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冶金科技獎一等獎 | 高爐安全長壽自修復理論與關鍵技術研�(fā)應用

2022-09-09 12:14    來源:中國鋼鐵新聞網
  完成�
  張建�、董漢東、杜 �、焦克新、王紅斌、鄒忠平、徐 �、肖志新、雷 鳴、劉征建、聶榮恩、陳令坤、王 �、賈國利、趙永安
  完成單位
  北京科技大學、武漢鋼鐵有限公�、江蘇沙鋼集團有限公�、首鋼集團有限公�、山西太鋼不銹鋼股份有限公司、首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公�、中冶賽迪工程技術股份有限公�、北京首鋼股份有限公�、天津市新天鋼聯合特鋼有限公司、鞏義市第五耐火材料有限公司 
  研究的背景與問題
  鋼鐵產業(yè)是國民經濟的重要支柱產業(yè),為我國鋼鐵行業(yè)的快速增長奠定了基礎。進入21世紀之后,隨著經濟和工業(yè)技術的高速發(fā)�,我國生鐵從2000年的1.30億噸,增加到2021年的8.68億噸,生鐵產量保持高速增�。盡管非高爐技術也在不斷發(fā)展和進步,但高爐煉鐵仍占世界煉鐵產量�95%以上,其仍是目前最高效、低�、環(huán)境友好的主導煉鐵設備�
  高爐作為鋼鐵工藝流程中最大的單體設備,其安全長壽運行對鋼鐵企�(yè)�(fā)展至關重要。十九大報告�,習近平總書記強調樹立安全發(fā)展理念,弘揚生命至上、安全第一的思想。鋼鐵產�(yè)作為國民經濟的重要支柱產�(yè),在2017�2月,國務院辦公廳就發(fā)布了《關于印�(fā)安全生產“十三五”規(guī)劃的通知�,將金屬冶煉列為重點治理領域。近年來,隨著中國煉鐵技術的進步、鋼鐵行�(yè)供給側改革的推進以及產�(yè)結構的不斷優(yōu)化,高爐的大型化、高效化成為我國高爐�(fā)展的趨勢,高爐的安全生產變得尤為重要�
  高爐作為一個密閉高溫高壓的“黑匣子�,內部發(fā)生著復雜多變的物理化學變�,高爐爐缸的侵蝕不可避免。近些年,國內多家鋼鐵企�(yè)高爐出現爐缸側壁溫度異常升高的現�,高爐異常侵蝕造成的安全事故頻�(fā),尤其是�(fā)生了多起高爐爐缸燒穿事故,使得高爐安全高效生產變得愈�(fā)困難。國外先進高爐一代爐役(無中修)壽命可達15年以�,其中巴西圖巴朗1號高爐運行壽命達到了28.4�。而我國的高爐長壽水平與主流的高爐長壽目標尚有一定差�,一般一代爐役(無中修)壽命低于10�,僅部分高爐實現10~15年的長壽目標。表1為國內外長壽高爐壽命對比,可以知道國內高爐安全長壽運行技術有待提高�
�1-1 國內外長壽高爐壽命及指標
  特別�,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、高冶煉強度、高休風率、低入爐品位礦條件下實現安全長壽冶煉。高爐爐役中后期爐缸安全維護導致產量降低、燃料比升高,一旦發(fā)生燒穿等安全事故將造成巨大損失,燒穿現場如�1所�。高爐安全長壽是集設�、操�、維護和�(jiān)測為一體的系統(tǒng)工程,影響因素眾�,且長壽本質并未清晰。因�,有必要從基本原理及技術開�(fā)角度深入研究,以期實現高爐安全長��
�1 高爐爐缸燒穿現場
  解決問題的思路與技術方�
  保障高爐安全長壽冶煉主要存在四大技術難點,即傳�(tǒng)護爐方法效果不理�,爐缸長壽基礎理論薄�,爐缸長壽維護措施經驗化以及爐缸保護層監(jiān)控手段缺�。基于以上難�,近20年來,項目組基于20余座高爐破損調查及高爐解剖研�,建立了爐缸保護層理論體�,揭示了爐缸耐火材料熱面石墨碳析出的自保護機制,通過“石墨碳析出勢”對爐缸石墨碳護爐進行定量化診�,并從調控爐缸活躍狀�(tài)以促進鐵水滲�,和�(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高爐爐缸的自修�,并建立了高爐爐缸保護層三維可視化監(jiān)控預警平�,其技術路線如�2所示�
�2 項目研究技術路�
  主要�(chuàng)新性成�
  該項目從基礎理論原始�(chuàng)�、技術調控措施、在線監(jiān)控平臺建設等方面首次提出了一套高爐安全長壽冶煉自修復技�,在國內多座高爐應用后,成功降低并穩(wěn)定爐缸側壁溫度在安全溫度以下,同時強化冶煉降低燃料消耗,實現高爐安全低碳冶煉。其成果主要�(chuàng)新性如下:
  1.高爐爐缸安全長壽自修復創(chuàng)新理�
  通過高爐破損調查及高爐解剖研�,構建了由富鈦層、富石墨碳層、富渣層和富鐵層組成的高爐爐缸保護層理論體系。從保護層形成特點和爐缸維護角度出發(fā),首次提出以“石墨碳析出控制”為核心的爐缸自修復�(chuàng)新理�。并形成了加入少量含鈦物料強化石墨碳析出的低鈦護爐或無鈦護爐自修復技術�
�3 保護層類別及形成條件
  揭示了富石墨碳保護層形成機制,建立了富石墨碳保護層生成模型,并解析了保護層形成動力學�(guī)�。提出了以“石墨碳析出勢”為判定標準的護爐診斷技�,同時明確了爐缸鐵液達到碳飽�,與耐材熱面溫度低于保護層形成溫度是富石墨碳保護層形成的兩個必要條�,可以通過調控爐缸活性促進鐵液滲碳和�(yōu)化爐缸傳熱體系促進鐵液析碳兩個必要措施形成保護層,實現爐缸自修復�
�4 富石墨碳保護層形成機�
  2.高爐爐缸鐵液滲碳調控技�
  在表征方法方�,項目組首次研發(fā)了高溫渣鐵穿焦實驗裝�,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�,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鍵參數對爐缸活性的影響�(guī)律及影響權重�
�5 渣鐵滯留率影響因�
  在操作調控方�,項目組開發(fā)了包括原燃料粒度及性能管控、高風速大動能、渣鐵流動控制及渣鐵排放管控的爐缸活躍狀況調控的系列技術,促進鐵液滲�,提高鐵液碳飽和�,為爐缸自修復奠定基�。在鐵焦?jié)B碳方面,通過高溫實驗和分子動力學模擬,明晰了鐵液滲碳路徑及鐵液組分對鐵液滲碳的作用機�,明確促進鐵液滲碳的影響因素。即增加焦炭灰分中堿性物�,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。適當提高鐵液中Si、Ti含量,降低S、Mn、P含量,提高鐵液碳飽和��
�6 鐵液組分對鐵液滲碳作用機�
 ?�?)高爐爐缸鐵液析碳調控技�
  項目組提出了以冷卻強度和冷卻效率為指�,評價高爐爐缸冷卻系�(tǒng)冷卻能力的新方法,可有效預防爐缸冷卻系統(tǒng)出現核態(tài)沸騰和膜�(tài)沸騰,并提出解決供水不均勻問題的�(yōu)化手�。實現了支管冷卻水流量偏差從原設計的30%以上降至10%以下,有利于減輕爐缸的周向不均勻侵蝕,促進富石墨碳保護層的周向均勻性形��
�7 冷卻結構�(yōu)化及水量分配均勻性研�
  研發(fā)了兼具炭磚高導熱與陶瓷材料高耐蝕、且利于石墨碳沉積的碳復合耐火材料;同時開�(fā)了解決爐缸氣隙難題的石墨墻結構及氣隙治理�(yōu)化技�,為石墨碳的析出奠定基礎�
�8 冷卻結構�(yōu)化及水量分配均勻性研�
  項目組同時提出了一種計算高爐爐缸鐵液對流換熱系數的新方�,以及鐵液對流換熱系數與各生產參數的量化關系方程,明晰不同生產參數對爐缸耐材熱面溫度影響�(guī)律及權重,為耐材熱面溫度控制指明方向�
�9 對流換熱系數影響
  �4)高爐爐缸保護層三維�(jiān)控預警平�
  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制;明晰高爐爐缸炭磚間斷性侵蝕影響機�,揭示爐缸保護層消蝕及生成對炭磚微裂紋形成影響規(guī)��
�10 炭磚侵蝕機制研究
  兼顧高爐爐缸設計及高爐操作技�,構建了�(xié)同冷卻系�(tǒng)、鐵液環(huán)�、耐材配置三位一體的高爐爐缸保護層三維監(jiān)控預警平�,平臺分為高爐爐缸活性監(jiān)�、耐火材料熱面溫度�(jiān)�、保護層�(jiān)控預警三大系�(tǒng),實現高爐爐缸保護層的可視化在線�(jiān)控及自修復控��
�11高爐爐缸保護層三維監(jiān)控預警平�
  應用情況與效�
  采用石墨碳自修復技術代�?zhèn)鹘y(tǒng)的低冶強操作等維護技�,保障高爐安全低碳高效穩(wěn)定運�,部分高爐壽命達到甚至超�15年以�,與傳統(tǒng)護爐技術對�,采用石墨碳自修復技術護爐可降低鈦礦護爐帶來的產量損失、降低燃料比、降低入爐所需的鈦礦量,并�(wěn)定爐缸側壁溫度長期處于安全溫度范圍內,有效的保障了高爐的安全長壽運行,給鋼鐵企業(yè)帶來了顯著的經濟效益。目前,已應用于國內10余座高爐,創(chuàng)造效益超�15.2億元�

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