軸承鋼管廠Corex煉鐵過(guò)程風(fēng)口故障分析

　　1前言

　　Corex是一種用非煉焦煤及純氧代替焦炭及空氣的熔融還原煉鐵工藝。風(fēng)口區(qū)溫度比高爐風(fēng)口區(qū)溫度高很多，因而風(fēng)口的承受能力是一大難題。印度JSW鋼廠停爐故障中近15%是由于更換燒損風(fēng)口造成的。為了弄清故障機(jī)理及找出主要原理，對(duì)風(fēng)口故障及影響風(fēng)口燒損的生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。雖然造成風(fēng)口故障的原因很多，但主要是細(xì)煤粉（-6.3mm）過(guò)多、平均粉粒尺寸過(guò)小、壓力低、風(fēng)口堵塞產(chǎn)生痂疤及崩料等。

　　2風(fēng)口故障類型

　　軸承鋼管廠在Corex煉鐵過(guò)程中發(fā)生的風(fēng)口故障有不同類型。一種是因風(fēng)口底部受到鐵水沖擊造成的燒穿。風(fēng)口頂部是溫度最高的區(qū)域，此區(qū)域液態(tài)熔融產(chǎn)物流動(dòng)可能極為迅速。當(dāng)煤質(zhì)不夠堅(jiān)硬產(chǎn)生大量煤粉時(shí)，流動(dòng)阻力會(huì)變大，熔融產(chǎn)物流動(dòng)變緩，會(huì)聚積在風(fēng)口底部。在這種情況下，熔渣及鐵液都會(huì)升高，到達(dá)風(fēng)口平面。另外兩種風(fēng)口故障是由氧流噴嘴前端腐蝕及堵塞引起的。據(jù)觀測(cè)超過(guò)90%的風(fēng)口故障是由此噴嘴前端腐蝕引起的。風(fēng)口材質(zhì)是99.96%高純銅材，原噴嘴口徑為24mm，而腐蝕后擴(kuò)大到84mm。

　　3問(wèn)題說(shuō)明

　　兩套Corex裝置從投產(chǎn)開(kāi)始就都頻頻出現(xiàn)風(fēng)口燒穿故障。Corex-I及Corex-II大修后，月風(fēng)口燒穿率最高分別達(dá)到19次及16次。觀察結(jié)果表明，風(fēng)口壽命從46天到360天不等，平均為100天。另?yè)?jù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，故障出現(xiàn)頻率與爐子部位有關(guān)。出鐵口區(qū)是受影響最重的地方。

　　4煤性能對(duì)風(fēng)口故障的影響

　　根據(jù)工藝參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行觀測(cè)表明，風(fēng)口故障主要原因之一是煤質(zhì)量差，主要是細(xì)煤粉多（-6.3mm）及煤粉平均粒度小（MPS）。Corex所用煤粉平均粒度通常在17mm及20mm之間不等，而細(xì)煤粉量可高達(dá)26%。不同煤粉平均粒度對(duì)風(fēng)口燒損率的影響不同。據(jù)觀測(cè)，隨著細(xì)煤粉的增多及煤粉平均粒度的下降，風(fēng)口的燒損次數(shù)逐漸增多。而細(xì)煤粉比率的影響遠(yuǎn)大于煤粉平均粒度。細(xì)煤粉比率高的及平均粒度小的煤會(huì)降低含碳料層的透氣性，造成氣流分布不均，形成氣溝。這樣就會(huì)因熱傳導(dǎo)不足及氣流不均勻而進(jìn)一步導(dǎo)致風(fēng)口區(qū)附近局部溫度偏高。當(dāng)煤粉平均粒度小時(shí)，可以觀測(cè)到出現(xiàn)更多的壓力峰值，使?fàn)t子難以保持穩(wěn)定。

　　5有可能是反壓力失控

　　風(fēng)口可能因熔融金屬及熔融爐渣的反向沖擊發(fā)生損壞。研究證實(shí)，內(nèi)腔呈直斜狀的風(fēng)口可以保證速度與音速的最佳比值，即最大馬赫數(shù)為1。

　　當(dāng)馬赫數(shù)為1時(shí)，在P/P0=0.5283的條件下不會(huì)出現(xiàn)反向沖擊。其中P代表內(nèi)壓力，P0代表氧氣的排出壓力。

　　在Corex反應(yīng)過(guò)程中，排出壓力P0=6.6bar（取設(shè)備運(yùn)行壓力=3.6bar）。按公差值為10%考慮，風(fēng)口前面氧氣壓力應(yīng)大于6bar，才可防止上述反向沖擊。但在實(shí)際操作中，由于氧氣廠壓力達(dá)不到供氣壓力及供氧系統(tǒng)發(fā)生故障，氧氣壓力常有波動(dòng)。顯然，無(wú)論是氧壓低于下限，還是波動(dòng)很大，只要這類現(xiàn)象持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，風(fēng)口都會(huì)發(fā)生故障。對(duì)10個(gè)風(fēng)口這類故障（發(fā)生于2008年2月23日）進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，爐子開(kāi)始運(yùn)行時(shí)風(fēng)口氧氣入口壓力為5.9bar～6.1bar，之后降至4.9bar，而在1h后，10個(gè)風(fēng)口被燒穿。經(jīng)對(duì)工藝參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，在此次事故中除氧氣入口壓力有上述改變外，其它各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)皆在正常范圍內(nèi)。

　　6形成痂塊及掛料

　　造成風(fēng)口故障的一種可能原因是熔融氣化爐內(nèi)懸料及塌料。軸承鋼管廠采用高堿度爐料可能導(dǎo)致熔融氣化爐圓頂及凈空區(qū)形成痂塊及渣殼。只要中斷噴吹或壓力下降就可能引起渣殼降落在含碳料層里。這種現(xiàn)象會(huì)成為爐內(nèi)發(fā)生較大擾動(dòng)的根源，很可能造成風(fēng)口故障。對(duì)1次這類風(fēng)口故障作了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)上述現(xiàn)象后，F(xiàn)eO渣高達(dá)2.5%（正常比率為0.3%）。而這種現(xiàn)象的出現(xiàn)只有在渣殼或痂塊掉進(jìn)鐵水熔池，爐子受到干擾時(shí)才有可能。

　　7風(fēng)口關(guān)閉

　　為使?fàn)t子保持較低生產(chǎn)率，軸承鋼管廠有些風(fēng)口被關(guān)閉，以維持要求的氧流量。據(jù)觀測(cè)，在一個(gè)風(fēng)口關(guān)閉時(shí)，該風(fēng)口標(biāo)高處溫度低，氣流阻力高。這樣就使風(fēng)口關(guān)閉區(qū)變成不活動(dòng)區(qū)，增大了被關(guān)風(fēng)口附近發(fā)生燒損的可能性，而且附近風(fēng)口區(qū)這種燒損的發(fā)生具有不對(duì)稱性。例如，1個(gè)被關(guān)閉的風(fēng)口，兩邊各有1個(gè)及兩個(gè)風(fēng)口發(fā)生燒損，或者兩個(gè)緊接著的風(fēng)口關(guān)閉，其附近的１個(gè)及較遠(yuǎn)的一個(gè)風(fēng)口發(fā)生燒損。另外，位于出鐵場(chǎng)區(qū)風(fēng)口容易發(fā)生燒損。出鐵區(qū)是更不穩(wěn)定區(qū)，出鐵場(chǎng)區(qū)附近風(fēng)口關(guān)閉增大了旁邊仍在運(yùn)行的風(fēng)口燒損的機(jī)會(huì)。

　　8燒損風(fēng)口分析

　　軸承鋼管廠為了分析風(fēng)口故障機(jī)理，從Corex生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)收集了燒壞的風(fēng)口。一般情況下，氧氣噴嘴是內(nèi)腔先為平直，而后變?yōu)闈u縮，最后又恢復(fù)平直的一種噴嘴。將燒壞的風(fēng)口從其中心線縱向切開(kāi)后發(fā)現(xiàn)氧氣噴嘴已腐蝕。風(fēng)口試樣都是從受燒壞風(fēng)口影響最嚴(yán)重的區(qū)域收集來(lái)的。腐蝕處含有可以分別取出的純銅物質(zhì)及粘著物質(zhì)，粘著物的化學(xué)成分。

　　9電子彌散X射線分析

　　對(duì)既有銅又有粘附物的試樣，沿其橫斷面縱向進(jìn)行了電子彌散X射線分析。為進(jìn)行更細(xì)致的觀測(cè)，在從頭到尾的不同斷面部位上分析了鐵及銅的百分率，發(fā)現(xiàn)鐵從粘著物擴(kuò)散到銅噴嘴中深達(dá)2.5mm，從噴嘴末尾到頭頂，鐵百分率逐漸下降，而銅百分率升高。粘著物中的其它元素未擴(kuò)散到銅中。

　　10故障機(jī)理的討論

　　幾乎90%的風(fēng)口故障是由氧流噴嘴末端腐蝕造成的。對(duì)燒嘴的故障分析表明，氧氣噴嘴的腐蝕及濁雜物的粘著都發(fā)生在噴嘴內(nèi)部。粘著物的成分是鐵水、熔渣及含碳料層材料。在粘著物所含的各類元素中，只有鐵擴(kuò)散到銅里。溫度梯度可以加快擴(kuò)散速度。鐵擴(kuò)散到銅噴嘴內(nèi)表面以下深度2.5mm，這降低了熱傳導(dǎo)，進(jìn)而引起風(fēng)口溫度升高。隨著時(shí)間及鐵擴(kuò)散，溫度升高得更多，最后風(fēng)口的一部分變軟被高速氧流沖走。于是氧流噴嘴出現(xiàn)腐蝕后風(fēng)口被燒損。

　　爐況不穩(wěn)定造成物質(zhì)附著于銅噴嘴上。對(duì)操作參數(shù)的分析表明，爐子運(yùn)行當(dāng)中細(xì)煤粉量增多，煤粉平均粒度變小及渣量增加。粉量大降低了含碳料層的透氣性，增加了發(fā)生氣溝、掛料及塌料的機(jī)會(huì)，破壞了爐子穩(wěn)定。隨著循環(huán)區(qū)附近氣流阻力升高，氣體有了向風(fēng)口頂處循環(huán)的機(jī)會(huì)。這樣，氣體就有將熔渣或鐵水或含碳料層顆粒物帶入風(fēng)口頂端的機(jī)會(huì)。被攜帶的顆粒物質(zhì)粘附于銅嘴頂端，進(jìn)而引起腐蝕。一旦銅嘴前端發(fā)生腐蝕，嘴口就會(huì)擴(kuò)大，向外擴(kuò)散，使噴嘴嘴壁出現(xiàn)低壓區(qū)，使反向沖擊力有可能大增。這樣一來(lái)，熔渣、鐵水或含碳料層物質(zhì)貼附于銅噴嘴的可能性自然會(huì)大增。

　　11結(jié)語(yǔ)

　　風(fēng)口故障有不同類型：風(fēng)口前端受金屬反沖擊燒穿，氧流噴嘴前端腐蝕及前端堵塞。

　　風(fēng)口故障原因各不相同，可能的原因有：

　　.煤性能不佳；

　　.反壓力下降；

　　.爐內(nèi)結(jié)疤及塌料；

　　.風(fēng)口堵塞。

　　從操作角度來(lái)看，煤粉細(xì)及含碳料層透氣性差是風(fēng)口故障重要原因。由于透氣性差導(dǎo)致氣流阻力大，增加了出現(xiàn)氣溝、崩料、塌料的機(jī)遇。這些不良現(xiàn)象會(huì)破壞爐子穩(wěn)定。

　　風(fēng)口前面氧氣壓力需大于6bar，才能防止反向沖擊。

　　出鐵場(chǎng)區(qū)附近風(fēng)口堵塞增加了噴吹作業(yè)風(fēng)口鄰近風(fēng)口燒損。

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