單管煤槍的改進與應用

敖愛國,劉 煜

(寶山鋼鐵股份有限公司寶鋼湛江鋼鐵有限公司,廣東 湛江 524072)

高爐噴煤是以煤代焦、控制風口前理論燃燒溫度、有效降低煉鐵成本、減少污染物排放的重要技術(shù)措施。噴煤槍是高爐噴煤系統(tǒng)中重要的設(shè)備之一,其結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及使用壽命直接影響高爐噴煤比、煤粉燃耗率、風口噴煤的均勻度、風口的工作壽命以及備件消耗、高爐作業(yè)率等諸方面,使用性能良好且長壽命的煤槍對減輕現(xiàn)場操作維護人員的勞動強度也具有十分重要的意義[1-2]。

結(jié)合寶鋼股份多年來的高煤比操作經(jīng)驗和國內(nèi)外高爐目前普遍采用的煤槍技術(shù),為降低噴煤槍冷卻氣量和工序成本,寶鋼湛江鋼鐵公司自主研發(fā)出長壽單管煤槍,并在2015年9月25日投產(chǎn)的1號高爐、2016年7月15日投產(chǎn)的2號高爐上使用。生產(chǎn)實踐證明,該煤槍使用效果好、壽命長,由于取消了冷卻用氣,有效降低了生產(chǎn)成本,取得了良好的經(jīng)濟效益。

1 單管煤槍與外冷式套管煤槍的差異

單管煤槍與外冷式套管煤槍相比,具有壽命長、能耗低、耐磨損的優(yōu)勢。

(1) 單管煤槍前端采用耐高溫、耐磨陶瓷內(nèi)襯,大幅度提高了煤槍前段在高溫環(huán)境下的耐熱強度和耐磨性能,從而大幅減少了變形量,延長了該段的使用壽命。

(2) 單管煤槍使用中是不需要通冷卻氣的,大幅度減少了冷卻氣的使用,降低了壓縮空氣的消耗,減少了生產(chǎn)成本。

(3) 減少進入爐內(nèi)的冷空氣量,有利于提高風口前理論燃燒溫度,減少風口磨損,降低高爐臨時休風率,降低煤槍使用成本。

2 普通單管煤槍的不足及湛鋼長壽單管煤槍的特點

2.1 普通單管煤槍存在的問題及分析

普通單管煤槍因無外部冷卻、高溫耐磨性差,常發(fā)生槍管前部變形彎曲、煤粉流股發(fā)散或偏離中心、磨損風口內(nèi)壁等現(xiàn)象[2-3],為此,許多高爐采用內(nèi)襯陶瓷煤槍。

普通單管內(nèi)襯陶瓷煤槍在使用過程中,時常出現(xiàn)槍管的內(nèi)襯陶瓷區(qū)域被煤粉磨穿的情況。分析認為,由于煤槍插入直吹管內(nèi)的部分工作溫度高達1 000～1 200 ℃,內(nèi)襯陶瓷層由于自身熱應力、鋼管與陶瓷冷熱收縮特性差異以及槍管震動等原因而產(chǎn)生環(huán)形裂紋。內(nèi)襯陶瓷的長度越長,鋼管壁厚越大,產(chǎn)生裂紋的幾率越高。如內(nèi)襯陶瓷環(huán)形裂紋寬度不大,尚能發(fā)揮其減小管壁磨損的作用,但如果此環(huán)形裂紋擴展到一定程度,即出現(xiàn)陶瓷層環(huán)形斷裂,發(fā)生向前位移和產(chǎn)生無陶瓷的“空區(qū)”,這一“空區(qū)”位置正好是槍管被煤粉沖刷最為嚴重的部位。

現(xiàn)有的鋼管自蔓延內(nèi)襯陶瓷技術(shù)還無法從成分、組織結(jié)構(gòu)上克服高溫環(huán)境下產(chǎn)生裂紋的問題,煤槍使用中更無法控制裂紋產(chǎn)生的位置。因此,要防止槍管的內(nèi)襯陶瓷區(qū)域被煤粉磨穿,只能從控制內(nèi)襯陶瓷斷裂后的位移量方面研究對策。

煤槍使用中還經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)冷氣入口三通前部被煤粉磨穿的現(xiàn)象。經(jīng)過長期觀察發(fā)現(xiàn),其主要原因是冷卻氣進入煤槍與煤粉流混合后,原煤粉流股從層流變?yōu)槲闪鳡顟B(tài),紊亂的煤粉顆粒對該區(qū)域槍管內(nèi)壁產(chǎn)生磨損,一定時間后導致此段煤槍被磨穿。

2.2 湛鋼長壽單管煤槍的技術(shù)特點

湛江鋼鐵高爐噴煤煤槍的結(jié)構(gòu)為單管直管式煤槍,如圖1所示,由槍身、與煤粉軟管連接的短管(槍尾)和與內(nèi)冷氣管件連接的三通管以及槍頭(前段)組成。區(qū)別于普通的內(nèi)襯陶瓷煤槍,槍頭(前段)由耐熱鋼管本體和覆蓋在鋼管內(nèi)表面的耐磨材料層構(gòu)成。

該煤槍結(jié)構(gòu)、材料有如下特點:

(1) 槍管前段(高溫區(qū)部分)內(nèi)襯耐磨材料。普通內(nèi)襯陶瓷單管煤槍前段所附加的陶瓷層長度一般較短,多為100 mm左右,在生產(chǎn)使用過程中容易發(fā)生變形甚至被磨穿的現(xiàn)象。本煤槍前段內(nèi)壁所覆蓋的耐磨材料長度較長(約1 m),這種結(jié)構(gòu)大幅度提高了煤槍前段在高溫環(huán)境下的耐熱強度和耐磨性能,從而大幅減少了變形量,延長了該段的使用壽命,而且實現(xiàn)了前段多次重復使用。

(2) 煤槍前段端部設(shè)置耐磨材料防位移阻擋裝置,可防止內(nèi)襯耐磨材料層在使用過程中因環(huán)形斷裂所發(fā)生的脫離層位移,確保煤槍前段不被煤粉磨穿。另外,由于每支煤槍端部內(nèi)襯耐磨材料層后內(nèi)徑都存在一定的差異,設(shè)置阻擋位移裝置后,其內(nèi)徑幾乎一致,解決了煤槍端口斷面尺寸不均勻的問題,有利于均勻噴煤。

(3) 三通管前部設(shè)置耐磨材料管。在內(nèi)冷卻氣入口三通管前部的槍體內(nèi)增設(shè)耐磨材料管,防止此區(qū)域槍管被紊流狀態(tài)的煤粉流磨穿,如圖2所示。

同軸套筒式煤槍結(jié)構(gòu)復雜,煤槍安裝角度過小會與直吹管干涉。其外冷卻氣常開,消耗量較大,而且需要設(shè)置單獨的冷卻供氣系統(tǒng)。湛江鋼鐵研發(fā)的內(nèi)冷式長壽單管煤槍結(jié)構(gòu)簡單,使用壽命長。內(nèi)冷卻氣管道從分配器吹掃用壓縮空氣管道接出,距離較近。內(nèi)冷卻氣不常用,只在煤粉停噴的情況下為了防止煤槍損壞時才使用。因此,冷卻用氣量大大降低。湛江鋼鐵長壽單管煤槍安裝角度小,不僅避免了煤槍與直吹管的干涉,而且煤槍中心線與直吹管中心線的夾角更小,利于防止煤粉流股偏離和磨損風口。

(4) 確定合理的煤槍內(nèi)徑和煤流出口速度。根據(jù)煤槍出口位置、槍頭內(nèi)徑、煤粉流股與風口中心線的夾角以及煤粉射流在風口內(nèi)的擴散寬度,選擇合適的罐壓和輸送氣量,保證一定的煤流出口速度和較窄的擴散范圍,減少風口內(nèi)壁的磨損。

3 湛鋼長壽單管煤槍的使用效果

自寶鋼湛江鋼廠兩座大高爐投產(chǎn)以來,自主研發(fā)的長壽單管煤槍在高爐上使用效果良好。據(jù)統(tǒng)計,這種煤槍的使用壽命能確保在高爐的1個定修周期內(nèi)不損壞。由于煤槍使用1個定修周期后,無論是否能夠繼續(xù)使用均一律更換,所以煤槍的實際使用壽命將超過1個定修周期(3個月)。而且,在1個定修周期內(nèi)煤槍可重復使用3次(3次臨時休風,每次可拔出再插入使用)。通過在煤槍端部設(shè)置耐磨材料防位移鋼制阻擋裝置,消除了各個煤槍端口的內(nèi)徑差異,風口圓周噴煤更加均勻。湛鋼2座5 050 m3高爐使用這種長壽單管煤槍,都取得了很好的效果,在噴煤比180～185 kg/t、噴煤量90～100 t/h的生產(chǎn)指標下,煤槍操作參數(shù)見表1。

表1 湛鋼高爐煤槍操作參數(shù)

與外冷式套管煤槍相比,湛江鋼鐵高爐采用長壽單管煤槍,省去外冷卻氣,具有如下兩方面的優(yōu)勢:①節(jié)省外冷卻氣消耗7 200 m3/h。按價格0.1元/m3計算,每座高爐1年節(jié)約成本7 200 m3/h×24 h/d×365 d×98.5%×0.1元/m3=621.3萬元。②減少了外冷卻氣對實際風溫的影響14 K,節(jié)約焦比1.2 kg/t,每座高爐1年節(jié)約成本1.2/1 000×11 504 t/d×365 d×98.5%×1 980元/t=982.7萬元。

此外,在使用長壽單管煤槍后,對高爐風口小套內(nèi)壁的磨損導致小套破損的數(shù)量大幅度下降。如表2所示,湛鋼1BF在2017年將煤槍更換為新型的長壽單管煤槍后,由于風口小套內(nèi)壁磨損導致的小套破損數(shù)量從2016年的13個大幅下降至2017年的7個,減少了小套的更換次數(shù),延長了小套使用壽命,至2018年已基本無風口小套內(nèi)壁破損的情況。

表2 湛鋼1號高爐風口小套破損實績

4 結(jié)論

寶鋼湛江鋼鐵高爐研發(fā)和采用的長壽單管煤槍經(jīng)過長時間的實際生產(chǎn)使用檢驗,其結(jié)構(gòu)簡單、先進可靠,性能優(yōu)良,使用壽命長。通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和合理設(shè)置內(nèi)襯耐磨材料,達到了提高耐磨性、減小煤槍前段變形量、控制內(nèi)襯耐磨層位移量的目的,有效提高了煤槍的使用壽命,并改善了風口噴煤的均勻性。由于煤槍壽命長和取消了外冷卻氣,同時也減少了對風口小套磨損,延長了小套壽命,與套管式煤槍相比,有效降低了高爐的生產(chǎn)成本,取得了良好的經(jīng)濟效益。