包鋼長壽節(jié)能風口技術開發(fā)

白文廣

（包鋼鋼聯(lián)股份公司技術中心 內蒙古包頭 014010）

1 前言

風口是高爐冶煉最關鍵的設備，高爐風口的壽命是決定高爐作業(yè)率和生產指標的重要因素，而高爐風口高強度冷卻所帶走的大量熱量又是降低實際入爐風溫，造成高爐燃料比居高不下的原因之一。經過數(shù)十年的不斷改進，包鋼風口已能滿足含氟特殊礦條件下高爐生產的基本需要，但在長壽水平上仍需改進，而在風口節(jié)能研究方面則處于空白狀態(tài)。開展長壽節(jié)能風口技術的開發(fā)意義重大。

2 風口破損機理及長壽技術方案

國內外學者和研究人員已發(fā)表了很多關于高爐風口破損的研究論文和論著［1－3］。風口破損的原因歸納為風口質量、高爐操作、風口曲損、風口磨損、風口熔損等。對于包鋼來說，風口制作質量和高爐操作引起的風口破損現(xiàn)象已基本消除。當前的風口破損主要是因風口曲損、磨損、以及熔損所致。

（1）風口曲損

風口曲損從機理上是深入爐內的風口前端受到上部爐料過大的沖擊力所致。而這種沖擊力往往是因高爐邊緣因焦炭比例太低，礦層粘結形成大塊未熔粘結物落在風口上，見圖1［3］。解決方案是通過調整布料矩陣，控制邊緣礦焦比，保證兩個礦層之間有足夠的焦炭層，避免兩層礦層的粘結現(xiàn)象發(fā)生。

圖1 風口曲損

（2）風口磨損

風口磨損的機理容易理解，即風口前端受高速焦炭和下落渣鐵摩擦以及風口內側受煤粉流股的沖刷等造成的損壞。解決方案是通過保持一定的風速和控制合理的爐內風口長度，以及調整噴槍出口始終保持煤股在風口中心，可以有效地控制風口磨損造成的風口損壞比例。

（3）風口熔損

風口熔損則是被認為過熱渣鐵落在風口表面，局部熔化造成孔洞（子彈孔），最后導致風口漏水燒壞。從實際生產來看，風口熔損已成為風口破損的最主要的原因。然而，上述機理分析不能回答如何在高冷卻強度下，風口表面會生成子彈孔，以及子彈孔如何能擴展穿透到風口銅壁造成漏水燒損。

經過深入調研發(fā)現(xiàn)，最新的風口熔損機理分析更為準確全面［4］，結合本廠原料條件的特點，提出包鋼高爐風口燒損的主要機理是：局部腐蝕引起的損壞階段和損壞區(qū)域的熔化階段，二者相互促進造成風口的熔損。包鋼含F(xiàn)－爐料在爐內產生的HF是加速風口燒損的重要因素。

圖2是風口熔損機理示意圖。風口的破損起始于在風口表面和固化鐵滴之間空隙中形成的腐蝕性電解液。這種酸性腐蝕性溶液首先攻擊風口堆焊層，形成通道，逐步擴展到銅表面。

圖2 風口溶損機理示意圖

侵蝕過程在銅基體中繼續(xù)。電解液與沉積在顆粒邊界的雜質，如硫化物和氧化物，相互反應形成晶間裂紋。同時氣體（H2／Cl2／F2）通過銅基體的擴散和與細小分散的氧化物和硫化物沉積物反應，導致形成微孔。在銅體上形成的裂紋和微孔會引起銅熱導率的顯著降低，從而惡化在這些區(qū)域的銅體冷卻。

由于熱的鐵和渣持續(xù)噴濺在風口表面，銅的溫度上升，超過其熔點，則發(fā)生局部熔化。鐵液沖刷風口壁減小其厚度。在一定熱狀態(tài)下，在風口壁內側形成蒸汽夾層。同時，通過凝鐵和銅的腐蝕進一步加速。

來自上部持續(xù)熱負荷影響和下部蒸汽夾層導致熱傳導量減少的共同作用，最終導致風口破裂，冷卻水流入高爐。

從上述風口熔損的機理分析可見，降低風口熔損的技術方向是提高風口在高溫條件下的抗腐蝕侵蝕能力，具體措施是在風口前端和外側加裝耐熱防腐層。

在耐熱防腐層的制作方法上有等離子噴涂耐高溫材料，耐熱硬質合金堆焊，鑲嵌耐高溫陶瓷材料或航空耐高溫沖擊材料等。通過調研不同方法的加工難度和應用效果，最終確定本研究中采取風口前端外側、端面、及前端內側進行特殊耐熱合金堆焊的技術方案。

堆焊材料的性能是決定風口耐熔損效果的關鍵。通過與外部公司的技術合作，確定選用鎳鉻堆焊合金。經過大量試驗室試驗，研制出耐高溫抗酸性腐蝕的高鎳鉻鉬合金配方，加工了專用焊絲（GY－THL，Dia 1.2mm）樣品。

設計風口堆焊方案為：在風口的前端外側、端面、前端內側先堆焊一定厚度的GY－THL合金層。

3 長壽風口樣品研制及工業(yè)試驗

3.1 風口樣品研制

選擇本公司一座4000m3高爐使用的風口為基礎，研制長壽風口樣品。本方案的實施難點在于在純銅表面無法直接堆焊專用合金。經過深入調研和反復試驗，最終確定了設置堆焊過渡層，堆焊機體溫度制度，堆焊送絲速率，堆焊帶搭接率，以及堆焊冷卻制度等，實現(xiàn)了合金層的在風口表面的牢固堆焊。

長壽風口樣品基本參數(shù)：

長度：660mm，直徑：130mm；

堆焊區(qū)域：風口外側：200mm，前端：全部，內側：150mm；

堆焊厚度：外側及前端：4.5mm，內側：2.5mm（過渡層和堆焊層合計）。

先后共研制樣品8個，均通過質量檢驗。檢驗內容：焊道無損探傷、水壓試驗（Max：1.9MPa，30min）流量試驗（1.3MPa，36m3／h）。

3.2 工業(yè)試驗

利用2座4000m3高爐不同休風檢修機會，分批用長壽風口樣品替換損壞風口，進行工業(yè)應用試驗。考察風口工作狀況并統(tǒng)計使用時間。

試驗結果：

（1）所有試驗風口的工作性能穩(wěn)定，冷卻水流量和溫差處于正常范圍。

（2）扣除1個高爐事故燒損風口，其余風口的最長使用時間是396天，最短使用時間是242天，平均是314天。

（3）對比同期普通風口平均使用壽命188天，長壽風口平均壽命提高126天，提高了67%。

試驗結果達到了預期目標，證明了本長壽風口研制技術方案的正確性。但考慮到試驗風口數(shù)量少，以及高爐運行對風口破損影響的復雜性，長壽風口的代表性壽命還有待更多的應用數(shù)據(jù)來確定。

4 節(jié)能風口技術開發(fā)

4.1 問題的提出

高爐風口在最惡劣工況下得以穩(wěn)定運行的關鍵是在使用純銅材質基礎上的高強度冷卻。一座擁有38個風口的4000m3高爐，每個風口的冷卻水流量達40t／h，總冷卻強度在40GJ／h左右。高強度冷卻保證了風口表面在與高于銅熔點（1083℃）的熱風，特別是高達2000℃～2400℃的回旋區(qū)火焰接觸時保持長期穩(wěn)定運行。

然而，如此高強度冷卻所帶走的熱量卻是一個不應忽視的代價，特別是這部分熱量全部來自寶貴的熱風和煤氣的高溫熱。以全部熱量來自熱風進行推算，在本廠4000m3高爐運行條件下，相當于降低風溫高達67℃。如果推算到對焦比的影響，保守估算會則達7kg／t左右。顯然，此問題是相當嚴重的。因此，如何在不影響風口工作狀況和使用壽命的情況下，采取何種方式降低該熱量損失，以及能取得多大的節(jié)能效果，成為本研究的基本出發(fā)點。

4.2 節(jié)能技術原理及方案試驗研究

本研究確定的風口節(jié)能技術原理是在風口熱風通道設置隔熱層，減少高溫熱風與銅風口之間的熱交換，在不改變風口冷卻水流量的前提下，降低冷卻水溫差，減少冷卻水帶走的熱量，從而降低熱風因熱量損失造成實際入爐溫度和熱量降低。

為此，設計了在風口熱風通道內增設不同種類隔熱層的方案，并對每種方案進行了試驗室試驗和工業(yè)試驗。其中，圖3是套筒式隔熱方案及工業(yè)試驗效果。計算比較，該風口熱流損失降低19.2%，折算減少風溫溫降14.2℃。

圖3 隔熱套筒安裝及試驗結果（右圖：縱坐標，KJ／h，橫坐標：天）

圖4是一體式隔熱方案工業(yè)試驗效果，風口熱流損失降低31.26%，減少風溫溫將23℃。

圖4 一體式方案工業(yè)試驗效果

4.3 新型節(jié)能風口工業(yè)應用試驗

根據(jù)各種方案的試驗室和工業(yè)試驗結果，確定對一體式方案進行進一步優(yōu)化和工業(yè)試驗。分別研制了兩種新型節(jié)能風口樣品，并在4000m3高爐上進行了工業(yè)應用試驗。

試驗過程顯示：

（1）試驗風口長期運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)任何質量問題，使用壽命正常。

（2）試驗風口冷卻水流量不變，冷卻水溫差大幅下降，熱流損失大幅降低，見圖5和圖6。A型風口熱流損失減少45.35%，減少風溫溫降36℃，B型風口熱流損失減少48.5%，減少風溫溫將34℃。

圖5 A型節(jié)能風口效果（37＃：試驗風口）

圖6 B型節(jié)能風口效果（12＃：試驗風口）

一體式節(jié)能風口的試驗效果突出，減少熱流損失近50%，具有大幅度提高實際入爐風溫和有效降低焦比的作用。

5 長壽節(jié)能風口效果及效益分析

高爐風口壽命的有效延長和實際入爐風溫的提高會給高爐生產帶來明顯的降成本和節(jié)能效益。

針對本廠試驗的4000m3高爐，如風口壽命普遍提高67%時，年風口消耗數(shù)量將減少約30個，價值約80萬元。更重要的是，風口破損的大幅減少將有效降低因休風更換風口造成的高爐產量損失和燃料比損失，其潛在效益巨大。

風口的節(jié)能效益體現(xiàn)在通過提高實際入爐風溫來降低焦比上。按平均提高35℃入爐風溫估算，可降低焦比3.5kg／tHM。對于本廠4000m3高爐的年節(jié)焦效益將達2170萬元，減少CO2排放3.46萬噸／年。經濟效益和社會效益顯著。

6 結論

研究開發(fā)高爐風口長壽節(jié)能技術是一項有重要意義的工作。本文對風口破損機理的分析支撐了長壽風口技術方案的設計。長壽風口試驗結果驗證了機理分析的合理性和技術方案的正確性，同時體現(xiàn)了工業(yè)應用價值。在多種風口節(jié)能技術方案中，一體化節(jié)能風口方案的節(jié)能效果最佳。新風口的應用會帶來顯著的經濟效益和社會效益。