Corex风口破损分析

·18· 世界钢铁 2010年第4期 Corex风口破损分析 SCBarman，PPrachethanKumar，LUddar，PCMahapatra，VRSekhar，MR删锄 (金迭尔钢公司，印度贝拉里583275) 摘要：Coax是一种使用非炼焦煤及纯氧代替焦炭和空气的熔融还原炼铁新工艺。与高炉工艺相比，Corex风 口区域的温度更高，风口的使用寿命是一项重大挑战。在JSW公司，更换烧坏的风口所造成的休风几乎占工 厂休风时间的15％。详细分析了风口破损及生产操作参数对破损的影响，以了解破损机理和根源。所有形 式的风口破损不可能用一种普遍的原因来解释，但主要的原因集中在：入炉煤粉(<6．3mm)过多、煤的平均 粒度偏小、渣铁倒灌、关闭风口、结瘤脱落及滑料等。 关键词：Cogex；风口；回旋区；煤的质量；结瘤和滑料 TuyerefailureanalysisinCorexprocess SCBarman，PPrachethanKumar，LUddar，PCMahapatra，VRSekhar，MRanjan (JSWSteelLtd．，Bellary583275，India) Abstract：Corexisanaltemativesmeltingreductionironmakingprocesswherenon．cokingcoaland pureoxygenisusedinsteadofcokeandair．Thetemperatureofthetuyereregionismuchhigherthanin ablastfurnace．andsustainabilityoftuyeresiSamajorchallenge．AtJSWSteelLtd．almost15％ofthe totalshutdowniSduetoburnttuyerereplacement．Adetailedanalysisoftuyerefailureandprocess parameterseffectingtuyereburningWasconductedtounderstandthefailuremechanismandtheroot causes．Acommonreasondoesnotexistforalltypesoftuyerefailure；however。thecollectivereasons forfailurealeexcessivecoalfines(一6．3mill)andsmallmeanparticlesize。lOWbackpressure， blockingoftuyeres．scabformationandslip． Keywords：Corex；tuyere；raceway；coalproperties；scabandslip O前言 Corex是一种熔融还原炼铁新工艺。JSW公 司尽管有2座年产能各80万t的Corex装置，但 铁水生产仍以传统高炉流程为主。Corex与高炉 配合，可以最大限度地利用JSW的资源，降低铁 水成本。图1为Corex工艺流程示意图。与高炉 只有1个炉子不同，Corex有两个反应器：上部为 还原竖炉(RS)，下部为熔融气化炉(MG)。球团、 块矿、熔剂连续不断地从竖炉顶部加入，850℃、大 于3bar(1bar=0．1MPa)的还原煤气从竖炉底部 以上5m高的围管吹人。从竖炉出来的顶煤气热 值较高，约2200kCal／m3(1Cal=4．18J)，温度 250—300℃。竖炉还加入焦炭，以避免球团、块矿 黏结，并保持料床良好的透气性。非焦煤、还原度 70％一90％的DRI及煅烧的熔剂从拱顶加入气 化炉内，同时从气化炉底部的风口吹人纯氧。根 据Lee等的研究，风口燃烧区附近的煤气温度为 3000℃左右，DRI及熔剂的混合温度约l700℃， 虽然与高炉相比温度很高，但对于Corex操作的 稳定是合理的。根据Lee等的研究，气化炉的温 度分布受半焦床高度的影响。随半焦床高度的增 加，燃烧区附近的温度也相应升高。当半焦床高 度为6．5m时，燃烧区附近气相和固相(DRI与熔 剂混合物)的温度分别达到3200。C及2000℃。 因此，对Corex工艺来说，在如此高温的环境下如 何维持风口工作的稳定，是一项重大挑战。Pal 和Lahiri开发了一个三维多相Corex气化炉模 型，研究结果明，关闭风口(或风口堵塞)会导 致2个工作风口之间的不活跃区扩大，影响气化 炉的稳定。但是，迄今为止，未见有关风口破损问 题详细研究的报导。 JSW公司的每座Corex都有26个风口。风 口的损坏影响了炉况稳定及铁水产量，大约15％ 的休风时间是处理风口损坏，增加了巨额费用。 本文对风口损坏的形式及其原因进行了详细 分析。 万方数据 世界钢铁 ·19· 块矿／球团、副原料 图1 Corex工艺流程示意图 l风口损坏的形式 在Corex生产中发现风口有以下几种损坏形 式。一种是风口底部被液态铁水烧损(图2 (a))。风口顶部是最热的区域，而且液态渣铁在 该区域流动很快。如果煤的强度较低、产生的粉 率较高，渣铁流动的阻力将增大，流速更慢，并聚 集到风口底部。在这种情况下，渣铁液面容易上 升到风口水平，将风口烧穿。图2(b)及图2(c) 显示的是另外2种风口破损形式，一种是风口前 端被氧气流侵蚀，一种是风口前端被堵塞。观察 发现，有90％以上的风口破损是因为风口通道前 端被侵蚀(图2(b))。风口是由纯度为99．96％ 的铜铸成的，氧气风口的直径为24nlIn，风口通道 侵蚀后直径增加到84mm。 图2 Corex风口损坏的不同形式 2风口破损原因分析 2座Corex在开炉初期风口就频繁破损。 图3(a)和图3(b)分别为Corex—I及Corex一Ⅱ 大修投产后月风口破损的数量。可见，3—5月份 两座Corex风口破损的数量都较多，风口寿命从 46—360d不等，平均寿命在100d左右。图4表 示圆周不同位置风口损坏的频率，可见，铁口区是 风口最易损坏的区域。 2．1煤的质量对风口损坏的影响 从生产数据统计分析来看，风口损坏的一个 主要原因是煤的质量差，主要是粉率(<6．3mm) 和煤的平均粒度(MPs)较差。Corex用煤的MPS ～般在17—22mm，但煤的入炉粉率有时高达 26％。图5显示不同MPS时煤的粉率对风口损 坏的影响。可以看出，随着粉率增加和MPS减 小，风口损坏数量增加。煤的粉率对风口破损的 万方数据 ·20· 2010年第4期 影响要比平均粒度大得多。高粉率及低的MPS 降低了半焦床的透气性，并导致煤气流分布不均 匀甚至出现管道。由于传热不足及煤气流分布不 均衡，导致风口区附近形成局部高温区。当MPS 较小时，可以观察到气化炉工厂压力尖峰增多，炉 况不稳定。 {g 冀 8 18 赣1146 曩{| 2 0 17 ， 13 1 一 n ： | lO f 南南门南4 ， I：上南焉南}『 写 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量高达2．5％(正常值为0．3％)，唯一可能的解 释是渣皮脱落，掉人炉缸，破坏了炉子的稳定 顺行。 2．4关闭风口 Corex在低熔炼率下运行时，需要关闭一些 风口来满足氧气流量的要求。很显然，风口停 氧时风口水平的煤气温度较低，煤气阻力很高， 这使得该区域不活跃．增加了相邻风口烧坏的 万方数据 世界钢铁 ·21· 可能性。如图7所示，为保持低产能运行，2号、 13号、14号风口关闭，8号、9号、23号风口不具 备投入条件也处于关闭状态。结果发现，11号、 15号、22号、24号及26号风口烧坏，这些风口 与关闭(停氧)风口相邻，并且位置处于铁口区 域。由于铁口区域风口工作更不稳定，因此关 闭铁口区域附近的风口会增加其附近工作风口 损坏的可能性。 耒 投入 B出铁场 图7 关闭(停氧)风口对工作(通氧)风口烧损的影响 取样观察，可以大体分辨出纯铜及黏结物(图8 (b))。黏结物的化学分析如表1所示，可知，其 中50％的成分是铁氧化物，剩下的50％是半焦和 炉渣。 3风口破损机理分析 对烧坏的风口进行调查、收集数据和取样检 测，以分析其失效机理。通常，氧气通道是直的、 逐渐缩径然后又是直的。沿着烧损风口的中心线 进行切割，可以很清楚地观察到风口氧气喷口前 端的侵蚀状态(图8)。对烧损最严重的区域进行 图8烧损风口的横截面照片 表1风口通道内黏结物的化学成分质量分数 ％ 3．1 X射线电子探针分析 沿试样的横截面进行x射线电子探针分析， 可以检测到铜和其他附着物。图9为试样放大 14倍的横截面电子探针元素线扫描结果图。通过 进一步观察，对试样横截面从顶部到底部的不同点 (图lO)进行了铁和铜的成分检测。从图9和图10 可见，黏结物内的铁元素已经渗入风口铜基体内 2．5inIn深度。从试样底部到顶部即图10中的 9号点到1号点，铁元素的比例下降而铜元素的比 例上升，黏结物的其他成分没有渗进铜本体内。 3．2风口破损机理的讨论 有近90％的风口破损是氧气通道前端蚀损 的形式。从烧损风口的损坏情况看，氧气通道被 侵蚀、扩大，通道内附有黏结物。这些黏结物含有 金属铁、熔渣和半焦等成分，但是只有金属铁渗入 铜体内。风口通道高的温度梯度加快了铁元素的 渗透。从风口通道铜的内表面渗入2．5mm的金 属铁，这将使铜的导热性下降，风口壁面温度上 升。随着时间的推移和铁的渗入，风口壁面温度 上升得更高，最终风口壁的某些部位变软，被高速 的氧气流冲刷掉(风速计算值222m／s，具体计算 条件见表2)。这样，氧气通道的前端被侵蚀，风 口被烧损。 风口氧气通道内的黏结物是由于炉况不稳定 造成的。对气化炉的操作条件分析可知，此时气化 炉入炉的块煤粉率高、平均粒度小、渣比高。入炉 燃料的粉率高，降低了半焦床的透液性，增大了管 道、崩滑料发生的风险，影响了炉况的稳定顺行。 万方数据 ·22· 2010年第4期 图9试样横截面电子探针元素线扫描分析(×14) 分析可知，在风口回旋区附近，随着气流阻力 的增加，煤气流有可能回流到风口前端，煤气会携 带着渣、铁和半焦颗粒进入风口端口。所携带的 高温粒子黏结在风口前端，造成风口熔蚀的发生。 一旦风口前端发生熔损，扩孔开始发展，风口前端 的氧气通道变得不规则，此时在风口端部形成一 个低压区，煤气回流卷吸冲刷的作用增强。其结 果是，渣、铁和半焦颗粒黏附在风口端口的可能性 增加了。 图lO沿横截面从顶部到底部不同点元素成分分析 表2风口风速计算考虑的因素 氧气流量／(m3·h一1) 氧气进口压力／bar 氧气出口压力／bar 人口氧气温度／'E 出口氧气温度／℃ 36000 6 3．5 25 l 500 4结束语 (1)风口破损的形式主要有风口下部被铁液 熔损、风口通道端口被氧气流蚀损、风口堵塞等。 (2)所有形式的风口破损都不是同样的、单 一一种原因造成的。风口破损的可能原因有块煤 的质量差、风口压差低、炉墙结瘤和滑料、关闭风 口等。 (3)从操作条件看，高的块煤粉率和差的半 焦床透液性是风口破损的最主要原因。半焦床透 气性差将增大风口前端的煤气阻力，从而增加发 生管道、悬料和滑料的概率，影响气化炉的稳定 顺行。 (4)进入风口前的氧气压力应超过6．0bar， 以避免风口前煤气倒灌。 (5)关闭铁13区域的风口，将增加其近邻工 作风口破损的可能性。 参考文献(略) 况志华。姚国友译自((IronmakingandSteelmak． ing)，2010，37(2)：98—102． 徐万仁校 万方数据