1. [EDF一定发手机官网]安全长寿炉底炉缸内衬及结构技术的应用

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    [EDF一定发手机官网]安全长寿炉底炉缸内衬及结构技术的应用

    赵永安1,左海滨2,3),张建良2,3),王2,3),焦克新2,3),武会卿4),刘代文4) 1.壹定发_edf壹定发_130edf壹定发,河南 巩义 451250;2.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室,北京 100083;3.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京 100083;4. 山西建邦集团,山西 侯马,043000) 由于入炉原料品位的下降和不稳定性,严重影响到高炉的安全生产和长寿,仅仅靠提高炭砖和陶瓷杯材料的质量性能已不能满足高炉长寿的需要。碳复合砖很好的结合了炭砖和陶瓷杯材料的优点,又同时克服了它们各自存在的不足,特别是很好的解决了炭砖的抗铁溶蚀性、抗氧化性和抗锌侵蚀性差的问题,成为高炉炉底炉缸内衬的换代产品,通过对结构的改进,形成了独特的安全长寿炉底炉缸内衬及结构技术。该技术完全可以在不同容积高炉上使用,并且在低品位炉料、高强度冶炼、频繁更换原燃料种类的恶劣条件下,确保炉底炉缸部位温度梯度分布合理、热流强度适宜,使冷却系统充分发挥作用,从而保证炉底炉缸部位的安全,实现高炉操作安全、生产高效、健康长寿。 关键词:高炉;安全长寿;碳复合砖  

    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

    上世纪50年代以后,随着一些新材料、新技术、新装备在高炉上的应用,高炉寿命得到了较大的提高,影响高炉寿命的限制性环节集中在高炉的炉底炉缸部位。据不完全统计,国内在近几年就有50多座大型高炉发生了烧穿事故,而且不少发生在炉役的初期,有的甚至开炉不到一年,事故的不可预知性成为生产中重大的安全隐患。目前,高炉入炉原料品位的不断下降和不稳定性导致高炉内碱金属、锌等杂质成分大量富集,使炉缸环境更为恶劣,高品位矿已不能成为精料技术的核心,精料技术转化为以炉料质量稳定为核心更是说明了这一问题[1]。高强度的冶炼和原料质量的变化使炉缸部位传统的内衬材料难以适应,根据炉缸的工作环境,我们总结这一区域的材料需具备的基本性能如下:(1)较好的导热性能;(2)优良的抗铁水溶蚀性;(3)优良的抗碱性;(4)优良的抗渣性能;(5)较好的抗锌侵蚀性;(6)较好的抗氧化性;[2-6]

    2传统炉底炉缸材料的性能分析

    目前传统的炉底炉缸材料主要是各类炭砖及陶瓷杯材料,根据国内外市场上这两类材料的性能指标,对照前言所述在炉缸区域内衬材料需具备的6项基本性能表明:各类炭砖普遍具备了其中的3项,即:(1)较好的导热性能;(2)优良的抗渣性能;(3)优良的抗碱性。炭砖在炉缸内迟早是要接触铁水,但其抗铁水溶蚀性与陶瓷杯相比较是非常差,一些高炉发生的老鼠洞形式的烧穿就是因为炭砖在局部失去粘滞层的隔离保护后直接接触铁水而造成的,同时在风口套下方的炭砖会因为风口套漏水而受到氧化,其抗氧化性又是其致命的弱点,因此炭砖在炉缸的使用虽然可以发挥冷却系统的作用,但其仍然存在严重的不足和安全隐患。[7-10] 陶瓷杯材料具备了上述性能中的3项,即优良的抗铁水溶蚀性、优良的抗碱性和较好的抗氧化性,但其较低的导热性又限制了冷却系统作用的发挥。因此这两类材料均不能完全适应这一区域工作的需要。随着冶炼条件和原料质量的变化,需要一种综合性能优异的材料进行更新换代,以提高高炉下部的操作安全性和长寿性。[11-14]

    3碳复合砖的性能和结构方案

    3.1 碳复合砖的性能分析

    根据以上条件的分析,为满足炉缸区域内衬材料的基本性能,综合了优良炭砖和陶瓷杯材料的优点,在微孔刚玉陶瓷杯中引入炭进行了试验,得到了一种综合了炭砖和陶瓷杯材料优良性能的材料碳复合砖,其主要性能指标与国内外优质炭砖及陶瓷杯性能的比较见表1

    1 碳复合砖与国内外优质炭砖及陶瓷杯性能的比较 Table 1 Comparison of carbon composite brick with domestic and international high-quality carbon brick and ceramic cup
       单位 碳复合砖      陶瓷杯
    日本BC-7S 法国 AM-102 美国 NMA 德国 7RDN 国产超微孔炭砖 法国棕刚玉浇注块 刚玉 莫来石 复合 棕刚玉 微孔刚玉
    体积密度 g/cm3 2.98 1.58 1.56 1.62 1.77 1.69 3.29 2.86 3.02 3.32
    显气孔率 % 10.96 13.99 17 18.86 15.05 17.29 10 18 13 9.7
    透气度 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 --
    铁水溶蚀指数 % 0.31 15.79 13.46 28.18 19.42 26.77 0 0.54 0 0--0.78
    抗渣侵蚀性 % 2.8 -- -- -- -- -- 23.08 57 100 6.84
    平均孔径 μm 0.238 0.234 0.109 1.083 0.121 0.1 0.175 -- -- 0.125
    <1μm孔容积 % 80.44 76.33 78.67 53.4 76.08 82.51 95.33 -- -- 83.24
    室温 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 -- --
      原耐压强度 MPa 76 46.58 29.41 29.93 44.25 45.28 66.08 105 98.41 159.3
    后耐压强度 MPa 79.93 51.13 37.1 32.15 58.6 54.16 67.05 35.8 6.55 200.56
    强度变化率 % 5.2 9.77 26 7.4 33.77 19.61 2.38 —66 —93 21.24
    体积膨胀率 % 2.92 6.32 3.23 2.84 1.66 3.32 5.84 17 31.86 2.14


    从表1中可以看出碳复合砖很好的结合了炭砖和陶瓷杯材料的优点又同时克服了它们各自存在的不足,特别是很好的解决了炭砖的抗铁溶蚀性、抗氧化性和抗锌侵蚀性差的问题,成为高炉炉底炉缸内衬的换代产品,并完全满足了所述炉缸区域内衬材料的基本性能要求,同时其导热性从低温到高温呈下降的特性比炭砖材料更符合炉底炉缸内衬设计的原则。

    2.2结构方案设计

    针对传统炉底炉缸结构设计存在的问题,结合碳复合砖的性能,提出新的设计方案。图1为新设计方案的示意图,炉缸部位全部应用碳复合砖,炉底上部应用碳复合砖,下部应用高导热炭砖。                  图1 炉底炉缸优化设计方案                                                 2   设计方案温度场分布 Fig. 1 design scheme of BF hearth lining                  Fig. 2 design scheme of temperature distribution 在该技术方案中,以上几个问题均得到了解决: 1)炉底炉缸内衬的导热系数从冷面到热面是一个降低的趋势,这一趋势符合冷却系统设计的需要,也符合高炉炉底炉缸内衬设计的原则; 2)用碳复合砖作为炉缸材料,由于其含有一定的炭成分,其热膨胀系数比陶瓷杯材料大大降低,且是一种材料结构,可以避免风口上翘、炉壳开裂的现象; 3)由于碳复合砖具有较好的导热性,同时既有陶瓷结合又有碳结合,因此极易在工作面形成渣铁壳保护层,渣铁壳保护是形成永久型炉底炉缸结构的重要条件,也符合武钢宋木森高工永久型炉衬的理论[15]。即使在异常情况下即使暂时失去了保护层的保护,碳复合砖优良的抗铁溶蚀性又可为再次形成保护层赢得时间。 5)炉底碳复合砖的应用,把1150℃等温线和800℃等温线完全控制在碳复合砖层内(见图2),即使将来炉底有所侵蚀,也不会侵蚀到炭砖,也就是说在整个炉役内炭砖是不接触铁水的,也就避免了炭砖抗铁溶蚀性差的问题。

    4[EDF一定发手机官网]安全长寿炉底炉缸内衬及结构技术的应用

    该技术已应用于山西通才、山西高义、山西新金山、邯郸纵横、俄罗斯等20余座高炉,取得了极好的使用效果。

    4.1 安全长寿炉底炉缸内衬及结构技术在小高炉的应用情况

    4.1.1 山西通才410m3高炉应用情况

    2007年在山西通才2#高炉设计方案中采用了此安全长寿技术。在该设计方案中,炉底采用了4层微孔模压炭砖和两层碳复合砖陶瓷垫,炉缸则取消了炭砖而全部采用碳复合砖,风口和铁口也采用了碳复合砖,具体设计方案见下图。 山西通才2#高炉下部设计方案 Fig. 3 design scheme of 2#BF hearth in Shanxi Tongcai 该高炉投产后,生产指标一直良好,与该厂另一座未应用此安全长寿技术的1号高炉比较,2号高炉焦比、焦丁比、煤比均低于1号高炉,具体生产指标见表2。该安全长寿技术所采用的碳复合砖具有较高的导热系数,并且导热系数从冷面到热面呈降低的趋势,符合炉底炉缸传热原理,这种特性保证了高炉炉缸部位冷却系统的稳定,也间接提高了炉缸部位的寿命,其冷却系统参数见表3



    2 通才1#高炉和2#高炉1~5月平均生产指标 Table 2 average production index of 1#BF and 2#BF from January to May
    类别 名称 单位 1# 2#
    炉容 炉容大小 m3 318 410
    时间 投产时间 time 2009.05 2007.12
    生产指标 日产量 t 1250 1550
    利用系数 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#高炉炉底炉缸部位冷却参数 
    Table 3 The average cooling parameters of 2#BF in Tongcai 
    位置 冷却壁材质 水管布置方式 每块冷却壁 面积/m2 冷却壁 水管数 水管尺寸 (内径)/mm 水量/m3/h 水速/m/s
    一段 铸铁 直管 1.32 4 37 12.3 3.3
    二段 铸铁 直管 1.722 4 37 12.3 3.3
    三段 铸铁 直管 1.558 4 37 12.3 3.3

    从图
    4和图5可以看出,自通才2#高炉投产以来,利用系数逐年上升,并处于较高水平,与之相反的是原料入炉品位却一直处于较低水平。近几年来,受原燃料价格波动影响,通才频繁更换原燃料种类,但冶炼强度依然不变,这对高炉炉底炉缸部位的安全性有很大的影响。在这种恶劣的外界条件下,采用炭砖+陶瓷杯结构的1号高炉投产两年半时炉缸部位侵蚀严重,而采用此安全长寿技术的2号高炉因为碳复合砖良好的导热性和抗侵蚀性,保证了其安全正常生产,节约了经济成本。 
    4 通才2#高炉2008~2014年利用系数                                5 通才2#高炉2008~2014年入炉品位 Fig.4 utilization coefficient of 2#BF in Tongcai    Fig.5 raw material quality of 2# BF in Tongcai 通才2#高炉在运行7年后对炉身上部进行了维修,在此过程中对高炉的下部进行了检查。发现在炉缸内形成了约250mm厚较稳定的渣铁保护层,仅在铁口部位有轻微侵蚀见下图,其余风口及以下部位几乎没有侵蚀,没有出现炉缸象脚状蚀损,也没有出现风口上翘、炉壳开裂等现象(见图67  图铁口部位有轻微侵蚀                                            炉缸部位几乎没有侵蚀       Fig.6 iron mouth parts with slight erosion                Fig.7 hearth almost no erosion

    4.1.2河北纵横450m3高炉应用情况

    河北纵横4座高炉炉容均为450m3,从表4中可以看出,2#采用的是碳复合砖+陶瓷杯的结构,3#高炉采用的是全碳复合砖结构,采用炭砖+陶瓷杯结构的4#高炉也正在准备大修用碳复合砖。目前, 2#3#高炉运行正常,4#高炉也在2014年的扩容改造中选用碳复合砖方案,说明碳复合砖在纵横已成为高炉炉底炉缸内衬的换代产品。 4 纵横4座高炉结构基本情况 Table 4 The basic situation of four blast furnaces in Zhongheng
    炉号  炉容m3 炉缸结构  开炉时间  目前状况 
    1  450  炭砖+陶瓷杯  2013.05  正常 
    2  450  碳复合砖+陶瓷杯  2012.12  正常 
    3  450  全碳复合砖  2012.11  正常 
    4  580  炭砖+陶瓷杯  2012.01  准备大修用全碳复合 

    8、图9分别对比了四座高炉的平均利用系数和平均燃料比,从图中可以看出,采用碳复合砖的2#3#高炉的利用系数高于其他两座座高炉,并且平均燃料比也低于1#4#高炉的平均燃料比。这说明在较高的利用系数下,采用此安全长寿技术的高炉运行稳定,未出现燃料升高的情况。表5列举了河北纵横3#高炉的冷却参数,根据传热学可以计算出炉底炉缸1~3段热流强度,分别为3.39 kW/m27.91 kW/m26.57 kW/m2从计算结果来看,各段的热流强度均在合理值范围内,这说明应用此安全长寿技术的炉底炉缸传热状况良好,保证了炉底炉缸部位的安全。 
                                                         图8 河北纵横4座6月份高炉平均利用系数                                 河北纵横4座高炉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 河北纵横3号高炉冷却参数 Table 5 The average cooling parameters of 3#BF in ZhonghengHebei

    位置 冷却壁材质 每块冷却壁 面积 冷却壁 块数 冷却壁 水管数 水管尺寸 (内径)/mm 水速/m/s 温差/ 热流强度 /kW/m2
    一段 铸铁 1.191 24 4 32 3.6 0.3 3.39
    二段 铸铁 1.191 24 4 32 3.7 0.7 7.91
    三段 铸铁 2.46 26 4 32 4.3 1.2 6.57

    该技术不仅在中小高炉的应用中取得很好的效果,而且成功地应用在大高炉上。山西通才
    1860m3高炉采用了安全长寿炉底炉缸内衬及结构技术,于20127月投产。该高炉在低品位矿石、频繁更换原燃料、高强度冶炼等复杂恶劣的环境下,高炉依然稳定运行,生产指标良好,具体生产指标见表6 在恶劣的原燃料条件下保持高强度冶炼,炉底炉缸冷却系统的稳定运行成为炉底炉缸安全的保证,投产近两年,冷却系统一直稳定运行,具体参数见表84.2安全长寿炉底炉缸内衬及结构技术在大高炉的应用情况

    表6 通才1860m3高炉1~5月平均生产指标 Table 6 average production index of 1860m3 BF from January to May
    类别 名称 单位 3#
    炉容 炉容大小 m3 1860
    时间 投产时间 time 2012.07
    生产指标 日产量 t 4150
      利用系数 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高炉炉底炉缸部位冷却参数 
    Table 7 The average cooling parameters of 1860m3 BF in Tongcai
    位置 冷却壁材质 水管布置方式 每块冷却壁面积 冷却壁 块数 冷却壁 水管数 水管尺寸 (内径)/mm 水量/m3/h /m/s
    一段 耐热 铸铁 直管 1.8 24 4 58 25 2.3
    二段 铸钢 直管 2.7 24 4 58 25 2.3
    三段 铸钢 直管 2.1 26 4 58 25 2.3

    通才
    1860m3高炉炉底炉缸安装有热电偶测温装置,自投产以来炉底炉缸部位温度运行平稳,表8中列出了炉底炉缸部位距冷却壁100mm处和距冷却壁200mm处的平均温度。从表中可以看出,炉底炉缸各点温度正常,温度梯度分布合理,证明该技术确保了通才大高炉炉底炉缸的稳定,从而确保了高炉的安全长寿。综合各项指标和数据,说明此安全长寿技术已成功应用在大高炉上,并且取得非常不错的效果,证明该技术完全可以向大高炉推广。 
    8 通才1860m3高炉炉底炉缸部位冷却参数 Table 8 The average cooling parameters of 1860m3 BF in Tongcai
    测温点 4层炉底 6.398m 5层炉底 6.799m 6层炉底 7.2m 炉缸 7.6m 炉缸 8.0m 炉缸 8.4m 炉缸 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

    综上所述,安全长寿炉底炉缸内衬及结构技术完全可以应用在中小高炉和大高炉上,并且在低品位炉料、高强度冶炼、频繁更换原燃料种类的恶劣条件下,确保炉底炉缸部位温度梯度分布合理、热流强度适宜,使冷却系统充分发挥作用,从而保证炉底炉缸部位的安全,也间接地保证了高炉运行稳定,生产指标合格。
     

    5结论

    1)炭砖和陶瓷杯材料均不能完全适应现代高炉炉底炉缸的需要,随着冶炼条件和原料质量的变化,需要一种综合性能优异的材料进行更新换代,以提高高炉下部的操作安全性和长寿性。 2)通过在国内20余座高炉的使用表明,碳复合砖解决了炭砖的抗铁溶蚀性、抗氧化性和抗锌侵蚀性差的问题,并且具备很好的自护炉机制,能够形成稳定的保护层体系,避免砖衬与铁水的直接接触,保证炉缸结构稳定,成为高炉炉底炉缸内衬的换代产品。其配套的安全长寿炉底炉缸内衬及结构技术更符合炉缸传热原则,并避免了风口上翘、炉壳开裂,把1150℃等温线和800℃等温线完全控制在碳复合砖层内。 3)通过在国内20余座高炉的使用表明,该技术完全可以满足不同容积高炉的使用,并且在低品位炉料、高强度冶炼、频繁更换原燃料种类的恶劣条件下,确保炉底炉缸部位温度梯度分布合理、热流强度适宜,使冷却系统充分发挥作用,从而保证炉底炉缸部位的安全,实现高炉操作安全、生产高效、健康长寿。

    参考文献

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