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堵风口降低炉缸侧壁温度技术措施的机理质疑与探讨
来源:  发布日期:2023/7/24  点击次数:1369


 

 :高炉炉缸下部特变是象脚区侧壁温度过高时,普遍采取封堵高温点上部数个风口的处理措施。堵风口后下部高温点的温度会明显下降。现有理论对这一过程机理阐释为:堵风口以后,冶炼强度降低,铁水环流减轻,因此侧壁温度降低。但是这种解释显然与实质不符。在此提出对这一最常规技术措施机理的质疑,并从另一种角度来解释这一现象,进而引申到铁水环流、冶炼强度对于炉缸炭砖侵蚀影响的质疑,供大家交流探讨。

关键词:侧壁温度升高  堵风口  冶炼强度  铁水环流  风口燃烧辐射  烟气对流传热

 

1. 对现有理论阐释的质疑

当高炉炉缸侧壁(特别是炉缸下部象脚区侧壁)温度严重升高时,高炉操作人员往往都会选择封堵温度升高部位上方对应数个风口的技术措施,一般都能够实现快速降低侧壁温度的效果。

这是一项司空见惯的常规措施,现有理论对这一过程的机理阐释为:堵风口以后,冶炼强度降低,铁水环流减轻,因此侧壁温度降低。

这一观念在炼铁届根深蒂固,成为共识,几乎从未听到过质疑的声音。

侧壁温度升高,如果封堵对面相同数量的风口,能否实现降低高温点的侧壁温度呢?答案显然是否定的!高温点的侧壁温度不但不会降低,反而继续升高!(见窦力威先生《高炉炉缸圆周工作状态对侧壁炭砖寿命的影响》

同样是堵相同数量的风口,同样降低了冶炼强度,同样降低了铁水环流,高温点的侧壁温度为什么不降低,甚至继续升高!

显然,从冶炼强度高低、铁水环流强弱的角度解释这一现象的形成机理是不符合实际的!

由此可以得出如下推论:影响象脚区侧壁温度的主要因素不是铁水环流;象脚侵蚀的主要因素也不是铁水环流和铁水熔蚀;高冶强造成炉缸寿命缩短,但不是因为出铁量增加、铁水环流加剧造成的,而是通过其他桥梁因素实现的。

 

2. 堵风口降低侧壁温度的机理探讨

高炉炉缸侧壁温度升高后,堵高温点上部风口能够快速降低侧壁温度,但堵其他部位相同数量的风口无法降低高温点的温度。两种情况的区别在于高温点上部风口燃烧情况存在巨大差异,从风口燃烧状况方面入手,也许可以解释高温点降温过程的机理。

2.1  堵风口大幅度降低了该区域的热辐射

风口正常送风燃烧时,剧烈燃烧区域的温度显著高于周围温度,从而对周围区域形成辐射传热,风口下部炉缸侧壁耐火材料也会受到强烈的辐射传热。

辐射传热受温差、间距、辐射角度等因素的影响。正上方的风口燃烧对其下部炉缸侧壁的辐射传热最强烈,两侧风口的辐射传热受到间距、辐射角度的影响显著降低。

炉缸侧壁温度升高时,往往采取封堵正上部若干个风口的处理措施。这就消除了正上方风口的辐射传热,两侧风口燃烧的辐射传热量比较小,因此相当于大幅削减了该部位炉缸侧壁接受的辐射传热。因此侧壁温度应该降低。

 

2.2  堵风口降低了该区域的对流传热和传导传热

堵风口以后,该区域的燃烧几乎停止,但上部落下的焦炭仍然源源不断,因此该区域的焦炭不断积累,渣铁液面以上焦炭厚度不断增加,直到达到一种平衡状态,焦炭厚度达到最大值。

焦炭厚度增加,一定程度遮挡了炉缸侧壁,大幅降低热烟气对该区域炉缸侧壁的冲刷和对流传热。

焦炭厚度增加,相当于增加了热阻,炉缸侧壁接收的热烟气的传导传热量也降低了。

焦炭厚度增加遮挡炉缸侧壁,也同时削弱了两侧风口的辐射传热。

 

 

2.3  堵风口降低其下部炉缸侧壁温度是传热量显著减少的结果

基于上述分析可以看出,堵风口以后,其下部炉缸侧壁接收的辐射热大幅降低,接收的热烟气的对流传热和传导传热也相应减少。在冷却强度、炉内铁水传热等因素相对稳定的情况下,炉缸下部侧壁温度降低是一种合理的结果。

 

2.4  堵风口造成对面侧壁温度升高的机理

堵风口治理炉缸侧壁温度升高时,冶炼强度降低,单位时间内加入的焦炭及喷煤量相应减少。

堵风口后,对应的风口喷煤中止,但是该部位仍然有焦炭从上部落下。由于该部位燃烧中止,这些焦炭就不断富集、不断积累。

入炉焦炭量对应于高炉供风量,被堵风口区域焦炭过剩富集,其他风口区域的焦炭就相应有所欠缺。根据炉缸圆周工作均匀性,对面风口焦炭欠缺量最为明显。在这种工作条件下,高炉运行一段时间后,渣铁液面上部焦炭积累厚度出现明显偏差:被堵风口区域焦层加厚,对面风口区域焦层明显减薄。

根据以上燃烧、传热分析,焦层减薄以后,该区域炉缸侧壁承受的辐射传热量、烟气对流传热量、传导传热量将增加。因此该区域炉缸侧壁温度将有所升高。

 

3 引申思考

堵风口降低炉缸侧壁温度是炼铁届长期以来采取的常规技术措施,效果明显,司空见惯。探究其形成机理貌似没有多大意义。但是通过重新探索这一技术常识的背后机理,对于我们认识冶炼强度及铁水环流对象脚侵蚀的影响、客观认识铁水环流理论的正确与否,具有重要意义。

 

3.1  业界过分夸大了铁水环流对于象脚侵蚀的影响

业界把铁水环流、铁水熔蚀作为象脚侵蚀的重要因素,甚至是主要因素。认为炭砖侵蚀的本质是铁水熔蚀。认为铁水环流造成凝铁层频繁破坏,进而冲刷炭砖、熔蚀炭砖。但有证据表明,许多炭砖的侵蚀过程中根本没有发生与铁水接触的情况,炭砖侵蚀是在有保护层的情况下被侵蚀的,侵蚀因素不是铁水。

长期以来,业界一直过分夸大了铁水环流、铁水熔蚀在象脚侵蚀形成中的作用。

虽然无法直观观察象脚区铁水环流的破坏能力,但我们可以从铁水在沙沟的流动情况得到一些启示。原先出铁前,在铁沟中铺上沙子并整理成沙沟。出铁时流动的铁水在沙沟中形成近似半圆形的管状铁壳,铁水在中间部分快速流动。由于流量波动的影响,上表面的铁壳会出现反复熔化、凝固的情况,但与沙子接触的下部铁壳极少被破坏。

对比沙沟出铁与象脚区炭砖的工况条件:沙子是疏松的,没有强度(抗压、抗剪能力极低),没有强化冷却,导热系数极低,铁水温度相差无几,铁水流速是象脚区的百倍以上。这种条件下接触沙子的凝铁壳能够稳定存在不被快速流动的铁水破坏,工况条件非常好的象脚区凝铁层为什么就被近乎静止的铁水冲刷破坏了?象脚区铁水流动的剪应力近乎为零(计算结果显示,还没有我们鼻孔出气的剪应力大),却极力夸大它的破坏力!

 

3.2  业界应该努力走出铁水环流理论的误区,补齐侵蚀理论的短板

铁水环流理论根深蒂固,影响深远且广泛,长期误导炼铁届。象脚侵蚀的治理始终没有实质性改善,就是因为侵蚀理论与实际不符,在此理论指导下的治理措施无异于隔靴搔痒。

如果一直受困于铁水环流理论,炉缸长寿只能寄希望于耐火材料性能的突破。

只要采用炭砖耐材,受困于目前的侵蚀理论,炉缸象脚侵蚀就无法避免,将一直困扰炼铁届。

铁水环流理论建立在错误的假设条件之上,把死料柱设想成正圆锥形,并且死料柱下沉到象脚区,这违背基本的浮力学原理。这种假设的计算结果是象脚区铁水环流速度比其它区域更大。

铁水比焦炭的密度大得多,即使死料柱是一个稳固的整体,在浮力的作用下,正圆锥形的死料柱在铁水中必然翻转。

死料柱主要是由焦炭组成的,焦炭颗粒之间没有结合力,在浮力的作用下,正圆锥形死料柱下部边缘部分的焦炭必然分散上浮,改变死料柱形状,形成上部大、下部小的倒圆锥形或者锅底形。这样象脚区的环流通道就大幅加宽了,计算的铁水环流速度应该是象脚区比其它区域更小。

死料柱的下沉深度很难到达象脚区。如果死料柱长期下沉到铁口以下,出铁时应该频繁出现卡焦、喷焦的情况。

如果死料柱本来就没有下沉到象脚区,那么象脚区就不存在环流。

我曾反复做一些简单的模拟试验,结果如下:

密度较小的固体颗粒,始终无法在密度较大的液态中形成正圆锥形的组团;

即使在容器中放置类似死料柱,从容器标高的中间部位出液,容器底部的液体根本没有出现肉眼可见的环流。

象脚区可能根本不存在铁水环流;象脚区即使有轻微的环流,对于凝铁保护层也不会有实质性的破坏能力;象脚区即使有轻微的环流,象脚区的环流速度比炉缸中部标高段的环流速度应该更小,象脚区的炭砖侵蚀速度应该更慢。

铁水环流理论存在明显缺陷,矛盾重重。

炼铁届应该走出铁水环流理论的死胡同,重新认识、探究象脚侵蚀的成因和治理措施。补齐侵蚀理论的短板,实现炉缸长寿的目的。

 

 

3.3  探究高冶强造成炉缸短寿的技术机理有助于找到既提高冶强又不影响炉缸寿命的技术途径

 

高冶强造成炉缸短寿是不争的事实,但形成机理仍然局限于铁水环流理论。认为冶强高,出铁量大,环流加剧,侵蚀加速,寿命缩短。

铁水环流理论的科学性非常值得怀疑,用这一理论很难正确解释高冶强造成炉缸短寿问题。

象脚区可能根本不存在铁水环流,冶强增加应该只影响炉缸中部铁口标高段。高冶强应该是通过其他桥梁媒介作用于象脚区从而造成象脚区侵蚀加速。

我提出以下看法,供大家交流:

①  冶强提高,鼓风压力提高,高炉运行压力提高,串煤气量增加,由此产生的隐形水产量大幅增加。这部分水分沉积到炉缸下部环炭冷面,固定侵蚀象脚区炭砖,造成象脚侵蚀加速;

②  冶强提高,高温燃烧区范围加大外移,炉缸侧壁承受的辐射加剧,侧壁温度提升一定幅度。侧壁温度提升使得隐形水与炭砖的反应速度加快;初始反应位置向环炭冷面移动,反应范围加大。

以上两个因素中,隐形水产量大幅增加是主要因素。

基于隐形水侵蚀的技术观点,很容易找到既提高冶强又不影响炉缸寿命的技术途径。

不要把高冶强造成炉缸短寿看成是一种必然结果。

 

3.4  突破现有侵蚀理论的束缚,有利于高炉节能降本

    

在现有侵蚀理论的指导下,为了实现炉缸长寿,就需要采购昂贵的“优质”耐火材料,极力提高冷却强度,苛求原燃料“质量”,约束冶炼强度,频繁钛矿护炉。这些措施大幅抬升了高炉的建造成本和炼铁成本,而且对炉缸长寿的作用非常有限。

突破现有侵蚀理论的束缚,我们可能发现如下情况:

国产普通炭砖也能实现炉缸长寿,目前要求的“优质”耐火材料纯属浪费;

目前要求的冷却强度极度富裕,加大了高炉能耗;

为了提高死料柱的透液性,减轻环流而对焦炭质量提出的苛刻要求是多余的;

为了减轻有害元素侵蚀炉缸而对炼铁原料提出的严格质量要求是不必要的;

高冶强并不影响炉缸长寿;

钛矿护炉不但不必要,而且更容易造成无征兆烧穿。

 

跳出现有束缚,探究侵蚀机理,接受新的理念,采取新的措施,可以大幅降低高炉的建造成本和生产成本。

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