大型高炉炉缸侵蚀机理与长寿研究

发布时间：2020-05-21 10:27

【摘要】：在我国高炉大型化趋势背景下,大型高炉的炉缸长寿成为制约高炉长寿的关键,也越来越成为大高炉发挥优势的限制性环节,本文基于我国最早兴建的宝钢4000m~3级高炉的大修破损调查结果,结合实验研究、数值模拟和高炉的操作实绩研究,分析大型高炉炉缸破损的主要原因,并提出从设计和操作量方面延长高炉炉缸的寿命的建议。宝钢自1号高炉(一代)停炉开始就进行炉缸的破损调查,最新的3号高炉和4号高炉不仅仅开展了侵蚀线调查,还在没有放残铁的前提下对炉缸进行了切割,据此研究死铁层和死料柱状态,并在钻孔取样后对高炉炉缸残留物的物理化学性能、微观形貌进行了深入的分析研究,发现:1)高炉炉缸在不同位置的侵蚀程度是不同的,在铁口下方1至2m是侵蚀最严重的区域;2)虽然死铁层不断加深,大型高炉炉缸死料柱仍是沉坐在炉底的;3)侵蚀后的炉缸碳砖基体内已经渗入了外来的元素,且越靠近热面且含量越高;4)在残留碳砖基体和死铁层之间存在着凝铁层和脆化层,在侵蚀严重的区域脆化层出现了粉化,凝铁层和脆化层的厚度在各区域的尺寸都有差异。结合宝钢X射线分析研究和其它学者对碳砖溶蚀性的实验结果可以看出当铁水与碳砖接触后,铁水很快通过碳砖的孔隙渗透到碳砖内部,一旦高温铁水与碳砖发生了接触,碳砖很快就被不饱和碳的铁水溶蚀,铁水也很容易渗透到碳砖基体内,这说明高炉炉缸碳砖侵蚀的主要原因可能是铁水和碳砖发生接触后的溶蚀作用,这也解释了在高炉残留碳砖中发现其它元素的原因。正因如此,必须要把碳砖热面的温度降低到铁的融化温度1150℃以下,从而在碳砖热面和液态铁水之间形成凝固层来避免铁水与碳砖直接接触。由于目前尚没有手段来直接测量碳砖热面的温度,因此采用数值模拟的方法定量地研究碳砖热面的温度场、炉缸铁水流场和侧壁剪切应力场。在对生产中高炉炉缸内的复杂结构作合理简化的基础上,采用单因素的分析方法研究操作和设计参数发生变化时对碳砖热面温度场和剪切应力场的影响。从高炉的操作上,通过改变冶炼强度、高炉铁口深度、铁口角度、铁口直径和出铁角度来分析了这些参数对碳砖热面侧壁温度的影响。其中冶炼强度、铁口深度和出铁角度对高炉碳砖热面的影响最大,冶炼强度越高、铁口深度越浅、出铁角度越小都会造成侧壁温度的上升,剪切应力增加,对炉缸的长寿不利。从实际高炉长寿操作来看,可以通过减产、堵风口、提高鼓风动能等手段来降低侧壁温度,大型高炉操作过程中,铁口深度必须不小于3500mm,铁口最小夹角设计尽量大,出铁过程中尽量安排夹角较大的铁口轮流出铁,在侧壁温度较高的时候,可以采用对角出铁的模式来降低侧壁温度。从设计上来看,可以通过提高炉缸耐材的导热率、增加高导热安全墙以及消除炉缸侧壁的气隙来提高炉缸整体的传热效率。提高耐材的导热率,可以有效地降低炉缸侧壁热面的温度,有助于形成凝铁层;在炉缸侧壁增加高导热安全墙可以进一步将高温向炉内推移,但是高导热安全墙会以牺牲碳砖其它性能为代价,有可能造成侵蚀的加剧;通过压浆的方式可以消除炉缸在生产过程中可能产生的气隙,从而改善传热效率,但是在实际生产中,由于浆料的凝固性能、压力控制等因素考虑不周,可能会造成炉缸不可逆的损伤,这也是宝钢3号高炉和4号高炉长寿差异的关键所在。大型高炉的死铁层深度不断增加,宝钢从1800mm深增加到3600mm,从数值模拟的结果来看,死铁层深度增加对降低侧壁温度是不利的,增加的死铁层深度并没有能够形成炉底的对流来缓解侧壁环流。宝钢高炉在操作、长寿维护上采取了众多的措施来延长高炉寿命,对比已经大修的5座大型高炉,其寿命的长短差异很大,通过对一代炉龄高炉指标、长寿维护措施来分析了导致高炉寿命差异的主要原因,包括高炉开炉后前期的冶炼强度、煤比、高炉炉况的稳定性、高炉压浆维护、铁口深度、出铁顺序等进行了详细的分析。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF573

【参考文献】