炭磚爐缸側壁異常侵蝕診斷研究

王紅斌

(山西太鋼不銹鋼股份有限公司,太原 030003)

某鋼廠高爐大修擴容后,高爐容積由1350 m3增至1650 m3。該高爐采用陶瓷杯結合半石墨炭磚的復合爐缸爐底設計,于2000年11月點火開爐。在投產(chǎn)2年零4個月后,由于爐底搗料層導熱系數(shù)過低,影響冷卻效果,導致爐底溫度持續(xù)升高。遂及采取在爐底搗料層上鉆孔,安裝冷卻水管的措施,使爐底溫度趨于穩(wěn)定[1,2]。隨著高爐冶煉的進行,爐缸側壁的侵蝕問題越來越嚴重,原安裝在爐缸側壁陶瓷杯和半石墨炭磚交界處(距離爐缸炭磚冷面950 mm)的電偶溫度在運行5年后上升至900℃,大部分數(shù)據(jù)開始失真。為了繼續(xù)實現(xiàn)對爐缸側壁侵蝕的監(jiān)控,高爐運行6年后,在距爐缸冷面50～300 mm處新安裝了32支測溫電偶。此后爐缸電偶溫度繼續(xù)升高。9年后,這些靠近冷面的新增電偶的最高平均溫度也已經(jīng)超過650℃,個別點甚至超過了800℃。此外,部分靠近冷面的電偶溫度反而大于同標高下靠近熱面的電偶溫度。在此情況下,筆者采用了北京科技大學程樹森實驗室開發(fā)的爐缸爐底侵蝕監(jiān)測模型[3,4],對爐缸侵蝕剩余厚度做出了判斷,明確了導致異常侵蝕的原因,并進而采取了有效的爐缸維護手段。

1 爐缸異常侵蝕診斷

1.1 填料導熱系數(shù)對陶瓷杯侵蝕速度的影響

該高爐采用“隔熱法”爐缸,旨在通過爐缸側壁陶瓷杯的高隔熱來保護半石墨炭磚。在開爐初期,通過原始安裝的熱電偶監(jiān)測,起到了一定的保護作用。但是,由于此高爐在爐缸半石墨炭磚和冷卻壁間的填料導熱系數(shù)過低,經(jīng)化驗在室溫時填料導熱系數(shù)僅為0.85(W/m·K),300℃時為1.36.在開爐后,雖然陶瓷杯的存在保護了靠近冷面的炭磚,但同時填料的熱阻成了冷卻的限制性環(huán)節(jié)。60 mm厚的填料層熱阻相當于近850 mm的半石墨碳磚或者是200 mm的陶瓷杯。圖1-a,1-b為填料導熱系數(shù)為1和10的溫度場分布比較,可見導熱系數(shù)過低的填料層存在導致爐缸冷卻很難發(fā)揮作用。圖1-a中不但1150℃侵蝕線更為深入陶瓷杯,而且爐缸爐底拐角處鐵水的固液兩相區(qū)也更小,渣鐵殼很難形成,大大加劇了陶瓷杯的侵蝕速度。

1.2 爐缸炭磚環(huán)裂分析

隨著爐缸陶瓷杯的侵蝕,爐缸總熱阻減小,填料層熱阻所占的比例越來越大。經(jīng)過計算可知,當爐缸陶瓷杯剩余50 mm厚時,填料層熱阻所占比例將達30%。此時,不僅在1150℃侵蝕線無法被推出陶瓷杯熱面,而且在800℃炭磚脆化線也由于填料層的存在深入到爐缸半石墨炭磚中,如圖2所示。靠近熱面的半石墨炭磚將發(fā)生脆化,且大塊半石墨炭磚的冷面和熱面溫差高達700℃。冷熱面膨脹系數(shù)不同,將在炭磚內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應力。當此應力大于炭磚破壞應力時,將導致炭磚內(nèi)產(chǎn)生裂縫,使該高爐在爐缸部位的爐殼開裂,爐內(nèi)炭磚發(fā)生了環(huán)裂。此外,高爐運行中的風口漏水、爐內(nèi)堿金屬富集等也會加劇爐缸炭磚的環(huán)裂[5-7]。

圖1 爐缸側壁填料層導熱系數(shù)分別為1(1-a)和10(1-b)的溫度場分布

圖2 爐缸陶瓷杯剩余50 mm厚時炭磚脆化線位置

由于爐缸環(huán)裂,熱電偶將隨炭磚一起被拉向冷面。如圖3所示,電偶數(shù)據(jù)線可能被拉斷或是測溫探頭偏離了原來的位置,都將對測溫數(shù)據(jù)的準確性造成影響,這可能也是該高爐爐缸原始測溫電偶數(shù)據(jù)失真的重要原因。

圖3 環(huán)裂影響熱電偶測溫示意

1.3 爐缸側壁竄氣分析

依據(jù)此高爐爐缸新增電偶的測溫數(shù)據(jù),利用侵蝕模型的分析結果,推斷出此爐缸在部分區(qū)域存在著竄氣。表1所示為爐缸相同標高下冷面電偶溫度高于熱面電偶溫度的統(tǒng)計,在對電偶位置進行了校對無誤后,可知爐缸冷卻壁和炭磚間的竄氣是造成溫度異常的主要原因。

表1 爐缸異常電偶溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計

1.4 爐缸侵蝕及環(huán)縫位置計算結果

以爐缸爐底熱電偶有效溫度數(shù)據(jù)為基礎,利用北京科技大學程樹森開發(fā)的爐缸爐底侵蝕監(jiān)測模型,結合模型中“診斷知識庫”,對環(huán)裂和竄氣進行判斷和處理。計算了該高爐爐缸在 55°,105°,155°,205°,255°,305°,355°等剖面的侵蝕內(nèi)型、磚襯剩余厚度和環(huán)縫位置,得出該高爐爐缸侵蝕特點如下。

1)爐缸整體呈現(xiàn)較為明顯的“象腳狀”侵蝕。爐缸爐底拐角處侵蝕最為嚴重,此部位炭磚剩余厚度平均在750 mm左右,其中255°剖面剩余炭磚最薄為644 mm。如圖4所示。

圖4 255°剖面的侵蝕內(nèi)型和環(huán)縫位置

2)爐缸在圓周和高度方向上都存在較大范圍的環(huán)裂,環(huán)縫分布在距炭磚冷面300～550 mm范圍,部分角度的縱剖面內(nèi)爐缸環(huán)縫從鐵口發(fā)展至爐缸爐底拐角,給高爐壽命帶來隱患。圖5所示為355°縱剖面內(nèi)的爐缸侵蝕輪廓及環(huán)縫位置,拐角最薄剩余炭磚為 713 mm,環(huán)縫距離炭磚冷面300～568 mm。圖6為在不同高度電偶插入深度與測量溫度的關系。

3)爐缸環(huán)裂的存在進一步加劇了竄氣對侵蝕的影響,在爐缸部分區(qū)域環(huán)縫內(nèi)的竄氣使得炭磚兩面受熱,必須對此問題進行及時處理。

圖5 355°剖面的侵蝕內(nèi)型、環(huán)縫及熱電偶位置

圖6 不同高度熱電偶測量溫度

2 爐缸維護

依據(jù)爐缸異常侵蝕診斷和計算結果,結合高爐操作技術,采取了有針對性地爐缸維護手段。

1)針對爐缸環(huán)裂,從原料上盡量減少或避免鋅堿金屬入爐,并加強風口查漏的巡檢力度,防止外部因素加劇環(huán)裂;從爐缸自身溫度場分布出發(fā),通過加鈦礦護爐及改用長風口,減弱爐缸側壁受到的沖刷侵蝕,同時在冷卻壁和炭磚間灌漿,以減小氣隙增加填料層的導熱系數(shù),最終通過“自保護”渣鐵殼的形成來保護爐缸炭磚。

2)針對爐缸竄氣,采用灌漿技術來消除冷卻壁和炭磚間的氣隙,減少氣體通道,防止炭磚前后受熱。

3)針對爐缸部分侵蝕最嚴重區(qū)域,當電偶溫度急劇升高并接近其最高值時,采取臨時性堵風口手段,以迅速避免侵蝕的進一步加劇。通過這些維護手段的采用,該高爐爐缸電偶溫度已保持在歷史最高值以下,實現(xiàn)了高爐的正常穩(wěn)定生產(chǎn)。

爐缸經(jīng)維護后,在355°剖面熱電偶不同高度溫度值有了明顯改善,如圖7所示。

圖7 維護后355°剖面不同高度熱電偶測量溫度

3 結論

1)該高爐采用陶瓷杯復合爐缸爐底,由于爐缸填料導熱系數(shù)過低,導致開爐后陶瓷杯侵蝕過快,可見填搗料導熱系數(shù)的檢驗對高爐壽命至關重要。

2)利用爐缸侵蝕監(jiān)測模型對該高爐爐缸異常侵蝕進行了診斷和模擬,明確了爐缸填料導熱系數(shù)過低、風口漏水,鋅堿金屬及渣鐵滲入最終導致爐缸出現(xiàn)環(huán)裂和竄氣異常。

3)根據(jù)侵蝕模型計算,爐缸形成較明顯的“象腳狀”侵蝕,爐缸爐底拐角處炭磚最薄剩余厚度為644 mm,環(huán)縫分布在距炭磚冷面300～550 mm范圍。

4)針對此爐缸存在的問題,采取了灌漿、加強風口漏水巡檢、改換長風口等措施。目前,爐缸電偶溫度低于歷史最高值,實現(xiàn)了高爐的正常運行。

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