝,其落鐵點沖擊侵蝕較為嚴(yán)重,側(cè)壁基本不受沖擊。
1.2 熔渣侵蝕
高爐熔渣具有復(fù)雜的化學(xué)組成,其主要成分為 CaO、SiO2、MgO、Al2O3,另 外 含 有 少 量 的 S 和 FeO。熔渣溫度一般超過 1400℃,在高溫情況下, 其中的 CaO 等組分易與主鐵溝料中的酸性氧化物 如 SiO2 形成鈣黃長石等低熔物,而主鐵溝料中的 A12O3則與渣中的 CaO、MgO、FeO 形成結(jié)構(gòu)疏松的復(fù)合尖晶石結(jié)構(gòu)低熔點物質(zhì)[4],在熔渣的滲透和耐火材料剝落的作用下,會加速造成主鐵溝渣線部位工作襯的侵蝕。
1.3 熱震作用
主鐵溝在高爐休風(fēng)時,溫度較出鐵過程降低約1500℃,巨大的溫差造成了耐火材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力,隨著熱應(yīng)力的釋放,主鐵溝耐火材料會產(chǎn)生裂紋,耐火材料強度變低。主鐵溝在高爐復(fù)風(fēng)使用時,還要經(jīng)受鐵水的機械沖刷以及熔渣的化學(xué)侵蝕,造成熔渣侵入耐火材料裂縫,致使耐火材料剝落,加速了鐵溝耐火材料的侵蝕。
2 主鐵溝下線原因分析
跟蹤高爐主鐵溝下線情況,唐鋼新區(qū) 2021 年上半年主鐵溝下線原因及數(shù)量如圖1所示。
由圖 1可以看出,2021年上半年唐鋼新區(qū)高爐主鐵溝共計下線 32條,下線按照落鐵點附近薄、工作層裂紋、高爐休風(fēng)、耐材剝落、撇渣器侵蝕 5種原因進(jìn)行分類,其中落鐵點附近侵蝕、工作層裂紋、耐材剝落與高爐休風(fēng)為主要下線原因,共計占比96.88%。
2.1 主鐵溝溝型設(shè)計影響
主鐵溝下線后,落鐵點附近耐火材料殘厚不足在上述統(tǒng)計中占比34.38%,通過同等鋼鐵企業(yè)間對標(biāo),發(fā)現(xiàn)此類下線原因與唐鋼新區(qū)高爐出鐵場出鐵口至落鐵點的落差相關(guān)性較大,唐鋼新區(qū)落差達(dá)到了 350mm,遠(yuǎn)超同類型高爐的鋼鐵企業(yè),但主鐵溝溝型在設(shè)計方面未考慮到鐵水沖擊力過大的因素。
2.2 高爐休風(fēng)復(fù)風(fēng)作業(yè)影響
唐鋼新區(qū)投產(chǎn)初期,由于鋼區(qū)設(shè)備熱試調(diào)試, 轉(zhuǎn)爐的頻繁啟停,造成鐵-鋼不平衡,高爐壓鐵嚴(yán)重,致使高爐多次休風(fēng)。高爐復(fù)風(fēng)時的冷熱溫差造成主鐵溝耐火材料產(chǎn)生裂紋或剝落;同時高爐復(fù)風(fēng)時鐵口變化會造成出鐵流偏,沖擊非落鐵點部位耐火材料,造成主鐵溝侵蝕速率加快;另外休風(fēng)后測量主鐵溝耐火材料殘厚數(shù)據(jù),殘厚數(shù)據(jù)雖然滿足安全要求,但不滿足重新上線殘厚要求,同樣也會影 響主鐵溝的通鐵量。
3 改進(jìn)措施與實施
3.1 主鐵溝溝型更改
優(yōu)化主鐵溝溝型設(shè)計,針對易侵蝕點局部加強,以提高主鐵溝的一次通鐵量。將主鐵溝側(cè)壁耐火材料的工作層厚度增加 50mm,實施方案為主鐵溝的模具寬度由 1050mm 縮減至 950mm,并計算主鐵溝變窄后是否滿足高爐出鐵的要求。
主鐵溝流量計算:依據(jù)高爐主鐵溝內(nèi)渣中帶鐵率與鐵水流速的經(jīng)驗式:
式中:Y—渣中帶鐵量占出鐵量的百分比,即渣中帶鐵率,%。
v—鐵水在主溝中的流速,m/min。
在實際生產(chǎn)中,為保證高爐出鐵效率的最大化,渣中帶鐵率Y通常要求小于0.1%。
依據(jù)經(jīng)驗式
式中:S—主溝斷面積,m2。
K—單次出鐵量的不均勻系數(shù),0.7≤K≤1.3。
P—單次平均出鐵量,t/次。
T—單次出鐵時間,min。
y—鐵水密度,7.0t/m3。
v—鐵水在主溝中的流速,m/min。
按日產(chǎn)量8500t,日均出鐵12次,單次出鐵時間120min,對主溝最小斷面積進(jìn)行計算,結(jié)果如表 1所示。
依據(jù)經(jīng)驗公式(
2),在滿足高爐生產(chǎn)要求與主
鐵溝鐵水最大流速時,試驗主鐵溝最小斷面積應(yīng)滿
試驗?zāi)>咧鳒蠑嗝娣e為0.94 m2,滿足生產(chǎn)要求。經(jīng)過上述計算,將主鐵溝模具寬度由 1050mm 縮減至950mm可行。
3.2 規(guī)范休風(fēng)復(fù)風(fēng)作業(yè)
高爐休風(fēng)再復(fù)風(fēng)后會造成出鐵過程的流速、落鐵點等參數(shù)發(fā)生變化,這是由于高爐的休風(fēng)導(dǎo)致高爐出鐵口發(fā)生變化,爐缸積滯造成鐵水環(huán)流。由于上述變化會造成主鐵溝的異常侵蝕、降低主鐵溝壽命,因此提出了休復(fù)風(fēng)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的概念。
(1)休風(fēng)料應(yīng)該控制到高爐爐腰的中下沿位置,適當(dāng)減輕焦炭負(fù)荷,定期分批加入少量的凈焦。休風(fēng)時還需調(diào)整爐渣及鐵水成分,減少渣量,以確保渣鐵流動性,即:根據(jù)爐內(nèi)情況,以球團代替硅石,同時加入適量錳礦。
(2)為避免高爐復(fù)風(fēng)后爐內(nèi)溫度上升過快,提高加風(fēng)作業(yè)的效率,休風(fēng)前應(yīng)適當(dāng)?shù)南陆等剂媳龋蒿L(fēng)前4h內(nèi)適度下調(diào)8~15kg/t。
(3)高爐休風(fēng)減風(fēng)過程前期快,而后期要慢,保 證渣鐵出凈。
(4)休 風(fēng) 前 尾 次 鐵 應(yīng) 保 證 物 理 熱 在1480~ 1500℃之間,[Si]含量控制在 0.4~0.6% 之間,休風(fēng)期間要保證高爐爐缸的保溫,休風(fēng)后立即停止噴煤冷風(fēng)和靜壓氮氣,并逐漸降低冷卻水水量。
(5)復(fù)風(fēng)后首次出鐵應(yīng)避免流偏和流速變化,要將爐內(nèi)低溫渣鐵穩(wěn)定排出,這就需要保證首次出鐵時的鐵口的形狀和直徑大小,處理鐵口時先用大鉆頭將鐵口打大、打薄,再用氧氣燒開鐵口。根據(jù)爐外渣鐵排放決定加風(fēng)進(jìn)度,復(fù)風(fēng) 4~6h內(nèi)風(fēng)量逐步恢復(fù)至正常風(fēng)量的80~90%[5]。
4 措施實施效果
隨著上述措施的逐步落地,2021年7月至12月間唐鋼新區(qū)高爐主鐵溝平均通鐵量逐步增加,通鐵量由 2020年下半年平均 7萬噸提升至 2021年下半 年平均12.3萬噸,其中2021年第4季度高爐主鐵溝平均通鐵量完成13.32 萬噸,高爐主鐵溝通鐵量提升超過了 90%。2021 年下半年主鐵溝平均通鐵量如圖2所示。
5 結(jié)語
通過對唐鋼新區(qū)高爐主鐵溝通鐵量整體偏低原因的分析,結(jié)合現(xiàn)場跟蹤調(diào)查實際,發(fā)現(xiàn)影響新區(qū)高爐主鐵鉤壽命的主要原因是主鐵溝溝型不合理、高爐休風(fēng)復(fù)風(fēng)作業(yè)無標(biāo)準(zhǔn)。通過提高主鐵溝通鐵量和壽命技術(shù)攻關(guān)措施的實施,高爐主鐵鉤通鐵量較攻關(guān)前提升約 90%。并為以后處理類似問題積累了寶貴經(jīng)驗。
(1)優(yōu)化高爐主鐵溝設(shè)計可以適當(dāng)彌補出鐵口至落鐵點落差大的先天缺陷,應(yīng)根據(jù)主鐵溝類型判斷需要加強部位,即:貯鐵式主鐵溝加強落鐵點溝壁部位,非貯鐵式主鐵溝加強落鐵沖擊點位置。
(2)合理的高爐休風(fēng)復(fù)風(fēng)作業(yè)制度,有助于降低熱震應(yīng)力對主鐵溝造成的影響,提高主鐵溝通鐵量。
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