铜冷却壁挂渣厚度影响因素分析

铜冷却壁挂渣厚度影响因素分析

理论和实践证明了在高炉高压区使用铜冷却壁的优越性和实用性，并开发了理论模型，以在线监测铜冷却壁的泵渣。铜冷却壁在使用中存在2个问题:一是热负荷过高,浪费资源,增加铁水成本,渣皮脱落频繁,铜冷却壁强度下降,影响高炉长寿,影响炉况稳定,导致炉温波动,高炉燃料比上升,高炉操作困难;二是热负荷过低,高炉炉墙容易结瘤,严重会导致高炉下料不畅,发生悬料,影响高炉顺行。炉墙脱落后,砸坏风口,迫使高炉休风,严重会导致炉缸冻结。各钢厂对上述失常炉况没有统一的标准来恢复,许多钢厂通过调节冷却水温度和冷却水量来恢复炉况,但无明显改善。为此,笔者建立了炉墙传热模型,用来分析冷却水温度、水速和煤气温度对铜冷却壁高挂渣厚度的影响,给出了调节水温和水量无法改善炉况的原因,为铜冷却壁热负荷控制标准的制定提供建议,并结合生产实践,验证了模型的实用性。以炉墙传热模型为基础开发的“挂渣厚度在线监测系统”已成功应用于国内某钢厂高炉,并经过实测检验。1炉渣热面温度炉墙由炉壳、填料、冷却壁壁体、肋、砖衬和渣皮组成。由于炉墙内主要传热方向是高炉径向,且炉壳热损失很小,超过95%的热量由冷却水带走,所以炉墙一维传热模型可忽略冷却水管至炉壳的部分。图1给出炉墙一维稳态传热模型的示意图,其中T1～T5是各部分之间的界面温度;Tw和Tg是冷却水和煤气的温度。Rc,Rr,Rb,Rs是各部分热阻,控制方程见公式(1)。从式(1)可看出:冷却壁的热负荷受冷却水温度、煤气温度、壁体热阻、肋热阻、炉衬热阻和渣皮热阻的控制。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为热阻,m2·℃/W;h为厚度,m;λ为导热系数,W/(m·℃);A为面积,m2;α为对流换热系数,W/(m2·℃);下标:w为冷却水;g为煤气;c为壁体;r为肋;b为炉衬;s为渣皮;I为镶砖;M为金属肋。挂渣厚度计算式可由式(1)推导得出,见式(2)。由于高炉炉渣的熔化性温度在1330℃左右,碳饱和的液态铁水的凝固温度为1150℃,也就是说液态渣铁在低于1150℃时才能完全凝固成渣皮。因此,形成稳定渣皮时,理论上渣皮热面温度T1应为1150℃,T1低于1150℃时仍然具有继续挂渣的能力。表1给出了相关物性参数。随着铜冷却壁使用时间的延长,砖衬被侵蚀,因此设砖衬厚度为0。渣皮导热系数约为1W/m℃,煤气与渣皮热面的换热系数取232W/m2。表1中的“变化”表示研究对象。根据公式(2)计算出的挂渣厚度hs是以热平衡为基础计算出的最大挂渣厚度,实际挂渣厚度还受到“挂渣环境”的影响。hs=λs×[T1−Twq−(1αw+Rc+Rr+Rb)](2)hs=λs×[Τ1-Τwq-(1αw+Rc+Rr+Rb)](2)2冷却水变化时挂渣厚度的影响从式(2)可以看出,冷却水温度对冷却壁挂渣厚度的影响分为2部分,一是水温变化对挂渣厚度有直接影响(式(2)中-λs×Tw/q项);二是水温通过改变与冷却水管间的对流换热系数来影响挂渣厚度(式(2)中-λs×1/αw项)。这两项之和就是水温变化时挂渣厚度的变化值。图2是冷却水温度对挂渣厚度的影响。煤气温度为1200℃的条件下,当冷却水温度从20℃变化到50℃时,挂渣厚度变化幅度小于2.5%。随着煤气温度的升高,调整水温对挂渣厚度的影响进一步减弱。可见,在适当范围内,冷却水温度的变化对挂渣厚度的影响微乎其微。渣皮频繁脱落的情况下,通过调整冷却水温度的措施来恢复炉况的做法是不恰当的。3冷却水速的影响水速通过影响与冷却水管间的对流换热系数来影响挂渣厚度(式(2)中-λs×1/αw项)。图3是冷却水速对挂渣厚度的影响。不同煤气温度下,冷却水速从1.0m/s变化到1.6m/s时,挂渣厚度的变化幅度均小于0.2%,曲线基本上是一条水平的直线。可见在理想区内,冷却水速的变化对挂渣厚度几乎没有影响。渣皮频繁脱落时,通过调整冷却水速的措施来恢复炉况的做法是不恰当的。4热负荷影响挂渣厚度的因素将表1中各参数代入式(2)计算后得知:λs×Rc为0.066mm,λs×Rr为2.014mm,λs×Rb为0mm。可见式(2)中λs×(Rc+Rr+Rb)项的计算值很小,对挂渣厚度的影响可以忽略,最终将式(2)简化为式(3)。hs=1150−Twq=1150−Tw232×(Tg−1150)(3)hs=1150-Τwq=1150-Τw232×(Τg-1150)(3)从式(3)中得知:水温变化不大时,冷却壁热负荷主要由边缘煤气温度决定。也就是说它主要受冷却壁热负荷的影响,因为冷却壁热负荷与煤气温度的关系是线性的。图4是计算得到的结果。由图4可看出:挂渣厚度随煤气温度(热负荷)的变化趋势可分为4个区,依次为剧变区、渐变区、缓变区和微变区。剧变区是煤气温度小于1200℃的区域。该区域内,热负荷从2.3kW/m2变化到11.6kW/m2,挂渣厚度从480mm变化到95mm,挂渣厚度值剧烈波动。这说明在低热负荷区域,煤气温度对挂渣厚度影响很大。即,当高炉边缘煤气温度过低时,煤气温度的微小波动就能导致挂渣厚度的剧烈变化。采用发展中心、抑制边缘的布料方式时,边缘煤气温度较低,只要炉况稍有波动,使煤气温度略微降低,挂渣厚度就会大幅度增加,造成高炉结瘤、炉况失常的事故。因此,高炉操作者要避免使冷却壁处于热负荷低于11.6kW/m2的剧变区内工作。渐变区是煤气温度大于1200℃但小于1300℃的区域。该区域热负荷从11.6kW/m2变化到34.8kW/m2,挂渣厚度从95mm变化到30mm。此区域整挂渣厚度低于100mm,属于安全范围。但挂渣厚度波动仍比较剧烈,需引起高炉操作者足够的重视,避免炉况走向剧变区。缓变区是煤气温度大于1300℃但小于1400℃的区域。该区域热负荷从34.8kW/m2变化到58.0kW/m2,挂渣厚度从30mm变化到20mm。此区域挂渣厚度合理,既能保证铜冷却壁安全工作,又能避免高炉结瘤,保证高炉顺行。且此区域内,煤气温度变化100℃时,挂渣厚度只改变10mm,波动较小,稳定性强,是铜冷却壁工作的理想区域。微变区是煤气温度大于1400℃的区域,该区域热负荷大于58.0kW/m2,挂渣厚度小于20mm。同剧变区一样,微变区也是铜冷却壁操作的禁区,此区域挂渣厚度很小,常使铜冷却壁处于裸露状态下工作,一方面浪费资源,增加铁水成本,另一方面会降低铜冷却壁强度,影响高炉长寿。从上述研究结果可以看出:保证铜冷却壁合理稳定挂渣,控制热负荷是关键。铜冷却壁热负荷处于剧变区易造成炉况失常,影响高炉高效生产,处于微变区,易使铜冷却壁破坏,影响高炉长寿。因此,保证铜冷却壁合理稳定挂渣至关重要。对铜冷却壁高炉,一味地采用边缘发展或边缘抑制的炉顶布料制度和下部调节制度对稳定炉况是不利的,应该适当地发展边缘煤气流,合理控制铜冷却壁热负荷,避开挂渣厚度剧烈波动且易使高炉结瘤的剧变区和易使铜冷却壁裸露的微变区,使铜冷却壁处于挂渣厚度合理稳定的缓变区内工作。唐钢1号高炉和武钢1号高炉在发生结瘤后,采用疏松边缘和中心的装料制度和鼓风制度,对恢复炉况起了很好的作用。经过计算,缓变区是铜冷却壁工作的理想区域,此时铜冷却壁挂渣20～30mm,热负荷范围是35～58kW/m2。鞍钢新2号高炉稳定生产时,炉身铜冷却壁的热负荷范围是40～50kW/m2,这证明了上述计算的合理性。5高炉异常炉况分析以炉墙传热数学模型为基础开发的“挂渣厚度在线监测系统”,已成功应用于国内某钢厂高炉。2009年10月12日至14日,国内某钢厂高炉炉况失常,本监测系统起到重要作用,见图5。国内某钢厂高炉在12日中班,16∶40和18∶22左右,发生崩料,本监测系统显示渣皮厚度不稳定,频繁脱落。为改善煤气流分布,使铜冷却壁稳定挂渣,进行补焦。13日又多次发生局部崩料。发生崩料的部位渣皮频繁脱落,砖衬被侵蚀。本监测系统通过显示铜冷却壁的挂渣情况,准确判断了高炉异常炉况。15日采取有效措施后,炉况顺行。6通过研究挂渣厚度监测模型6.1炉衬残余厚度的测定在高炉定检休风时,利用高炉现有静压孔对炉衬进行探测,即关闭氮气吹扫阀后,将静压孔盲板拆下,用风钻对静压孔进行疏通,然后用自制探钩进行炉衬测量,计算砖衬残余厚度。其中标高20.540的静压孔位于炉身下部,测量的是残余砖衬和挂渣厚度之和(见图6)。6.2西向的计算值图7给出了高炉检修期间炉身下部铜冷却壁挂渣厚度的试验值和计算值。通过对比,高炉东向与南向,试验值与计算值的误差小于3%,两者十分接近。北向的计算值与试验值比较接近,误差约8.1%。只有西向的计算值与试验值相差较大,达到近35%。但考虑到高炉内部环境的不可视性,测量用的探钩可能钩到内部炉料,有可能使测量值大于实际值。因此,试验值与计算值基本吻合,监测系统的计算结果可以用来指导工业生产。7铜冷却壁热负荷控制情况图8是国内某钢厂高炉稳定生产时,炉腰铜冷却壁的热负荷及挂渣厚度曲线。可以看出,国内某钢厂高炉稳定生产时,铜冷却壁热负荷控制范围约在35～58kW/m2。通过挂渣模型的计算,此时挂渣厚度为20～30mm,正好处于上文提到的缓变区内。该事实再次证明了缓变区是铜冷却壁工作的理想区域。通过该钢厂和鞍钢高炉生产实践,笔者提出将35～58kW/m2的热负荷范围作为铜冷却壁的热负荷控制标准。8边缘热负荷控制1)调整冷却水量和冷却水温度对挂渣厚度影响甚微。炉况波动、渣皮频繁脱落时,通过调整冷却水速或水温的措施来恢复炉况的做法是错误的。2)保证冷却壁合理稳定挂渣,控制热负荷是关键。3)根据铜冷却壁边缘煤气流对挂渣厚度的影响,将边缘煤气温度(热负荷)分成剧变区、渐变区、缓变区和微变区