1、http:/高炉风口烧损的原因及对策研究杜屏，赵华涛，魏红超，田口整司(江苏省(沙钢) 钢铁研究院，江苏省张家港市，215625)摘要：沙钢宏发炼铁厂 3 座 2500m3 高炉都曾存在风口烧损严重的问题，2008 年共有 259个风口烧损。分析风口烧损部位的微观结构和高炉操作与原料数据，发现导致风口大量烧损的主要原因有：宏发炼铁厂高炉的 Zn 负荷过高 151kgt，导致风口严重上翘；焦炭灰分偏高和热强度指标偏低导致风口前端死料柱透液性变差；风口前端冷却能力不足。通过降低高炉 Zn 负荷，更换上翘风口；提高焦炭质量；改进风口设计，提高风口前端的冷却能力等措施，到 2011 年风口烧损数量减少
2、了 97，风口使用寿命从 3 个月提高到目前的 9 个月以上。关键词：风口；烧损；Zn 负荷；焦炭1 前言沙钢宏发炼铁厂有 3 座 2500m3，每个高炉配有 28 个风口。3 座高炉都曾存在严重的风口烧损问题，2008 年宏发炼铁厂 3 座高炉共有 259 个风口因烧损失效，站到更换风口的65。风口频繁烧损导致风口寿命只有 3 个月，远低于国内外长寿型风口 1 年以上的使用寿命，严重影响高炉的正常操作，使宏发 3 座高炉的休风率高达 158，大多数非计划休风用于更换破损风口。为此沙钢研究院开始研究宏发炼铁厂风口频繁烧损的原因，从风口前端烧损部位的微观分析、高炉 Zn 负荷、高炉原料质量与操作
3、等方面着手分析风口烧损的原因。2 风口烧损原因分析21 烧损风口微观分析为了明确风口烧损的原因，我们从两个破损风口的烧损部位切下两个样品进行分析。一个是样品 a，取自一个有熔蚀孔洞的破损风口前端的下缘。孔洞的形状显示出这是一个明显熔蚀破坏的风口。另一个是样品 b，取自一个破损风口的前端上缘，这个破损风口没有熔蚀孔洞，但是风口表面有面积较大较深的蚀坑。图 1 显示样品 a 风口表面有一层铁出现。风口表面的这层铁是熔蚀发生时，铁水浸蚀风口下缘造成的。样品 b 表面没有发现熔铁，靠近外表面处发现含有 Co、Cr 的金属块。这些 Co、Cr 的合金块分散嵌入基体铜中，这些靠近样品外表面的 Co、Cr
4、金属原本是样品表面的耐磨涂层，在铜熔化时被铜熔融包裹。因此，在破损风口前端上缘的这一区域曾经暴露于高温环境中，此高温环境是由铁水熔蚀以外的因素造成。a、b 两个样品冷却水管内表面比较粗糙，并且表面有一层污垢。图 2 显示对 a、b 两个样品冷却水管道内壁垢层 XRD 分析的结果，通过图中的的衍射峰可知样品 a 表面主要有 Cu、 CuO、 CaCuP2、CaCO 3。样品 b 内表面垢层的 X 射线衍射图显示 b 样品冷却水管内表面主要有 Cu、CuO、Fe 0.98O 和 C。样品 a 和 b 冷却水管内表面的垢层所含的化合物明显不同。样品 a 表面的垢层是冷却水中的矿物质形成的水垢。样品
5、b 表面的垢层是风口自身的 Cu 氧化造成的，由此可知 b 样品的冷却管内壁曾长时间暴露于高温环境中，引起水和内壁表面的 Cu 发生反应。http:/以上分析结果显示，取自风口下端 a 样品的烧损是由于风口下端与铁水接触造成的烧损，由于宏发炼铁厂 3 座高炉均采用工业水冷却风口，风口冷却壁表面因水质和冷却能力不足形成 6070m 的水垢层，进一步降低了风口的冷却能力。取自风口上端的 b 样品的烧损不是铁水熔蚀造成，主要是风口冷却能力不足，使得风口上端部分熔化造成的。以上两种风口的烧损是由于和铁水接触以及风口周围较高的环境温度产生的巨大热流引起的。需要改进风口加工质量，提高冷却水管内壁的光洁度、
6、软化水质、改进风口设计，从而提高风口前端的冷却能力。22 高炉风口上翘与原因分析221 高炉风口上翘角度的测量宏发炼铁厂的风口均存在严重上翘的问题。为此我们专门设计了风口倾角测量装置，在高炉休风时对风口的倾角进行测量，发现 3 座高炉的风口普遍存在风口中套和小套严重上翘的问题。根据图 3 显示的风口中套与风口小套上翘变形角度的关系图，可以看出风口小套的上翘变形是由于风口中套上翘变形引起的。图 4 显示风口小套上翘变形角度在 210之间，平均约 6左右，而宏发炼铁厂风口的安装角度为 5，这意味着风口上翘变形后，风口几乎处于水平位置。风口上翘变形将使回旋区形状发生畸变，如图 5 所示 1，当风口水
7、平安装时，即风口角度为 0时，回旋区体积减小，风口前端底部的回旋区消失，极易使风口前端底部与渣铁接触，导致风口烧损，风口体积的缩小也使整个口前端与高温炉料和渣铁接触的几率增加。http:/风口上翘的原因是炉缸内的耐火砖尤其是风口附近的组合砖因碱金属和 Zn 蒸汽侵入砖体和砖缝中引起的膨胀 2-3。由于高炉炉底由钢板固定，炉砖只能向上膨胀推动风口上翘。而且宏发炼铁厂高炉现场更换上翘风口时，发现风口附近的组合砖中有大量的液态和固态的 Zn 流出。这种现象在其它公司的 Zn 输入量超标的高炉上也经常出现。因此有必要对高炉的 Zn 负荷进行计算，发现 Zn 的来源。222 高炉 Zn 负荷计算由于宏发
8、炼铁厂严重的风口上翘是由于高炉过高的 Zn 输入造成的，我们对高炉原料进行了 Zn 含量分析。分析了 2009 年 3 月宏发烧结厂烧结矿的 Zn 含量为 013，由于烧结矿占到高炉所用矿石总量的 6570，据此计算出的高炉 Zn 输入量为 151 kgt，这比国家控制标准 015 kgt 高出 9 倍。为追溯这些 Zn 的来源，分析了烧结矿所有原料的 Zn 含量。根据目前烧结厂提供的月报表( 假设矿石中的 Zn 含量为 0003) ，计算出烧结矿的含锌量应为 0075，但烧结矿实际含 Zn 量为 013，中间还有 0055的缺口，根据对公司各料场的调查，烧结厂使用了高炉污泥(Zn 含量 81
9、5)、小高炉布袋除尘灰或者电炉除尘灰 (Zn 含量 20左右)等高含锌量的原料，如图 6 所示。http:/若要使宏发炼铁厂高炉的 Zn 输入量控制在国家标准范围内(01502 kgt 生铁)，则烧结矿中的 Zn 含量必须控制在 001以内。因此烧结厂要停止回收高炉污泥、电炉除尘灰、小高炉布袋除尘灰和转炉污泥。这种方法可以将烧结矿的 Zn 含量降低到 002，使得高炉的 Zn 输入量控制在 02503kgt 。沙钢 30 万吨转底炉的即将投产，含 Zn尘泥将得到更好的回收利用，烧结矿中的 Zn 含量将进一步控制到国家标准之内。23 高炉焦炭质量对风口烧损的影响2008 年由于优质炼焦煤供应紧张
10、，使得公司自产焦炭质量严重下滑，表 1 为 2008 年至今沙钢宏发炼铁厂焦炭质量平均值，2008 年焦炭的灰分偏高 132，最高时月平均在14以上，焦炭的反应性偏高 CRI 276，反应后强度 CSR 偏低 645。到 2008 年 6、7月份，焦炭质量的波动和技术指标都恶化到高炉顺行难以承受的程度。高炉技术指标全面下滑。这一时期的产量较正常水平低 1020。焦炭质量严重下滑导致 2008 年 3 座高炉出现 9 次悬料事故，高炉非计划休风率达到123，远高于其它年份 04的非计划休风率。高灰分的焦炭容易使炉缸堆积，炉缸的透液性变差，使得在风口下端形成小的渣铁池，风口前端更易浸入渣铁中，使风
11、口熔损数量激增。从表 2 宏发炼铁厂 3 座高炉的年平均操作参数对比中可以看出，2008 年因焦炭质量下滑，风口频繁烧损等原因，高炉的利用系数只有 219，休风率高达 163，综合焦比较随后几年高出 10，由于原料和炉况的波动，铁水 Si 含量 0624，超出正常值 45。3 风口烧损解决对策31 改进风口设计鉴于宏发炼铁厂水管承受压力和水量供应的限制，不能增加冷却水的流量和压力，因此通过提高风口冷却水管内壁光滑度和改进风口设计 4-6来提高风口的冷却能力。宏发炼铁厂使用的风口为贯流式风口。它的主要特点有：单水流、柱形双层结构冷却水管道、外侧旋流管道、旋流管道的截面积较小(尤其在风口前端) ，
12、并且风口长度较短 475mm、风口内壁粗糙。为增强风口前端的冷却能力，设计了新型双旋流风口，如图 7 所示，由于这种风口前端的螺旋型水道方向一致，水流可以平滑的流入和流出风口的前端，从而提高风口前端的水流速度和冷却能力，新型风口的长度为 540mm，安装到宏发 1#高炉进行试运行，两个新型风口在使用 16 个月和 11 个月后都没有发生损坏，后因宏发高炉中修而停止使用。这两个新型风口与同时期运行的贯流式风口相比，使用寿命可延长 10 个月。http:/通过对风口生产厂家的信息反馈，延长了贯流式风口的长度，由 475mm 延长到580mm，提高冷却水管内壁的质量，炼铁厂也进一步加强水质的管理，添
13、加药剂降低冷却水的硬度，使贯流式风口的使用寿命也大幅提高，由 3 个月延长到 9 个月。32 控制高炉 Zn 负荷。更换上翘风口为降低高炉的 Zn 负荷，为公司制定了烧结矿回收原料控制标准。停止回收高炉污泥和转炉污泥等高 Zn 废料；及时抽检回收原料的 Zn 含量，除尘灰的 Zn12时，粒化渣、轧钢皮的 Zn 含量10时，不可以回收。在实施这一控制标准后，宏发炼铁厂的 Zn 负荷逐渐降低，2010 年抽检计算结果，高炉的 Zn 负荷降低到 06kgt。为降低风中套上翘对高炉回旋区形状和风口烧损的不良影响，宏发炼铁厂通过敲掉部分中套下部的组合砖，矫正风口中套和风口的上翘变形，在降低风口烧损的同时
14、，也降低因风口上翘变形造成的喷煤磨损风口内壁。33 提高焦炭质量从 2008 年底开始，公司加强炼焦煤的入厂检验和拓宽采购渠道，炼焦煤的质量明显好转。2008 11 月份以来，自产焦炭由于煤质改善，结焦时间延长，焦炭质量明显改善。M40 85586，M1069；反应后强度 CSR65、反应性 CRI273、灰分126。随着焦炭质量的提高，高炉的非计划休风率减少到 04，产量明显上升，利用系数由 219增加到 25，综合焦比降低了 55kgt。通过采取以上应对措施，高炉的风口烧损数量由 2008 年的 259 个，减少到 2009 年的46 个，2010 的 36 个和 2011 年的 10 个
15、。风口的使用寿命也由 3 个月提高到目前的 9 个月，为高炉的顺行和降低燃料比提供了良好的设备保障。仅减少烧损风口就节省了 423 万元年。4 结论根据沙钢宏发炼铁厂风口烧损的原因与对策研究，得出以下几点结论：(1)高炉的 Zn 负荷过高导致风口中套和风口严重上翘变形，使得回旋区形状畸变，尺寸变小，导致风口前端更易因高温渣铁侵蚀而烧损。(2)焦炭的质量下降，尤其是灰分偏高，热强度降低导致死料柱透气透液性变差，在风口前端下缘易形成渣铁熔池，造成风口前端被高温渣铁侵蚀烧损。(3)风口结构与冷却水管道内壁质量的改进，大幅提高风口的冷却能力，新型双旋流风口的寿命可以提高到 16 个月。沙钢宏发炼铁厂通
16、过降低高炉 Zn 负荷、修正上翘的风口中套、提高焦炭质量、延长风口长度和改善风口冷却水管道的内壁质量等措施，风口烧损数http:/量减少到 10 个年，风口寿命由 3 个月延长到目前的 9 个月。参考文献1Numerical Simulation of Effect of Tuyere Angle and Wall Scaffolding on unsteady Gas and Particle Flows Including Raceway in Blast Furnace，Toshihiko UMEKAGE，ISIJ International， Vo147(2007)，No5，pp6596682昆钢 2 000m3 高炉风口上翘原因分析及治理，杨雪峰，储满生，王涛，炼铁，2005 年，24 卷 4 期，143宝钢高炉的锌危害及其抑制，李肇毅，宝钢技术，2002 年 6 期，18244任廷志，吕晓江，吴玉娟，黄文，于成忠。高炉全偏心型贯流式风口结构对其寿命的影响，燕山大学学报，第 32 卷第 2 期，2008 年 3 月95995芦田敏行、池川清宏；高流速羽口、( 栗本技報)7、1982 年 7 月、45596Kurimotc 高流速风口，June 12，2009
