刘云彩高炉炉缸烧穿的预防和处理.ppt
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1、高炉炉缸烧穿的预防和处理,刘云彩2012.10.1,2,2012/10/1,第3节 灌浆、压入和喷涂造衬,第4节 烧穿后的修复,第5节 预防炉体破损,参考文献,第2节 补炉操作,第1节 炉缸烧穿是一个过程,经过很长时间,3,2012/10/1,第1节 炉缸烧穿是一个过程,经过很长时间高炉炉体破损,以水箱为标志,一旦水箱烧毁,炉皮变形、开裂,如果发生在炉身,则喷出煤气和火焰;如在炉腹,则喷出焦炭和炉渣。如瞬间大量向炉内漏水,可能产生大量水煤气爆炸,这种力量足以摧毁高炉。发生在炉缸,赤热的铁水流出来,遇到水,会产生爆炸,其破坏性,难以予预料。,4,2012/10/1,1,炉缸在那里经常烧穿?高炉烧
2、穿是一个过程,炉衬被侵蚀,需要时间。随着砖衬的侵蚀,铁水逐渐接近冷却壁,冷却壁的进出水水温差,越来越高,因此通过冷却壁的热流强度也越来越高。图1是首钢四高炉大修停炉的实测结果。,5,2012/10/1,图1 大修实测炉型(1200m3),6,2012/10/1,图2(1983-1987)1987年大修实测炉缸状况,7,2012/10/1,四炉一个铁口,经常利用系数在2.3-2.5之间,出铁速度较快,炉缸环流侵蚀较重。图2是四炉第2代实测炉缸,它是在烧穿修复后,积极准备,一年后大修。,8,2012/10/1,开炉10年3个个月后,炉底砖侵蚀4层,侵蚀速度约13mm/月。最严重处,距炉缸二层冷却壁
3、60mm。四炉第二代,1983年6月4日开炉,30个月后,炉缸侵蚀严重,局部热流强度超过15000千卡/m2.h(62800 kj/m2.h),1986年3月5日二层冷却壁烧穿。,9,2012/10/1,图3 武钢5号炉大修实测1武钢5高炉,3200m3,1991年10月19日开炉,2007年5月17日停炉,生产15年8个月,炉底侵蚀速度约9.6mm/月。最薄处距2段冷却壁186mm。,10,2012/10/1,图4 福山5高炉2福山5高炉1973年投产,1983年停炉,中间经历两次石油危机。在3号风口方向下部,炉缸侵蚀严重,铁水已渗透到炉壳钢板约400mm,砖衬已变质脆化。侵蚀形状,也是象脚
4、型。,11,2012/10/1,图5 施维尔根2高炉炉缸侵蚀情况3,12,2012/10/1,图5是斯维尔根2高炉,也是欧洲最大的高炉,1993年投产。图5给出的炉缸侵蚀情况是数学模型推算的结果,它是陶瓷杯内衬,已出铁33,79800吨,日产12300吨。炉缸直径14.9m,工作容积4769m3。从图中看到,开炉10年后炉缸侵蚀形状,和以上各高炉类似,也是象脚型。,13,2012/10/1,炉缸象脚型侵蚀,也有人叫“蒜头状”侵蚀,这一区域炉缸最薄弱,最易烧穿。这一区域的最薄弱点是冷却强度最弱的地方,两冷却壁之间,冷却强度最弱,这里是最容易成为烧穿的突破点。图6是首钢高炉高炉生产的实例。从图中看
5、到,此点距冷却壁冷却水管“最远”。显然,足够的冷却强度,可使少量渗透的铁水凝固,避免烧出;冷却强度不足,深入的铁水,会烧穿冷却壁,扩大烧穿范围。,14,2012/10/1,图6 首钢2高炉1955年烧穿部位4并不是所有烧穿,均发生在冷却壁之间,但相对较弱的冷却强度,烧穿的几率最大。,15,2012/10/1,2,“突然”烧穿的原因我们经历过多次高炉烧穿,经常处于精神紧张的担心状态,任何炉缸冷却壁水温差变化或测温元件温度变化,都会提醒我们,全面观察。我们也看到有些厂,出现意外烧穿,如鞍钢3号炉2008年8月25日的烧穿,没有任何先兆5。,16,2012/10/1,3号炉容积3200m3,2005
6、年12页28日投产。烧穿部位炉缸砌砖厚度1914mm,即使局部烧穿,也需要很长的时间,从2010年3月停炉大修观察,炉缸下部侵蚀严重,大修是必要的。为什么没有先兆,正如鞍钢的分析,炉缸区域测温点太少,在关键的第2、3段冷却壁,仅有24个测温点,在炉缸圆周方向,相距3m多,才有一个监测点,局部侵蚀或烧穿,很难有反应。这是没有先兆的主要原因。,17,2012/10/1,高炉炉缸外层用美国著名的UK小块碳砖,内衬低导热的“陶瓷杯”,设计寿命15年,又是著名的设计院设计的,很难想到,不足3年,会发生烧穿。炉衬侵蚀过程是存在的,正如鞍钢总结的,UK高石墨化的碳砖容易被铁水熔损,炉缸冷却壁炉墙强度较低,加
7、快了侵蚀速度。设计结构的缺陷,是短命的另一原因。国外陶瓷杯材料,一般可经受3年多的侵蚀,鞍钢的陶瓷杯材料,局部显然低于3年,是施工问题还是材质问题,上不清楚,这也是出人意外的重要原因。,18,2012/10/1,3,为什么炉缸侵蚀多为象脚型?,高炉炉缸象脚状浸蚀,已被许多试验证明,主要是炉缸内铁水环流和应力造成的。加深死铁层,是减轻象脚浸蚀的有效措施。图7是依据高炉上推力关点6,推算出的高炉死铁层深度7。,图7 实际死铁层深度和推荐死铁层深度,19,2012/10/1,从图中看到,实际各国高炉的死铁层深度,差别很大。,即使同容积的高炉,深度也很不同,1000m3以上高炉,浅的不足1米,深的3米
8、多。推荐死铁层深度与炉缸直径之比,结果如表8。从表8中看到:小高炉死铁层深度与炉缸直径之比,大于或接近0.2,而大于500m3的高炉,死铁层与炉缸直径之比,仅是1614%。现在高炉设计,经常以炉缸直径20%作为死铁层深度,对小高炉比较合适,对大于500m3高炉,其值较大,15%左右比较合理。,20,2012/10/1,图8 炉缸直径与推荐死铁层深度,21,2012/10/1,表1 推荐死铁层深度与炉缸直径之比,22,2012/10/1,处于死铁层位置的铁水,除因出铁放渣死料柱升降对其扰动外,是比较平静的。用同位素测定炉缸铁水,证实了这点8。巴巴雷金等曾对前苏联马钢的三座高炉、从死铁层放出的铁水
9、,进行研究,结果表明:不同深度的铁水,成分和温度是不同的。愈向下温度愈低。铁口附近的铁水温度大约14600C,铁口下2.54米处、即残铁口底部(其中一座高炉约2.5米,另两座约4米)的铁水温度,只有12000C 9。车里亚宾斯克2号炉在1950年放残铁时,测定的下残铁口的铁水温度只有116011800C10。当时所测定的高炉,炉底均没有冷却。这说明死铁层的铁水,还有另一项功能,即23米深的铁水,可降低铁水温度2503000C。所以,加深死铁层,不仅减低铁水环流的浸蚀作用,还能大幅度降低铁水温度,减轻对炉底炉缸的破坏作用。,23,2012/10/1,尽管如此,作者还是推荐死铁层深度不超过2.5米
10、,因为高炉经过几年生产后,死铁层会因铁水浸蚀而加深;现在的大高炉,炉底均有冷却设施,不可能像50年代,浸蚀很深。预留过深,白白浪费了高炉容积。特别是大高炉,每增加1米死铁层深度,会扩大高炉容积几十甚至上百立方米。对于大高炉,15%左右的死铁层深度,完全能满足冶炼要求;也能保护炉缸长寿。,24,2012/10/1,日常操作中,要控制出铁速度。大高炉出铁速度过快,会产生环流,破坏炉缸炉墙。虽然加深死铁层能减少环流,出铁速度过快,环流依然难以避免。图9是一些高炉的出铁速度。,图9 部分高炉的出铁速度,25,2012/10/1,4,重点检测那里?炉缸危险烧穿区多在象脚侵蚀区,一般在炉缸二段冷却壁铁口以
11、下的盛铁水区域。因此这区间的监测点应当密集,高炉设计者应当十分重视。高炉操作者应经常观察这区域的检测记录,不放过任何变化、异动。炉缸炉底监测,多种多样,温度检测依然是主要的。此区域冷却壁水温差的变化,能及时反映炉缸炉底侵蚀情况或炉缸活跃程度。升温过程,一般也是侵蚀过程。此区炉衬的测温热电偶,比较灵敏,有些设计,沿炉缸径向到中心或沿炉墙径向不同距离,埋设2-3点,利用两点间的已知距离和不同温度,算出炉衬侵蚀深度。,26,2012/10/1,5,炉缸烧穿前的徵兆图10是首钢4高炉1985年3月5日炉缸烧穿前的水温差变化和热流强度变化记录。,27,2012/10/1,图10 4高炉炉缸烧穿前的记录,
12、28,2012/10/1,从图中看到,8点,炉缸二层32#-1和32#-2相邻的两块冷却壁的水温差已到0.9和1.1,热流强度分别达到37和45.4Kw/m2(15500和19000 Kcal/m2.h)。按首钢经验(有炉底冷却的综合炉底),热流强度到35.8Kw/m2(15000 Kcal/m2.h),冷却壁处于危险状态、已到安全生产的极限,这是警戒温度;热流强度到43.Kw/m2(18000 Kcal/m2.h),是极限温度,铁水已接触到达冷却壁表面,如不采取坚决措施,冷却壁随时可能烧穿。,29,2012/10/1,9点,32#-1的水温差继续升高,已经超过极限温度,到1.2,热流强度高达
13、49.5K w/m2(20720 Kcal/m2.h)。这么高的热流强度,说明铁水已经侵入冷却壁,冷却水已不可能将如此巨大的热量带走,冷却壁温度必然继续升高,烧穿随时可能发生。此时必须采取紧急措施。将32#-1冷却壁进水水压,由17.8提高到20.5 Kg/cm2,9点45分完成。但是温差继续上升。于是组织出铁,准备停风。10点17分出铁,32#-1的水温差继续升高,10点20分,到3.3,立刻改常压、放风,准备停风。鼓风压力由2.63逐步降到1.1 Kg/cm2,由于铁水流的太慢,风压无法继续降低,一直维持到11点20分出完铁。,30,2012/10/1,水温差不断提高,冷却壁的烧穿范围在扩
14、大,11点20分,看水工发现,炉皮铁锈剥落一大片,炉皮发红,炉台下冒出黄烟,随即响起铁水遇到水产生的爆炸声。水温差急剧上升,已经是烧穿的前兆。当热流强度超过极限值以后,铁水已将冷却壁烧坏,不断升高,表明冷却壁烧毁面积在不断扩大。此后水温差的急剧上升,是必然的,烧穿已不可避免,这是烧穿前的普遍现象,下表给出首钢两座高炉的烧穿前温度变化:,31,2012/10/1,各高炉均应设热流强度预警线,一旦出现烧穿威胁,应立即采取措施。,表2 烧穿冷却壁的水温差变化,32,2012/10/1,第2节 补炉操作,1,对预防烧穿操作方法的评价 高炉炉缸发现烧穿威胁,首先是提高冷却壁的冷却强度,这是最常用的方法。
15、首钢四高炉,在1984年,炉缸二层冷却壁受到烧穿威胁时,曾将炉缸1、3、4层冷却壁的冷却水压力由3.4 kg/cm2降到3.2 kg/cm2,将炉身冷却壁的水压由2.3 kg/cm2.降到2.2 kg/cm2,以提高烧穿威胁最严重的二层冷却壁的水压。部分水温差过高的冷却壁,用1012 kg/cm2的高压水,使危险的烧穿威胁,暂时躲过。与此同时,将原来长度380mm、下斜50的风口,改成长度400mm的直风口。这是简单的辅助措施,起不了很大作用。,33,2012/10/1,1985年7月,四炉炉缸二层多块冷却壁水温差超标,其中有8块大于10,当时,曾利用检修机会,停风12小时,水温差很快由10降
16、到0.60.80。送风后控制风量、降低冶炼强度,得到暂时稳定,以后恢复冶炼强度,烧穿威胁,再次出现,超限的冷却壁水温差,又回到原来的水平。11月曾停风16小时,降温效果显著、快速,恢复生产后,依然如故。解决不了根本问题。显然,砖衬已严重侵蚀,暂时停风,解决不了砖衬缺损。,34,2012/10/1,也曾将有威胁烧穿部位上方的风口堵死,实际是减少产量、且减少风口附近局部温度,效果是有的,对操作不利,且解决不了根本问题。许多厂在面临烧穿严重威胁时,采取堵风口或停风措施,它是在高炉处于烧穿紧急情况下,争取时间的较好手段。与此同时,应采用有效的补炉方法,制止烧穿。把堵风口作为经常手段,不能解除烧穿的威胁
17、;同样,把停风作为处理手段,也无济于事。用钛化物补炉,如果方法正确,可有效延长高炉寿命。,35,2012/10/1,2,用含钛炉料补炉的历史日本铁矿资源贫乏,日本沿海部分海域,生产砂铁,砂铁中除铁以外,还含Ti。作为炼铁原料,生产过程发现,钛化物在炉底炉缸有沉积、保护作用。表3是日本住友公司小仓炼铁厂一座高炉,1955年使用砂铁的实际结果,此炉最多用砂铁250kg/吨铁12。后来日本砂铁资源枯竭,开始进口含钛矿物,用于高炉补炉。,36,2012/10/1,日本福山1高炉1969年4月,距炉底约1公尺处的炉缸砖衬温度逐渐上升,5月由100升到130。当时除将产量由4700吨/日降到4600吨以外
18、,将炉料中的含TiO2量由5 Kg/t增加到7.5 Kg/t。但并未能制止温度升高,到7月,炉衬温度升高到300,将炉料中的TiO2量增加到20 Kg/t,炉衬温度迅速下降,仅仅10天,就降到100的正常水平(图11)13。图12是日本和歌山4#炉补炉炉操作曲线。原图分四个区间,这里取三个:下部是铁口下方炉缸砖衬温度,TiO2 在炉料中12Kg/t时,炉缸砖衬温度没有降低,当加大到18-20 Kg/t时,砖衬温度下降。图的中部实线表示TiO2加入量,虚线表示排除量。在排出量下方的数字(TiO2入炉量,kg/t)和区间(具体时间间隔),是不同TiO2加入量的日期。图的上部,是入炉TiO2总量和回
19、收量(入炉总量 留在炉内的量)之比,实际是回收率,在6-17%之间14。,37,2012/10/1,图11 1969年福山1#炉护炉操作,38,2012/10/1,图12 1979年和歌山4#炉护炉操作曲线,39,2012/10/1,首先在中国应用补炉技术的是柳州钢铁厂。柳钢受攀枝花钢铁公司冶炼的影响以及日本用钛矿补炉的成功经验,于1981年1月在柳钢2高炉开始加钒钛矿试验,具体操作如图13。图中砖衬温度计装在铁口平面砖墙内250mm,正常温度水平在400-500之间。TiO2加14Kg/t时,虽然炉缸水温差没有上升,但砖衬温度继续升高,3月11日将TiO2加到18Kg/t,12日加到20Kg
20、/t,温度迅速下降,仅一周时间,砖衬温度降到150以下。柳钢的成功,开创了我国补炉操作的先河,功不可殁15。,40,2012/10/1,图13 柳钢2高炉补炉操作曲线,41,2012/10/1,1982年9月湘潭钢铁厂2号高炉试验补炉,对试验过程做了仔细分析,当TiO2在炉料中含量在12Kg/t时,铁水中含Ti在0.15%左右,一周后,炉缸冷却壁水温差降到正常水平(稳定在2以下),高炉转危为安,大修推迟到1986年进行,炉役寿命达到11年。图14是湘钢2号炉补炉过程,冷却壁水温差的变化。,42,2012/10/1,他们于1984年开会鉴定,在会上介绍用钛矿补炉的成功经验,由此在我国宣传、推广了
21、这一重要技术,为延长我国高炉寿命,作出了重大贡献16。,图14 湘钢2号炉补炉过程,冷却壁水温差的变化,43,2012/10/1,3,钛回收率 多年实践证明,无论使用钛矿或钛渣,钛的回收率与铁水含Si量关系密切。,图15 首钢钛回收率,44,2012/10/1,图15是首钢的实践结果。从图中看出,钛的回收率与钛的来源关系较小,与铁水含Si量几乎呈直线关系。当铁水含Si在0.40.7%之间时,Ti回收率在1830%之间17。宝钢实践,钛的回收率在22-30%之间18。图16是日本的回收率数据,和中国的试验接近19。,45,2012/10/1,表3 宝钢钛回收率,图16 日本Ti回收率和Si的关系
22、,46,2012/10/1,4,钛化物在炉缸的形成于沉积很多学者对高炉条件下的钛化物析出及结晶过程做过研究,这些结果,指导补炉工作,取得显著成效。图17是任允芙、蒋烈英给出的钛在铁水中不同条件下的溶解度20。,图20 铁水中钛溶解度与温度、氮分压的关系,47,2012/10/1,从图中看出,当铁水温度低于所示曲线温度,就有金属钛析出,因此,铁水中的钛含量下限可根据炉底温度而定。例如当炉底温度为1200 0C时,铁水中的钛溶解度仅0.012。“一般控制下限为0.08”20。从图中看到,钛的溶解度和温度关系密切,温度越低,析出的钛越多。当铁水接近冷却壁,温度显然最低,此处恰好有利于金属钛析出。,4
23、8,2012/10/1,图21是Tashikiro在铁水含C 4%时,不同条件的Ti溶解度。从图中看出,在接近高炉条件下,Ti的溶解度不超过0.15。据董一诚等研究,铁水中钛0.1,“就可以形成Ti(C,N)护炉层”21。两者的推论是接近的。,图21 Ti的溶解度,49,2012/10/1,钛在炉内还原析出后,与碳、氮结合,生成TiC、TiN和固溶体Ti(C,N)。下表是三者的数据:上述钛化物和固溶体熔点很高,呈颗粒状悬浮、弥散在铁水中,使铁水变粘稠,这些钛化物是补炉的基本材料。杜鹤桂等通过热力学计算,得出高炉条件下Ti在铁水中的溶解度22:,50,2012/10/1,不同作者给出的结果,比较
24、接近,可以指导补炉操作。首钢4高炉1985年3月5日烧穿,修补后,又生产一年,主要靠用含钛物料补炉。1987年4月停炉后发现:“在炉缸碳砖被侵蚀严重部位,沉积了大量碳氮化钛Ti(C,N)和少量的石墨和-Fe。此沉积物是高熔点、高硬度、高密度、具有磁性和导电性的护炉材料。碳化钛的沉积过程是TiO2经逐级还原成Ti,与铁水中溶解的N和C反应形成Ti N和Ti C”,在低于1350界面时,Ti N和Ti C交替析出,形成像树的年轮状构造23。,51,2012/10/1,图22 4炉沉积凝结物示意图,52,2012/10/1,图22是依据1987拆炉结果绘制的。“炉缸和炉底交界处沉积了很厚一层亮的古铜
25、色矿物”。“在炉缸侵蚀最严重的部位,钛沉积物最厚”。铁口西侧的炉缸部位,碳砖全部被蚀掉,仅剩下30mm左右的碳捣料,其上沉积了400mm的钛化物”。,53,2012/10/1,图23 沉积的钛化物,54,2012/10/1,“沿炉壁向上逐渐减薄,其厚度为20mm左右,呈浅古铜色。沿炉底方向延伸到高铝砖止,呈浅古铜色。铁口东侧炉缸部位钛沉积物比西侧薄些,但比铁口对面炉缸部位的沉积物较厚。两风口下0.5m处钛沉积物与较多的炉渣、焦炭混合在一起。在炉底高铝砖表面未发现有钛沉积物析出,只在个别碳砖与高铝砖缝隙中有少量的渗渣现象”。,55,2012/10/1,首钢4炉停炉后的实际侵蚀线,说明学者们研究结
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