寶鋼4BF無襯套風口小套內壁結殼現象分析

顧榮榮,朱勇軍,徐 輝

(寶山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠,上海 200941)

寶鋼4BF第二代爐役于2014年11月12日點火投產,成功開爐后近5年生產時間里,高爐經歷了最高比例為30%的高球團比、持續16個月比例最高達26%的高塊礦比、為期20個月燒結礦比例最低至53%的不同生產階段,經過合理操業調整,高爐總體穩定,煤氣利用率長期穩定在51%～52%,年均煤比在180 kg/t以上,燃料比維持在480 kg/t左右[1-3]。

為了使高爐獲得最佳的鼓風動能,寶鋼4BF送風系統末端采用內徑為160 mm的風口小套,根據生產需要選用不同內徑風口襯套組合獲得目標風口面積,為能夠得到理想氣流分布創造了良好條件。近年來,寶鋼高爐定修周期從1個月逐漸延長至3～4個月,高爐生產穩定期進一步延長,高爐各項指標也趨于穩定,生產獲得了更大效益。但風口襯套使用壽命與目前高爐定修周期不匹配,在一個定修周期中隨著風口襯套從前端熔損剝落,實際風口面積不斷擴大,送風制度發生變化,定修周期后期氣流分布難以調劑,直接影響到高爐煤氣能量利用和料柱透氣性,進而降低高爐生產經濟技術指標。因此,襯套的實際使用壽命對高爐生產至關重要,國內外高爐工作者一直探索使用更加耐高溫侵蝕、抗渣侵蝕的風口襯套[4-5],但尚未有很好的解決方案?；谝陨显?寶鋼4BF逐漸采取無襯套風口進行生產,在一個定修周期中保持風口面積基本不變,確保送風制度穩定。

1 無襯套風口使用情況

4BF在2016年12月、2017年4月、2017年8月分三次逐步增加無襯套風口使用至全部為無襯套風口小套。第一批無襯套風口小套經歷了為期4個月生產后,定修時在小套內表面發現有成圈沉積結殼層,不同風口的沉積層厚度有差異,最厚達5 mm,據此推測,生產中實際風口面積比理論風口面積小。

無襯套風口小套內壁結殼層內表面呈黑色,表面層以下呈土黃色,從縱向看呈現顏色深淺不一的分層沉積,沉積物強度不高,易碎成塊狀,可輕搗成粉末狀,見圖1所示,同期使用的風口襯套內表面無沉積現象。

2 無襯套風口小套內壁結殼物組分

對無襯套風口小套內壁結殼物進行取樣分析(圖2),結果表明,該結殼物含50.20%的氧化鋅、27.48%的氧化鈉、10.40%的氧化硅、5.92%的氧化鈣和1.96%氧化鎂,以及1.43%的全鐵、0.79%的氧化鋁和0.48%的硫。其XRD物相分析結果表明,92%的鋅為氧化物形態,8%的鋅為金屬單質形式。

在2017年4月以后,在高爐安排拆裝直吹管的休風過程中,均逐一檢查無襯套風口內壁結殼情況,并對有結殼情況的風口進行取樣分析,結果如表1所示。

表1 定修對無襯套風口內壁檢查情況和取樣分析結果

在2017年11月24日定修時,從風口內取出少量金屬物,見圖3。經檢測該金屬物鋅含量達96.80%,余為氧化鈉及少量碳。

3 風口小套內壁結殼機理分析

風口小套內壁沉積物取樣分析結果表明,堿金屬含量為7%～28%,碳含量為7%～20%,氧化鋅含量為50%～66%,鉀鈉鋅三種有害元素含量最低為58.5%,最高達77.7%,其中92%的鋅為氧化物形態,8%的鋅為金屬鋅。風口小套內表面沉積物主要是由鉀、鈉和鋅等有害金屬元素富集產生,在2017年11月24日定修出現風口淌鋅現象更加說明了高爐內鋅富集達到一定數量水平。

3.1 爐內有害元素循環富集

因鉀、鈉和鋅等有害元素金屬單質具有低熔點低沸點性質(標準狀態下鉀[6]336、鈉[6]566、鋅[6]902金屬熔點分別為63、98和419.5 ℃,沸點為799、882和907 ℃),高爐原燃料帶入的鉀、鈉、鋅等元素在中高溫區部分或全部被碳還原而形成金屬蒸汽。隨煤氣流向上運動時,金屬蒸汽與爐料中礦物結合生成化合物,部分與爐塵一起排出高爐,部分在爐身中上部、煤氣上升管等部位與爐襯反應形成低熔點化合物,其余部分通過爐渣排出高爐[7]。因爐況或者操作條件變化時,高爐表觀有害元素收支往往存在不平衡現象,出現階段性積累和集中排出過程,在高爐內循環有害元素的總量也會有相應波動,但據相關報道可知,高爐內循環的有害元素總量是入爐量的10～30倍[8-10]。

4BF入爐堿金屬總量基本為0.8～1.0 kg/t,如圖4所示。入爐鋅負荷波動較大,2016年為0.10～0.15 kg/t,2017年4月在無襯套風口小套內表面發現富鋅沉積結殼物后鋅負荷降至0.06～0.08 kg/t,2018年8月以后有所上升。

從圖5、6寶鋼高爐重力除塵灰和二次灰中含鋅量可以看出,2016年和2017年寶鋼4BF重力除塵灰中鋅含量基本在0.08%以內,二次灰中鋅含量在0.20%以內,同期寶鋼高爐重力除塵灰平均鋅含量為0.15%左右,約為4BF的2倍,二次灰平均鋅含量為0.60%～1.00%,為4BF的3～5倍,說明寶鋼4BF該段時間內的排鋅能力低于其他高爐,有害元素在爐內富集程度相對嚴重。

造成寶鋼4BF在2016、2017年有害元素嚴重富集的可能原因是,高爐中心氣流溫度下降多且波動大導致高爐排鋅能力變差。2016年1月至2017年3月,4BF進行20%以上高塊礦比生產,高爐中心氣流溫度從600 ℃以上逐步下降至500 ℃以內;在2017年4月至2018年2月,即“二對四”生產前期,高爐塊礦比基本保持在18%左右,中心氣流溫度雖有短暫上升至近600 ℃,但大部分時間在500 ℃以內,特別是2017年8月和2018年1月中心氣流月均溫度低至400 ℃(圖7),高爐重力除塵灰中鋅含量基本在0.10%以內,二次灰鋅含量在0.40%以內,遠低于同時期寶鋼其他高爐同類除塵灰的含鋅量;2018年3月,塊礦比從18%降至14%左右,中心氣流溫度上升至550～650 ℃,4BF重力除塵灰中鋅含量從0.05%上升至0.20%以上,2018年6月重力除塵灰中月均鋅含量更是高達0.58%;2018年8月,4BF二次灰中鋅含量從0.10%上升至0.89%,隨后幾個月中高爐二次灰中鋅含量均在1.00%以上,其中10月份月均達2.30%。

基于以上分析可以推斷,寶鋼4BF在2016年1月至2018年2月間處于鋅富集階段,而在2018年3月后幾個月則出現鋅集中排出,因此2018年4月定修時無襯套風口內壁仍有結殼物,但后續幾次定修均沒有發現結殼現象。

3.2 有害元素在無襯套風口小套內壁沉積

高爐內風口區溫度遠高于有害元素金屬單質的沸點,且存在大量焦炭,爐料中有害金屬元素在風口區大量還原,形成金屬蒸汽。富氧熱風從風口小套處鼓入爐內,回旋區里氣體金屬蒸汽濃度很低,金屬蒸汽從回旋區外圍向回旋區中心通過對流和擴散進行傳質,但回旋區內為氧化性氣氛,金屬蒸汽在向回旋區中心傳質時逐漸被氧化,金屬氧化物隨著鼓風在回旋區向外圍運動時,又逐漸被還原成金屬蒸汽,即有害元素金屬蒸汽不斷向回旋區內傳質的同時回旋區內氧化物不斷向回旋區外傳質。風口回旋區邊緣存在一個金屬蒸汽和氧化物共存的穩定界面。

銅質風口小套承受較高輻射傳熱,通過高壓水冷卻,正常情況下冷卻水能將熱量及時帶走,風口表面維持較低的溫度。在金屬蒸汽和氧化物共存的界面內,有害元素金屬和氧化物與風口小套接觸后迅速由氣相或液相轉變為固相,并在風口小套內表面形成一定厚度的吸附層。風口小套持續鼓入高溫熱風,導致吸附在銅表面的金屬氧化而沉積。由于風口小套處存在持續穩定低溫區,保證了吸附層的穩定,金屬蒸汽通過吸附層向氣—固界面傳送,氣相中的鉀鈉鋅主要靠對流和擴散傳質運動,成分較為均勻,在吸附層附近氣相中存在一定厚度的擴散層,擴散層內金屬蒸汽呈層流運動,由擴散層外側向擴散層內側主要依靠濃度差進行擴散。整個過程呈“對流傳質、擴散傳質、形成吸附層、沉積氧化、形成結殼層”。邵久剛等[11]研究的鋅與高爐風口小套銅基體之間發生銅溶反應在風口小套表面生成銅—鋅合金也有類似的傳質機理。

3.3 休風倒流導致有害元素進入送風系統

高爐在休風狀態時,風口區的鋅、堿金屬以氣體狀態擴散至送風系統,當休風倒流時,高爐內富含鋅和堿金屬的煤氣通過風口小套和直吹管經熱風圍管、總管至熱風放散閥放散,為鉀鈉鋅等有害元素進入送風系統創造了條件。由于溫度降低,有害元素進入送風系統后逐步在風口小套、直吹管、熱風圍管和總管處富集。2015年武鋼1BF中修時對熱風圍管進行破損調查時,發現圍管爐襯表面和送風口有結瘤物,磚襯局部有表面熔融和剝落現象,經提取帶有變質層和表面有熔融狀物質的樣品進行電子探針結合能譜對其顯微結構和組成分析,結果表明不同部位材料中wZnO為18%～28%,wMgO為6%～12%,wNa2O和wK2O均超過7%,為鋅和堿金屬富集損壞[12]。

4 使用無襯套風口的思考

寶鋼高爐在使用無襯套風口后,無襯套風口面積就是實際送風風口面積,如果無襯套風口在使用過程中內表面出現結殼現象,最終導致風口面積變小,影響送風制度穩定。在無襯套風口使用過程中,需要從以下幾個方面優化控制,避免無襯套風口小套內表面沉積結殼。

4.1 嚴格控制有害金屬入爐

從分析結果來看,無襯套風口內壁沉積物主要是鉀、鈉和鋅等有害元素進入送風系統,在無襯套風口小套內壁沉積固結,所以在無襯套風口使用過程中嚴格控制有害元素負荷非常關鍵。寶鋼高爐有害元素管理按照入爐鋅負荷小于0.15 kg/t、堿負荷小于2.00 kg/t控制。2017年4月首次在無襯套風口內壁發現結殼物后,逐步降低入爐鋅負荷,至2017年8月入爐鋅負荷降至0.08 kg/t左右并維持在該水平生產,在2018年8月和11月定修時對無襯套風口進行檢查,發現風口內壁結殼情況得到明顯改善。

4.2 定修時對無襯套風口內壁進行清理

高爐風口小套使用周期為8個月,高爐定修周期為4個月,即每一個無襯套風口使用過程中至少經歷一次休風及休風倒流,風口內壁上或多或少都會有沉積層。因此,定修過程中需對無襯套風口內壁進行檢查,清理干凈,沒有更換無襯套風口小套內表面在第二個定修周期中保持干凈,保證風口面積準確。

4.3 減少臨時休風次數

從風口內壁結殼物形成機理分析可知,臨時休風倒流會造成有害元素進入熱風放散閥前的送風系統,加劇有害元素在無襯套風口小套內表面沉積。在高爐生產中,應減少或盡量避免臨時休風,如有臨時休風,盡可能進行直吹管拆裝,清理無襯套風口。

4.4 摸索高爐排鋅機制

從高爐鋅堿負荷趨勢可知,2017年8月以后寶鋼4BF鋅負荷降至0.08 kg/t以下,無襯套風口內壁結殼情況有明顯改善。隨著原燃料的不斷劣化、燒結等前道工序承擔消納企業里各類含鋅粉塵,高爐的入爐鋅負荷可能會進一步上升,今后需從高爐爐況和爐前作業情況對高爐排鋅機制進行研究,減少有害元素在高爐內循環富集。

5 結論

寶鋼4BF在使用無襯套風口過程中發現,風口小套內表面出現含堿金屬和鋅含量非常高的沉積結殼層。結殼層是高爐有害元素循環富集過程中,在銅質風口小套內壁存在的低溫區里擴散沉積而形成。在使用無襯套風口過程中,減少或避免風口內壁出現結殼層而引起送風制度變化對高爐生產的影響,建議從以下幾點進行控制:

(1) 從源頭管控,有條件的情況下嚴格限制有害元素入爐量;生產中摸索高爐的排鋅機制,減少堿金屬和鋅在高爐內富集。

(2) 一個定修周期中,減少或盡量避免臨時休風,杜絕含堿金屬和鋅蒸汽的煤氣進入風口、直吹管、熱風圍管等倒流閥前的送風系統。

(3) 在安排直吹管拆裝的高爐休風時,送風前必須檢查、清掃干凈無襯套風口內表面。