近年來(lái),隨著煉鐵裝備水平的進(jìn)步,高爐冷卻系統(tǒng)、銅冷卻壁制造水平得到大幅提高。但大中型高爐銅冷卻壁壽命偏短的問(wèn)題仍未得到解決，尤其是大型高爐銅冷卻壁壽命普遍不超過(guò)10年,需要在一代爐役期間進(jìn)行更換。銅冷卻壁破損問(wèn)題已成為高爐煉鐵面對(duì)的共性問(wèn)題。

沙鋼2680m高爐自2004年投產(chǎn)以來(lái),對(duì)爐型設(shè)計(jì)、銅冷卻壁設(shè)計(jì)、操作制度等方面進(jìn)行了深入研究和優(yōu)化,銅冷卻壁使用了兩代爐役而無(wú)破損,成為國(guó)內(nèi)壽命最長(zhǎng)的銅冷卻壁銅冷卻壁應(yīng)用簡(jiǎn)況世界上最早研制銅冷卻壁的德國(guó)MANGHH公司與蒂森公司合作!-21,在漢堡4號(hào)高爐的爐身

下部試用了兩塊在軋制厚銅板上鉆孔制造的銅冷卻壁。經(jīng)9年運(yùn)行,銅冷卻壁狀態(tài)良好,測(cè)量銅材磨損量?jī)H為0.3mm,而與其相鄰的鑄鐵冷卻壁都出現(xiàn)了大量的裂紋和嚴(yán)重的損傷。隨著銅冷卻壁技術(shù)的迅猛發(fā)展!-3],銅冷卻壁已被廣泛應(yīng)用在爐腹、爐腰和爐身下部。然而,隨著高爐服役時(shí)間的延長(zhǎng),加上高爐生產(chǎn)效率的提高,銅冷卻壁壽命問(wèn)題也逐步暴露出來(lái),尤其是爐腰、爐腹銅冷卻壁過(guò)早破損。

高爐爐腰、爐腹和爐身下部位于高熱負(fù)荷區(qū),受到高溫煤氣流和爐料下降的雙重作用,冷卻壁容易破損。銅具有耐磨性差、易變形等缺點(diǎn),在高爐內(nèi)需要依靠穩(wěn)定的渣皮來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽,若渣皮頻繁脫落導(dǎo)致壁體熱面裸露,銅冷卻壁極易發(fā)生磨損。當(dāng)銅冷卻壁熱面凸臺(tái)消失、壁體變形后,渣皮更難穩(wěn)定陰著。MustafaEsmer等[4]對(duì)世界上34座高爐的銅冷卻壁進(jìn)行了調(diào)研,發(fā)現(xiàn)其破損形式均為磨損,并提出了“爐腹磨損系數(shù)”的概念,用來(lái)指導(dǎo)高爐設(shè)計(jì)和探作。銅冷卻壁破損問(wèn)題具有普遍性,主要破損形式為熱面上渣層剝落引起的機(jī)械磨損5。湯清華認(rèn)為影響銅冷卻壁壽命的主要因素,包括銅冷卻壁長(zhǎng)度、爐腹角、安裝技巧、冷卻比表面積和冷卻水流速:以及壁體與鑲嵌耐材的結(jié)合程度[6]

沙鋼5800m'高爐銅冷卻壁運(yùn)行6年后出現(xiàn)破損,主要原因包括耐材、冷卻壁的爐腹角不一致,炭質(zhì)量下滑及邊沿氣流過(guò)度發(fā)展[-8。韶鋼8號(hào)高爐開爐10年后出現(xiàn)漏水,爐況波動(dòng)帶來(lái)的熱負(fù)荷頻繁波動(dòng)、冷卻水量不足,以及氫病危害是導(dǎo)致銅冷卻壁漏水的主要原因!”。肖志新等對(duì)武鋼7號(hào)高爐銅冷卻壁的破損進(jìn)行了研究,在爐役前中期,異常爐況對(duì)爐腰渣皮形成的高強(qiáng)應(yīng)力集中于壁體中部,導(dǎo)致渣皮因厚度和傳熱不均而脫落;在爐役中后期,壁體對(duì)渣皮的附著力下降,主要依靠爐腹和爐身中下部渣皮連接保持穩(wěn)定!0]。HengbaoMA等對(duì)銅冷卻壁渣皮進(jìn)行了研究,結(jié)果表明渣中(A10,)含量增加有利于渣皮的形成[111。

隨著機(jī)械制造技術(shù)的進(jìn)步,銅冷卻壁的設(shè)計(jì)、加工制造、冷卻能力均得到大幅提高。銅冷卻壁破損漏水后,雖然可采取壓漿、穿管或通氮?dú)獾确绞竭M(jìn)行處理,但是破損部位的冷卻能力大幅降低。由于銅冷卻壁位于高熱負(fù)荷區(qū),一旦破損部位發(fā)生燒穿事故,須盡快停爐更換。而更換冷卻壁周期較長(zhǎng),會(huì)造成高爐鐵水產(chǎn)量損失,使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益大幅減少。

沙鋼2680m高爐是我國(guó)應(yīng)用銅冷卻壁較早的高爐,部分銅冷卻壁從德國(guó)蒂森公司鳳凰廠引進(jìn)2004年以來(lái),針對(duì)銅冷卻壁的設(shè)計(jì)和使用,先后開展“中型高爐銅冷卻壁破損調(diào)查及分析”“中型高爐銅冷卻壁優(yōu)化設(shè)計(jì)研究”“中型高爐長(zhǎng)壽操作優(yōu)化研究”“中型高爐爐缸活躍性研究”等課題進(jìn)行深人研究,延長(zhǎng)了銅冷卻壁壽命。

2 沙鋼高爐長(zhǎng)壽技術(shù)特點(diǎn)

2.1 爐型設(shè)計(jì)

焦克新等!2]指出,現(xiàn)階段我國(guó)高爐向矮胖型發(fā)展,爐身高度及爐腰高度減小,適應(yīng)爐料的膨脹能力降低,可能是銅冷卻壁在爐腰及爐腰爐腹交界部位發(fā)生破損的主要原因。因此,合理的爐腰體積占比是爐腰、爐腹銅冷卻壁長(zhǎng)壽的關(guān)鍵。大型高爐設(shè)計(jì)在高度上受到限制,只能偏向矮胖型發(fā)展,爐腰高度普遍偏小:而中型高爐可以充分發(fā)揮爐腰體積占比大的優(yōu)勢(shì),通過(guò)增加爐腰高度,增大爐腰直徑,減小爐腹角等措施,來(lái)擴(kuò)大爐腰體積。

沙鋼2680m高爐爐型設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1.其爐腰體積占比達(dá)到14%,遠(yuǎn)高于沙鋼5800m高爐的9.85%。爐腰部位給予爐料充足的膨脹空間,減小了爐料膨脹對(duì)爐墻的應(yīng)力。并且,爐腰高度達(dá)到2900mm,遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)外同級(jí)別高爐。耐材爐腹角和銅冷卻壁爐腹角不同,耐材爐腹角為72°53'53"銅冷卻壁爐腹角為81°51'10.8。耐材主要由噴涂料組成,開爐一段時(shí)間后會(huì)脫落,在長(zhǎng)期生產(chǎn)過(guò)程中,以銅冷卻壁爐腹角作為參考。

此外,2680m'高爐爐缸直徑偏小,為10900mm，低于國(guó)內(nèi)外同級(jí)別高爐。在相同的操作制度下,死焦堆的體積更小,爐缸、爐腹、爐腰等部位活躍區(qū)的占比更大,相比于矮胖型高爐來(lái)說(shuō),爐料膨脹空間較大,減輕了爐料膨脹對(duì)爐墻的應(yīng)力,保障了銅冷卻壁渣皮的穩(wěn)定性。

2.2 爐身上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化爐料進(jìn)入高爐后,需要對(duì)其進(jìn)行充分預(yù)熱和干燥。一般要求邊沿氣流溫度達(dá)到105℃以上,以快速脫除爐料中的水分。隨著軟水密閉循環(huán)冷卻技術(shù)的發(fā)展,目前,高爐冷卻水系統(tǒng)多采用一串到底的冷卻方式,由于冷卻水量不變,爐身上部?jī)?nèi)徑及截面積相對(duì)較小,導(dǎo)致爐身上部的冷卻強(qiáng)度偏高,且無(wú)法進(jìn)行單獨(dú)調(diào)控,容易造成邊沿氣流溫度偏低,不利于爐料的干燥和預(yù)熱。若通過(guò)裝料制度發(fā)展邊沿氣流來(lái)提高煤氣溫度,不僅容易導(dǎo)致煤氣利用率下降、燃料比升高,也不利于銅冷卻壁渣皮的穩(wěn)定。

圖2 沙鋼2680m高爐帶側(cè)凸臺(tái)的銅冷卻壁

操作制度優(yōu)化2.4

2680m高爐爐身設(shè)計(jì)了5段鑄鐵冷卻壁,其中9~11段冷卻壁厚度為495mm,12、13段冷卻壁厚度為230mm。爐身上部鑄鐵冷卻壁厚度大幅減小(如圖1所示),耐材厚度從40mm增加到305mm，這種設(shè)計(jì)方式減弱了爐身上部的導(dǎo)熱性。因此,對(duì)于一串到底的冷卻系統(tǒng),即使?fàn)t身上部的冷卻水量不變,但由于填料層增厚,爐身上部的冷卻強(qiáng)度降低。爐體散失熱量減少,有助于提高邊沿氣流溫度使?fàn)t料得到充分干燥和預(yù)熱,避免軟熔帶根部過(guò)低

2.3 銅冷卻壁優(yōu)化設(shè)計(jì)

安裝銅冷卻壁時(shí),通常在圓周方向的銅冷卻壁之間,預(yù)留不超過(guò)30mm的縫隙,用填料填充。雖然縫隙只有30mm,但是會(huì)對(duì)銅冷卻壁區(qū)域周向的整體傳熱造成一定影響,形成熱量傳導(dǎo)的薄弱區(qū)2680m'高爐采用全覆蓋式銅冷卻壁設(shè)計(jì)方案,以減輕圓周方向上相鄰兩塊銅冷卻壁縫隙處的傳熱偏差。即在銅冷卻壁兩側(cè)各設(shè)計(jì)一個(gè)凸臺(tái),半數(shù)銅冷卻壁側(cè)凸臺(tái)偏冷面[如圖2(a)所示1,半數(shù)銅冷卻壁側(cè)凸臺(tái)偏熱面,安裝時(shí)冷、熱面的凸臺(tái)貼合在一起如圖2(b)所示1,傳熱能力遠(yuǎn)高于填料,能大幅度提高銅冷卻壁區(qū)域的整體導(dǎo)熱能力。

(1)下部送風(fēng)制度。2680m'高爐優(yōu)化下部送風(fēng)制度,調(diào)控爐缸活躍區(qū)占比,減小死焦堆體積,使?fàn)t料在熔化前有足夠的膨脹空間。爐缸活躍區(qū)的占比和死焦堆的大小息息相關(guān)。死焦堆體積越大,活躍區(qū)占比越小,不但造成爐缸內(nèi)鐵水環(huán)流增強(qiáng),還使得爐料膨脹空間減小。減小死焦堆體積、提高爐缸活躍區(qū)占比是銅冷卻壁長(zhǎng)壽的關(guān)鍵。提高爐缸活躍區(qū)占比,主要措施是增加回旋區(qū)深度、提高風(fēng)動(dòng)能需要結(jié)合高爐原燃料條件和實(shí)際操作狀況,焦炭熱態(tài)性能應(yīng)與鼓風(fēng)動(dòng)能相匹配。雖然,近年來(lái)中型高爐的風(fēng)機(jī)裝備水平和爐頂壓力大幅提升,但是,所用焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度CSR一般為64%~68%,提高鼓風(fēng)動(dòng)能受到限制。

因此,沙鋼2680m'高爐通過(guò)增加風(fēng)口小套伸人爐內(nèi)的長(zhǎng)度,來(lái)增加回旋區(qū)深度,以提高爐缸活躍區(qū)占比,增加爐料膨脹空間。風(fēng)口伸入爐內(nèi)的長(zhǎng)度達(dá)到490mm,遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)同級(jí)別高爐。

(2)上部裝料制度。2680m'高爐優(yōu)化上部裝料制度,通過(guò)調(diào)控合理的煤氣流分布,避免軟熔帶根部位置過(guò)低,使?fàn)t型收縮與爐料收縮相適應(yīng),實(shí)現(xiàn)銅冷卻壁渣皮的穩(wěn)定。爐腹是爐型開始收縮的部位,爐料在爐腹區(qū)域應(yīng)達(dá)到收縮狀態(tài),否則爐料對(duì)于爐墻的壓力大幅升高,會(huì)造成渣皮不穩(wěn)定。高爐操作應(yīng)避免軟熔帶根部位置過(guò)低,爐料在進(jìn)入爐腹時(shí)絕大多數(shù)含鐵料處于熔化狀態(tài),爐料收縮才能與爐型收

縮相匹配

2680m;高爐上部調(diào)劑以煤氣流分布作為主要參考對(duì)象,以十字測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)、煤氣流分布指數(shù)、爐頂溫度、熱負(fù)荷、冷卻壁溫度及爐喉鋼磚溫度作為參考。具體參數(shù)為:I邊沿氣流溫度控制在105~150℃,邊沿氣流指數(shù)值在0.6~1.0:②中心氣流溫度控制在400~700℃,中心氣流指數(shù)Z值在12-20:③煤氣流分布Z/W在18~22;④爐體熱負(fù)荷控制在 40~80 CJ/h。

高爐邊沿氣流穩(wěn)定是保證渣皮穩(wěn)定的關(guān)鍵,邊沿氣流溫度過(guò)高,容易引起熱負(fù)荷升高,熱損失增加,燃料消耗增大;邊沿氣流溫度過(guò)低,爐料進(jìn)入高爐后不能被充分干燥和預(yù)熱,導(dǎo)致軟熔帶根部偏低影響渣皮的穩(wěn)定性。因此,根據(jù)2680m’高爐的操作經(jīng)驗(yàn),邊沿氣流溫度高于105℃,達(dá)到露點(diǎn)以上,能夠維持渣皮穩(wěn)定,避免熱負(fù)荷波動(dòng)。

因此,調(diào)劑上部裝料制度,應(yīng)特別注意礦石平臺(tái)

的位置。若礦石平臺(tái)到爐墻的距離過(guò)大,邊沿氣流偏強(qiáng),容易引起熱負(fù)荷波動(dòng)和渣皮不穩(wěn)定。若礦石平臺(tái)到爐墻的距離過(guò)小,中心無(wú)礦區(qū)過(guò)大,則邊沿氣流偏弱、中心氣流過(guò)強(qiáng),煤氣利用率下降,中心死焦堆消耗速度變慢,容易造成死焦堆肥大,爐缸活躍區(qū)變小,同樣也會(huì)造成渣皮不穩(wěn)定。根據(jù)2680m高爐操作經(jīng)驗(yàn),邊沿礦石落點(diǎn)到爐墻的距離為300~500mm時(shí),可以維持煤氣流均勻和渣皮穩(wěn)定。同時(shí),中心加焦應(yīng)避免中心無(wú)礦區(qū)過(guò)大,否則,不但會(huì)造成中心氣流過(guò)強(qiáng),影響燃料消耗,還會(huì)造成中心死焦堆偏大,減小爐缸活躍區(qū)占比,最終影響銅冷卻壁壽命。

沙鋼高爐銅冷卻壁應(yīng)用效果3

沙鋼2680m'高爐銅冷卻壁壽命普遍超過(guò)17年(見(jiàn)表2)部分達(dá)到23年(含利舊)且全爐役周期無(wú)噴涂、無(wú)破損,為高爐安全生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)支撐2號(hào)、3號(hào)高爐停爐檢修時(shí)銅冷卻壁形貌見(jiàn)圖3

沙鋼2680m高爐設(shè)計(jì)及操作,遵從爐料膨脹收縮與爐型相適應(yīng)的原則,通過(guò)優(yōu)化爐型設(shè)計(jì)、銅冷卻壁設(shè)計(jì)及操作制度等,銅冷卻壁使用了兩代爐役，且無(wú)破損。

(1)爐型設(shè)計(jì)采用合理的爐腰體積占比,在爐腰部位給予爐料充足的膨脹空間。根據(jù)沙鋼多年的生產(chǎn)實(shí)踐,合理的爐腰體積占比應(yīng)在12%~16%。

(2)優(yōu)化爐身上部結(jié)構(gòu),通過(guò)減少爐身上部鑄鐵冷卻壁厚度,增加耐材厚度,對(duì)于一串到底的冷卻系統(tǒng),可降低爐身上部冷卻強(qiáng)度,避免邊沿氣流溫度過(guò)低影響爐料的干燥和預(yù)熱。優(yōu)化銅冷卻壁設(shè)計(jì)壁體采用側(cè)凸臺(tái),加強(qiáng)高爐周向傳熱的均勻性。

(3)優(yōu)化操作制度,合理調(diào)劑上下部制度,增大爐缸活躍區(qū)占比,避免軟熔帶根部位置過(guò)低。