高爐開口機(jī)霧化冷卻穩(wěn)壓技術(shù)在中金公司煉鐵廠的應(yīng)用

摘 要：針對柳鋼集團(tuán)中金公司2號高爐開口機(jī)使用過程中存在的問題進(jìn)行分析，通過對高爐開口機(jī)實施改造并應(yīng)用了霧化冷卻穩(wěn)壓新技術(shù)。實踐表明，改造后能夠顯著提升開口機(jī)霧化冷卻效果并保證設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，保障生產(chǎn)安全和減少二次粉塵污染，降低爐前職工勞動強(qiáng)度的同時降低爐前耗材成本，對提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

關(guān)鍵詞：高爐開口機(jī)；霧化冷卻穩(wěn)壓技術(shù)；生產(chǎn)安全；生產(chǎn)效率；經(jīng)濟(jì)效益

Abstract：An analysis was conducted on the issues encountered during the operation of the No. 2 blast furnace tap hole machine at ZhongJin Company， a subsidiary of Liugang Group. The machine was renovated and a new atomizing cooling and stabilizing pressure technology was applied. Practical results have shown that the renovation significantly enhances the atomizing cooling effect of the tap hole machine， ensuring equipment stability， production safety， and reducing secondary dust pollution. This not only decreases the labor intensity of front-line workers and cuts down on front-line material costs but also holds significant importance in improving production efficiency and economic benefits.

Key words：BF tap hole machine；Atomization cooling and stabilization technology；production safety；production efficiency；economic benefits

0 前 言

開口機(jī)是高爐重要的爐前設(shè)備之一，用于鉆開由泥炮封堵的鐵口。它的性能和效率直接影響到高爐的正常生產(chǎn)。開口時產(chǎn)生的二次煙塵又是鋼鐵企業(yè)的主要污染源之一，開口時間越長則污染越大[1]。

目前大型高爐采用的開口機(jī)基本上都具備旋轉(zhuǎn)和沖擊功能。在打開鐵口的過程中，經(jīng)高溫固化后的炮泥被沖擊破碎，碎屑被壓縮空氣吹出形成較大的粉塵。同時高溫環(huán)境中鉆頭在鉆開堅硬的泥炮時極易發(fā)熱，硬度降低。在鐵口鉆至1.5 m左右時鉆頭經(jīng)常與鐵口中的殘渣粘結(jié)，出現(xiàn)開鐵口難，鉆頭損耗嚴(yán)重的現(xiàn)象。因此在開鐵口的過程中，強(qiáng)化開口機(jī)鉆頭冷卻是一個值得探討的課題。

1 現(xiàn)狀分析

中金公司煉鐵廠2#高爐建設(shè)容積為1-680-m3，設(shè)置2個鐵口，每個鐵口布置有1套KD-IA型液壓開鐵口機(jī)，于2021年5月建成投產(chǎn)。投產(chǎn)初期開口機(jī)開爐前鐵口時采用壓縮空氣冷卻。在開鐵口過程中，開口機(jī)鑿巖機(jī)密封件易老化或過熱燒損而出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。由于高爐鐵口深度增加，爐墻厚度增大，炮泥強(qiáng)度提高，開鐵口時間延長，開口機(jī)振打桿、弧形螺母及鉆桿螺紋等處易斷裂損壞，鉆頭和鉆桿消耗量增大。并且開一次鐵口有時需要多次更換鉆頭和鉆桿，振動馬達(dá)中旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的齒輪和軸承磨損嚴(yán)重，在鉆開鐵口阻力大時經(jīng)常發(fā)生旋轉(zhuǎn)齒輪打滑或鉆桿卡死等現(xiàn)象，職工勞動強(qiáng)度增大[2]。

正常生產(chǎn)時開口機(jī)在打開鐵口過程中，鐵口通道的溫度隨著鉆桿的深入由200 ℃上升到1-400-℃，為一個多梯度的溫度變化的復(fù)雜環(huán)境。開鐵口機(jī)鉆頭刀片材質(zhì)為鎢鈷類硬質(zhì)合金，耐熱程度一般在800℃左右。鉆頭在進(jìn)鐵口2 m 后，炮泥溫度已經(jīng)超過800℃，再往里鉆進(jìn)，環(huán)境溫度很快將達(dá)到1-000-℃以上。鉆頭承受著高溫和機(jī)械力的共同作用，在高溫和機(jī)械力的共同作用下，鉆桿強(qiáng)度下降并發(fā)生彎曲變形，鉆銷效率降低，鉆頭開始出現(xiàn)較大的縮性變形，刀片與刀頭體刀槽之間產(chǎn)生裂紋，刀片從刀槽中脫落，致使鉆頭失效。特別是當(dāng)鐵口紅硬層較厚時，由于壓縮空氣中含有大量氧氣使得鉆桿燒紅、融化折斷，甚至無法打開鐵口。

投產(chǎn)初期KD-IA型液壓開口機(jī)鉆頭冷卻介質(zhì)主要是壓縮空氣，通過支管路流向鑿巖開口機(jī)→鉆桿→鉆頭，實現(xiàn)開鐵口作業(yè)通氣冷卻。由于壓縮空氣壓力低，約為0.6 MPa，在開鐵口沖鉆過程中容易堵塞，壓縮空氣不能有效流通冷卻，因此液壓開口機(jī)鉆頭極易損壞，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏。

目前通常所用的鉆頭殼體材料采用40Cr鋼材， 硬度為HRC30-40。鉆桿材質(zhì)采用40Cr鋼材，硬度為HRC28-35，鉆桿螺紋端硬度≥HRC40。使用工況為高溫高粉塵區(qū)域，生產(chǎn)時環(huán)境溫度＞50 ℃，可鉆鐵口深度≥3 m。合格的鉆頭及鉆桿產(chǎn)品質(zhì)量總體要求為在爐況正常、鑿巖機(jī)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常的情況下，保證單個鉆頭出鐵次數(shù)不低于使用2次；鉆桿在正常使用情況下不低于使用5次。如果開鐵口時間過長，開一次鐵口有時需要多次更換鉆頭、鉆桿。為解決高爐開鐵口鉆頭符合高性能的要求，急需深入探究高爐開口機(jī)霧化冷卻技術(shù)，來扭轉(zhuǎn)當(dāng)前這種被動的局面。

2 高爐開口機(jī)霧化冷卻穩(wěn)壓技術(shù)概述

中金公司煉鐵廠相關(guān)技術(shù)人員通過試驗研究，于2021年12月研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高爐開口機(jī)霧化冷卻穩(wěn)壓新技術(shù)，設(shè)計出一種高爐開口機(jī)鉆頭霧化冷卻裝置，該新型裝置于2023年6月獲得國家實用新型專利，并通過生產(chǎn)實踐驗證，取得了顯著效果。

2.1 高爐開口機(jī)霧化冷卻穩(wěn)壓技術(shù)的基本原理

常見冷卻方式兩種：風(fēng)冷與水冷。由于介質(zhì)的比熱容不同，水冷具一定的急劇性，急劇冷卻會造成內(nèi)部氣化急劇膨脹而形成爆裂，因此使用水冷鉆頭會有一定風(fēng)險。所以要求設(shè)計一種水霧化裝置產(chǎn)生水霧作為冷卻介質(zhì)，可結(jié)合兩種介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。開口機(jī)霧化冷卻穩(wěn)壓技術(shù)目的就是提供一種水霧化裝置，將冷卻水與氣體充分混合成霧化狀態(tài)，充滿開口機(jī)鉆頭作業(yè)腔內(nèi)，增大冷卻效果，以解決高爐開口機(jī)開爐前鐵口時，鉆頭作業(yè)處于高溫環(huán)境的問題。

在目前KD-IA型液壓開口機(jī)基礎(chǔ)上改造高壓水霧化裝置，管道工業(yè)水壓力僅為0.4 MPa，管道氮?dú)鉃橹饕獎恿υ矗瑝毫?.0 MPa。將工業(yè)水加壓霧化并與氮?dú)獬浞只旌喜⑤斔偷介_鐵口鉆頭作業(yè)腔內(nèi)對鉆頭進(jìn)行冷卻的一套霧化冷卻穩(wěn)壓裝置。該裝置由增壓供水包、霧化發(fā)生器兩個部分組成：①增壓供水包采用氮?dú)鉃閯恿υ矗o水包冷卻水加壓，提供霧化動力，并在供水包基礎(chǔ)上整合了其他氣動元件。例如：壓力表、排氣閥、及單向閥（避免冷卻水倒流，造成壓力損失）等。②霧化發(fā)生器由冷卻水噴頭與氮?dú)庠床⒙?lián)組成，在高壓氮?dú)庾饔孟屡c水充分混合形成水霧化，并以高壓形式打入開鐵口鉆頭作業(yè)腔內(nèi)，具有靈活、冷卻效果好、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)合圖1所示的一種高爐開口機(jī)霧化冷卻穩(wěn)壓裝置的霧化系統(tǒng)原理圖，打開球閥1利用儲水包進(jìn)行儲水，儲滿水后關(guān)閥球閥1并打開球閥2進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)球閥3球閥4為開口機(jī)鉆提供霧化冷卻介質(zhì)。當(dāng)鉆頭受到負(fù)載時，氮?dú)庾詣咏o儲水包補(bǔ)壓，為開口機(jī)鉆頭提供持續(xù)霧化水介質(zhì)，以滿足開口機(jī)鉆頭冷卻問題。

2.2 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

1）開口機(jī)霧化冷卻穩(wěn)壓技術(shù)的應(yīng)用建立在不改變生產(chǎn)設(shè)備主體管道結(jié)構(gòu)和原有生產(chǎn)設(shè)備工藝的基礎(chǔ)上實施。這樣既可以確保高爐開口機(jī)冷卻系統(tǒng)的完整性，也能讓開堵鐵口設(shè)備安全可靠的運(yùn)行，將成本降到最低。操作簡便、維修容易、布局合理、便于實施。霧化裝置管路設(shè)計簡單又靈巧，氮?dú)夤艿榔饎恿υ葱Ч饶軡M足氮?dú)鈮毫?，同時補(bǔ)償水壓力，平衡壓差。單向閥與水管路相連，又能起到供能保壓通水作用。

2）水霧化裝置通過串接水管及氣管、增加單向閥、安裝蓄能水箱、調(diào)節(jié)控制閥等使得冷卻水形成與氮?dú)饩鶋簵l件，霧化效果顯著，避免鉆頭孔在工作過程中被渣鐵堵塞出現(xiàn)水霧化斷續(xù)現(xiàn)象。實現(xiàn)高效冷卻效果，完全滿足了輔助生產(chǎn)工藝的需求，功能匹配上滿足高爐鐵口開口作業(yè)高強(qiáng)度需求。

3）水霧化裝置通過增加壓力調(diào)節(jié)閥門、機(jī)械壓力表，即可實時調(diào)壓也可現(xiàn)場監(jiān)測壓力值，與生產(chǎn)節(jié)奏同步，便于生產(chǎn)操作過程中及時得到設(shè)備運(yùn)行狀況的反饋，調(diào)定更合理的壓力值，有效監(jiān)測壓力損失，完全符合設(shè)計預(yù)期。運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，成本低，方便維護(hù)保養(yǎng)，運(yùn)行效果好。實際場景見圖2。

3 應(yīng)用效果

2021年12月中金公司煉鐵廠在2號高爐南、北出鐵場分別改造了開口機(jī)水霧冷卻穩(wěn)壓裝置。工業(yè)冷卻水和氮?dú)獾牧髁俊毫梢哉{(diào)節(jié)，水與氣混合后產(chǎn)生均勻細(xì)膩的水霧達(dá)到抑塵和冷卻設(shè)備的目的。投用后經(jīng)過生產(chǎn)實踐驗證，達(dá)到了預(yù)期效果，并具有5個優(yōu)點(diǎn)。

3.1 鐵口的維護(hù)得到了保障

簡化了鐵口的維護(hù)，并且在炮泥強(qiáng)度逐步提高的過程中，泥套滲鐵情況逐步消除，泥套深度基本穩(wěn)定。出鐵場鐵口泥套深度穩(wěn)定在3 m左右，泥套斷裂的現(xiàn)象明顯減少，泥套深度合格率提高。鐵口深度也得到了保證，使出鐵更加的平穩(wěn)且耐侵蝕。

3.2 鐵口作業(yè)率得到了提高

提高了鐵口鉆開率、正點(diǎn)率、出鐵均勻率，原來正常開鐵口的時間為12 min左右，減少到目前的5 min左右。同時也降低了鐵口鉆不開或卡鉆桿而進(jìn)行燒氧開鐵口的頻率，極大地提高了開鐵口的工作效率。

3.3 鐵口煙塵粉塵污染得到了降低

開口機(jī)在鉆進(jìn)過程中，開口機(jī)的水霧冷卻穩(wěn)壓裝置使得冷卻水和壓縮空氣混合后產(chǎn)生細(xì)膩均勻的水霧，旋轉(zhuǎn)及沖擊所產(chǎn)生的粉塵污染在霧化水的吹掃下受到壓制和凝結(jié)，在一定程度上降低了粉塵煙塵的排放。由于開鐵口時間縮短，揚(yáng)塵時間也減少，符合公司對環(huán)保除塵、節(jié)能降耗的要求。

3.4 崗位工勞動強(qiáng)度得到了減輕

開鐵口時間縮短，開口機(jī)在鐵溝上受到鐵水高溫烘烤的時間變短了，開口機(jī)漏油及其他設(shè)備故障相應(yīng)的減少了，延長了設(shè)備的使用壽命，設(shè)備的正常運(yùn)行使得維護(hù)簡單易行。崗位工在鐵口區(qū)域燒氧、處理設(shè)備問題的作業(yè)時間縮短了，崗位工的勞動強(qiáng)度得到了減輕。

4.5 爐前鉆具的消耗得到了降低

由于水霧對鉆頭、鉆桿達(dá)到了冷卻降溫作用，解決了鉆頭、鉆桿被鐵水烘烤變形和燒毀的難題。使得鉆頭、鉆桿多次使用，降低了鉆具的消耗，延長了設(shè)備使用壽命。開口機(jī)水霧冷卻穩(wěn)壓裝置投用后，每月可節(jié)省鉆具費(fèi)用57%以上。見表1，通過對開口機(jī)霧化冷卻改造前后的耗材對比，可以直觀的觀察到：每天可以節(jié)約鉆頭9個，每個鉆頭32元；每天可以節(jié)約鉆桿3根，每根鉆桿230元，每天可以節(jié)約氧管14根，每根39元。一年可以節(jié)省高爐鉆具耗材的生產(chǎn)成本56萬元。

4 結(jié) 語

中金公司煉鐵廠通過對開口機(jī)應(yīng)用了霧化冷卻穩(wěn)壓新技術(shù)，縮短了開鐵口時間，降低了鉆頭、鉆桿等采購經(jīng)費(fèi)，滿足了生產(chǎn)需求，改善了爐前操作環(huán)境，減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度。開口機(jī)水霧冷卻穩(wěn)壓裝置的應(yīng)用，提高了開口機(jī)在高溫環(huán)境中鉆桿的使用性能，使得鉆進(jìn)速度更高效，并為穩(wěn)定連續(xù)的生產(chǎn)提供了可靠的保證。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭進(jìn)華，秦洪冰，王鍵.2 000 m3高爐開口機(jī)改造與實踐[J].冶金設(shè)備，2013（01）：54-56+14.

[2] 楊士嶺，董英.煉鐵高爐開口機(jī)霧化冷卻裝置[J].設(shè)備管理與維修，2011（02）：67.

第一作者：莫祖杰，男，44歲，高級工程師

收稿日期：2024-07-04