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高炉炉缸为何被烧穿?如何应对?

2017年10月10日 14:49 耐火材料网 xxb/文

     近十几年来,高炉炉缸被烧穿事故较多,从高冶炼强度的小高炉到较低冶炼强度的大高炉,都有炉缸被烧穿的事例。即使高炉炉缸没有被烧穿,也普遍存在炉缸温度过高、炉缸寿命偏短的现象。往往高炉开炉才几个月或开炉3年左右,就出现炉缸被烧穿现象。一座3000m3级高炉炉缸被烧穿,直接损失费用约5000万元,还可能造成人身伤亡。因此,炉缸被烧穿是重大的事故。要真正防止炉缸被烧穿,须要全面、认真、实事求是地总结经验和教训。

炉缸被烧穿原因错综复杂

    针对强化冶炼的高炉,炉缸被烧穿的原因归纳起来有以下几点:

第一大原因是受碳砖性能影响

目前常用的碳砖(包括微孔与超微孔)有几个致命缺点:一是抗铁水熔蚀性差,抗铁水熔蚀指数为15%~30%,远小于8%的理想指标。二是抗水蒸气氧化能力差,碳砖氧化后表面呈蜂窝状,严重降低了其导热性能,使得碳砖得不到冷却,加速了铁水对碳砖的熔蚀。三是抗锌能力差,抗锌试验后碳砖的强度几乎为零。四是强度低,抗热应力较差。

第二大原因是受施工因素影响

    碳砖多采用树脂胶泥,常温下短时间不能凝固,如果施工速度太快,砖堆自重就容易挤压下部泥浆,造成泥浆流失或不饱满,因此,要控制好砌砖速度,严格控制碳砖砖缝。同时,由于泥浆常温下没有强度,在砌筑完炉壳灌浆时,灌浆压力高就容易冲刷泥浆。由于现在的施工工期比十多年前压缩很多,对炉缸炉底砌砖的质量控制不如过去严格,这应当引起注意。有的高炉被烧穿部位的碳砖砖缝有3mm~7mm的整块渗铁。

第三大原因是受开炉前的因素影响

    寒冷地区在冬季施工时,有的高炉炉顶无料钟齿轮箱冷却水泵停运,造成齿轮箱水槽中的水结冰,水泵恢复运行时,回水就会溢出水槽进入炉缸。有的高炉因为炉顶无料钟齿轮箱冷却回水槽中的水位计失灵,进水量过大时回水,从回水槽中溢出进入炉缸。有的冷却壁安装前没有试压检漏,在碳砖砌筑完后通水才发现冷却壁漏水。由于冷却水进入炉缸没有及时排净和进一步慢速烘炉,碳砖在潮湿状态下工作,使得碳砖和胶泥被快速侵蚀。业内对高炉烘炉的重要性认识不足,高炉烘炉时间普遍压缩了近一半的时间,使泥浆的强度不足,加上普遍的高压压浆对碳砖砌体泥浆造成损害,使泥浆成了薄弱环节。

第四大原因是受生产因素影响

    过去,高炉开炉后有1个月~6个月的慢速达产期,而近十多年来,高炉开炉后一周左右就快速达产,碳砖及泥浆在炉内的进一步焙烧时间大大缩短,碳砖与冷却壁之间的炭素捣打料或泥浆还没有干燥,其导热性能还较低,碳砖就要靠牺牲自身材料来工作,这对碳砖砌体是非常不利的。

第五大原因是受设计因素影响

    铁口局部设计不合理,铁口区厚度不足或者伸入过长,容易引起铁口局部过快侵蚀。冷却壁设计不合理,水管布置太稀疏,水管直径小,冷却水量不足,不能有效传递热量。炉缸侧壁碳砖温度计插入太深,炉底碳砖温度计在陶瓷垫砖下方,一旦侵蚀到温度计位置后,铁水从温度计管流出,引起炉缸被烧穿。陶瓷杯结构形式和材料设计不合理,容易造成因陶瓷杯的膨胀过大而引起碳砖砌体的破坏,甚至使风口大套中套上顶,拉裂炉底板。

 

多措并举防止炉缸被烧穿

    要延长高炉炉缸寿命,防止炉缸短期被烧穿,就应当针对上述问题采取有效措施。

第一,提高碳砖质量是重中之重

    欲提高碳砖质量,一是要提高碳砖的抗水蒸气氧化能力,碳砖与冷却壁之间的填料(炭素捣打料或泥浆)也要有良好的抗水蒸气氧化能力和150℃左右时≥10W/(m·k)的导热能力。二是要提高碳砖抗铁水熔蚀能力,抗铁水熔蚀指数要<10%。三是要提高碳砖的导热能力,在800℃下导热率要≥12W/(m·k)。四是要提高碳砖的抗热应力能力。五是要提高碳砖的抗锌能力。

    碳复合砖是一种更加适合高冶炼强度的高炉炉缸炉底安全生产的材料,抗铁、抗氧化、抗锌、抗热应力等关键指标更适应高炉实际工况。其特点如下:

    微孔化率高。平均孔径<0.5μm,<1μm孔容积>70%,透气度趋近于零,可以有效防止渣铁的渗透侵入损坏。

    导热性好。导热系数达13W/(m·K)以上,与国外知名碳砖相当,但却不是随温度升高导热性提高,而是相反,正好满足了炉缸冷却传热的要求。在100℃的环境中,碳复合砖的导热系数为17W/(m·K),RB微孔碳砖只有8.6W/(m·K),MG热压小碳砖只有6.8W/(m·K)。

    抗铁熔蚀性优越。碳复合砖具有与陶瓷杯同样好的抗铁熔蚀性,抗铁熔蚀性能<1%,比国外知名碳砖提高了50倍~90倍,克服了碳砖抗铁熔蚀性差(>20%)的缺点,可以延长使用年限,让人们有更长的时间来发现炉缸局部被侵蚀的情况,防止无征兆烧穿事故的发生。

    抗氧化性优越。氧化率为<1%,远优于MG小碳砖的18%,并且在氧化后表面无蜂窝,很光洁,也有很高的强度。碳复合砖抗氧化性能比国外知名碳砖提高了3倍~20倍,可以有效防止因冷却设备漏水引起砖衬氧化而冷却失效造成的炉缸被烧穿的严重事故。

    抗热应力强度高。抗热应力强度达10.5MPa左右,与高炉炉缸底部边角实际热应力大于10MPa的工况相适应,可以大大延缓象脚侵蚀的进展,以免开炉2年左右就得开始持续的钛矿护炉,而钛矿护炉会带来高炉操作困难和炼铁成本增加。

   抗碱性优越。碳复合砖抗碱后体积膨胀<3%,并且强度增加,与国外知名碳砖的抗碱性能相当,并且优于一般的刚玉莫来石系列陶瓷杯(其抗碱后体积膨胀15%~30%,强度下降严重)。

    抗锌侵蚀能力强。碳复合砖抗锌侵蚀后的强度下降约26%,但还有55MPa的强度,而微孔碳砖抗锌侵蚀后的强度几乎为零。

    抗渣性好。抗渣性能<3%,虽不及碳砖,但好于碳砖的抗铁指标,比一般的刚玉莫来石系列陶瓷杯高10倍以上,也好于微孔刚玉砖(6%~8%)。

    强度高。碳复合砖的耐压强度达到75MPa以上,知名碳砖只有30MPa~45MPa。这可以有效抵抗象脚部位强大的热应力损坏。

    膨胀系数低。碳复合砖可以无需设置膨胀缝,与碳砖相互组合。碳复合砖膨胀系数约为(4.1~4.5)× 10-6(1/℃),碳砖为(2.5~3.5)×10-6(1/℃),刚玉莫来石系列砖为(6~8)×10-6(1/℃)。

用磷酸盐结合泥浆,常温下有一定的强度,可以防止泥浆挤压流失和灌浆冲损。

第二,提高铁口局部设计质量不可忽视

    铁口砖衬厚度(铁口前段泥套后的铁口中心线斜长)设计时应当控制在炉缸直径的22.5%左右,凸出炉内侧铁口砖的宽度宜在夹角45°逐渐过渡,在铁口中心线以上的高度也要随高炉容积增加而增加。铁口砖衬厚度过小,容易造成铁口局部侵蚀过快,炮泥消耗量加大。铁口砖衬凸出内型线长度不宜超过800mm,过分凸出也容易造成铁口两边转折处的碳砖侵蚀加剧。铁口局部以外的铁口中心线位置(非铁口区)砖衬厚度不能过薄。

    设计时要控制死铁层深度,死铁层深度一般应当控制在炉缸直径的17%~20%。

    另外,炉缸侧壁碳砖温度计插入深度不要超过200mm,炉底温度计不要设在陶瓷垫下方,要设在陶瓷垫下方一层或两层碳砖的底部。容易侵蚀的部位插入较深的温度计不能采用套管,应当采用铠装热电偶直接埋设。

    在冷却壁设计上,冷却壁内水管外表面的面积与冷却壁面积之比达到0.9以上,水速≥1.6m/s。炉缸冷却壁的设计热负荷也要适应高产的需要,风口至铁口上方的冷却壁设计热负荷为10000kcal/(m2·h),铁口及死铁层区的冷却壁设计热负荷为15000kcal/(m2·h),底部冷却壁设计热负荷为6000kcal/(m2·h)。炉缸最好采用横型冷却壁,便于对每段冷却壁的冷却情况进行检测。炉缸区域不适宜采用焊接进出水管的铜冷却壁,如果要采用这种形式的铜冷却壁,则必须对焊接后的水管进行拔出试验,以确保焊接工艺和质量的可靠性。铸造铜冷却壁没有焊接水管,用于炉缸区域将更安全。

    适当增加容易产生象脚侵蚀的碳砖的温度检测点,铁口下方区域每点温度计的检测范围为1.6m2~2m2,其余非铁口区域部位每点温度计的检测范围为2.5m2~3m2。

    陶瓷杯的结构设计要防止陶瓷杯材料的膨胀对碳砖和风口大中套的不利影响,纵向与径向上的膨胀缝设计要合理。陶瓷垫材料要有高的微孔性和抗铁水性,陶瓷杯壁材料要有高的抗渣和抗铁水性,常规的复合棕刚玉不适合用作陶瓷杯壁材料。

第三,施工质量决不能打折扣

    炉缸炉底的碳砖施工周期要合理,现场施工质量检查监督要严格,做到砖缝小、泥浆饱满、砌筑后砖体下部泥浆不流损。尽量避开冬季在低于5℃的天气下施工。

    碳砖与冷却壁之间的填料要捣实,要在现场做捣实试验,取样检查捣实后的填料体积密度,必须满足要求。填料的体积密度与导热率密切相关,一般炭素捣料体积密度<1.6g/cm3时导热率急剧下降。

    建议碳砖用树脂泥浆砌筑的高炉不要在开炉前进行压力灌浆,在开炉后,当碳砖冷面温度到达100℃左右时再进行压力灌浆。过去,炉缸压力灌浆是在炉缸生产维护中使用,不是在建设时使用。在建设中,冷却壁与炉壳的间隙是用黏土火泥加上水泥稀泥浆,在冷却壁安装时从上部灌注进去的。这样就避免了从炉壳外面高压灌浆带来的不利影响,因此,最好沿用过去的施工方法。

第四,充分做好开炉前的工作

    高炉炉缸内进水,主要有两个进水源。一是无料钟齿轮箱回水槽内水溢出,二是炉顶打水控制失误。开炉前,要做好定时定员检查确认。一旦炉缸进水,要及时排尽,并追加烘炉时间。在设计上,炉顶打水进水阀设置炉顶打水阀开启的声响报警装置,对炉顶齿轮箱回水槽溢水也设置声响报警装置。

    高炉的烘炉时间要有保障,中小高炉应为15天左右,大高炉应为20天左右。现在高炉烘炉时间都很短,中小高炉只有7天左右,大高炉也只有10天左右。烘炉的目的一方面是排出水分,另一方面是让泥浆有较高的强度,以提高投产后泥浆抗渣铁侵蚀的能力。

    烘炉时要减少冷却壁水量,或充入一定量的蒸汽,使炉缸冷却壁出水温度在50℃以上。烘炉时,压浆短管上的冒口要尽量打开,以利于水蒸气排出,待开炉时再拧紧其冒口。

第五,必须考虑适当延长高炉达产时间

    小高炉炉缸炉底砖衬厚度较小,达产时间宜控制在15天以上。大高炉炉缸炉底砖衬厚度较大,达产时间宜控制在30天以上。快速达产使得炉缸炉底耐材失去了"自适应"或者"磨合期"阶段,对砌体是严重的伤害,最终的结果是提前几周的达产换来5年以上的高炉寿命损失。因此,快速达产是得不偿失的。

第六,应充分考虑合理压浆

    生产维护中,炉缸压力灌浆的材质,应当选择碳质无水压入泥浆,不应采用高铝或黏土质压入泥浆,以防止在冷却壁热面形成一层隔热材料。

    压浆的压力必须控制适当,在炉壳上的压浆短管上的压力一般不宜超过1.5MPa(压浆机出口压力控制在2.0MPa以下)。有的高炉在炉缸侧壁温度过高、内衬很薄的情况下,采用4MPa~10MPa的压力灌浆,造成内衬破损而被迫停炉大修。(来源:中国冶金报社,作者:伍积明)【中国耐火材料网

 

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