鋼渣熱燜工藝防爆噴措施的研究與改進(jìn)

王瑋 郭鵬 欒秀莉

(萊蕪鋼鐵集團(tuán)泰東實(shí)業(yè)有限公司，山東萊蕪271104)

作為轉(zhuǎn)爐鋼渣處理前期粉化工藝，鋼渣熱燜工藝因其具有粉化效果好、渣鐵分離充分、處理后鋼渣性質(zhì)穩(wěn)定、污染小等獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)迅速得到了應(yīng)用和推廣，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，該工藝存在的爆噴風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)安全，致使職工心理恐慌，不能安心生產(chǎn)。因此根據(jù)本公司鋼渣熱燜工藝的應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)鋼渣熱燜工藝防爆噴措施進(jìn)行了研究與改進(jìn)。

鋼渣熱燜；防爆噴措施；研究與改進(jìn)

鋼渣粉化處理、實(shí)現(xiàn)渣鐵分離，是鋼鐵企業(yè)渣鐵資源循環(huán)利用，有效降低煉鋼成本的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。作為轉(zhuǎn)爐鋼渣處理前期粉化工藝，鋼渣熱燜工藝因其具有粉化效果好、渣鐵分離充分、處理后鋼渣性質(zhì)穩(wěn)定、污染小等獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)迅速得到了應(yīng)用和推廣。隨著全國(guó)同行業(yè)鋼渣熱燜粉化技術(shù)的運(yùn)用，萊鋼泰東公司鋼渣粉化也由原露天熱潑粉化工藝改造為車間內(nèi)封閉式熱燜罐微壓粉化工藝。但自應(yīng)用熱燜罐微壓粉化技術(shù)以來(lái)，鋼渣熱燜生產(chǎn)過(guò)程中也暴露出其安全不利因素，熱燜注水粉化后時(shí)段或控水時(shí)段，易發(fā)生熱燜罐爆燃或爆噴事件，個(gè)別爆噴、爆燃事件致使熱燜車間設(shè)備及建筑物損壞，加重了員工作業(yè)中的恐懼心理，無(wú)法正常組織生產(chǎn)。

表1

表2 水蒸氣密度隨溫度變化表

萊鋼泰東公司自2008年10月應(yīng)用熱燜罐微壓粉化鋼渣技術(shù)。在08-09兩年度期間，6個(gè)熱燜罐先后出現(xiàn)不同程度的爆噴爆燃現(xiàn)象。在當(dāng)時(shí)無(wú)有效對(duì)策的情況下，為避免事故，實(shí)際生產(chǎn)中將原設(shè)計(jì)一次翻盆入池工藝改為在翻盆廠房進(jìn)行翻盆，鋼渣落地做打水降溫、砸碎等簡(jiǎn)單處理后再用裝載機(jī)自卸車倒運(yùn)至熱燜車間，增加大量倒運(yùn)物流成本；熱燜池密封效果不好，造成車間內(nèi)蒸汽彌漫，生產(chǎn)操作視線受影響，對(duì)設(shè)備、廠房也造成腐蝕損壞等。

2011年3月我公司對(duì)鋼渣熱燜生產(chǎn)線進(jìn)行擴(kuò)建，增加四個(gè)熱燜池，根據(jù)本公司鋼渣熱燜工藝的應(yīng)用實(shí)踐，在分析原熱燜生產(chǎn)線問(wèn)題的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼渣熱燜工藝防爆噴措施進(jìn)行了研究與改進(jìn)。

1 、原熱燜生產(chǎn)線存在的問(wèn)題及分析

原熱燜生產(chǎn)線在2009年3、4月份連續(xù)發(fā)生3次爆噴事故，造成一名挖掘機(jī)司機(jī)輕傷，對(duì)設(shè)備造成了嚴(yán)重?fù)p害。為避免事故重復(fù)發(fā)生，生產(chǎn)工藝也由一次翻盆入熱燜池改為翻盆落地后倒運(yùn)入熱燜池，增加了生產(chǎn)環(huán)節(jié)和大量生產(chǎn)成本。鋼渣爆噴問(wèn)題已嚴(yán)重制約了鋼渣熱燜生產(chǎn)線的安全生產(chǎn)，如何防止鋼渣爆噴成為優(yōu)化改進(jìn)鋼渣熱燜生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題。通過(guò)研究事故的發(fā)生過(guò)程和查閱相關(guān)資料，我們對(duì)鋼渣爆噴發(fā)生的原因進(jìn)行了深入的分析，結(jié)合鋼渣爆噴發(fā)生機(jī)理對(duì)原鋼渣熱燜生產(chǎn)線存在的問(wèn)題進(jìn)行了梳理。

1.1 鋼渣爆噴原因分析

由于轉(zhuǎn)爐鋼渣中含有一定量的碳元素，每當(dāng)熱態(tài)鋼渣入池過(guò)于集中，或者有大塊入池時(shí)，由于溫降的因素，使得鋼渣中的碳析出，過(guò)剩的碳不能充分燃燒，高溫鋼渣打水后產(chǎn)生大量高濃度的蒸汽，導(dǎo)致熱燜池內(nèi)氧氣減少，這些就為水煤氣（CO和H2的混合氣體）的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。水煤氣產(chǎn)生的反應(yīng)式如下：

一氧化碳的爆炸條件為：第一，達(dá)到爆炸極限（12.55%-74.25%）；第二，溫度達(dá)到一氧化碳的著火點(diǎn)（650OC）；第三，有足夠的氧氣供給燃燒；第四，空間有限。

氫氣的爆炸條件為：氫氣加上氧氣在爆炸極限范圍內(nèi)（4%-75%）遇到明火之后在短時(shí)間之內(nèi)產(chǎn)生大量的水蒸氣，使得體積急劇膨脹，發(fā)生爆炸。

為驗(yàn)證熱燜池內(nèi)氣體成分，專門對(duì)正常生產(chǎn)中的熱燜池進(jìn)行了氣體收集。氣體采集時(shí)間：熱燜時(shí)間7.5小時(shí)后。池內(nèi)已無(wú)壓力，采用針管收集，采集過(guò)程不可避免混入部分空氣。檢測(cè)結(jié)果與空氣對(duì)標(biāo)如表1。

采集樣本雖不具代表性，但可說(shuō)明一些問(wèn)題。燜池內(nèi)氫氣含量較高，同時(shí)摻雜一氧化碳。

圖1 原熱燜池布置圖

圖2 新熱燜池布置圖

圖3 水封安裝示意圖

圖4 安全自動(dòng)防爆裝置

在熱燜初期產(chǎn)生大量高溫水蒸氣，因?yàn)樗魵饷芏却螅a(chǎn)生的可燃性氣體密度（CO密度為1.25g/l，H2密度0.0899 g/l）都小于水蒸氣的密度，浮在水蒸氣的上方，能夠順利地隨排氣孔排出。隨著熱燜時(shí)間推移，池內(nèi)溫度降低，蒸汽量減少，這時(shí)可燃?xì)釩O的密度就逐漸大于水蒸氣的密度，造成可燃?xì)怏w沉降在水蒸氣的下方，如果不能及時(shí)排出，就會(huì)聚集到池內(nèi)某個(gè)空間，隨著可燃?xì)怏w量的增加，有可能達(dá)到爆炸極限范圍，而且爆炸極限范圍，隨溫度及壓力變化會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，在熱燜后期，隨著池內(nèi)溫度和壓力降低，氧氣的濃度逐漸加大，此時(shí)如熱燜池內(nèi)余留少量紅渣或者鄰近的熱燜池進(jìn)行翻盆作業(yè)遇到明火，極易發(fā)生爆炸。

因此要避免熱燜爆噴事故，在熱燜池設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中要注意：從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，保證罐與罐之間保持一定安全間距，杜絕相互串氣，排氣管道通暢并獨(dú)立排氣禁止相互串聯(lián)，使得產(chǎn)生的可燃?xì)怏w能夠及時(shí)排出；生產(chǎn)過(guò)程中要控制好翻盆節(jié)奏，錯(cuò)位作業(yè)，避免紅渣集中入池；控制打水作業(yè)時(shí)間和熱燜時(shí)間，促進(jìn)可燃?xì)怏w隨蒸汽排出；翻罐作業(yè)中間用挖掘機(jī)將紅渣徹底攪拌，使鋼渣中的C能充分燃燒，嚴(yán)禁熱燜池周邊明火作業(yè)。

1.2 原熱燜生產(chǎn)線存在的問(wèn)題

1.2.1 熱燜池間隔太近，每三個(gè)熱燜池連體澆筑（見圖1），

容易串氣，相鄰熱燜池翻盆作業(yè)時(shí)可能會(huì)造成紅渣噴濺，出現(xiàn)明火。熱燜池太深（6.4米），挖掘機(jī)受限取渣取不干凈，池底的存渣如含水量大，翻盆時(shí)也容易爆噴。

1.2.2 水封安裝：在熱燜池壁頂部間隔預(yù)留預(yù)埋件，之后將水封槽直接焊接于預(yù)埋件之上。水封受熱變形后易與預(yù)埋件脫開，造成蒸汽大量泄漏，也可能導(dǎo)致熱燜池間串氣。并且車間內(nèi)熱燜蒸汽不但影響生產(chǎn)作業(yè)，還對(duì)廠房鋼結(jié)構(gòu)及行車、電氣設(shè)備等造成腐蝕損壞。

1.2.3 排氣系統(tǒng)：三個(gè)熱燜池共用一條排氣主管道，極易造成池間串氣，如一個(gè)熱燜池翻盆，相鄰熱燜池處于熱燜后期時(shí)，易引起爆炸，后經(jīng)改造改為每個(gè)熱燜池用一條獨(dú)立的排氣管道。排氣管道連接處設(shè)計(jì)為焊接，因熱燜蒸汽含有大量粉塵，不便于排氣管道定期清理。廠房外排氣煙囪高度不夠，造成隨蒸汽排出的粉塵粘著在廠房屋面，時(shí)間長(zhǎng)了對(duì)屋面造成損壞，需要定期清理。

1.2.4 人工控制打水作業(yè)時(shí)間，受工人操作水平所限，隨意性大，既無(wú)法保證可燃?xì)怏w充分隨蒸汽排出，也無(wú)法保證水量控制，影響熱燜效果。

2 、防噴爆措施的改進(jìn)

通過(guò)對(duì)熱燜爆噴原因的分析及研究，在新熱燜生產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)，有針對(duì)性地進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)，并對(duì)原生產(chǎn)線進(jìn)行了相應(yīng)改造。

2.1 熱燜池布置方式（見圖2）：由連體澆筑式熱燜池改為獨(dú)立熱燜池，中間保持2米間距，池壁獨(dú)立澆筑，避免了熱燜池間串氣。熱燜池深度根據(jù)挖掘機(jī)作業(yè)高度調(diào)整為5米，保證充分清渣。

2.2 水封制安：現(xiàn)設(shè)計(jì)改為水封和預(yù)埋件直接焊接好后一并與池壁通體澆筑，且于水封底部中央處設(shè)置一道寬150mm*厚6mm的鋼板止水帶（見圖3）。該改造既保證了水封槽與池壁的整體性，使之結(jié)合牢固，又避免了燜池內(nèi)部蒸汽的外泄，大大降低了燜池串氣而發(fā)生爆炸的可能性。

2.3 排氣管道改造：每個(gè)熱燜池設(shè)獨(dú)立的排氣管道，排氣管道水平段與垂直段連接由直接焊接改為法蘭連接，既便于檢修、更換又降低了安裝難度；廠房外排氣煙囪高于屋面3米，充分保證蒸汽溢出屋面，減少屋面灰塵附著，減小屋面承載的活荷載，有效地降低了屋面坍塌的可能性，延長(zhǎng)廠房的使用壽命。

2.4 新增PLC控制系統(tǒng)，精確控制打水時(shí)間和打水量，提高熱燜粉化效果，減少水資源消耗。由于熱燜循環(huán)水水質(zhì)較差，水泵容易結(jié)垢，每周需要清理一次，循環(huán)水泵由原來(lái)的一開一備改為一開兩備，確保生產(chǎn)順行。

2.5 設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)便可靠地安全自動(dòng)防爆裝置（見圖4）。其原理為熱燜粉化初始時(shí)段蒸汽壓力較高時(shí)，該裝置自動(dòng)關(guān)閉，保持罐內(nèi)微壓粉化，以加速鋼渣粉化進(jìn)程和提高粉化率。后幾時(shí)段蒸汽壓力較小時(shí)，利用負(fù)壓原理，該裝置自動(dòng)開啟，達(dá)到進(jìn)氣置換可燃?xì)怏w之效果。

2.6 設(shè)計(jì)制作挖掘機(jī)專用耙渣器，用于翻耙紅渣，有效提高翻渣效果，保護(hù)挖掘機(jī)設(shè)備，減少挖掘機(jī)挖斗消耗。

3 實(shí)施效果

新熱燜生產(chǎn)線于2011年8月投產(chǎn)，原熱燜生產(chǎn)線于2011年10月改造完畢投產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了紅渣全部一次翻盆入池，減少鋼渣落地倒運(yùn)環(huán)節(jié)，節(jié)約大量物流成本和人力資源成本，經(jīng)測(cè)算兩項(xiàng)每年可節(jié)約成本370萬(wàn)元；通過(guò)防爆噴措施的改進(jìn)，從結(jié)構(gòu)上避免了池間串氣，蒸汽、可燃?xì)怏w排出通道順暢，大大降低了熱燜池爆噴的風(fēng)險(xiǎn)，保障熱燜生產(chǎn)安全順行，截至目前未再發(fā)生噴爆事故；熱燜池密封良好，排氣系統(tǒng)通暢，基本無(wú)蒸汽泄漏，保證車間內(nèi)清潔有序；改進(jìn)后的熱燜池鋼渣粉化效果良好，200mm以下顆粒熱燜粉化率達(dá)到98%以上，大大減少后續(xù)鋼渣破碎磁選生產(chǎn)線的破碎加工量，節(jié)約大量能源消耗。

[1]鄭文緯，吳克堅(jiān)，機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社.1997.

[2]陳家祥.鋼鐵冶金學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社.1997.