八鋼歐冶爐氧氣風(fēng)口破損分析

（寶鋼集團(tuán)八鋼公司煉鐵分公司）

田果

八鋼歐冶爐氧氣風(fēng)口破損分析

（寶鋼集團(tuán)八鋼公司煉鐵分公司）

田果

對(duì)八鋼歐冶爐生產(chǎn)近兩個(gè)月的氧氣風(fēng)口工作及使用周期情況進(jìn)行分析。結(jié)合高爐風(fēng)口工作成熟經(jīng)驗(yàn)，提出了在高f值條件下適合熔融還原煉鐵工藝的風(fēng)口小套，氧氣風(fēng)口小套長壽的操作維護(hù)方法及參數(shù)調(diào)整方向。

風(fēng)口；參數(shù)；全氧

1 前言

氧氣風(fēng)口小套是非高爐煉鐵系統(tǒng)熔融氣化爐的關(guān)鍵性設(shè)備，也是熱交換極為強(qiáng)烈的冷卻元件。由于其在高溫狀態(tài)下不間斷地受到液態(tài)渣鐵的沖刷，是熔融氣化爐的易損關(guān)鍵設(shè)備。氧氣風(fēng)口小套(以下簡稱氧口)的破損與更換已成為熔融還原爐無計(jì)劃休風(fēng)率升高，影響作業(yè)效率的主要原因。為此，對(duì)八鋼歐冶爐開爐生產(chǎn)2個(gè)月的氧口使用狀況進(jìn)行分析。

2 八鋼歐冶爐氧口工作狀況

八鋼歐冶爐于2015年6月18日投產(chǎn)，20日開始出鐵，截至2015年8月26日檢修，期間共更換氧口統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 歐冶爐階段生產(chǎn)氧口更換統(tǒng)計(jì)

通過統(tǒng)計(jì)可知，歐冶爐開爐生產(chǎn)2個(gè)月時(shí)間共更換氧口小套14個(gè)，6月24日更換一次，7月15～7月16日更換3個(gè)，至8月26日更換10個(gè)。7月16日前更換小套與歐冶爐采用全焦冶煉工藝操作氧口理論燃燒溫度持續(xù)居高存在不可分割的關(guān)系。

2.1 全焦工藝氧口工作影響

歐冶爐全焦冶煉是熔融還原煉鐵工藝在適應(yīng)地區(qū)優(yōu)勢資源條件情況下進(jìn)行的嘗試和實(shí)踐，是使用新疆的煤炭資源煉制國標(biāo)等級(jí)以外的劣質(zhì)焦炭進(jìn)行鋼鐵冶煉的新方法。雖然全焦、全氧冶煉條件下鐵水硅成分較高，但是摸索出了歐冶爐系統(tǒng)在全焦、全氧操作下的控制模式狀態(tài)，為混合燃料結(jié)構(gòu)進(jìn)行熔融還原爐煉鐵工藝進(jìn)步提供了實(shí)踐依據(jù)。

參考韓國浦項(xiàng)FINEX與寶鋼羅涇C-3000風(fēng)口理論燃燒溫度情況可知（見表2），熔融還原煉鐵工藝即便是進(jìn)行工藝創(chuàng)新的情況下，核心反應(yīng)區(qū)域爐缸、風(fēng)口環(huán)面的熱制度熱交換，氧口關(guān)鍵設(shè)備的工作條件依然比較惡劣。

表2 韓國浦項(xiàng)FINEX與寶鋼羅涇C-3000風(fēng)口理論燃燒溫度對(duì)比

關(guān)于高爐煉鐵實(shí)踐操作及理論研究表明，良好的爐缸透氣透液性、合適的理論燃燒溫度，即良好的爐缸工作條件是風(fēng)口小套關(guān)鍵設(shè)備長壽的技術(shù)核心要求。

然而熔融還原煉鐵在技術(shù)創(chuàng)始之初的目標(biāo)是不使用焦炭進(jìn)行冶煉，那么爐缸的工作條件就無法達(dá)到高爐爐缸的透氣性、透液性的效果。因?yàn)槿廴谶€原爐主要燃料是煤，任何煤在4～6h的高溫條件下其熱態(tài)強(qiáng)度及反應(yīng)性在爐缸中的骨架作用效果是值得商榷的。這也就迫使熔融還原爐必須使用焦炭確保爐缸的工作狀態(tài)。

研究表明，鐵水中的[Si]基本是焦炭灰分中Si在高溫狀態(tài)下還原進(jìn)入鐵水中的。同時(shí)超高的溫度造成風(fēng)口關(guān)鍵設(shè)備的損壞。在這個(gè)基礎(chǔ)上歐冶爐嘗試性地采取了多項(xiàng)措施以確保系統(tǒng)冶煉順行。

2.2 氧口鼓入介質(zhì)對(duì)氧口工作影響

已有的結(jié)論是[3]∶純氧操作時(shí)，風(fēng)口理論燃燒溫度為3877℃，每添加5%的氮?dú)?，風(fēng)口理論燃燒溫度下降約100℃，風(fēng)口前的熱量基本不變。風(fēng)口f值的降低是改善風(fēng)口工作的條件，在很大程度上對(duì)風(fēng)口進(jìn)行了保護(hù)。

歐冶爐在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)混合介質(zhì)，熔融還原爐鼓風(fēng)進(jìn)行了實(shí)踐，借鑒羅涇生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將鼓風(fēng)氮?dú)饬繌?%提高至15%的操作。實(shí)踐結(jié)果表明，鐵水溫度在增加鼓入氮?dú)獗壤那昂蟪霈F(xiàn)的明顯的下降。一些觀點(diǎn)認(rèn)為∶風(fēng)口混合鼓風(fēng)鼓入氮?dú)馐怯捎诶碚撊紵郎囟冉档?，改變了渣鐵穿過風(fēng)口區(qū)域熱交換，鐵水溫度會(huì)降低，但因風(fēng)口前熱量基本不變，硅還原條件仍然很好，故對(duì)鐵水硅含量影響不顯著。氮?dú)鈱?duì)風(fēng)口理論燃燒溫度的影響見表3。

然而氮?dú)庾鳛闅怏w介質(zhì)進(jìn)入風(fēng)口實(shí)際上是人為增加爐腹煤氣量，利于煤氣作為熱量的載體進(jìn)行熱傳輸。根據(jù)能量守恒定理，氮?dú)鈳ё叩臒崃繘]有進(jìn)入鐵水中應(yīng)該是進(jìn)入了其他爐料層（氣化爐內(nèi)的軟融帶或滴落帶）或被煤氣帶走。

表3 氮?dú)鈱?duì)風(fēng)口理論燃燒溫度的影響

羅涇C-3000生產(chǎn)實(shí)踐表明，5%的氮?dú)饣旌涎鯕?5%鼓入可以大大延長風(fēng)口的使用壽命，那么采取降低風(fēng)口理論燃燒溫度的方式延長風(fēng)口的使用周期的操作就是有效的。

3 氧口小套破損分析

羅涇1#C-3000開爐至2010年11月共破損風(fēng)口347個(gè)，月平均破損10個(gè)。風(fēng)口平均壽命約60天，最長的超過160天，最短的僅1～3天。風(fēng)口大量頻繁破損導(dǎo)致非計(jì)劃休風(fēng)次數(shù)增加約30%[6]，成為熔煉率、作業(yè)率和生產(chǎn)成本改善的限制因素之一。風(fēng)口損壞的形式主要有兩種（見圖1）。

圖1 羅涇1#C-3000風(fēng)口擴(kuò)孔破損狀態(tài)照片

（1）擴(kuò)孔。所有風(fēng)口無論破損與否均存在不同程度的擴(kuò)孔，絕大部分風(fēng)口都是因擴(kuò)孔嚴(yán)重發(fā)生前腔漏水而破損的。擴(kuò)孔有喇叭口和碗口2種形式。

（2）風(fēng)口灌入渣焦。約98%的風(fēng)口無論破損與否都灌入渣焦粉末。但因熔損、灌渣造成的破損很少。

分析發(fā)現(xiàn)∶導(dǎo)致風(fēng)口擴(kuò)孔的原因和機(jī)制有溫度、煤氣流、氧氣流等[1]∶（1）風(fēng)口前溫度集中。在純氧燃燒條件下，COREX風(fēng)口前理論燃燒溫度高達(dá)3847℃。目前冷卻條件下，最低使銅壁氧化（250℃）的回旋區(qū)溫度為2848℃，在風(fēng)口前理論燃燒溫度高達(dá)3800℃情況下，有達(dá)到銅軟熔（400℃）的可能。（2）風(fēng)口端部存在煤氣回流。高速氧氣流在端口產(chǎn)生低壓區(qū)，風(fēng)口前端有顯著的煤氣回流，對(duì)風(fēng)口端口具有卷吸沖刷作用。風(fēng)口前溫度越高、回旋區(qū)透氣阻力越大、氧氣流速越高，煤氣回流越強(qiáng)。

八鋼歐冶爐15年6月18日開爐生產(chǎn)至8月26日休風(fēng)檢修，共更換風(fēng)口14個(gè)，其中一個(gè)因灌渣清理時(shí)機(jī)械破壞。平均每月?lián)p壞約7個(gè)，平均壽命最長68天，最短30天。分析破損原因∶（1）風(fēng)口端面熔損、點(diǎn)蝕坑洞等造成泄漏無法使用。（2）端面距離中心孔55～50mm位置圓環(huán)為主要裂縫熔損泄漏，達(dá)到80%。（3）小套端口出現(xiàn)明顯擴(kuò)孔，擴(kuò)孔呈上大下深狀態(tài)。泄漏風(fēng)口位置集中在鐵口兩側(cè)18#～13#，24#～4#。

圖2 八鋼歐冶爐風(fēng)口破損典型照片

分析八鋼歐冶爐風(fēng)口破損典型照片（圖2）發(fā)現(xiàn)∶歐冶爐風(fēng)口破損擴(kuò)孔狀態(tài)與羅涇C-3000擴(kuò)孔破損原因是一致的。然而風(fēng)口端面環(huán)縫出現(xiàn)開裂變形確是與羅涇風(fēng)口破損不同。同時(shí)歐冶爐破損的風(fēng)口均出現(xiàn)了不同程度的熔損，即便不擴(kuò)孔泄漏、不環(huán)縫裂開泄漏，也要熔損泄漏。

歐冶爐小套結(jié)構(gòu)形式與羅涇C-3000風(fēng)口小套結(jié)構(gòu)形式尺寸，內(nèi)部導(dǎo)流腔設(shè)計(jì)全部是一致的，解剖羅涇風(fēng)口小套發(fā)現(xiàn)環(huán)裂縫位置基本在小套環(huán)腔內(nèi)壁位置（見圖3）。

4#、1#、3#、17#、24#風(fēng)口小套為羅涇原備件在歐冶爐上使用，除1#、17#由于端面點(diǎn)蝕熔損更換外，其余3個(gè)均是擴(kuò)孔環(huán)縫裂開加熔損；13#、18#、7#、27#、9#風(fēng)口小套屬于歐冶爐工程新購小套，除13#為擴(kuò)孔環(huán)縫裂開加熔損泄漏，其余4個(gè)均是擴(kuò)孔加熔損，18#是端面大面積熔損泄漏。

圖3 羅涇C-3000風(fēng)口小套解剖照片

18#風(fēng)口熔損端面觀察發(fā)現(xiàn)小套明顯有一環(huán)形加工縫出現(xiàn)，無法獲知這是由于小套制作工藝造成還是其他什么原因造成（見圖4）。

圖4 羅涇18#風(fēng)口小套端面熔損照片

4 歐冶爐氧口小套破損預(yù)防對(duì)策

歐冶爐風(fēng)口壽命從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示優(yōu)于羅涇C-3000小套使用壽命，分析其主要原因∶歐冶爐開爐期間使用全焦冶煉，爐缸透液性透氣性是要優(yōu)于羅涇200kg/t焦比的狀態(tài)；其次歐冶爐繼續(xù)堅(jiān)持羅涇已經(jīng)成功的經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)口介質(zhì)混合鼓入5%比例氮?dú)庥行Ы档惋L(fēng)口理論燃燒溫度的操作。

4.1 結(jié)構(gòu)形式工藝制造改進(jìn)

經(jīng)過計(jì)算歐冶爐小套水流速，風(fēng)口前腔水流量達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)25 m3/h，水速達(dá)到11.3m/s。首秦[5]高爐使用風(fēng)口達(dá)到25個(gè)月的長壽命,其采用的風(fēng)口形式除內(nèi)徑風(fēng)口尺寸與前腔環(huán)室結(jié)構(gòu)外，與歐冶爐風(fēng)口形式基本相同，見圖5，左側(cè)為首秦高爐風(fēng)口結(jié)構(gòu)形式，右側(cè)為歐冶爐小套解剖圖。

圖5 首秦高爐風(fēng)口小套與歐冶爐風(fēng)口小套結(jié)構(gòu)對(duì)比

首秦高爐風(fēng)口小套工藝特點(diǎn)∶

（1）冷卻水道的設(shè)計(jì)保證了冷卻所要求的水流速度。根據(jù)供水條件，供水壓力=1.6～1.8MPa；=30～35m3/h，合理布置各冷卻水道的橫截面積，并保證前端第一高速水室的水速≥15.0m/s。這一水速是保證小套在高爐一般條件下不被燒壞的要求。

（2）冷卻水的流向，低溫水由進(jìn)水管直接導(dǎo)人風(fēng)口前腔，回旋出來的高溫水由后腔排出，這對(duì)于保證高熱負(fù)荷區(qū)的可靠冷卻是極為有利的。傳統(tǒng)的貫流式風(fēng)口小套則不同，它的低溫冷卻水首先流人風(fēng)口的大內(nèi)空腔低速區(qū)，進(jìn)而流向?qū)Я髌鲀?nèi)腔壓人前端第一高速水室環(huán)流一周后，然后通過出水管流出風(fēng)口小套。旋流式結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的貫流式風(fēng)口比較，具有強(qiáng)化前端部冷卻和減少熱風(fēng)與低溫水的熱交換數(shù)量的優(yōu)點(diǎn)。

（3）根據(jù)國外的研究成果認(rèn)為，水道隔板厚度＞5mm將產(chǎn)生熱的死點(diǎn)，在此部位容易發(fā)生燒壞。因此，水道隔板一律采用≯5mm的結(jié)構(gòu)尺寸。

4.2 生產(chǎn)操作技術(shù)優(yōu)化提高

羅涇C-3000生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明∶入爐燃料平均粉率高、煤的灰分高，則風(fēng)口破損增加。風(fēng)口破損數(shù)量與焦比有密切關(guān)系。

同時(shí)氣化爐布料同樣影響風(fēng)口使用壽命，氣化爐內(nèi)區(qū)域料面和DRI分布不均勻，造成氣化爐氣流分布不均，容易引起管道，惡化風(fēng)口前狀態(tài)，熔化不良，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)區(qū)域風(fēng)口被渣鐵糊死和燒損。對(duì)風(fēng)口破損影響較大。

歐冶爐風(fēng)口小套破損與高爐風(fēng)口破損同樣原因復(fù)雜，需要繼續(xù)進(jìn)行穩(wěn)定焦比改善爐缸透氣性透液性的基礎(chǔ)改善風(fēng)口工作環(huán)境，全開風(fēng)口、降低氧氣流速、縮短出鐵間隔以及添加額外氮?dú)獾?，降低風(fēng)口破損的最優(yōu)的操作實(shí)踐。

降低風(fēng)口前理論燃燒溫度的方式有多種，羅涇C-3000及八鋼歐冶爐已經(jīng)使用了混合氮?dú)饨档惋L(fēng)口氧氣濃度的操作方法，實(shí)踐證明是有效的，然而氮?dú)庠诮?jīng)濟(jì)成本造成的劣勢也不能忽略。

風(fēng)口鼓全氧，沒有N2，燃燒形成的煤氣量較大氣鼓風(fēng)或富氧鼓風(fēng)小很多，這是理高的根本原因。解決的辦法是加濕鼓風(fēng)，其作用∶（1）用H2O分解耗熱來增加燃燒帶內(nèi)熱量支出[4]，使計(jì)算式中的分子（C+焦-分）數(shù)值降低；（2）由于加入H2O燃燒后形成煤氣中H2增加略使煤氣量增大一點(diǎn)，也就是計(jì)算式中分母煤氣增大，這兩者就可降低f。增加多少蒸汽，可參考理論計(jì)算公式∶

前蘇聯(lián)是噴吹大量天然氣和加大濕度，來降低全氧煉鐵實(shí)驗(yàn)時(shí)的，由于C-3000噴吹煤粉尚未研究完，目前無法實(shí)現(xiàn)比增加噴吹煤粉來降f，所以C-3000只有加大風(fēng)口鼓風(fēng)濕度來降低f值。

5 結(jié)論

（1）歐冶爐風(fēng)口小套破損與高爐風(fēng)口破損同樣原因復(fù)雜，需要繼續(xù)進(jìn)行實(shí)踐探索。

（2）生產(chǎn)操作維護(hù)結(jié)果顯示，延長風(fēng)口小套使用壽命的效果明顯，還需要進(jìn)一步深入研究。

（3）現(xiàn)在在熔融還原系統(tǒng)氣化爐使用的風(fēng)口小套是否存在缺陷有待進(jìn)一步研究和確定，然而其在氣化爐工作環(huán)境下的冷卻介質(zhì)流速流量低于高爐還需要進(jìn)一步確定是否合理。

歐冶爐的冶煉工藝系統(tǒng)需要生存，在當(dāng)今市場環(huán)境條件下必須進(jìn)行“鋼鐵化工”到“化工鋼鐵”的轉(zhuǎn)變，其優(yōu)勢是高爐冶煉無法比擬的，所以對(duì)歐冶爐系統(tǒng)氣化爐核心反應(yīng)區(qū)關(guān)鍵設(shè)備的科技研究具有深遠(yuǎn)的意義。

致謝：感謝北京科技大學(xué)王筱留教授對(duì)C-3000降低風(fēng)口理論燃燒溫度的方式方法方向上的指導(dǎo)！

[1]田廣亞，李京杜，楊宏博.COREX風(fēng)口破損原因及對(duì)策.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2013年,(10).

[2]吳鏗，張二華，萬鵬，屈俊杰，李康，楊森.關(guān)于COREX流程熔融氣化爐風(fēng)口前理論燃燒溫度的思考.煤炭學(xué)報(bào),2010年,(10).

[3]姚曉光，徐萬仁，鄭少波.采用爐頂煤氣循環(huán)和風(fēng)口噴吹技術(shù)降低COREX/FINEX燃料消耗的理論分析[J].寶鋼技術(shù)，2008,(6).

[4]王筱留.鋼鐵冶金學(xué).北京∶冶金工業(yè)出版社，2009.

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[6]錢良豐，宋文剛，郭麗.COREX-3000投產(chǎn)以來運(yùn)行分析及對(duì)今后的展望.

Analysison Damage of Oxygen Tuyere of OY Furnace in Bayi Steel

TIAN Guo
（Ironmaking Branch,Bayi Iron&Steel Co.,Baosteel Group）

It focuses on analyzing the operation condition and use periods of oxygen tuyere for OY furnace nearly two months.Combining with the mature experience of BF tuyere,it puts forward the small tuyere sleeve to suitable for smelting reduction process under highf,conditions,oxygen tuyere small sleeve long campaign life operation maintenance methods and parameter adjustment direction.

tuyere；parameter；oxygen

TF557

B

1672—4224（2015）04—0008—04

聯(lián)系人：田果，男，30歲，本科，工程師，烏魯木齊（830022）寶鋼集團(tuán)八鋼公司煉鐵分公司第一煉鐵分廠

E-mail:tianguo@bygt.com.cn.