包鋼長壽節(jié)能風(fēng)口技術(shù)開發(fā)

白文廣

（包鋼鋼聯(lián)股份公司技術(shù)中心 內(nèi)蒙古包頭 014010）

1 前言

風(fēng)口是高爐冶煉最關(guān)鍵的設(shè)備，高爐風(fēng)口的壽命是決定高爐作業(yè)率和生產(chǎn)指標(biāo)的重要因素，而高爐風(fēng)口高強(qiáng)度冷卻所帶走的大量熱量又是降低實(shí)際入爐風(fēng)溫，造成高爐燃料比居高不下的原因之一。經(jīng)過數(shù)十年的不斷改進(jìn)，包鋼風(fēng)口已能滿足含氟特殊礦條件下高爐生產(chǎn)的基本需要，但在長壽水平上仍需改進(jìn)，而在風(fēng)口節(jié)能研究方面則處于空白狀態(tài)。開展長壽節(jié)能風(fēng)口技術(shù)的開發(fā)意義重大。

2 風(fēng)口破損機(jī)理及長壽技術(shù)方案

國內(nèi)外學(xué)者和研究人員已發(fā)表了很多關(guān)于高爐風(fēng)口破損的研究論文和論著［1－3］。風(fēng)口破損的原因歸納為風(fēng)口質(zhì)量、高爐操作、風(fēng)口曲損、風(fēng)口磨損、風(fēng)口熔損等。對于包鋼來說，風(fēng)口制作質(zhì)量和高爐操作引起的風(fēng)口破損現(xiàn)象已基本消除。當(dāng)前的風(fēng)口破損主要是因風(fēng)口曲損、磨損、以及熔損所致。

（1）風(fēng)口曲損

風(fēng)口曲損從機(jī)理上是深入爐內(nèi)的風(fēng)口前端受到上部爐料過大的沖擊力所致。而這種沖擊力往往是因高爐邊緣因焦炭比例太低，礦層粘結(jié)形成大塊未熔粘結(jié)物落在風(fēng)口上，見圖1［3］。解決方案是通過調(diào)整布料矩陣，控制邊緣礦焦比，保證兩個(gè)礦層之間有足夠的焦炭層，避免兩層礦層的粘結(jié)現(xiàn)象發(fā)生。

圖1 風(fēng)口曲損

（2）風(fēng)口磨損

風(fēng)口磨損的機(jī)理容易理解，即風(fēng)口前端受高速焦炭和下落渣鐵摩擦以及風(fēng)口內(nèi)側(cè)受煤粉流股的沖刷等造成的損壞。解決方案是通過保持一定的風(fēng)速和控制合理的爐內(nèi)風(fēng)口長度，以及調(diào)整噴槍出口始終保持煤股在風(fēng)口中心，可以有效地控制風(fēng)口磨損造成的風(fēng)口損壞比例。

（3）風(fēng)口熔損

風(fēng)口熔損則是被認(rèn)為過熱渣鐵落在風(fēng)口表面，局部熔化造成孔洞（子彈孔），最后導(dǎo)致風(fēng)口漏水燒壞。從實(shí)際生產(chǎn)來看，風(fēng)口熔損已成為風(fēng)口破損的最主要的原因。然而，上述機(jī)理分析不能回答如何在高冷卻強(qiáng)度下，風(fēng)口表面會(huì)生成子彈孔，以及子彈孔如何能擴(kuò)展穿透到風(fēng)口銅壁造成漏水燒損。

經(jīng)過深入調(diào)研發(fā)現(xiàn)，最新的風(fēng)口熔損機(jī)理分析更為準(zhǔn)確全面［4］，結(jié)合本廠原料條件的特點(diǎn)，提出包鋼高爐風(fēng)口燒損的主要機(jī)理是：局部腐蝕引起的損壞階段和損壞區(qū)域的熔化階段，二者相互促進(jìn)造成風(fēng)口的熔損。包鋼含F(xiàn)－爐料在爐內(nèi)產(chǎn)生的HF是加速風(fēng)口燒損的重要因素。

圖2是風(fēng)口熔損機(jī)理示意圖。風(fēng)口的破損起始于在風(fēng)口表面和固化鐵滴之間空隙中形成的腐蝕性電解液。這種酸性腐蝕性溶液首先攻擊風(fēng)口堆焊層，形成通道，逐步擴(kuò)展到銅表面。

圖2 風(fēng)口溶損機(jī)理示意圖

侵蝕過程在銅基體中繼續(xù)。電解液與沉積在顆粒邊界的雜質(zhì)，如硫化物和氧化物，相互反應(yīng)形成晶間裂紋。同時(shí)氣體（H2／Cl2／F2）通過銅基體的擴(kuò)散和與細(xì)小分散的氧化物和硫化物沉積物反應(yīng)，導(dǎo)致形成微孔。在銅體上形成的裂紋和微孔會(huì)引起銅熱導(dǎo)率的顯著降低，從而惡化在這些區(qū)域的銅體冷卻。

由于熱的鐵和渣持續(xù)噴濺在風(fēng)口表面，銅的溫度上升，超過其熔點(diǎn)，則發(fā)生局部熔化。鐵液沖刷風(fēng)口壁減小其厚度。在一定熱狀態(tài)下，在風(fēng)口壁內(nèi)側(cè)形成蒸汽夾層。同時(shí)，通過凝鐵和銅的腐蝕進(jìn)一步加速。

來自上部持續(xù)熱負(fù)荷影響和下部蒸汽夾層導(dǎo)致熱傳導(dǎo)量減少的共同作用，最終導(dǎo)致風(fēng)口破裂，冷卻水流入高爐。

從上述風(fēng)口熔損的機(jī)理分析可見，降低風(fēng)口熔損的技術(shù)方向是提高風(fēng)口在高溫條件下的抗腐蝕侵蝕能力，具體措施是在風(fēng)口前端和外側(cè)加裝耐熱防腐層。

在耐熱防腐層的制作方法上有等離子噴涂耐高溫材料，耐熱硬質(zhì)合金堆焊，鑲嵌耐高溫陶瓷材料或航空耐高溫沖擊材料等。通過調(diào)研不同方法的加工難度和應(yīng)用效果，最終確定本研究中采取風(fēng)口前端外側(cè)、端面、及前端內(nèi)側(cè)進(jìn)行特殊耐熱合金堆焊的技術(shù)方案。

堆焊材料的性能是決定風(fēng)口耐熔損效果的關(guān)鍵。通過與外部公司的技術(shù)合作，確定選用鎳鉻堆焊合金。經(jīng)過大量試驗(yàn)室試驗(yàn)，研制出耐高溫抗酸性腐蝕的高鎳鉻鉬合金配方，加工了專用焊絲（GY－THL，Dia 1.2mm）樣品。

設(shè)計(jì)風(fēng)口堆焊方案為：在風(fēng)口的前端外側(cè)、端面、前端內(nèi)側(cè)先堆焊一定厚度的GY－THL合金層。

3 長壽風(fēng)口樣品研制及工業(yè)試驗(yàn)

3.1 風(fēng)口樣品研制

選擇本公司一座4000m3高爐使用的風(fēng)口為基礎(chǔ)，研制長壽風(fēng)口樣品。本方案的實(shí)施難點(diǎn)在于在純銅表面無法直接堆焊專用合金。經(jīng)過深入調(diào)研和反復(fù)試驗(yàn)，最終確定了設(shè)置堆焊過渡層，堆焊機(jī)體溫度制度，堆焊送絲速率，堆焊帶搭接率，以及堆焊冷卻制度等，實(shí)現(xiàn)了合金層的在風(fēng)口表面的牢固堆焊。

長壽風(fēng)口樣品基本參數(shù)：

長度：660mm，直徑：130mm；

堆焊區(qū)域：風(fēng)口外側(cè)：200mm，前端：全部，內(nèi)側(cè)：150mm；

堆焊厚度：外側(cè)及前端：4.5mm，內(nèi)側(cè)：2.5mm（過渡層和堆焊層合計(jì)）。

先后共研制樣品8個(gè)，均通過質(zhì)量檢驗(yàn)。檢驗(yàn)內(nèi)容：焊道無損探傷、水壓試驗(yàn)（Max：1.9MPa，30min）流量試驗(yàn)（1.3MPa，36m3／h）。

3.2 工業(yè)試驗(yàn)

利用2座4000m3高爐不同休風(fēng)檢修機(jī)會(huì)，分批用長壽風(fēng)口樣品替換損壞風(fēng)口，進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)。考察風(fēng)口工作狀況并統(tǒng)計(jì)使用時(shí)間。

試驗(yàn)結(jié)果：

（1）所有試驗(yàn)風(fēng)口的工作性能穩(wěn)定，冷卻水流量和溫差處于正常范圍。

（2）扣除1個(gè)高爐事故燒損風(fēng)口，其余風(fēng)口的最長使用時(shí)間是396天，最短使用時(shí)間是242天，平均是314天。

（3）對比同期普通風(fēng)口平均使用壽命188天，長壽風(fēng)口平均壽命提高126天，提高了67%。

試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，證明了本長壽風(fēng)口研制技術(shù)方案的正確性。但考慮到試驗(yàn)風(fēng)口數(shù)量少，以及高爐運(yùn)行對風(fēng)口破損影響的復(fù)雜性，長壽風(fēng)口的代表性壽命還有待更多的應(yīng)用數(shù)據(jù)來確定。

4 節(jié)能風(fēng)口技術(shù)開發(fā)

4.1 問題的提出

高爐風(fēng)口在最惡劣工況下得以穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵是在使用純銅材質(zhì)基礎(chǔ)上的高強(qiáng)度冷卻。一座擁有38個(gè)風(fēng)口的4000m3高爐，每個(gè)風(fēng)口的冷卻水流量達(dá)40t／h，總冷卻強(qiáng)度在40GJ／h左右。高強(qiáng)度冷卻保證了風(fēng)口表面在與高于銅熔點(diǎn)（1083℃）的熱風(fēng)，特別是高達(dá)2000℃～2400℃的回旋區(qū)火焰接觸時(shí)保持長期穩(wěn)定運(yùn)行。

然而，如此高強(qiáng)度冷卻所帶走的熱量卻是一個(gè)不應(yīng)忽視的代價(jià)，特別是這部分熱量全部來自寶貴的熱風(fēng)和煤氣的高溫?zé)?。以全部熱量來自熱風(fēng)進(jìn)行推算，在本廠4000m3高爐運(yùn)行條件下，相當(dāng)于降低風(fēng)溫高達(dá)67℃。如果推算到對焦比的影響，保守估算會(huì)則達(dá)7kg／t左右。顯然，此問題是相當(dāng)嚴(yán)重的。因此，如何在不影響風(fēng)口工作狀況和使用壽命的情況下，采取何種方式降低該熱量損失，以及能取得多大的節(jié)能效果，成為本研究的基本出發(fā)點(diǎn)。

4.2 節(jié)能技術(shù)原理及方案試驗(yàn)研究

本研究確定的風(fēng)口節(jié)能技術(shù)原理是在風(fēng)口熱風(fēng)通道設(shè)置隔熱層，減少高溫?zé)犸L(fēng)與銅風(fēng)口之間的熱交換，在不改變風(fēng)口冷卻水流量的前提下，降低冷卻水溫差，減少冷卻水帶走的熱量，從而降低熱風(fēng)因熱量損失造成實(shí)際入爐溫度和熱量降低。

為此，設(shè)計(jì)了在風(fēng)口熱風(fēng)通道內(nèi)增設(shè)不同種類隔熱層的方案，并對每種方案進(jìn)行了試驗(yàn)室試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)。其中，圖3是套筒式隔熱方案及工業(yè)試驗(yàn)效果。計(jì)算比較，該風(fēng)口熱流損失降低19.2%，折算減少風(fēng)溫溫降14.2℃。

圖3 隔熱套筒安裝及試驗(yàn)結(jié)果（右圖：縱坐標(biāo)，KJ／h，橫坐標(biāo)：天）

圖4是一體式隔熱方案工業(yè)試驗(yàn)效果，風(fēng)口熱流損失降低31.26%，減少風(fēng)溫溫將23℃。

圖4 一體式方案工業(yè)試驗(yàn)效果

4.3 新型節(jié)能風(fēng)口工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)

根據(jù)各種方案的試驗(yàn)室和工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果，確定對一體式方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和工業(yè)試驗(yàn)。分別研制了兩種新型節(jié)能風(fēng)口樣品，并在4000m3高爐上進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程顯示：

（1）試驗(yàn)風(fēng)口長期運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)任何質(zhì)量問題，使用壽命正常。

（2）試驗(yàn)風(fēng)口冷卻水流量不變，冷卻水溫差大幅下降，熱流損失大幅降低，見圖5和圖6。A型風(fēng)口熱流損失減少45.35%，減少風(fēng)溫溫降36℃，B型風(fēng)口熱流損失減少48.5%，減少風(fēng)溫溫將34℃。

圖5 A型節(jié)能風(fēng)口效果（37＃：試驗(yàn)風(fēng)口）

圖6 B型節(jié)能風(fēng)口效果（12＃：試驗(yàn)風(fēng)口）

一體式節(jié)能風(fēng)口的試驗(yàn)效果突出，減少熱流損失近50%，具有大幅度提高實(shí)際入爐風(fēng)溫和有效降低焦比的作用。

5 長壽節(jié)能風(fēng)口效果及效益分析

高爐風(fēng)口壽命的有效延長和實(shí)際入爐風(fēng)溫的提高會(huì)給高爐生產(chǎn)帶來明顯的降成本和節(jié)能效益。

針對本廠試驗(yàn)的4000m3高爐，如風(fēng)口壽命普遍提高67%時(shí)，年風(fēng)口消耗數(shù)量將減少約30個(gè)，價(jià)值約80萬元。更重要的是，風(fēng)口破損的大幅減少將有效降低因休風(fēng)更換風(fēng)口造成的高爐產(chǎn)量損失和燃料比損失，其潛在效益巨大。

風(fēng)口的節(jié)能效益體現(xiàn)在通過提高實(shí)際入爐風(fēng)溫來降低焦比上。按平均提高35℃入爐風(fēng)溫估算，可降低焦比3.5kg／tHM。對于本廠4000m3高爐的年節(jié)焦效益將達(dá)2170萬元，減少CO2排放3.46萬噸／年。經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

6 結(jié)論

研究開發(fā)高爐風(fēng)口長壽節(jié)能技術(shù)是一項(xiàng)有重要意義的工作。本文對風(fēng)口破損機(jī)理的分析支撐了長壽風(fēng)口技術(shù)方案的設(shè)計(jì)。長壽風(fēng)口試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)理分析的合理性和技術(shù)方案的正確性，同時(shí)體現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。在多種風(fēng)口節(jié)能技術(shù)方案中，一體化節(jié)能風(fēng)口方案的節(jié)能效果最佳。新風(fēng)口的應(yīng)用會(huì)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。