完成人
張建良、董漢東、杜 屏、焦克新、王紅斌、鄒忠平、徐 萌、肖志新、雷 鳴、劉征建、聶榮恩、陳令坤、王 凱、賈國利、趙永安
完成單位
北京科技大學(xué)、武漢鋼鐵有限公司、江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司、首鋼集團(tuán)有限公司、山西太鋼不銹鋼股份有限公司、首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司、中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司、北京首鋼股份有限公司、天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司、鞏義市第五耐火材料有限公司
研究的背景與問題
鋼鐵產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，為我國鋼鐵行業(yè)的快速增長奠定了基礎(chǔ)。進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，我國生鐵從2000年的1.30億噸，增加到2021年的8.68億噸，生鐵產(chǎn)量保持高速增長。盡管非高爐技術(shù)也在不斷發(fā)展和進(jìn)步，但高爐煉鐵仍占世界煉鐵產(chǎn)量的95%以上，其仍是目前最高效、低耗、環(huán)境友好的主導(dǎo)煉鐵設(shè)備。
高爐作為鋼鐵工藝流程中最大的單體設(shè)備，其安全長壽運行對鋼鐵企業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。十九大報告中，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)樹立安全發(fā)展理念，弘揚生命至上、安全第一的思想。鋼鐵產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，在2017年2月，國務(wù)院辦公廳就發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)安全生產(chǎn)“十三五”規(guī)劃的通知》，將金屬冶煉列為重點治理領(lǐng)域。近年來，隨著中國煉鐵技術(shù)的進(jìn)步、鋼鐵行業(yè)供給側(cè)改革的推進(jìn)以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，高爐的大型化、高效化成為我國高爐發(fā)展的趨勢，高爐的安全生產(chǎn)變得尤為重要。
高爐作為一個密閉高溫高壓的“黑匣子”，內(nèi)部發(fā)生著復(fù)雜多變的物理化學(xué)變化，高爐爐缸的侵蝕不可避免。近些年，國內(nèi)多家鋼鐵企業(yè)高爐出現(xiàn)爐缸側(cè)壁溫度異常升高的現(xiàn)象，高爐異常侵蝕造成的安全事故頻發(fā)，尤其是發(fā)生了多起高爐爐缸燒穿事故，使得高爐安全高效生產(chǎn)變得愈發(fā)困難。國外先進(jìn)高爐一代爐役（無中修）壽命可達(dá)15年以上，其中巴西圖巴朗1號高爐運行壽命達(dá)到了28.4年。而我國的高爐長壽水平與主流的高爐長壽目標(biāo)尚有一定差距，一般一代爐役（無中修）壽命低于10年，僅部分高爐實現(xiàn)10~15年的長壽目標(biāo)。表1為國內(nèi)外長壽高爐壽命對比，可以知道國內(nèi)高爐安全長壽運行技術(shù)有待提高。
表1-1 國內(nèi)外長壽高爐壽命及指標(biāo)
特別是，在新形勢條件下，高爐面臨的卡脖子問題是，如何在高有害元素含量、高冶煉強(qiáng)度、高休風(fēng)率、低入爐品位礦條件下實現(xiàn)安全長壽冶煉。高爐爐役中后期爐缸安全維護(hù)導(dǎo)致產(chǎn)量降低、燃料比升高，一旦發(fā)生燒穿等安全事故將造成巨大損失，燒穿現(xiàn)場如圖1所示。高爐安全長壽是集設(shè)計、操作、維護(hù)和監(jiān)測為一體的系統(tǒng)工程，影響因素眾多，且長壽本質(zhì)并未清晰。因此，有必要從基本原理及技術(shù)開發(fā)角度深入研究，以期實現(xiàn)高爐安全長壽。
圖1 高爐爐缸燒穿現(xiàn)場
解決問題的思路與技術(shù)方案
保障高爐安全長壽冶煉主要存在四大技術(shù)難點，即傳統(tǒng)護(hù)爐方法效果不理想，爐缸長壽基礎(chǔ)理論薄弱，爐缸長壽維護(hù)措施經(jīng)驗化以及爐缸保護(hù)層監(jiān)控手段缺失。基于以上難題，近20年來，項目組基于20余座高爐破損調(diào)查及高爐解剖研究，建立了爐缸保護(hù)層理論體系，揭示了爐缸耐火材料熱面石墨碳析出的自保護(hù)機(jī)制，通過“石墨碳析出勢”對爐缸石墨碳護(hù)爐進(jìn)行定量化診斷，并從調(diào)控爐缸活躍狀態(tài)以促進(jìn)鐵水滲碳，和優(yōu)化爐缸傳熱體系以降低耐火材料熱面溫度兩個方面實現(xiàn)高爐爐缸的自修復(fù)，并建立了高爐爐缸保護(hù)層三維可視化監(jiān)控預(yù)警平臺，其技術(shù)路線如圖2所示。
圖2 項目研究技術(shù)路線
主要創(chuàng)新性成果
該項目從基礎(chǔ)理論原始創(chuàng)新、技術(shù)調(diào)控措施、在線監(jiān)控平臺建設(shè)等方面首次提出了一套高爐安全長壽冶煉自修復(fù)技術(shù)，在國內(nèi)多座高爐應(yīng)用后，成功降低并穩(wěn)定爐缸側(cè)壁溫度在安全溫度以下，同時強(qiáng)化冶煉降低燃料消耗，實現(xiàn)高爐安全低碳冶煉。其成果主要創(chuàng)新性如下：
1.高爐爐缸安全長壽自修復(fù)創(chuàng)新理念
通過高爐破損調(diào)查及高爐解剖研究，構(gòu)建了由富鈦層、富石墨碳層、富渣層和富鐵層組成的高爐爐缸保護(hù)層理論體系。從保護(hù)層形成特點和爐缸維護(hù)角度出發(fā)，首次提出以“石墨碳析出控制”為核心的爐缸自修復(fù)創(chuàng)新理念。并形成了加入少量含鈦物料強(qiáng)化石墨碳析出的低鈦護(hù)爐或無鈦護(hù)爐自修復(fù)技術(shù)。
圖3 保護(hù)層類別及形成條件
揭示了富石墨碳保護(hù)層形成機(jī)制，建立了富石墨碳保護(hù)層生成模型，并解析了保護(hù)層形成動力學(xué)規(guī)律。提出了以“石墨碳析出勢”為判定標(biāo)準(zhǔn)的護(hù)爐診斷技術(shù)，同時明確了爐缸鐵液達(dá)到碳飽和，與耐材熱面溫度低于保護(hù)層形成溫度是富石墨碳保護(hù)層形成的兩個必要條件，可以通過調(diào)控爐缸活性促進(jìn)鐵液滲碳和優(yōu)化爐缸傳熱體系促進(jìn)鐵液析碳兩個必要措施形成保護(hù)層，實現(xiàn)爐缸自修復(fù)。
圖4 富石墨碳保護(hù)層形成機(jī)制
2.高爐爐缸鐵液滲碳調(diào)控技術(shù)
在表征方法方面，項目組首次研發(fā)了高溫渣鐵穿焦實驗裝置，模擬高爐爐缸渣鐵協(xié)同穿過焦炭層的滴落過程，提出了以渣鐵滯留表征高爐爐缸活性的新方法，并建立了爐缸渣鐵滯留率和滯留量模型，定量計算了多變量非線性高爐操作制度關(guān)鍵參數(shù)對爐缸活性的影響規(guī)律及影響權(quán)重。
圖5 渣鐵滯留率影響因素
在操作調(diào)控方面，項目組開發(fā)了包括原燃料粒度及性能管控、高風(fēng)速大動能、渣鐵流動控制及渣鐵排放管控的爐缸活躍狀況調(diào)控的系列技術(shù)，促進(jìn)鐵液滲碳，提高鐵液碳飽和度，為爐缸自修復(fù)奠定基礎(chǔ)。在鐵焦?jié)B碳方面，通過高溫實驗和分子動力學(xué)模擬，明晰了鐵液滲碳路徑及鐵液組分對鐵液滲碳的作用機(jī)制，明確促進(jìn)鐵液滲碳的影響因素。即增加焦炭灰分中堿性物質(zhì)，改善焦炭灰分流動性，增大鐵液-焦炭界面的有效接觸面積等，提高鐵液滲碳速率。適當(dāng)提高鐵液中Si、Ti含量，降低S、Mn、P含量，提高鐵液碳飽和度。
圖6 鐵液組分對鐵液滲碳作用機(jī)制
?。?）高爐爐缸鐵液析碳調(diào)控技術(shù)
項目組提出了以冷卻強(qiáng)度和冷卻效率為指標(biāo)，評價高爐爐缸冷卻系統(tǒng)冷卻能力的新方法，可有效預(yù)防爐缸冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)核態(tài)沸騰和膜態(tài)沸騰，并提出解決供水不均勻問題的優(yōu)化手段。實現(xiàn)了支管冷卻水流量偏差從原設(shè)計的30%以上降至10%以下，有利于減輕爐缸的周向不均勻侵蝕，促進(jìn)富石墨碳保護(hù)層的周向均勻性形成。
圖7 冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化及水量分配均勻性研究
研發(fā)了兼具炭磚高導(dǎo)熱與陶瓷材料高耐蝕、且利于石墨碳沉積的碳復(fù)合耐火材料；同時開發(fā)了解決爐缸氣隙難題的石墨墻結(jié)構(gòu)及氣隙治理優(yōu)化技術(shù)，為石墨碳的析出奠定基礎(chǔ)。
圖8 冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化及水量分配均勻性研究
項目組同時提出了一種計算高爐爐缸鐵液對流換熱系數(shù)的新方法，以及鐵液對流換熱系數(shù)與各生產(chǎn)參數(shù)的量化關(guān)系方程，明晰不同生產(chǎn)參數(shù)對爐缸耐材熱面溫度影響規(guī)律及權(quán)重，為耐材熱面溫度控制指明方向。
圖9 對流換熱系數(shù)影響
?。?）高爐爐缸保護(hù)層三維監(jiān)控預(yù)警平臺
建立了高爐爐缸炭磚連續(xù)性侵蝕速率方程，明確溫度和碳含量等因素對炭磚侵蝕影響機(jī)制；明晰高爐爐缸炭磚間斷性侵蝕影響機(jī)制，揭示爐缸保護(hù)層消蝕及生成對炭磚微裂紋形成影響規(guī)律。
圖10 炭磚侵蝕機(jī)制研究
兼顧高爐爐缸設(shè)計及高爐操作技術(shù)，構(gòu)建了協(xié)同冷卻系統(tǒng)、鐵液環(huán)流、耐材配置三位一體的高爐爐缸保護(hù)層三維監(jiān)控預(yù)警平臺，平臺分為高爐爐缸活性監(jiān)控、耐火材料熱面溫度監(jiān)控、保護(hù)層監(jiān)控預(yù)警三大系統(tǒng)，實現(xiàn)高爐爐缸保護(hù)層的可視化在線監(jiān)控及自修復(fù)控制。
圖11高爐爐缸保護(hù)層三維監(jiān)控預(yù)警平臺
應(yīng)用情況與效果
采用石墨碳自修復(fù)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低冶強(qiáng)操作等維護(hù)技術(shù)，保障高爐安全低碳高效穩(wěn)定運行，部分高爐壽命達(dá)到甚至超過15年以上，與傳統(tǒng)護(hù)爐技術(shù)對比，采用石墨碳自修復(fù)技術(shù)護(hù)爐可降低鈦礦護(hù)爐帶來的產(chǎn)量損失、降低燃料比、降低入爐所需的鈦礦量，并穩(wěn)定爐缸側(cè)壁溫度長期處于安全溫度范圍內(nèi)，有效的保障了高爐的安全長壽運行，給鋼鐵企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。目前，已應(yīng)用于國內(nèi)10余座高爐，創(chuàng)造效益超過15.2億元。
