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国内外高炉炉缸烧出事故案例及分析

【摘要】:
1概述   高炉炉缸炉底安全状态直接关系到一代炉役的终结与否。因此,在设计、监测、操作和维护方面,广大的炼铁技术人员和管理人员对高炉炉缸安全非常重视。自2015年年底以来,伴随着高炉经济料的使用、受市场催动高炉产能的不断提升、高炉操作及监测手段相对落后的情况下,国内高炉出现炉缸炉底烧出的情况。尤其是2016年以来,随着产能的不断扩大,市场形式影响下高炉检修等维护日期的不断延后,对高炉炉缸的安全造成
1 概述
 
  高炉炉缸炉底安全状态直接关系到一代炉役的终结与否。因此,在设计、监测、操作和维护方面,广大的炼铁技术人员和管理人员对高炉炉缸安全非常重视。自2015年年底以来,伴随着高炉经济料的使用、受市场催动高炉产能的不断提升、高炉操作及监测手段相对落后的情况下,国内高炉出现炉缸炉底烧出的情况。尤其是2016年以来,随着产能的不断扩大,市场形式影响下高炉检修等维护日期的不断延后,对高炉炉缸的安全造成很大的威胁。
 
  高炉炉缸由外至内通常包括炉皮、捣料层、冷却壁、捣实层、碳砖、陶瓷杯、黏土砖等,其中,黏土砖在高炉开炉后2个月内脱落。高炉正常生产时炉缸铁水与炉墙陶瓷杯或碳砖之间生成一层炉渣、铁水、碳砖、含钛难融物组成的保护层,这就是我们所说的“高炉炉缸自保护层”。 
 
 
 
高炉炉缸结构简图
 
  以下针对国内外典型高炉炉缸烧出案例进行统计,并对烧出原因、修复和维护等方面进行详细的说明,为国内外高炉的长寿提供技术和数据参考。
 
表国内部分高炉炉缸烧出统计
 
 
 
 
2 鞍钢新3#高炉炉缸烧穿事故分析
 
2.1 高炉参数
 
 
 
新3号高炉设计参数
 
 
2.2 高炉烧出经过
 
  2008年8月25日20:30左右,新3高炉处于正常生产状态,炉内各操作参数全部正常,炉前2#铁口执行出铁作业末期,突然在4#铁口炉台下方炉缸区域出现异常响声并伴有火光,高炉值班工长立即组织现场人员撤离并迅速减风到零(休风),同时通知火警及上报事故。
 
  20余辆消防车辆于报警后陆续到达,对现场起火区域灭火,由于现场火势较大,于次日5:40分左右才将现场明火扑灭。
 
  事后确认:4#铁口下方炉缸烧穿,大量渣铁和炙热的炉料(焦炭、矿石)喷出,现场烧损严重(新3高炉本体电缆、煤粉喷吹总线电缆、新2高炉电源电缆、计量仪表电缆、出铁场天棚、4#炉前炮、开口机、东场及北场炉前吊车、炉前休息室、电梯等烧损。)
 
 
 
 
烧出现场
 
 
 
 
2.3 事故处理
 
现场积料清理(25/8-20:30—28/8-7:00,总计58.5h)
 
利用挖掘工具和人力,将烧穿区域大量渣铁、炉料清理干净,露出烧穿部位,交付设备检修人员处理。
 
烧损部位清理(28/8-7:00—30/8-16:00,总计57h)
 
割除烧穿区域烧损的5块冷却壁,并清理烧穿部位的残渣、炉料,抠除部分烧损炭砖,露出砌筑接口。
 
烧损部位砌筑(30/8-16:00—02/9-15:00,总计71h)
 
利用工程剩余的UCAR炭砖重新砌筑,部分炭砖需要现场加工外型,缝隙采用炭质泥浆。总计砌筑11层,449块炭砖。
 
烧损部位冷却壁安装、试水(2/9-15:00-6/9-15:00,总计96h)
 
按图纸重新制作5块铸铁冷却壁,焊接安装,外联水管焊接,试压,通水。
 
高炉装料及送风前准备(6/9-15:00—7/9-4:00,总计13h)
 
 
 
 
2.4 原因总结
 
(1)炉缸冷却强度不够。
 
设计炉缸冷却循环水量1248m3/h,由于水量少,导致冷却强度偏低,不能将热量及时传递出去,造成内部炭砖出现异常侵蚀。此时二段水温差经常在1.5℃左右,对应的热流强度在24KW/m2,按照鞍钢院的设计思路,老区新建2580高炉(7、新4、新5)炉缸冷却水量都大于3700m3/h。另一方面,环炭设计成高导热的UCAR炭砖,更加显现冷却水量不足,炉内传递出来的大量热量无法排走的弊端
(2)炉缸部位相应温度检测点检测设置偏少,操作人员无法判断异常侵蚀情况。
 
炉缸6层冷却壁未设计水温差检测装置,导致局部热流强度过大时,高炉操作人员无法掌握。炉缸环炭区域只设计了7层环炭温度检测,尤其在二段部位,只在四个方向安装了8点温度检测,且都不在侵蚀最严重的铁口下方,导致无法掌握该部位的侵蚀情况,导致炭砖侵蚀殆尽并最终烧穿。
(3)炉缸耐材设计成陶瓷杯+UCAR小块环炭的形式不合理。
 
高炉炉缸陶瓷杯耐火材料具有较高的强度与抗渣铁侵蚀性能,导热性较差,有较大的膨胀系数,在炉缸起的作用是保热。而小块碳砖导热性非常好,主要是通过冷却系统的热量传递,在表面形成1150℃的铁水凝固线来保护小块碳砖,由于很难精确地考虑到陶瓷杯砌体膨胀量与陶瓷杯破损时间,就有可能在高炉开炉不久产生的膨胀力使陶瓷杯砌体迅速损坏或对小块碳砖产生挤压性破坏;小块碳砖施工要求留有适当砖缝,其中的浆料炭质焦泥的固结温度大于400℃,因陶瓷杯砌体的存在,开炉后不能很好的进行加热固化,呈流态,当陶瓷杯破裂后,铁水容易进入砖缝,甚至出现漂移。
2.5 预防及改进
 
增加炉缸部位冷却强度
 
由于设计冷却强度低,为维护炉缸安全,千方百计提高炉缸冷却强度。(1)原设计闭路水泵工作2用2备,先期改为3用1备,炉缸冷却水量由1200m3/h增加到1500m3/h。
 
(2)在线生产期间对闭路水泵、炉缸供水管线增容改造。水泵流量由2700m3/h增容到3200m3/h,并新增2条炉缸供水管线,使炉缸冷却水量增加到2900-3000m3/h左右。
 
(3)对铁口下方热流强度较高的冷却壁预留高压工业水支管(1.6MPa)。
 
(4)铁口区域下方炉皮喷淋水冷却。
 
 
利用检修机会压浆
 
由于砌筑或生产过程中的热膨胀现象,会在炉皮与冷却壁间以及冷却壁与炉缸炭砖之间产生气塞,尤其在冷却壁与炭砖之间的气塞,会严重降低冷却效率,致使炭砖热面外扩,熔蚀加快。换角度说:只有消除气塞,冷却系统才会发生作用,将热量传递出来,利于炉缸内形成渣铁保护层,促进炉缸的安全长寿。
 
利用检修停炉机会,在炉缸区域冷却壁之间炉皮开孔(¢15-20mm,孔深到达炭砖面),用压浆机将炭质泥浆压入。
 
 
 
 
原则:1、压浆机压力应控制小于2.0MPa,否则容易造成炭砖内移或冷却壁变形破损。2、开孔不宜过密集,
 
否则易造成炉皮强度下降。3、旧孔在下一次检修过程中可重复利用
 
采用钒钛矿护炉
 
采用钒钛矿护炉主要是生成高熔点的Ti-C和TiN,沉积在炉缸区域,进而保护炭砖,减少侵蚀。鞍钢主要采用
 
天然钒钛矿、钒钛球团、冷固结钒钛球团三种原料,具体使用视资源和价格因素综合考虑。
 
加强检测
 
加强对炉缸炭砖温度、炉缸各部位水温差的检测,给操作者提供更多的基础数据,对及时采取应对措施,避
 
免各种炉缸事故的发生无疑是必要也是必须的。
 
 
 
 
原则:1、采用一点双支电偶,以便检测炭砖侵蚀情况。2、钻孔深度进入炭砖150mm,两点电偶深度分别为50mm和150mm。3、铁口区域尤其铁口下方侵蚀严重的地方是安装的重点部位。(新3高炉共计新增电偶检测68支,136点)
 
 
对新三高炉进行超声波-回波监测,是采用应力波无损检测方法监测炉况
 
 
 
 
沿3号高炉周向布置20条线检测线每条检测线设定多达14个检测点。
 
说明:检测由加拿大HATCHGON公司进行,国内目前上海大学于要伟教授采用电动势测量任由较高的精确度。
 
制定合理的事故控制预案
 
 
 
 
3 沙钢1#2500m3高炉炉缸
 
2.1 基本情况
 
1.Vu=2500m3;购自德国蒂森克虏伯的二手设备,2004年3月16日投产。
 
2.炉缸直径10.9m;炉喉直径8.3m;炉缸高度4.42m;死铁层高度2.203m;炉缸容积412.4m3。
 
3.2个出铁口(东、西);28个风口。
 
4.全炉13层冷却壁。1层(40)和2、3层(38)低铬铸铁、光面;风口带球墨铸铁、光面;5~8层铜壁;9~12层球墨镶砖;13层球墨倒扣、光面。炉底水冷。
 
5.炉衬。
 
(1)炉底立砌2层国产炭砖,每层600mm;下层半石墨,上层石墨;第三层平砌一层日本产微孔炭砖,400mm;再上为法国陶瓷垫,两层各400mm;
 
(2)炉缸环砌11层炭砖。1~4层超微孔炭砖(日本);5~9为日本产微孔炭砖;11~12层为国产炭砖;
 
(3)铁口区为日本超微孔组合炭砖;
 
(4)炭砖与冷却壁间为碳素捣料,60mm;
 
(5)风口区采用刚玉莫来石大块组合砖;
 
(6)炉缸内衬陶瓷杯。
 
6.冷却系统采用软水密闭循环。
 
7.烧穿处炭砖原厚度为1104mm,捣料厚度60mm。
 
8.炉缸热电偶大部分已损坏。
 
 
 
2.2 事故说明
 
2010年8月20日晚20:08,沙钢1#2500m3高炉炉缸烧穿。烧穿位置在19#风口正下方(西铁口正上方是15#风口),与西铁口夹角51.43°;水平位置距铁口中心线1.6m;1和2层冷却壁之间。最终烧坏的冷却壁有1层25#、26#,2层23#、24#、25#。破损孔洞呈椭圆形,横向约700mm,纵向约500mm。烧穿后当即休风。从炉内流出渣铁约350t,并喷出焦炭。喷出物在炉台引起大火,烧坏电缆等设备,幸无人员受伤。烧穿前,东铁口于20:06打开,流铁约100t。烧穿时,正常料线,休风后料线约8m,向烧穿方向倾斜。
2.3 炉缸解剖情况
 
 
纵剖示意图
 
铁口位置示意图
 
2.4 烧穿原因
 
远因分析
 
 
1#高炉设计寿命15年,实际使用6年5个月。寿命较短的原因:
 
(1)1#高炉是沙钢第1座大型高炉,投产初期缺乏经验,炉况不顺,事故频繁,经常用锰矿洗炉。加上炼钢事故多发,高炉频繁休风,04、05年休风率高达5~9%;
 
(2)04、05、08年由于操作制度不佳,焦炭质量低下等原因,风口大量破损。05年3月最严重时,一个班坏风口14个;08年因焦炭质量下降,3座高炉共坏风口400多个。大量水流入炉缸,对炭砖的破坏作用严重;
 
(3)长期Zn负荷高。08年前(含08年),片面理解循环经济,Zn负荷2~2.5kg/t,改善后仍达到1.3kg/t左右,炉衬上涨,中缸严重上翘,对炭砖寿命极不利;碱负荷偏高;
 
(4)铁口少。国内外很少2500m3等级高炉只有2个铁口。每个铁口流铁量较3个铁口增加50%(生产期间共出铁26404次,每个铁口13202次),增加了铁口周围炉衬的侵蚀速度;
 
(5)较多时间焦炭质量不佳,炉缸中心焦柱透液性低,加剧铁水环流对炉衬炭砖的侵蚀;
 
(6)铁口长期深度不足,据研究,对铁口两旁30~60°内的炭砖十分不利;
 
(7)水量不足,设计水量3200t/。扣除炉底冷却后,炉体冷却用水量只有2800t左右。较国内同类高炉低;
 
(8)设计产量630万t/年,09年产680万t,特别是2010年在护炉情况下,强度未减。
 
 
 
近因分析
 
 
(1)09年10月HATCH公司无损检测结论,炉缸最薄处炭砖厚  度仍>600mm,有一定误导作用,对护炉力度、压浆决策起负面影响;
 
(2)在炭砖过薄的情况下,热面压浆压力过高,疑将残砖推向炉内。这从压浆后7#风口全黑(估计所压浆料沿残砖内侧上到风口),在风口发黑后9小时烧穿以及烧穿口内大面积已无残存炭砖可以证明(如为熔损,破损口应呈喇叭形,不应大面积无砖)。
 
 
 
总结
 
高炉炉缸安全按照目前的情况发展下去有集中爆发的危机,因此,从操作层面和监测层面,广大炼铁同行应引起重视。建议在入炉碱金属控制、炉缸热流强度监控、出铁操作等方面进行强化,以降低炉缸发生危险的风险。
休风后拆下一段25#、26#,二段23#、24#、25#、26#,6块冷却壁及相应的炉壳。扒出烧穿口内侧炉料,以求清出残存炭砖平面,便于砌筑新砖。清理发现残破口内存在多量未熔化、但已熔结在一起的烧结矿和球团矿,说明有软熔带以上的炉料下落到死铁层。残铁口向右(顺时针)约1.5m,向左逆时针,即向西铁口方向约3米;向上下各300mm的大面积内已完全或基本没有炭砖。最后向下拆到环砌炭砖第三层上平面和六层炭砖下平面,上下各有400~560mm炭砖。第四和五层向右拆到二段第26#冷却壁内面约0.5m处,发现炭砖约300mm,向左侧直到二段22#冷却壁内面800mm处才发现有炭砖,而且厚度只有50~100mm,连同60mm厚的炭素捣料,最薄处只有150mm。而且向高炉半径方向存在高钛物质,继续清理十分困难。