寶鋼4BF無襯套風口小套內(nèi)壁結(jié)殼現(xiàn)象分析

顧榮榮,朱勇軍,徐 輝

(寶山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠,上海 200941)

寶鋼4BF第二代爐役于2014年11月12日點火投產(chǎn),成功開爐后近5年生產(chǎn)時間里,高爐經(jīng)歷了最高比例為30%的高球團比、持續(xù)16個月比例最高達26%的高塊礦比、為期20個月燒結(jié)礦比例最低至53%的不同生產(chǎn)階段,經(jīng)過合理操業(yè)調(diào)整,高爐總體穩(wěn)定,煤氣利用率長期穩(wěn)定在51%～52%,年均煤比在180 kg/t以上,燃料比維持在480 kg/t左右[1-3]。

為了使高爐獲得最佳的鼓風動能,寶鋼4BF送風系統(tǒng)末端采用內(nèi)徑為160 mm的風口小套,根據(jù)生產(chǎn)需要選用不同內(nèi)徑風口襯套組合獲得目標風口面積,為能夠得到理想氣流分布創(chuàng)造了良好條件。近年來,寶鋼高爐定修周期從1個月逐漸延長至3～4個月,高爐生產(chǎn)穩(wěn)定期進一步延長,高爐各項指標也趨于穩(wěn)定,生產(chǎn)獲得了更大效益。但風口襯套使用壽命與目前高爐定修周期不匹配,在一個定修周期中隨著風口襯套從前端熔損剝落,實際風口面積不斷擴大,送風制度發(fā)生變化,定修周期后期氣流分布難以調(diào)劑,直接影響到高爐煤氣能量利用和料柱透氣性,進而降低高爐生產(chǎn)經(jīng)濟技術(shù)指標。因此,襯套的實際使用壽命對高爐生產(chǎn)至關(guān)重要,國內(nèi)外高爐工作者一直探索使用更加耐高溫侵蝕、抗渣侵蝕的風口襯套[4-5],但尚未有很好的解決方案?；谝陨显?寶鋼4BF逐漸采取無襯套風口進行生產(chǎn),在一個定修周期中保持風口面積基本不變,確保送風制度穩(wěn)定。

1 無襯套風口使用情況

4BF在2016年12月、2017年4月、2017年8月分三次逐步增加無襯套風口使用至全部為無襯套風口小套。第一批無襯套風口小套經(jīng)歷了為期4個月生產(chǎn)后,定修時在小套內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)有成圈沉積結(jié)殼層,不同風口的沉積層厚度有差異,最厚達5 mm,據(jù)此推測,生產(chǎn)中實際風口面積比理論風口面積小。

無襯套風口小套內(nèi)壁結(jié)殼層內(nèi)表面呈黑色,表面層以下呈土黃色,從縱向看呈現(xiàn)顏色深淺不一的分層沉積,沉積物強度不高,易碎成塊狀,可輕搗成粉末狀,見圖1所示,同期使用的風口襯套內(nèi)表面無沉積現(xiàn)象。

2 無襯套風口小套內(nèi)壁結(jié)殼物組分

對無襯套風口小套內(nèi)壁結(jié)殼物進行取樣分析(圖2),結(jié)果表明,該結(jié)殼物含50.20%的氧化鋅、27.48%的氧化鈉、10.40%的氧化硅、5.92%的氧化鈣和1.96%氧化鎂,以及1.43%的全鐵、0.79%的氧化鋁和0.48%的硫。其XRD物相分析結(jié)果表明,92%的鋅為氧化物形態(tài),8%的鋅為金屬單質(zhì)形式。

在2017年4月以后,在高爐安排拆裝直吹管的休風過程中,均逐一檢查無襯套風口內(nèi)壁結(jié)殼情況,并對有結(jié)殼情況的風口進行取樣分析,結(jié)果如表1所示。

表1 定修對無襯套風口內(nèi)壁檢查情況和取樣分析結(jié)果

在2017年11月24日定修時,從風口內(nèi)取出少量金屬物,見圖3。經(jīng)檢測該金屬物鋅含量達96.80%,余為氧化鈉及少量碳。

3 風口小套內(nèi)壁結(jié)殼機理分析

風口小套內(nèi)壁沉積物取樣分析結(jié)果表明,堿金屬含量為7%～28%,碳含量為7%～20%,氧化鋅含量為50%～66%,鉀鈉鋅三種有害元素含量最低為58.5%,最高達77.7%,其中92%的鋅為氧化物形態(tài),8%的鋅為金屬鋅。風口小套內(nèi)表面沉積物主要是由鉀、鈉和鋅等有害金屬元素富集產(chǎn)生,在2017年11月24日定修出現(xiàn)風口淌鋅現(xiàn)象更加說明了高爐內(nèi)鋅富集達到一定數(shù)量水平。

3.1 爐內(nèi)有害元素循環(huán)富集

因鉀、鈉和鋅等有害元素金屬單質(zhì)具有低熔點低沸點性質(zhì)(標準狀態(tài)下鉀[6]336、鈉[6]566、鋅[6]902金屬熔點分別為63、98和419.5 ℃,沸點為799、882和907 ℃),高爐原燃料帶入的鉀、鈉、鋅等元素在中高溫區(qū)部分或全部被碳還原而形成金屬蒸汽。隨煤氣流向上運動時,金屬蒸汽與爐料中礦物結(jié)合生成化合物,部分與爐塵一起排出高爐,部分在爐身中上部、煤氣上升管等部位與爐襯反應(yīng)形成低熔點化合物,其余部分通過爐渣排出高爐[7]。因爐況或者操作條件變化時,高爐表觀有害元素收支往往存在不平衡現(xiàn)象,出現(xiàn)階段性積累和集中排出過程,在高爐內(nèi)循環(huán)有害元素的總量也會有相應(yīng)波動,但據(jù)相關(guān)報道可知,高爐內(nèi)循環(huán)的有害元素總量是入爐量的10～30倍[8-10]。

4BF入爐堿金屬總量基本為0.8～1.0 kg/t,如圖4所示。入爐鋅負荷波動較大,2016年為0.10～0.15 kg/t,2017年4月在無襯套風口小套內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)富鋅沉積結(jié)殼物后鋅負荷降至0.06～0.08 kg/t,2018年8月以后有所上升。

從圖5、6寶鋼高爐重力除塵灰和二次灰中含鋅量可以看出,2016年和2017年寶鋼4BF重力除塵灰中鋅含量基本在0.08%以內(nèi),二次灰中鋅含量在0.20%以內(nèi),同期寶鋼高爐重力除塵灰平均鋅含量為0.15%左右,約為4BF的2倍,二次灰平均鋅含量為0.60%～1.00%,為4BF的3～5倍,說明寶鋼4BF該段時間內(nèi)的排鋅能力低于其他高爐,有害元素在爐內(nèi)富集程度相對嚴重。

造成寶鋼4BF在2016、2017年有害元素嚴重富集的可能原因是,高爐中心氣流溫度下降多且波動大導致高爐排鋅能力變差。2016年1月至2017年3月,4BF進行20%以上高塊礦比生產(chǎn),高爐中心氣流溫度從600 ℃以上逐步下降至500 ℃以內(nèi);在2017年4月至2018年2月,即“二對四”生產(chǎn)前期,高爐塊礦比基本保持在18%左右,中心氣流溫度雖有短暫上升至近600 ℃,但大部分時間在500 ℃以內(nèi),特別是2017年8月和2018年1月中心氣流月均溫度低至400 ℃(圖7),高爐重力除塵灰中鋅含量基本在0.10%以內(nèi),二次灰鋅含量在0.40%以內(nèi),遠低于同時期寶鋼其他高爐同類除塵灰的含鋅量;2018年3月,塊礦比從18%降至14%左右,中心氣流溫度上升至550～650 ℃,4BF重力除塵灰中鋅含量從0.05%上升至0.20%以上,2018年6月重力除塵灰中月均鋅含量更是高達0.58%;2018年8月,4BF二次灰中鋅含量從0.10%上升至0.89%,隨后幾個月中高爐二次灰中鋅含量均在1.00%以上,其中10月份月均達2.30%。

基于以上分析可以推斷,寶鋼4BF在2016年1月至2018年2月間處于鋅富集階段,而在2018年3月后幾個月則出現(xiàn)鋅集中排出,因此2018年4月定修時無襯套風口內(nèi)壁仍有結(jié)殼物,但后續(xù)幾次定修均沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)殼現(xiàn)象。

3.2 有害元素在無襯套風口小套內(nèi)壁沉積

高爐內(nèi)風口區(qū)溫度遠高于有害元素金屬單質(zhì)的沸點,且存在大量焦炭,爐料中有害金屬元素在風口區(qū)大量還原,形成金屬蒸汽。富氧熱風從風口小套處鼓入爐內(nèi),回旋區(qū)里氣體金屬蒸汽濃度很低,金屬蒸汽從回旋區(qū)外圍向回旋區(qū)中心通過對流和擴散進行傳質(zhì),但回旋區(qū)內(nèi)為氧化性氣氛,金屬蒸汽在向回旋區(qū)中心傳質(zhì)時逐漸被氧化,金屬氧化物隨著鼓風在回旋區(qū)向外圍運動時,又逐漸被還原成金屬蒸汽,即有害元素金屬蒸汽不斷向回旋區(qū)內(nèi)傳質(zhì)的同時回旋區(qū)內(nèi)氧化物不斷向回旋區(qū)外傳質(zhì)。風口回旋區(qū)邊緣存在一個金屬蒸汽和氧化物共存的穩(wěn)定界面。

銅質(zhì)風口小套承受較高輻射傳熱,通過高壓水冷卻,正常情況下冷卻水能將熱量及時帶走,風口表面維持較低的溫度。在金屬蒸汽和氧化物共存的界面內(nèi),有害元素金屬和氧化物與風口小套接觸后迅速由氣相或液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?并在風口小套內(nèi)表面形成一定厚度的吸附層。風口小套持續(xù)鼓入高溫熱風,導致吸附在銅表面的金屬氧化而沉積。由于風口小套處存在持續(xù)穩(wěn)定低溫區(qū),保證了吸附層的穩(wěn)定,金屬蒸汽通過吸附層向氣—固界面?zhèn)魉?氣相中的鉀鈉鋅主要靠對流和擴散傳質(zhì)運動,成分較為均勻,在吸附層附近氣相中存在一定厚度的擴散層,擴散層內(nèi)金屬蒸汽呈層流運動,由擴散層外側(cè)向擴散層內(nèi)側(cè)主要依靠濃度差進行擴散。整個過程呈“對流傳質(zhì)、擴散傳質(zhì)、形成吸附層、沉積氧化、形成結(jié)殼層”。邵久剛等[11]研究的鋅與高爐風口小套銅基體之間發(fā)生銅溶反應(yīng)在風口小套表面生成銅—鋅合金也有類似的傳質(zhì)機理。

3.3 休風倒流導致有害元素進入送風系統(tǒng)

高爐在休風狀態(tài)時,風口區(qū)的鋅、堿金屬以氣體狀態(tài)擴散至送風系統(tǒng),當休風倒流時,高爐內(nèi)富含鋅和堿金屬的煤氣通過風口小套和直吹管經(jīng)熱風圍管、總管至熱風放散閥放散,為鉀鈉鋅等有害元素進入送風系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。由于溫度降低,有害元素進入送風系統(tǒng)后逐步在風口小套、直吹管、熱風圍管和總管處富集。2015年武鋼1BF中修時對熱風圍管進行破損調(diào)查時,發(fā)現(xiàn)圍管爐襯表面和送風口有結(jié)瘤物,磚襯局部有表面熔融和剝落現(xiàn)象,經(jīng)提取帶有變質(zhì)層和表面有熔融狀物質(zhì)的樣品進行電子探針結(jié)合能譜對其顯微結(jié)構(gòu)和組成分析,結(jié)果表明不同部位材料中wZnO為18%～28%,wMgO為6%～12%,wNa2O和wK2O均超過7%,為鋅和堿金屬富集損壞[12]。

4 使用無襯套風口的思考

寶鋼高爐在使用無襯套風口后,無襯套風口面積就是實際送風風口面積,如果無襯套風口在使用過程中內(nèi)表面出現(xiàn)結(jié)殼現(xiàn)象,最終導致風口面積變小,影響送風制度穩(wěn)定。在無襯套風口使用過程中,需要從以下幾個方面優(yōu)化控制,避免無襯套風口小套內(nèi)表面沉積結(jié)殼。

4.1 嚴格控制有害金屬入爐

從分析結(jié)果來看,無襯套風口內(nèi)壁沉積物主要是鉀、鈉和鋅等有害元素進入送風系統(tǒng),在無襯套風口小套內(nèi)壁沉積固結(jié),所以在無襯套風口使用過程中嚴格控制有害元素負荷非常關(guān)鍵。寶鋼高爐有害元素管理按照入爐鋅負荷小于0.15 kg/t、堿負荷小于2.00 kg/t控制。2017年4月首次在無襯套風口內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)結(jié)殼物后,逐步降低入爐鋅負荷,至2017年8月入爐鋅負荷降至0.08 kg/t左右并維持在該水平生產(chǎn),在2018年8月和11月定修時對無襯套風口進行檢查,發(fā)現(xiàn)風口內(nèi)壁結(jié)殼情況得到明顯改善。

4.2 定修時對無襯套風口內(nèi)壁進行清理

高爐風口小套使用周期為8個月,高爐定修周期為4個月,即每一個無襯套風口使用過程中至少經(jīng)歷一次休風及休風倒流,風口內(nèi)壁上或多或少都會有沉積層。因此,定修過程中需對無襯套風口內(nèi)壁進行檢查,清理干凈,沒有更換無襯套風口小套內(nèi)表面在第二個定修周期中保持干凈,保證風口面積準確。

4.3 減少臨時休風次數(shù)

從風口內(nèi)壁結(jié)殼物形成機理分析可知,臨時休風倒流會造成有害元素進入熱風放散閥前的送風系統(tǒng),加劇有害元素在無襯套風口小套內(nèi)表面沉積。在高爐生產(chǎn)中,應(yīng)減少或盡量避免臨時休風,如有臨時休風,盡可能進行直吹管拆裝,清理無襯套風口。

4.4 摸索高爐排鋅機制

從高爐鋅堿負荷趨勢可知,2017年8月以后寶鋼4BF鋅負荷降至0.08 kg/t以下,無襯套風口內(nèi)壁結(jié)殼情況有明顯改善。隨著原燃料的不斷劣化、燒結(jié)等前道工序承擔消納企業(yè)里各類含鋅粉塵,高爐的入爐鋅負荷可能會進一步上升,今后需從高爐爐況和爐前作業(yè)情況對高爐排鋅機制進行研究,減少有害元素在高爐內(nèi)循環(huán)富集。

5 結(jié)論

寶鋼4BF在使用無襯套風口過程中發(fā)現(xiàn),風口小套內(nèi)表面出現(xiàn)含堿金屬和鋅含量非常高的沉積結(jié)殼層。結(jié)殼層是高爐有害元素循環(huán)富集過程中,在銅質(zhì)風口小套內(nèi)壁存在的低溫區(qū)里擴散沉積而形成。在使用無襯套風口過程中,減少或避免風口內(nèi)壁出現(xiàn)結(jié)殼層而引起送風制度變化對高爐生產(chǎn)的影響,建議從以下幾點進行控制:

(1) 從源頭管控,有條件的情況下嚴格限制有害元素入爐量;生產(chǎn)中摸索高爐的排鋅機制,減少堿金屬和鋅在高爐內(nèi)富集。

(2) 一個定修周期中,減少或盡量避免臨時休風,杜絕含堿金屬和鋅蒸汽的煤氣進入風口、直吹管、熱風圍管等倒流閥前的送風系統(tǒng)。

(3) 在安排直吹管拆裝的高爐休風時,送風前必須檢查、清掃干凈無襯套風口內(nèi)表面。