軸承鋼管廠Corex煉鐵過程風口故障分析

　　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。風口區溫度比高爐風口區溫度高很多，因而風口的承受能力是一大難題。印度JSW鋼廠停爐故障中近15%是由于更換燒損風口造成的。為了弄清故障機理及找出主要原理，對風口故障及影響風口燒損的生產過程參數進行了詳細分析。雖然造成風口故障的原因很多，但主要是細煤粉（-6.3mm）過多、平均粉粒尺寸過小、壓力低、風口堵塞產生痂疤及崩料等。

　　2風口故障類型

　　軸承鋼管廠在Corex煉鐵過程中發生的風口故障有不同類型。一種是因風口底部受到鐵水沖擊造成的燒穿。風口頂部是溫度最高的區域，此區域液態熔融產物流動可能極為迅速。當煤質不夠堅硬產生大量煤粉時，流動阻力會變大，熔融產物流動變緩，會聚積在風口底部。在這種情況下，熔渣及鐵液都會升高，到達風口平面。另外兩種風口故障是由氧流噴嘴前端腐蝕及堵塞引起的。據觀測超過90%的風口故障是由此噴嘴前端腐蝕引起的。風口材質是99.96%高純銅材，原噴嘴口徑為24mm，而腐蝕后擴大到84mm。

　　3問題說明

　　兩套Corex裝置從投產開始就都頻頻出現風口燒穿故障。Corex-I及Corex-II大修后，月風口燒穿率最高分別達到19次及16次。觀察結果表明，風口壽命從46天到360天不等，平均為100天。另據觀測發現，故障出現頻率與爐子部位有關。出鐵口區是受影響最重的地方。

　　4煤性能對風口故障的影響

　　根據工藝參數統計分析進行觀測表明，風口故障主要原因之一是煤質量差，主要是細煤粉多（-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，而細煤粉量可高達26%。不同煤粉平均粒度對風口燒損率的影響不同。據觀測，隨著細煤粉的增多及煤粉平均粒度的下降，風口的燒損次數逐漸增多。而細煤粉比率的影響遠大于煤粉平均粒度。細煤粉比率高的及平均粒度小的煤會降低含碳料層的透氣性，造成氣流分布不均，形成氣溝。這樣就會因熱傳導不足及氣流不均勻而進一步導致風口區附近局部溫度偏高。當煤粉平均粒度小時，可以觀測到出現更多的壓力峰值，使爐子難以保持穩定。

　　5有可能是反壓力失控

　　風口可能因熔融金屬及熔融爐渣的反向沖擊發生損壞。研究證實，內腔呈直斜狀的風口可以保證速度與音速的最佳比值，即最大馬赫數為1。

　　當馬赫數為1時，在P/P0=0.5283的條件下不會出現反向沖擊。其中P代表內壓力，P0代表氧氣的排出壓力。

　　在Corex反應過程中，排出壓力P0=6.6bar（取設備運行壓力=3.6bar）。按公差值為10%考慮，風口前面氧氣壓力應大于6bar，才可防止上述反向沖擊。但在實際操作中，由于氧氣廠壓力達不到供氣壓力及供氧系統發生故障，氧氣壓力常有波動。顯然，無論是氧壓低于下限，還是波動很大，只要這類現象持續較長時間，風口都會發生故障。對10個風口這類故障（發生于2008年2月23日）進行了研究。結果發現，爐子開始運行時風口氧氣入口壓力為5.9bar～6.1bar，之后降至4.9bar，而在1h后，10個風口被燒穿。經對工藝參數分析發現，在此次事故中除氧氣入口壓力有上述改變外，其它各項運行參數皆在正常范圍內。

　　6形成痂塊及掛料

　　造成風口故障的一種可能原因是熔融氣化爐內懸料及塌料。軸承鋼管廠采用高堿度爐料可能導致熔融氣化爐圓頂及凈空區形成痂塊及渣殼。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。這種現象會成為爐內發生較大擾動的根源，很可能造成風口故障。對1次這類風口故障作了實驗，實驗中發現，在出現上述現象后，FeO渣高達2.5%（正常比率為0.3%）。而這種現象的出現只有在渣殼或痂塊掉進鐵水熔池，爐子受到干擾時才有可能。

　　7風口關閉

　　為使爐子保持較低生產率，軸承鋼管廠有些風口被關閉，以維持要求的氧流量。據觀測，在一個風口關閉時，該風口標高處溫度低，氣流阻力高。這樣就使風口關閉區變成不活動區，增大了被關風口附近發生燒損的可能性，而且附近風口區這種燒損的發生具有不對稱性。例如，1個被關閉的風口，兩邊各有1個及兩個風口發生燒損，或者兩個緊接著的風口關閉，其附近的１個及較遠的一個風口發生燒損。另外，位于出鐵場區風口容易發生燒損。出鐵區是更不穩定區，出鐵場區附近風口關閉增大了旁邊仍在運行的風口燒損的機會。

　　8燒損風口分析

　　軸承鋼管廠為了分析風口故障機理，從Corex生產現場收集了燒壞的風口。一般情況下，氧氣噴嘴是內腔先為平直，而后變為漸縮，最后又恢復平直的一種噴嘴。將燒壞的風口從其中心線縱向切開后發現氧氣噴嘴已腐蝕。風口試樣都是從受燒壞風口影響最嚴重的區域收集來的。腐蝕處含有可以分別取出的純銅物質及粘著物質，粘著物的化學成分。

　　9電子彌散X射線分析

　　對既有銅又有粘附物的試樣，沿其橫斷面縱向進行了電子彌散X射線分析。為進行更細致的觀測，在從頭到尾的不同斷面部位上分析了鐵及銅的百分率，發現鐵從粘著物擴散到銅噴嘴中深達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散到銅中。

　　10故障機理的討論

　　幾乎90%的風口故障是由氧流噴嘴末端腐蝕造成的。對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生在噴嘴內部。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，只有鐵擴散到銅里。溫度梯度可以加快擴散速度。鐵擴散到銅噴嘴內表面以下深度2.5mm，這降低了熱傳導，進而引起風口溫度升高。隨著時間及鐵擴散，溫度升高得更多，最后風口的一部分變軟被高速氧流沖走。于是氧流噴嘴出現腐蝕后風口被燒損。

　　爐況不穩定造成物質附著于銅噴嘴上。對操作參數的分析表明，爐子運行當中細煤粉量增多，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，增加了發生氣溝、掛料及塌料的機會，破壞了爐子穩定。隨著循環區附近氣流阻力升高，氣體有了向風口頂處循環的機會。這樣，氣體就有將熔渣或鐵水或含碳料層顆粒物帶入風口頂端的機會。被攜帶的顆粒物質粘附于銅嘴頂端，進而引起腐蝕。一旦銅嘴前端發生腐蝕，嘴口就會擴大，向外擴散，使噴嘴嘴壁出現低壓區，使反向沖擊力有可能大增。這樣一來，熔渣、鐵水或含碳料層物質貼附于銅噴嘴的可能性自然會大增。

　　11結語

　　風口故障有不同類型：風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；

　　.爐內結疤及塌料；

　　.風口堵塞。

　　從操作角度來看，煤粉細及含碳料層透氣性差是風口故障重要原因。由于透氣性差導致氣流阻力大，增加了出現氣溝、崩料、塌料的機遇。這些不良現象會破壞爐子穩定。

　　風口前面氧氣壓力需大于6bar，才能防止反向沖擊。

　　出鐵場區附近風口堵塞增加了噴吹作業風口鄰近風口燒損。

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