銅冷卻壁掛渣厚度影響因素分析

銅冷卻壁掛渣厚度影響因素分析

理論和實踐證明了在高爐高壓區(qū)使用銅冷卻壁的優(yōu)越性和實用性，并開發(fā)了理論模型，以在線監(jiān)測銅冷卻壁的泵渣。銅冷卻壁在使用中存在2個問題:一是熱負荷過高,浪費資源,增加鐵水成本,渣皮脫落頻繁,銅冷卻壁強度下降,影響高爐長壽,影響爐況穩(wěn)定,導(dǎo)致爐溫波動,高爐燃料比上升,高爐操作困難;二是熱負荷過低,高爐爐墻容易結(jié)瘤,嚴重會導(dǎo)致高爐下料不暢,發(fā)生懸料,影響高爐順行。爐墻脫落后,砸壞風(fēng)口,迫使高爐休風(fēng),嚴重會導(dǎo)致爐缸凍結(jié)。各鋼廠對上述失常爐況沒有統(tǒng)一的標準來恢復(fù),許多鋼廠通過調(diào)節(jié)冷卻水溫度和冷卻水量來恢復(fù)爐況,但無明顯改善。為此,筆者建立了爐墻傳熱模型,用來分析冷卻水溫度、水速和煤氣溫度對銅冷卻壁高掛渣厚度的影響,給出了調(diào)節(jié)水溫和水量無法改善爐況的原因,為銅冷卻壁熱負荷控制標準的制定提供建議,并結(jié)合生產(chǎn)實踐,驗證了模型的實用性。以爐墻傳熱模型為基礎(chǔ)開發(fā)的“掛渣厚度在線監(jiān)測系統(tǒng)”已成功應(yīng)用于國內(nèi)某鋼廠高爐,并經(jīng)過實測檢驗。1爐渣熱面溫度爐墻由爐殼、填料、冷卻壁壁體、肋、磚襯和渣皮組成。由于爐墻內(nèi)主要傳熱方向是高爐徑向,且爐殼熱損失很小,超過95%的熱量由冷卻水帶走,所以爐墻一維傳熱模型可忽略冷卻水管至爐殼的部分。圖1給出爐墻一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型的示意圖,其中T1～T5是各部分之間的界面溫度;Tw和Tg是冷卻水和煤氣的溫度。Rc,Rr,Rb,Rs是各部分熱阻,控制方程見公式(1)。從式(1)可看出:冷卻壁的熱負荷受冷卻水溫度、煤氣溫度、壁體熱阻、肋熱阻、爐襯熱阻和渣皮熱阻的控制。q=Tg?T11αg=T1?Tw1αw+Rc+Rr+Rb+Rs(1)q=Τg-Τ11αg=Τ1-Τw1αw+Rc+Rr+Rb+Rs(1)其中:Rc=hcλcRc=hcλc;Rb=hbλbRb=hbλb;Rs=hsλsRs=hsλs;Rr=AM+AIAMRM+AIRIRr=AΜ+AΙAΜRΜ+AΙRΙ;RM=hrλrRΜ=hrλr;RI=hIλIRΙ=hΙλΙ式中:R為熱阻,m2·℃/W;h為厚度,m;λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);A為面積,m2;α為對流換熱系數(shù),W/(m2·℃);下標:w為冷卻水;g為煤氣;c為壁體;r為肋;b為爐襯;s為渣皮;I為鑲磚;M為金屬肋。掛渣厚度計算式可由式(1)推導(dǎo)得出,見式(2)。由于高爐爐渣的熔化性溫度在1330℃左右,碳飽和的液態(tài)鐵水的凝固溫度為1150℃,也就是說液態(tài)渣鐵在低于1150℃時才能完全凝固成渣皮。因此,形成穩(wěn)定渣皮時,理論上渣皮熱面溫度T1應(yīng)為1150℃,T1低于1150℃時仍然具有繼續(xù)掛渣的能力。表1給出了相關(guān)物性參數(shù)。隨著銅冷卻壁使用時間的延長,磚襯被侵蝕,因此設(shè)磚襯厚度為0。渣皮導(dǎo)熱系數(shù)約為1W/m℃,煤氣與渣皮熱面的換熱系數(shù)取232W/m2。表1中的“變化”表示研究對象。根據(jù)公式(2)計算出的掛渣厚度hs是以熱平衡為基礎(chǔ)計算出的最大掛渣厚度,實際掛渣厚度還受到“掛渣環(huán)境”的影響。hs=λs×[T1?Twq?(1αw+Rc+Rr+Rb)](2)hs=λs×[Τ1-Τwq-(1αw+Rc+Rr+Rb)](2)2冷卻水變化時掛渣厚度的影響從式(2)可以看出,冷卻水溫度對冷卻壁掛渣厚度的影響分為2部分,一是水溫變化對掛渣厚度有直接影響(式(2)中-λs×Tw/q項);二是水溫通過改變與冷卻水管間的對流換熱系數(shù)來影響掛渣厚度(式(2)中-λs×1/αw項)。這兩項之和就是水溫變化時掛渣厚度的變化值。圖2是冷卻水溫度對掛渣厚度的影響。煤氣溫度為1200℃的條件下,當(dāng)冷卻水溫度從20℃變化到50℃時,掛渣厚度變化幅度小于2.5%。隨著煤氣溫度的升高,調(diào)整水溫對掛渣厚度的影響進一步減弱?？梢?在適當(dāng)范圍內(nèi),冷卻水溫度的變化對掛渣厚度的影響微乎其微。渣皮頻繁脫落的情況下,通過調(diào)整冷卻水溫度的措施來恢復(fù)爐況的做法是不恰當(dāng)?shù)摹?冷卻水速的影響水速通過影響與冷卻水管間的對流換熱系數(shù)來影響掛渣厚度(式(2)中-λs×1/αw項)。圖3是冷卻水速對掛渣厚度的影響。不同煤氣溫度下,冷卻水速從1.0m/s變化到1.6m/s時,掛渣厚度的變化幅度均小于0.2%,曲線基本上是一條水平的直線?？梢娫诶硐?yún)^(qū)內(nèi),冷卻水速的變化對掛渣厚度幾乎沒有影響。渣皮頻繁脫落時,通過調(diào)整冷卻水速的措施來恢復(fù)爐況的做法是不恰當(dāng)?shù)摹?熱負荷影響掛渣厚度的因素將表1中各參數(shù)代入式(2)計算后得知:λs×Rc為0.066mm,λs×Rr為2.014mm,λs×Rb為0mm?？梢娛?2)中λs×(Rc+Rr+Rb)項的計算值很小,對掛渣厚度的影響可以忽略,最終將式(2)簡化為式(3)。hs=1150?Twq=1150?Tw232×(Tg?1150)(3)hs=1150-Τwq=1150-Τw232×(Τg-1150)(3)從式(3)中得知:水溫變化不大時,冷卻壁熱負荷主要由邊緣煤氣溫度決定。也就是說它主要受冷卻壁熱負荷的影響,因為冷卻壁熱負荷與煤氣溫度的關(guān)系是線性的。圖4是計算得到的結(jié)果。由圖4可看出:掛渣厚度隨煤氣溫度(熱負荷)的變化趨勢可分為4個區(qū),依次為劇變區(qū)、漸變區(qū)、緩變區(qū)和微變區(qū)。劇變區(qū)是煤氣溫度小于1200℃的區(qū)域。該區(qū)域內(nèi),熱負荷從2.3kW/m2變化到11.6kW/m2,掛渣厚度從480mm變化到95mm,掛渣厚度值劇烈波動。這說明在低熱負荷區(qū)域,煤氣溫度對掛渣厚度影響很大。即,當(dāng)高爐邊緣煤氣溫度過低時,煤氣溫度的微小波動就能導(dǎo)致掛渣厚度的劇烈變化。采用發(fā)展中心、抑制邊緣的布料方式時,邊緣煤氣溫度較低,只要爐況稍有波動,使煤氣溫度略微降低,掛渣厚度就會大幅度增加,造成高爐結(jié)瘤、爐況失常的事故。因此,高爐操作者要避免使冷卻壁處于熱負荷低于11.6kW/m2的劇變區(qū)內(nèi)工作。漸變區(qū)是煤氣溫度大于1200℃但小于1300℃的區(qū)域。該區(qū)域熱負荷從11.6kW/m2變化到34.8kW/m2,掛渣厚度從95mm變化到30mm。此區(qū)域整掛渣厚度低于100mm,屬于安全范圍。但掛渣厚度波動仍比較劇烈,需引起高爐操作者足夠的重視,避免爐況走向劇變區(qū)。緩變區(qū)是煤氣溫度大于1300℃但小于1400℃的區(qū)域。該區(qū)域熱負荷從34.8kW/m2變化到58.0kW/m2,掛渣厚度從30mm變化到20mm。此區(qū)域掛渣厚度合理,既能保證銅冷卻壁安全工作,又能避免高爐結(jié)瘤,保證高爐順行。且此區(qū)域內(nèi),煤氣溫度變化100℃時,掛渣厚度只改變10mm,波動較小,穩(wěn)定性強,是銅冷卻壁工作的理想?yún)^(qū)域。微變區(qū)是煤氣溫度大于1400℃的區(qū)域,該區(qū)域熱負荷大于58.0kW/m2,掛渣厚度小于20mm。同劇變區(qū)一樣,微變區(qū)也是銅冷卻壁操作的禁區(qū),此區(qū)域掛渣厚度很小,常使銅冷卻壁處于裸露狀態(tài)下工作,一方面浪費資源,增加鐵水成本,另一方面會降低銅冷卻壁強度,影響高爐長壽。從上述研究結(jié)果可以看出:保證銅冷卻壁合理穩(wěn)定掛渣,控制熱負荷是關(guān)鍵。銅冷卻壁熱負荷處于劇變區(qū)易造成爐況失常,影響高爐高效生產(chǎn),處于微變區(qū),易使銅冷卻壁破壞,影響高爐長壽。因此,保證銅冷卻壁合理穩(wěn)定掛渣至關(guān)重要。對銅冷卻壁高爐,一味地采用邊緣發(fā)展或邊緣抑制的爐頂布料制度和下部調(diào)節(jié)制度對穩(wěn)定爐況是不利的,應(yīng)該適當(dāng)?shù)匕l(fā)展邊緣煤氣流,合理控制銅冷卻壁熱負荷,避開掛渣厚度劇烈波動且易使高爐結(jié)瘤的劇變區(qū)和易使銅冷卻壁裸露的微變區(qū),使銅冷卻壁處于掛渣厚度合理穩(wěn)定的緩變區(qū)內(nèi)工作。唐鋼1號高爐和武鋼1號高爐在發(fā)生結(jié)瘤后,采用疏松邊緣和中心的裝料制度和鼓風(fēng)制度,對恢復(fù)爐況起了很好的作用。經(jīng)過計算,緩變區(qū)是銅冷卻壁工作的理想?yún)^(qū)域,此時銅冷卻壁掛渣20～30mm,熱負荷范圍是35～58kW/m2。鞍鋼新2號高爐穩(wěn)定生產(chǎn)時,爐身銅冷卻壁的熱負荷范圍是40～50kW/m2,這證明了上述計算的合理性。5高爐異常爐況分析以爐墻傳熱數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)開發(fā)的“掛渣厚度在線監(jiān)測系統(tǒng)”,已成功應(yīng)用于國內(nèi)某鋼廠高爐。2009年10月12日至14日,國內(nèi)某鋼廠高爐爐況失常,本監(jiān)測系統(tǒng)起到重要作用,見圖5。國內(nèi)某鋼廠高爐在12日中班,16∶40和18∶22左右,發(fā)生崩料,本監(jiān)測系統(tǒng)顯示渣皮厚度不穩(wěn)定,頻繁脫落。為改善煤氣流分布,使銅冷卻壁穩(wěn)定掛渣,進行補焦。13日又多次發(fā)生局部崩料。發(fā)生崩料的部位渣皮頻繁脫落,磚襯被侵蝕。本監(jiān)測系統(tǒng)通過顯示銅冷卻壁的掛渣情況,準確判斷了高爐異常爐況。15日采取有效措施后,爐況順行。6通過研究掛渣厚度監(jiān)測模型6.1爐襯殘余厚度的測定在高爐定檢休風(fēng)時,利用高爐現(xiàn)有靜壓孔對爐襯進行探測,即關(guān)閉氮氣吹掃閥后,將靜壓孔盲板拆下,用風(fēng)鉆對靜壓孔進行疏通,然后用自制探鉤進行爐襯測量,計算磚襯殘余厚度。其中標高20.540的靜壓孔位于爐身下部,測量的是殘余磚襯和掛渣厚度之和(見圖6)。6.2西向的計算值圖7給出了高爐檢修期間爐身下部銅冷卻壁掛渣厚度的試驗值和計算值。通過對比,高爐東向與南向,試驗值與計算值的誤差小于3%,兩者十分接近。北向的計算值與試驗值比較接近,誤差約8.1%。只有西向的計算值與試驗值相差較大,達到近35%。但考慮到高爐內(nèi)部環(huán)境的不可視性,測量用的探鉤可能鉤到內(nèi)部爐料,有可能使測量值大于實際值。因此,試驗值與計算值基本吻合,監(jiān)測系統(tǒng)的計算結(jié)果可以用來指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)。7銅冷卻壁熱負荷控制情況圖8是國內(nèi)某鋼廠高爐穩(wěn)定生產(chǎn)時,爐腰銅冷卻壁的熱負荷及掛渣厚度曲線。可以看出,國內(nèi)某鋼廠高爐穩(wěn)定生產(chǎn)時,銅冷卻壁熱負荷控制范圍約在35～58kW/m2。通過掛渣模型的計算,此時掛渣厚度為20～30mm,正好處于上文提到的緩變區(qū)內(nèi)。該事實再次證明了緩變區(qū)是銅冷卻壁工作的理想?yún)^(qū)域。通過該鋼廠和鞍鋼高爐生產(chǎn)實踐,筆者提出將35～58kW/m2的熱負荷范圍作為銅冷卻壁的熱負荷控制標準。8邊緣熱負荷控制1)調(diào)整冷卻水量和冷卻水溫度對掛渣厚度影響甚微。爐況波動、渣皮頻繁脫落時,通過調(diào)整冷卻水速或水溫的措施來恢復(fù)爐況的做法是錯誤的。2)保證冷卻壁合理穩(wěn)定掛渣,控制熱負荷是關(guān)鍵。3)根據(jù)銅冷卻壁邊緣煤氣流對掛渣厚度的影響,將邊緣煤氣溫度(熱負荷)分成劇變區(qū)、漸變區(qū)、緩變區(qū)和微變區(qū)