长寿高炉炉缸炉底影响因素研究

发布时间：2020-10-29 22:02

　　 炉缸寿命是当前大高炉长寿的决定性因素之一。只有掌握了炉缸内部铁水流动、炉缸焦炭、炭砖及其保护层之间的交互作用规律,才能找出延长炉缸寿命的措施。铁水对炉缸侧壁的冲刷侵蚀是导致炉缸寿命短的主要原因之一。炉缸长寿的关键是在炭砖热面凝结一层渣铁壳,隔离炙热铁水与炭砖的直接接触。炭砖附近的铁水流速和炭砖热面温度是影响渣铁壳凝结的主要因素。影响炉缸侧壁附近铁水流速的主要因素有(1)死料柱焦炭行为(死料柱空隙度分布、焦炭粒度和焦炭密度等);(2)铁口维护制度;(3)炉缸工作状态(死料柱浮起高度和中心透液性等)。砌筑和冷却良好的高炉,如果炭砖形成脆化层,会降低炭砖的导热性能,使炭砖热面温度升高,不利于炭砖热面渣铁壳的新生和稳定存在,这也是导致炉缸寿命短的主要原因之一。本文通过炉缸破损调研、数值仿真和热态实验三种方法对长寿炉缸炉底的影响因素进行了研究,加深了对炉缸内部死料柱焦炭、炭砖脆化层、渣铁壳和炉缸铁水流动规律的认识,对高炉炉缸设计和高炉操作有一定的指导意义。本文首先通过2800m3和5500 m3工业高炉炉缸破损调研的方法详细研究了风口以下1.5m至炉底之间不同炉缸高度和不同径向位置死料柱焦炭的无机矿物组成、石墨化程度、粒度分布、强度和死料柱空隙度分布。结果表明,2800m3工业高炉风口以下2.5m至炉底之间死料柱焦炭内部填充了大量高炉渣。在5500 m3高炉炉缸破损调研中也发现了大量高炉渣浸入风口以下1.8m至铁口中心线之间死料柱焦炭中。死料柱焦炭无机矿物质含量随着距风口距离的增加而增加,平均含量为45%。大部分死料柱焦炭质量是相同条件下入炉焦炭质量的1.43-2.21倍。死料柱焦炭高度石墨化,且越靠近炉底,焦炭粉末石墨化程度越高。2800 m3和5500m3高炉死料柱焦炭平均粒径在直径方向上分别呈“M”和倒“V”型,焦炭平均粒径分别为28.7mm和23.5mm,分别较入炉焦炭降低了 47%和56%。靠近死料柱底部附近,死料柱空隙度随着距风口距离和距炉墙距离的增加而降低,平均空隙度为0.3。其次,在炉缸死料柱焦炭行为研究的基础上,建立了包括死料柱和泥包在内的5500 m3高炉炉缸铁水流动数学模型,研究了不同铁口维护制度(铁口深度、铁口倾角和双铁口出铁等)和不同炉缸工作状态(死料柱浮起高度和中心透液性等)对炉缸侧壁附近铁水流速的影响。结果表明,增加出铁口深度、铁口倾角为10°和选择夹角为180°的双铁口出铁有利于降低炉缸侧壁附近的铁水流速,延长高炉炉缸寿命。当死料柱中心、中间和边缘空隙度分别为0.2、0.3和0.35时,炉缸炉底交界面附近的铁水流速随着死料柱浮起高度(0.8m→0.1m)的降低而大幅度增加,这表明死料柱小幅度浮起可能导致炉缸“象脚状”侵蚀。死料柱浮起高度处于0.6m-0.8m之间有利于高炉炉缸长寿。死料柱沉坐和浮起时,只有当死料柱中心透液性较差区域(空隙度为0.1)分别发展为炉缸直径的26%和50%时才会引起炉缸侧壁附近铁水流速增加。然后,通过2800m3高炉炉缸破损调研分析了碱金属和锌对炉缸炭砖的蚀损机理和炭砖凝结渣铁壳的形成机理。在2800m3高炉炉缸残余炭砖脆化层中含有大量的Zn2SiO4、KA1SiO4、ZnO、KA1Si2O6及少量的 ZnS 和ZnAl2O4。结合当前炭砖和残余炭砖脆化层矿物质组成,揭示了炭砖脆化层的形成机理。在炉缸炭砖热面凝结层和炉底陶瓷垫中均发现了高炉渣的存在,凝结层中的高炉渣主要来源于浸入到焦炭内部的高炉渣,而不是来源于入炉焦炭灰分。最后,设计建造了模拟高炉炉缸冶炼过程的热态实验炉。在炭砖冷面设计有冷却水管模拟炉缸冷却壁。三相交流电电极作为加热源,保证渣铁水温度在1550℃左右。通过热态实验炉炉底吹氮气搅拌熔池来模拟炉缸渣铁水流动。实验发现,当炭砖热面温度低于渣铁壳凝固温度,在炭砖热面就可以形成渣铁壳。在该热态实验中通过在炉缸炭砖中产生钾、钠和锌蒸气,模拟了高炉炉缸持续的钾、钠和锌蒸气对炭砖的破坏。总之,通过本文研究表明,高炉渣通过死料柱焦炭的运动可以被带入铁口以下炉缸区域。由于死料柱焦炭浸入大量高炉渣导致死料柱重力增大,为保证死料柱浮起较高高度应适当增加死铁层深度。在高炉冶炼过程,适宜条件下,炉缸炉底内衬热面能够凝结渣铁壳。为延长高炉炉缸寿命,应制定合理的出铁维护制度和保证入炉焦炭质量,改善死料柱中心透液性,降低炉缸侧壁铁水流速,并严格控制入炉K和Zn负荷,避免炭砖脆化层的形成,促进炭砖热面渣铁壳的形成,隔离与炙热铁水的直接接触,延长高炉炉缸寿命。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TF57
【部分图文】：

耗低、生产成本低、污染物排放少等诸多优势［１４Ｈ１６］。??（ａ）?７０００???８０??６０００?＊?７０??〇?ＨＵＭｌＭｉｉｉｉｉｊ—ｔｉｌｌ?０??人Ｖ?／?／??〇ｉｔａ２ＢＦ?Ｆｕｋｕｙａｍａ?５Ｂｆ??（ｂ）調???５０００?＜Ｐ?〇?＾?ｓｈ？ｆｉ３Ｂｆ??：ｖ?科?ｆ。ｔｆｅ—??１０００?。。??ｏ????????????■—??１９５０?１９６０?１９７０?１９８０?１９９０?２０００?２０１０??开炉时间??图２－２日本髙炉炉容和数置的转变：?（ａ）高炉数置；（ｂ）高炉开炉时间及炉容??２０世纪７０年代前苏联和日本幵始修建５０００?ｍ３级巨型高炉。前苏联克里??沃洛格公司于１９７４年建成了世界上首座有效容积大于５０００?ｍ３的巨型高炉。??１９７６年，前苏联切列巴维茨公司建成了?５５８０ｍ３高炉［１７］。二战结束后，日本??高炉炼铁经历了?１０年恢复和２０年快速发展，取得了举世瞩目的成就，截至??１９７１年，日本高炉数量达到了?６５座［１８］［１９］，如图２－２?（ａ）所示。１９７６年，??日本住友和新日铁公司分别建成了?５０５０?ｍ３和５０７０?ｍ３高炉［５］。１９９３年１０月??德国蒂森斯维尔根厂投产了欧洲首座５０００?ｍ３级的高炉（５５１３?ｍ３）。２１世纪??以来，俄罗斯和乌克兰分别新建了一座５５８０?ｍ３和５０２６?ｍ３的高炉，至此，欧??洲共有３座５０００?ｍ３级的高炉［１５］［２（）］。２００９年５月，我国首钢京唐５５００?ｍ３高??－４－??

造成??巨大的产量损失，破坏后续工序生产的平衡，造成巨大的经济损失。因此，??延长高炉寿命，减少大修的次数，是降低钢铁企业经济损失和提高竞争力的??有效措施。为了缩短大修时间，日本开发了大型模块施工方法［２６ＨＷ，使高??炉大修时间缩短为６０－９０天［２７］＿［２９］，日本福山５号５５００?ｍ３高炉采用该施工方??式，大修用了?５８天，创造了高炉大修最短的世界纪录。宝钢１号高炉（第二??代）大修采用大型模块施工方法，大修工期７８天，创造了国内特大型高炉大??修的最好成绩［２９］，如图２－３所示。??Ｏ宝钢１号髙炉？?？??２００?？?４１Ｂ天??湯?１５０?－??Ａ?福山?５?号??离炉?５８?天??耋?■?■?？???１０００?３０００?５０００??高炉容积／ｍ３??图２－３传统施工法与大型模块施工法工期对比丨２９丨??改革开放４０多年来，我国通过引进国外先进技术、设备和自主研发，我??国高炉寿命取得了较大的进步。然而，与国外相比，我国高炉寿命仍处于较??低的水平。日本２０世纪８０年代初期建设的高炉寿命已能达到１５年左右，如??图２－４所示，日本高炉最长寿命能达到２７．３年＾?［１４］?＿。欧洲和日本在２０??世纪８０年代中后期建设的高炉普遍都在１５年以上，而我国同时期建设的高??炉长寿寿命约为日本高炉寿命的一半左右，为８－１０年ｎ４ｎｉ５］。进入２０世纪??９０年代以后，我国宝钢、首钢和武钢等少数高炉寿命能达到１５年以上。??２５??．???２０?□运行?？?？??＇二?？停炉?？?？?？?？〇??？？?？??０????１９５４?１９５８?１９６２?１９

其他设备?０?〇．〇?６?６．０?〇?０．０??产能结构调整?３６?３０．３?２２?２２．０?３?４２．９??２．２高炉炉缸侧壁高温点和烧穿位置??１４?！３??１２?－??１０?－??ｉ?８－?８?？??ｍ?：??頦６－??５??４－?Ｐ］??３?３??２?＇?１?１＿１?１?—?＿＿＿＿??２０００?２００１?２００２?２００３?２００４?２００５?２００６?２００７?２００８?２００９?２０１０?２０１１?２０１２?２０１３??年份??图２＿５国内部分高炉炉缸烧穿座数统计ＰＩ??２１世纪以来，国内外炉缸烧穿事故时有发生，给企业造成严重的损失，??－９－??
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本文编号：2861518