降低高炉风口小套损坏数量生产实践

2020-03-29王文鹏王大鹏王先军张国强

中国金属通报 2020年18期

王文鹏，王大鹏，王先军，张国强

（1.承德建龙特殊钢有限公司，河北承德 067300；2.河北省锻造用钢技术创新中心，河北承德 067300）

中冶赛迪工程技术股份有限公司设计的某公司1#高炉（炉容1350m3）于2011 年1 月28 日点火投产。炉体设计22 个风口，风口小套内径Φ115mm、Φ120mm，风口小套角度斜5°，采用工业水冷却，水压1.5MPa，单个风口小套水流量28m3/h ～32m3/h。

2015 年以前，1#高炉风口小套极少损坏，共计损坏9 个，2015 年开始，风口小套损坏数量逐年上升，且呈周期性集中损坏（备注：2018 年10 月～11 月大修）。为了分析风口小套频繁损坏的原因，对1#高炉2015 年～2019 年风口小套损坏数量及损坏形式进行统计，结果见图1。

由图1 可知，2015 年～2019 年1#高炉风口小套共计损坏201 个，从表2 可以看出，风口小套损坏形式主要为上表面熔损，占损坏数量的88.56%，其次为焊口开裂，占损坏数量的6.47%。

图1 1#高炉2015 年～2019 年风口小套损坏数量及损坏形式统计

1 风口小套损坏原因分析

根据2015 年～2019 年1#高炉风口小套损坏统计结果可知，风口小套损坏形式主要为上表面熔损，占损坏数量的88.56%，风口小套熔损示意图如图2 所示。关于风口小套熔损最基本的熔损机理是：当风口温度超过受热极限，风口小套难以及时将热量传导出去，从而导致风口小套温度过高；当达到铜质小套剧烈氧化900℃界限温度时，风口小套就会出现熔损现象[1]。本文将着重对导致风口小套上表面熔损的主要原因进行分析。

图2 风口小套熔损示意图

1.1 风口小套上表面熔损原因

（1）碱金属影响[2]。部分钒钛磁铁矿碱金属含量高，加上烧结配吃循环料，导致碱金属和锌循环富集，使高炉内焦炭热强度变差，粉化严重，加剧炉缸的堆积，恶化炉缸死焦柱的透气透液性，熔化的渣铁长期沿炉墙滴落到风口小套上，导致风口小套烧损。

（2）炉缸气流状况影响[3]。受原料质量、炉温波动等影响气流紊乱，风口大量下块或渣皮脱落，有时出现大塌料或连续出现滑尺塌料，导致风口小套烧损。

（3）渣铁外排影响。由于高炉内渣铁不能及时排出炉外，导致渣铁的积攒空间减小，使料柱透气性恶化。同时渣铁外排的不均匀不及时，会使受原料质量、炉温波动等影响气流紊乱，风口大量下块或渣皮脱落，导致风口小套烧损。受原料质量、炉温波动等影响气流紊乱，风口大量下块或渣皮脱落，有时出现大塌料或连续出现滑尺塌料，导致风口小套烧损。

（4）其他影响。煤粉的质量、冷却制度等等，也会加剧风口小套烧损。

2016 年～2018 年，炼铁厂相继采取停配碱金属含量较高的循环料，提高一级焦配吃比例到80%以改善焦炭质量，同时优化操作制度，保持合理的操作炉型，保持高炉长期稳定顺行等措施，对风口小套损坏起到一定的缓解作用，但不能根本解决坏套问题。

1.2 小套损坏机理研究

2019 年1 月～3 月，炼铁厂委托院校对小套损坏机理进行研究。对1#高炉损坏下线的风口小套熔损部位进行取样，沿熔损方向对样品表面进行磨样处理，露出侵蚀表面到被侵蚀的金属之间的部分，如图3 所示。

试样表面用酒精清洗后，做EDS 扫描及成分分析，被扫描部位分层扫描图像和扫描结果如图4 和表1 所示。

对比分析谱图1 点与谱图2 点扫描结果，风口小套远离侵蚀层侧，主要以Cu 元素为主，有C、Fe、Zn 元素渗透到小套内部。在侵蚀层外缘位置，主要以Fe 元素的氧化物为主，有大量的碱金属富集现象。通过风口小套试样纵剖面元素成分分析，风口小套由内向外，Fe元素及钠元素含量显著增加，K元素含量略有增加，Zn 元素含量呈下降趋势，表面风口小套熔损部位有Zn 元素渗透到风口小套内部形成锌铜合金（黄铜），且表面包裹有Fe 元素的氧化物。

图3 风口小套检测试样纵剖面位置

图4 被侵蚀的边缘分层扫描图像图

表1 被侵蚀的边缘熔损金属层成分分析结果

高炉内锌富集的原因[4]：烧结矿等原料中的锌在高炉内以ZnO 的形式存在，在高温的条件下被固体碳还原成锌蒸气，随着煤气流向高炉上方运动，遇冷时锌蒸气被氧化为ZnO 固体颗粒，吸附在炉料的表面，同时炉料的下降，又重新被还原成锌蒸气，如此循环，在高炉内形成锌富集。

表2 常见材料导热系数（20℃）

图5 是1#高炉2017 年～2019 年入炉锌负荷的变化，可以看出，入炉锌负荷长期处于0.5kg/t以上，远高于行业标准≤0.15kg/t。而这正是由于高炉内锌富集的存在，导致入炉锌负荷一值居高不下的主要原因。

图5 某公司1#高炉2017 年～2019 年入炉锌负荷的变化趋势

高炉风口小套起到通风冷却的作用，主要是将热量及时带走，使温度维持在较低范围内的。一般来说，风口小套的材质是铜，由表2 可知，常温下纯铜的导热系数为381W（m·K），导热能力强，可以承受较高的辐射传热，将热量及时带走。由于高炉内锌富集现象的出现，会在风口小套表面吸附ZnO固体颗粒形成铜锌合金，使风口小套的导热系数降低，造成风口小套温度升高。

综上所述，风口小套损坏的主要原因为，入炉锌负荷长期高于行业标准，且在炉内循环富集，致使Zn 元素渗透到小套表面，与Cu 元素黄铜合金附着小套表面，形成Cu-Zn 合金，由于铜-锌合金的导热系数远低于纯铜的导热系数，破坏了小套传热体系，热量不能及时传导出去，导致小套的损坏。另受钒钛冶炼渣铁性能变差及入炉碱负荷高影响，滴落到小套表面的渣铁易附着在小套表面，进一步降低小套的导热性，加剧小套的损坏[5]。

2 降低风口小套损坏措施

根据风口小套损坏研究结果，炼铁厂一方面从源头控制钾钠锌等有害元素入炉量，另一方面调整高炉操作制度、提高排碱排锌效果，以达到降低风口小套损坏数量的目的。

2.1 从物料进厂源头控制入炉碱金属和锌量

每天对进厂铁粉碱金属和锌、铁水锌等进行抽检，建立预警机制；将进厂原燃料碱金属和锌纳入采购标准。但受钒钛磁铁矿资源条件限制，入炉锌负荷一值居高不下，长期处于0.5kg/t以上，远高于行业标准≤0.15kg/t。

2.2 提高高炉排碱排锌效果

1#高炉为钒钛冶炼，从源头上降低碱锌负荷空间很小，所以主要从高炉操作制度上提高排碱排锌效果。

2.2.1 送风制度的调整

合理的送风制度可以使高炉内的热制度更趋合理，炉缸热量更加均匀。随着鼓风动能的提高，炉内煤气流速会增加，能缩短Zn 元素在高炉内的停留时间，有利于Zn 元素随煤气的排出，增加炉尘对Zn 元素的吸附量，从而提高排锌率。

2.2.2 热制度的调整

热制度是保证高炉内Zn 等有害元素的排放的重要条件，但是Zn 等有害元素相较于Fe 来说更难还原，因此需要更高的温度来使其还原。配加30%～35%的干熄一级焦，提高料柱透气性，提高入炉风量及鼓风动能，同时降低焦炭含水对顶温的影响。上部布料以强力发展中心气流为主，兼顾边缘气流，提高顶温150℃以上。

2.2.3 造渣制度的调整

在一定的的炉温下，排碱率会随着炉渣碱度的降低，而相应提高。因此可以在鼓风动能充足、炉缸活跃、物理热充足的前提下，炉渣碱度下控0.05 倍，改善渣铁流动性，消减钒钛冶炼的影响，同时抑制炉缸内钾钠的还原反应，使钾钠以硅酸盐的形式随炉渣排出炉外，提高排碱率。

2.2.4 及时排放渣铁

增加出铁操作的次数可以减少炉渣在高炉内的停留时间，减少Zn 元素的沉积，有利于排碱[6]。

3 改善措施应用效果

图6 2019 年1#高炉风口小套损坏数量

2019 年在高炉入炉锌负荷持续升高的条件下，5 月份开始调整高炉操作方针，提高排碱排锌效果。可以看到：6 月～12 月份小套烧损数量明显降低，其中除8 月、9 月和11 月，小套烧损各一个，其他月份都无烧损，取得了显著的应用效果。小套烧损的减少不仅节约了大量小套备件费用，同时也减少了更换风口小套所需的高炉休风时间，提高了高炉生产能力，保证了高炉平稳顺行，为1#高炉的稳产高产提供了条件，创造了较大的经济效益[7]。