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热风炉技术

节能减排、降本增效,离不开高炉长寿与高风温操作

发布时间:2018-08-02点击量:94

 

 

我国高炉炼铁生产技术虽然取得了明显的进步,但钢铁企业高炉长寿和生产安全方面的问题日益突出。今年以来,据不完全统计,我国有10座高炉炉缸出现问题,以致烧穿;国外近年也有10余座高炉(炉缸直径大于9米)出现炉缸问题,经济损失巨大。此外,我国钢铁企业炼铁风温与能效水平与国际先进水平仍有一定差距,企业之间热风温度差距较大,使能源利用效率降低,影响了我国炼铁工序能耗和成本的降低。

因此,如何从设计、关键设备与材料选择、施工和操作维护等方面系统总结国内外高炉长寿技术和高风温热风炉技术的成功经验,分析研究高炉长寿技术和高风温热风炉技术应解决的突出问题与发展趋势,特别是高炉炉缸炉底的损坏机理分析、长寿炉缸炉底结构设计、长寿关键要素的分析和对策、热风炉实现高风温的方法及其关键技术等,从而促进我国高炉长寿技术和高风温热风炉设计、生产最佳技术实践的发展和推广应用,这对促进我国炼铁实现高效安全、低碳环保、降本增效,具有非常重要的现实意义。

为此,中国金属学会和炼铁分会于2012年11月21日~23日在北京联合召开了“高炉长寿技术和高风温热风炉技术研讨会”。来自全国炼铁界的二百多位代表出席了会议。

深入了解炉内现象 探索高炉炉缸长寿秘方

中冶赛迪工程技术股份有限公司炼铁专家项钟庸认为:高炉长寿是分别从炉体结构、材料、设备、管理、操作方面综合采取措施的。提高炉底炭砖致密程度-高导热性、提高炉身冷却壁的冷却能力、控制炉缸侧壁和炉底的冷却、强化侧壁温度管理、改善炉料分布等才能达到延长高炉的寿命。

高炉炉底、炉缸的侵蚀可分为三种类型:蘑菇状侵蚀、象脚侵蚀和锅底状侵蚀。一般希望呈锅底状侵蚀以避免炉缸侧壁的损坏,由于生产条件的变化,最近出现了宽脸状侵蚀,虽然底部呈锅底状向炉底下部侵蚀,可是仍然不能避免向侧壁侵蚀的趋势,已经引起炼铁界的重视。

为了防止炉缸事故以及采取最佳的综合措施,力求提高操作技术,保护炉缸侧壁的护炉、防止铁水环流对侧壁的冲刷,防止未还原的炉料进入炉缸、防止不饱和碳素的铁水与炭砖接触、结合铁口使用方法和冷却强度保持炉缸部位的粘滞层,极力抑止炉缸部位炭砖的侵蚀,这是炼铁企业必须重视和做到的重要环节。

炼铁科技工作者用示踪原子对炉缸内铁水流动状态进行研究分析,发现炉内渣铁的不均匀流动的原因是死料堆内存在妨碍铁水流动的区域。因此,他们在生产试验和解剖调查的基础上,进行缩小尺寸模型的补充试验,研究铁水流动、死料堆底面变化和死料堆内焦炭的更新等,并在此基础上,建立了炉内铁水流动的数学模型,其研究结果对于出台预防炉缸事故的措施大有裨益。项钟庸认为,只有深入研究了炉内现象,才能更好地找到解决高炉炉缸长寿的有效方法。

炉底寿命有突破 炉缸长寿耐材质量关键

高炉冶炼的强化程度对于炉缸寿命的影响是不容忽视的。因为炉缸内的铁水都要通过铁口流出,它都要冲刷铁口附近的耐火材料。为了衡量高炉冶炼强化程度对于炉缸寿命的影响,通常以铁口的出铁强度(一个铁口每天的平均出铁数量,吨/天)这一指标来衡量。

30年前,我国高炉的平均利用系数不过1.5t/m3·d左右,铁口的出铁强度一般<1500t/d,尽管炉缸砌筑所使用的材料是导热率仅有4~6w/m﹒℃的半石墨砖,炉缸冷却也远不如现在完善,但炉缸寿命仍可以达到~8年。直至目前,由于高炉利用系数不断提高,相应的出铁强度达到了2000~3000t/d(个别高炉已经达到了4000 t/d),这样,虽然砌筑炉缸用耐火材料和冷却系统都得到了很大的改善,但不少高炉的炉缸寿命仍然威胁着高炉的正常生产。这一事实说明随着高炉出铁强度的提高,对于炉缸寿命的影响是极其不利的。

自从微孔和超微孔炭砖问世之后,炉缸炭砖的导热率、微孔指标以及机械强度都有很大的提高,大幅度减小了炭砖冷热面温差引起的温度应力和炉缸的化学侵蚀,炭砖的环裂问题基本上得到了解决。炉底采用水冷和使用较高导热率炭砖的前提下,侵蚀形状不再是“锅底型”,而是“象脚型”,这说明炉底寿命也已经得到了解决。

中冶京诚工程技术有限公司炼铁专家吴启常教授认为,下一步的工作重点将是高冶炼强度操作条件下的高炉炉缸侧壁的长寿问题。炉缸长寿的关键在于耐火材料质量的突破。

国内外高炉生产实践表明:在炉缸侧壁“象脚型”侵蚀区域采用高导热率的炭砖和良好的冷却所建立的传热模型,对于形成凝固层的合理性是毋容置疑的,但是仅仅依靠它来实现炉缸长寿是远远不够的,还必须使用具有抗铁水溶蚀指数良好的耐火材料才有可能达到目的。因此,为了实现高效操作条件下的炉缸长寿,吴启常指出应该建立如下模式的炉缸结构:合理的传热模型+良好的微孔结构和抗铁水熔蚀功能。

从延长炉缸侧壁“象脚型”侵蚀区域寿命的角度出发,理想的耐火材料应同时具备如下性能:

一是导热率和微孔指标达到当前微孔或超微孔炭砖的水平;二是抗铁水溶蚀指数达到陶瓷杯材料的水平。近年来发表的研究成果表明,将炉缸砌筑材料性能从传统的水平提高到上述理想水平是可能的。其途径有二:

一是在炭基材料的基础上加入金属铝粉,在高温焙烧条件下形成碳化铝(Al3C4),可以大幅度提高炭砖的抗铁水熔蚀和冲刷能力。德国SGL公司走的就是这条路。他们生产的9RD—N超微孔炭砖,铁水熔蚀指数达到了很低的水平。全球出铁强度最高(>4000t/d)的沙钢5800m3炉缸侧壁所使用的就是这种炭砖;

另一是在Al2O3基材料的基础上,加入C、Si和其它金属粉末,使之在高温焙烧条件下形成金属碳化物,其产品不仅具有较高导热率和较好的微孔指标,而且也具有良好的抗铁水熔蚀指数,河南五耐、安耐克以及其它耐火材料企业正在走这条路。

上述两条途径的共同特点是在生产配料中加入更多种类的金属粉末(例如硅、铝或其它金属),通过强化焙烧,在维持良好的导热率和微孔指标的基础上,进一步改善了材料的抗铁水熔蚀性能。这些产品正在接受高炉生产的考验中;北京瑞尔非金属材料公司则提出了双向错台陶瓷垫和炉缸侧壁隔热夹层的使用技术方案,为实现高炉炉缸长寿进行新的尝试。

吴启常建议:有关领导部门尽快组织力量对行业标准(YB/T141-1998)进行完善和修改。调整微孔或超微孔砖的导热率、微孔指标以及铁水熔蚀指数等指标。组织国内产、学、研单位抓紧炉缸砌筑材料的开发、研究和应用,提高我国炉缸用耐火材料的生产水平,尽快改变我国大型高炉炭砖长期依赖进口的局面。

高炉高效长寿是系统技术的综合体现

宝钢集团首席专家林成城在介绍了宝钢3号高炉高效长寿历程和高效长寿技术路线的实践,对比分析了欧美、日本和宝钢3号高炉长寿的特点。欧美高炉的长寿在一定程度上得益于其精料水平和高冷却强度设计,其运行成本相对较高;日本高炉长寿得益于低冶炼强度,其运行效率相对较低;

而宝钢3号高炉的长寿是在高冶炼强度下,摸索与低冷却强度相匹配的操作技术实践中实现的。他强调指出:高炉高效长寿是系统技术的综合体现,系统装备(冷却系统、耐材配置)要符合高炉高冶炼强度工艺客观规律,高炉设计理念必须与高炉原燃料条件、操作技术特点和操作习惯相匹配,

高炉操作技术需要正确解决高强度冶炼与长寿的矛盾关系,保持高炉长期稳定是实现高效长寿的根本。宝钢3号高炉依托高炉长期稳定操作制度,特别是确立下部合理送风制度,保持一定的鼓风动能可以确保一定长度的回旋区,高炉一次煤气流趋向中心,使径向分布趋于均匀,保证一定中心气流,使死料柱保持一定温度,维持一定透气和透液性,确保炉缸活跃,减小死料柱体积,有利于吹透炉缸,减缓炉缸渣铁环流对炉缸侧壁侵蚀。同时要立足高炉边缘气流合理稳定控制,维护合理稳定高炉操作炉型实现高效长寿的经验值得借鉴。

中冶赛迪工程技术股份有限公司炼铁专家邹忠平对高炉炉缸长寿关键要素进行了分析:1)不定形材料固化不好被气蚀产生气隙破坏了传热体系,压入料与胶泥等不定形材料冲突,不定形材料受到腐蚀,不定形材料施工不合格,炉墙串气导致气隙;2)炉缸漏水产生水蒸汽对炉缸不定形材料及炭砖的氧化及在炭砖热面形成炭粉,导致凝固层的脱落而使炭砖受到异常侵蚀;3)炉缸耐材结构配置不合理,炭砖质量差、不满足炉缸的使用条件; 4)灌浆维护不当,压力过高,灌浆料不合适加速了炉缸问题的进一步恶化;5)操作中未及时注意炉缸问题的发展,监测数据不足、未及时抓住炉缸的异常,在异常情况下,进一步强化操作和降低原燃料质量,导致问题的恶化;6)冷却设备及水系统配置不合理、传热效率低;7)原燃料质量的恶化,炉芯不活跃,环流加强,凝固层不稳,加上炉墙气隙的存在,传热能力不足,导致炉缸的异常侵蚀;8)锌及碱金属的危害。

他强调指出:当前许多高炉炉缸烧穿及炉缸温度高的问题,主要原因不是因为炉缸的冷却强度不够、不能将炉缸的热量带走,而是因为胶泥等不定形材料出现了问题、炉墙中有较多的气隙存在、炉缸的热量不能及时传递到冷却水系统中来所致。增加水量可增加水的对流换热能力,但并不能显著增加炉缸冷却强度,不是解决当前炉缸问题的根本办法。强化施工管理、合理控制炉缸外侧耐材温度、防止胶泥等不定型材料被气蚀形成气隙热阻,保证炉墙传热体系的有效性,防止不当压浆,可能是解决当前炉缸问题的关键。调节水温,虽然不能显著调节冷却强度,但对冷却设备附近不定形材料的性能有较大的影响,可合理利用。

高风温是当代高炉炼铁技术发展的重要方向

北京首钢国际工程技术有限公司炼铁专家张福明认为:新世纪初,当代高炉炼铁技术面临着资源短缺、能源供给不足和生态环境的制约,实现高炉炼铁工艺的可持续发展,必须采用高风温、高富氧大喷煤技术,降低燃料消耗和生产成本,这是当代高炉炼铁技术发展的重要方向。

高风温是综合技术,是降低燃料比、提高喷煤量的重要技术保障。在当前条件下,利用低热值高炉煤气实现1250℃以上高风温,是实现低品质能源高效利用和高效能源转换最优化的技术措施。要系统解决高风温的获得、高温热风的稳定输送和高效利用等关键技术问题,采用高效长寿热风炉及高效格子砖,优化热风炉操作,保障高温热风的稳定输送,延长热风炉寿命,使高温热风得到高效利用。到21世纪中期,当代高炉采用高风温、高富氧大喷煤、精料、长寿、环境保护等综合技术,进一步降低燃料比,具有广阔的发展前景。

为了获得高风温关键是提高拱顶温度和强化热风炉的换热过程,缩小拱顶温度与送风温度之间的差值。国内普遍采用三种流程获得高风温:热风炉废气预热流程、附加燃烧炉预热流程和附加热风炉预热流程。中冶京诚有关专家认为:附加燃烧炉预热流程和附加热风炉预热流程,虽然可以获得比较令人满意的风温,但由于热风炉热效率较低,将导致能源消耗和CO2排放量的增加。因此建议采用热风炉高温废气预热流程,将热风炉燃烧末期的废气温度提高到550℃,用板式换热器对煤气和助燃空气进行预热,以实现送风温度达到1280±20℃的目标。同时,为保证高温送风,我们必须充分认识管道盲板力的存在及其危害性,它是热风出口或三岔口组合砖出现温度过高甚至掉砖的最重要原因之一,可以通过设置端部波纹管补偿器和相应的拉杆装置的方法消除盲板力对于拉杆覆盖范围内的管道系统的影响,从而达到消除热风主管堵头、联络管上下端与主管连接处盲板力的影响。

攻玉喜有它山石

山西通才工贸有限公司副总经理兼炼铁厂厂长武会卿在会上介绍:与山西通才1860m3高炉配套的豫兴热风炉于2012年7月13日点火送风投产,至今生产稳定顺行,各项生产技术指标不断提升,三个月达产,10月份高炉最高日产量达到4040t/d,10月份平均利用系数达到2.78t/(m³.d),燃料比508  kg/t,焦比357kg/t,焦丁比9kg/t,煤比142kg/t,风温1307℃,达到了预期的设计水平。为充分发挥豫兴顶燃式热风炉的技术优势,双方不断优化高炉操作,逐步提高风温,终于在2012年10月实现月平均风温1307℃,开创了中型高炉超高风温生产实践的新纪录,达到了国内外同类型高炉高风温操作的领先水平。

他们根据热风炉燃烧、气体流动、传输过程的理论研究,优化了热风炉燃烧器、燃烧室,蓄热室、炉体耐火材料内衬和管道结构设计,有效提高了热风炉的加热能力和工作效率,自主设计、研究开发了下列多项热风炉高效长寿技术:

优化热风炉拱顶和环形陶瓷器设计结构,将热风炉拱顶和陶瓷燃烧器作为整体进行设计优化。采用自由膨胀的低应力设计体系,延长拱顶和陶瓷燃烧器使用寿命。对热风炉的高温、高压管道进行了系统的设计优化,通过对管系受力计算,合理设置波纹补偿器、拉杆和管道支架,实现了管道系统低应力设计,满足了高温热风稳定输送的要求。

为了有效抑制热风炉炉壳晶间应力腐蚀,热风炉高温区炉壳和热风管道内壁采取喷涂防酸涂料的综合防护措施。优化了热风管道的内衬设计结构,水平管道与垂直管道连接处采用各自独立的组合砖结构,使两者之间的热膨胀不互相干绕,解决了孔口砖衬热膨胀不均,造成管道窜风的技术难题,满足了1350℃高风温的送风要求。

这真是:它山之石,可以攻玉!类似豫兴公司这样的高风温热风炉技术一定会在国内发扬光大、不断涌现。

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