高炉生产过程中直吹管烧穿问题探析

2024-01-07杨军昌杨海东

山西冶金 2023年10期

杨军昌，申伟，杨海东

（首钢长治钢铁有限公司炼铁厂，山西长治 046031）

0 引言

高炉送风系统是指给高炉送风的系列装置，它包括鼓风机、热风炉、冷风管道、热风管道、混风管道、煤气管道以及管道上的阀门等[1]。正常生产时，鼓风机吸入空气，输送至热风炉进行燃烧加热，温度升高后打开热风炉的热风阀把热风由热风总管道输送至热风围管，再经单独的送风装置分别鼓入高炉。

高炉的送风装置主要包括：热风围管、鹅颈管、膨胀器、短接、弯管、直吹管、风口等。直吹管是高炉送风装置中的一个重要的连接输送部件，主要由水冷钢套、钢壳、喷煤枪孔、弹子阀、连接法兰等组成。高炉正常生产过程中，送风装置经受着高温、高压的持续冲刷和磨损，尤其在高炉冶炼强度提高后，送风装置的工作条件更加恶化，直吹管承受的负荷更高，极易出现发红和烧穿现象，极大地影响着高炉的安全生产和技术经济指标优化。

1 长钢烧穿事故简介

长钢九号高炉有效炉容1 080 m3，采用砖壁一体化薄壁内衬设计，全覆盖式冷却壁，工业水开路循环冷却方式，设计有20 个风口，2 个铁口，配套有4 座热风炉。高炉正常送风风量在3 350～3 400 m3/min，富氧量在6 000～6 500 m3/h，热风温度在1 190～1 200 ℃，高炉冶强控制在1.76 左右水平，具体技术经济指标如表1 所示。

表1 九高炉部分技术经济指标统计表

2023 年3 月31 日中班接班前期风量3350m3/min，风压360 kPa，风温1 190 ℃，透气性指数11.0，炉况稳定顺行。19：00 打开北场919979 炉次铁口，出铁到220 t 时，炉外风口平台位置发出异常声音，6 号风口直吹管突然吹开，烧穿位置冒火、冒煤气现象严重，并有灼热的红焦炭吹出。发现异常情况后，对炉内进行大幅度减风控制，同时停煤停氧，执行紧急休风程序；炉外迅速向烧穿部位打水。高炉于20：30 休风，休风后，进行煤气倒流，检查6 号风口情况，发现直吹管前端烧损严重，前端约1/3 的位置被全部烧损，约1/2 位置的钢壳被烧毁。现场立即组织人员清理烧损的旧直吹管及现场吹出的焦炭，对6 号直吹管及6 号风口小套、二套进行更换，同时检查其余风口，待安装上新的直吹管，确认安装严密后，高炉开始复风。

2 直吹管烧穿引发的危害

高炉生产过程中，发生直吹管突然烧穿时，炉内操作画面热风压力降低，炉外风口平台位置发出异常声音，烧穿位置的直吹管端冒火、冒煤气，大量灼热的焦炭和熔融渣铁外喷，容易烧坏设备和烧伤人员；如果发生的位置在铁口部位，将可能烧毁泥炮和开口机，使事故扩大，损失增加；如果控制不及时，还会烧坏风口小套、二套。为了找出直吹管烧损的原因，对其提前进行预防并改进，避免类似事情再次发生。因此，对直吹管烧出情况进行了详细的分析，并制定了相应的预防改进措施。

3 直吹管烧穿的原因分析

1）直吹管内衬耐火材料不合格，局部区域内衬脱落。由直吹管的构造可知，直吹管外部是钢结构件，内部是浇注料，在浇筑过程中由于浇筑料强度不够或者浇筑质量较差，在高风温、高风速的条件下，耐火材料抗冲刷能力不足；或者是高炉在停、送风过程中冷热变化时产生裂纹，内衬被高速气流冲刷侵蚀、剥落，导致直吹管被烧坏。

2）直吹管安装不正确，直吹管与风口接触间隙过大。高炉直吹管在安装过程中，常常会出现不同程度的安装误差，强行安装后，直吹管与风口接触间隙产生缝隙，生产过程中受到温度、压力影响，应力加剧，最终发生烧穿。

3）喷枪长度、角度不正确，直接吹扫直吹管钢套。喷煤枪是高炉风口工作条件最恶劣的部件[2]，在高炉富氧状态下，喷煤枪前端存在一个局部的富氧区和旋流区。随着喷煤比和富氧率提高，旋流数增大，富氧区域越靠近煤枪，煤枪损坏速度越快。喷煤枪由枪孔插入，受插枪深度的影响，喷枪位置不在风口小套中心，出枪的煤粉直接吹扫到钢套，或者煤枪被磨烂后，部分煤粉在喷枪头部位聚集、结焦，达到一定量后急剧燃烧，造成该部位温度迅速上升，导致直吹管前端烧穿。直吹管的喷枪管夹角为9°～11°，喷煤枪位置插不到风口前端的中心线，喷煤枪被迫在直吹管前端头部位拐弯防止煤粉磨损风口小套。当喷煤枪枪管耐热耐磨性能不足时，喷吹烟煤时容易结焦堵煤造成喷煤枪严重氧化烧烂。另外煤粉中含有小部分的煤矸石颗粒，很容易在喷煤枪打弯处磨损并泄漏煤粉燃烧，造成直吹管前端头烧穿。

4）直吹管前端钢套冷却强度不够，焊缝开裂。九号高炉使用的直吹管前段是水冷钢套，钢套和直吹管焊接在一起，钢套内部通水冷却，水质不好或是水压降低会影响冷却强度，当焊缝开裂时或是当冷却强度不够时，极易出现发红、烧穿情况。

5）处理异常炉况时。高炉复风时采用堵风口作业，堵风口炮泥在直吹管内没有进入风口，开风后煤气倒流。炉况难行，导致悬料及自动来渣，严重崩料、坐料，液态渣灌入直吹管发生烧穿。

本次九号高炉直吹管烧穿，从现场情况分析，直吹管前端烧损约800 mm，风口小套完好，二套没有漏水，但内侧右偏下烧损约300 mm×50 mm 凹槽，烧损部位距二套与风口接触面130 mm，正好与直吹管前端钢套焊缝处吻合，判断为直吹管前端钢套焊缝开裂引起[3]。在发生烧穿事故后，迅速对高炉采取控制措施，没有造成更大的损失。为避免类似事情再次发生，结合生产实际制定出了针对性的预防改进措施。

4 预防改进措施

1）规范安装工艺，避免出现漏风。在实际生产过程中，安装直吹管的步骤主要包括：移动直吹管，使直吹管前端出风口外球密封面抵住风口小套后端内球密封面；拉起直吹管，使直吹管的上法兰与送风管的下法兰对接，将销轴穿入对应的螺栓孔，然后将销子穿入销轴，然后打紧固定，使直吹管与上送风管紧紧地固定连接。直吹管下部用张紧拉丝与炉壳连在一起，然后紧固。受温度、压力、热压力变形等因素影响，直吹管的上法兰与送风管的下法兰对接难度非常大，必要时可调整拉杆，使两个法兰面对正，如果直吹管中心和风口小套中心没有对正，两个部件的球面接触位置就会产生缝隙，出现漏风现象，为烧穿留下隐患。所以，安装步骤要正确，紧固要严密，避免出现漏风现象。

2）浇筑耐材合格，浇筑质量合格。浇筑直吹管时采用高质量的浇筑料，浇筑过程中应优化浇筑工艺，提高浇筑质量。九号高炉的直吹管是与其他送风装置一起招标进厂，要求供货商保证浇筑质量满足生产要求，内衬耐材浇注必须一次成型，保证耐材不脱落，内衬表面光滑，密实度达标，不存在局部裂纹及空洞，耐火材料浇注后，严防受潮和碰撞。

3）喷枪位置安装适宜。九号高炉使用的喷枪材质为310S 不锈钢材质，管壁厚3 mm，内径14 mm，枪身长度2 100～2 500 mm，各处管径统一，喷煤枪由枪孔位置插入，枪头伸入风口小套，距离前段插入深度380～410 mm，适当调整煤枪前段头部，使其处于风口小套通道中心，使喷枪吹出的煤粉硫位于中间位置。并对喷枪实施寿命管理，定期进行更换。

4）强化直吹管的冷却，实施直吹管寿命管理。九号高炉使用中压水对直吹管前端实施冷却，中压水压力为0.55 MPa，直吹管上进出冷却水管采取斜转弯设计，有效降低转弯部位的高度，避免与风口小套的进出水管产生挤靠，影响安装效果。通过添加药物对水质进行控制，水中悬浮物质量浓度11 mg/L 左右，钙硬度+总碱度在75 mg/L 左右，满足实际生产要求。对于直吹管的使用，按寿命周期进行管理，利用检修或者其他休风时间进行更换。

5）处理异常炉况时做好监护。高炉炉况出现异常，在处理异常炉况过程中，做好炉前风口、直吹管的监护工作，由配管、副工长定期巡检，发现异常情况，及时采取应急措施。

6）加强日常点检维护。建立直吹管的管理台账，包括进厂日期、外观质量、技监部探伤质检单、直吹管编号情况等信息。日常生产过程中做好巡检工作，严格点检标准，每4 h 点检1 次，每班点检2 次；弯头、直吹管温度控制要求为≤350 ℃，直吹管温度超出350 ℃时，必须对高温点进行吹氮气降温，点检频次改为每班平均3 次。温度超出380℃时，除氮气冷却外，每2 h 有针对性地点检1 次，做好点检记录，必要时派专人监护；弯头、直吹管表面温度超过400 ℃时，必须休风更换，做到对直吹管的运行情况跟踪及科学维护使用。