2020-03-28    20:08:13     歡迎來到冶金工業網!
當前位置:首頁  >  資訊中心  >  技術資訊  >  沙鋼2500m3高爐風口小套磨損的原因及對策
技術資訊

沙鋼2500m3高爐風口小套磨損的原因及對策

         關鍵字:風口小套磨損     發布時間:2019/12/17     來源:江蘇省沙鋼鋼鐵研究院

沙鋼2500m3高爐風口小套磨損的原因及對策

雷 鳴1 張明星1 杜 屏1 劉 潮2 魏紅超2

( 1. 江蘇省沙鋼鋼鐵研究院,江蘇 張家港 215625; 2. 江蘇省沙鋼集團有限公司煉鐵廠,江蘇 張家港 215625)

【摘要】 沙鋼 2500 m3 高爐二代爐役初期,部分風口小套內壁下部出現嚴重磨損,磨損處 呈溝壑狀; 同時發現對應的煤槍出現了彎曲變形,煤槍出口向下偏離風口中心線。使用數值模 擬方法,對比分析了煤槍出口與風口中心線重合、向下偏離兩種工況下煤粉的運動。研究結果 表明: 煤槍出口偏離風口中心線時,煤槍出口處煤粉與風口內壁下部接觸是導致風口磨損的主 要原因。進一步研究煤槍彎曲變形的原因發現,該高爐經大修后,煤槍直徑增大了 1 倍,但載氣流量沒有相應增加。采用數值模擬計算了不同載氣流量下煤槍的冷卻強度,發現載氣流量偏小,煤槍冷卻強度不足,從而導致了煤槍的彎曲變形。據此采取了增加煤槍載氣流量的措施,煤槍變形和風口小套磨損得到了有效控制。

【關鍵詞】 高爐;風口小套;磨損;煤槍變形;數值模擬

風口是高爐冶煉送風所必需的重要工藝設備,其壽命的長短直接影響高爐的順行。風口破損大致有熔損、開裂及龜裂、磨損和曲損 4 種形式[1]。近年來,國內多座高爐曾出現過風口內壁磨損的問題,如寶鋼由于煤比過高導致風口磨損[2],武鋼由于煤槍角度、位置、煤粉粒度等原因導致風口磨損[3],漣鋼因送風不均勻造成風口磨損[4]。

興澄特鋼通過數值模擬發現,風口小套過長、堿金屬含量過高、煤槍與風口中心線之間的夾角過大以及煤槍材質的耐磨、耐高溫性能差是小套磨損的主要原因[5]。張全等[6]建立了風口小套氣固兩相流模型,并對噴煤量、風口材質、風口幾何尺寸、風口收縮角以及熱風速度和煤粉顆粒粒徑等因素進行了模擬計算,找出了影響風口小套磨損的主要原因。沙鋼對風口內煤粉的運動也進行了數學模擬,得到了煤粉的運動軌跡[7]。沙鋼2500 m3 高爐經大修后風口內壁磨損,并根據上述經驗對高爐噴煤相關參數進行了調整,但無明顯效果,因此,本文對該高爐風口磨損的原因及機制進行了深入研究。

1 風口磨損情況

沙鋼 2500 m3高爐二代爐役開爐不久,風口內壁頻繁磨損,造成風口壽命縮短,高爐頻繁休風。磨損形貌如圖 1 所示,可見風口內壁下端出現了多條溝壑狀磨損痕跡,分析認為是由于煤粉摩擦風 口 內 壁 所 致。該高爐煤槍插入角度為9° ~ 11°,煤槍出口距風口前端約 200 mm,煤粉粒度 < 74 μm( 200 目) 的比例在 70% 以上,煤比為160~170 kg /t,插槍管理嚴格,在大修前風口小套并未出現內壁磨損跡象。對高爐風口損壞情況的調研后發現,損壞風口對應的煤槍出現了彎曲變形,并向下傾斜,見圖2,煤槍出口偏離風口中心線,推測煤粉軌跡發生了變化,并摩擦到風口內壁。

圖片1 

圖片2 

2 風口磨損原因分析

2. 1 煤槍變形對煤粉軌跡的影響

根據現場調研結果,磨損風口的煤槍均出現變形,煤槍下傾約 5° ~ 10°,推測煤槍變形導致煤粉軌跡偏移,摩擦到了風口小套內表面,造成磨損。因此,對煤粉在風口內的運動軌跡進行了模擬,使用 ANSYS FLUENT 商業軟件,采用連續性方程、標準 k-ε 湍流模型和 DPM 模型,分別計算了煤槍出口和風口中心線重合、煤槍出口下傾 7° 時煤粉的運動軌跡以及風口內壁的磨損情況??刂品匠虨?

連續性方程:

圖片3 

式中: k 是湍流動能; ε 是湍流動能擴散; Gk 是由層流速度梯度而產生的湍流動能; Gb 是由浮力產生的湍流動能; YM 是在可壓縮湍流中,過渡的擴散產生的波動; C、C、C是常量; σk 和 σε 是 k方程和 ε 方程的湍流普朗特數; Sk 和 Sε 是用戶定義的源項。

DPM 模型:

圖片4 

式中: FD( u- up ) 是顆粒的單位質量曳力; u 是流體相速度; u是顆粒速度; ρ 是流體密度; ρp 是顆粒堆密度; dp 是顆粒直徑。

邊界條件設為: 熱風實際速度 230 m /s; 煤槍載氣入口速度 8 m /s; 出口壓力 0. 35 MPa; 殘差10-3,氣體為不可壓縮流體。

圖片5 

計算結果如圖 3 所示,煤槍出口和風口中心線重合時,煤粉軌跡沿風口中心線周圍射出,未接觸到風口內壁。煤槍偏離風口中心線 7°時,煤粉軌跡偏離風口中心線,并接觸到風口內壁下部,存在磨損,這與高爐風口實際磨損情況相似。因此,認為風口小套內壁磨損是由煤槍下傾變形引起的。

圖片6 

2. 2 煤槍材質分析

由圖 2 可知,沙鋼 2 500 m3高爐煤槍的槍頭部位發生彎曲,彎曲處無磨損、燒損現象。煤槍材質為 SUS310S 耐熱不銹鋼,和國內多數高爐所用煤槍的材質相同,正常操作時不會變形。但若鋼管材質不合格,使煤槍耐高溫性能下降,則可能引起煤槍受熱變形,因此對沙鋼 2 500 m3 高爐的煤槍進行了化學成分分析( ICP 法) ,分別分析了煤槍的焊料、槍頭及直段部分,結果如表2所示。由表2可見,沙鋼 2500 m3 高爐煤槍的化學成分合格。對煤槍的顯微組織進行了金相和掃描電鏡分析,未發現裂紋、翹皮等明顯缺陷,如圖 4 所示。

圖片7 

2. 3 煤槍的冷卻

高爐煤槍長期處于 1 200 ℃ 的熱風中,工作環境惡劣,主要依靠煤粉載氣來冷卻,輸送煤粉的載氣為氮氣,不超過 100 ℃。通常載氣流量決定了煤槍的冷卻狀況,若煤槍載氣流量偏低,則會引起煤槍的冷卻不充分,導致過熱變形。高爐經大修后,煤粉的載氣流量沒有變化,但調查發現,大修后為了提高噴煤量,煤槍的內徑由 13 mm 增加到了 26 mm,若載氣流量沒有變化,載氣流速則降低到原來的 1 /4,煤槍的冷卻受到影響。據此對大修前后不同載氣流速下,煤槍的溫度場分布進行了模擬計算。 計算模型如圖 5 所示。采用流固耦合方式,模型外側為固體( 煤槍) ,材質為不銹鋼; 內側為流體( 載氣) ,為氮氣。模型煤槍長度為 1 m,厚度為 4. 5 mm,內徑分別為 13 和 26 mm。計算使用 ANSYS FLUENT 軟件,數學模型包括連續性方程( 式( 1) ) 、標準 k-ε 湍流模型( 式( 2) ~ 式( 3) ) 和能量方程[7]( 式( 5) ) :

圖片8 

式中: keff是有效熱傳導系數; Jj’是組分 j’的擴散通量。

方程( 5) 右側的前 3 項分別描述了熱傳導、組分擴散和粘性耗散帶來的能量輸運。Sh 包括了化學反應熱以及用戶定義的體積熱源項。

圖片9 

模型參數和實際高爐操作參數一致,邊界條件設定為:

( 1) 氮氣的入口溫度為 353 K;

( 2) 熱風溫度為 1 473 K;

( 3) 氮氣流速分別為 30 和 7. 5 m /s;

( 4) 煤槍外壁與熱風之間的熱交換系數由迪 貝斯-貝爾特公式計算得出:

圖片10 

式中: λ 是熱風導熱系數; d 是風口內徑; Re 是雷諾 數; Pr 是普朗特數; ρ 是熱風密度; u 是實際風速; l 是風口內徑; μ 是熱風的動力粘度; Cp 是熱風的比熱 容。

計算所取物性參數( 1 200 ℃) 如表3 所示。

圖片11 

計算結果如圖 6 所示,載氣流量不變,煤槍直徑為 13 mm 時,載氣流速為 30 m /s,煤槍溫度約1 000 K; 當煤槍直徑增大至 26 mm 時,載氣流速下降至 7. 5 m /s,煤槍溫度提高至 1 200 K 左右。這說明決定煤槍冷卻狀況的主要因素為載氣流速。煤槍直徑增大后,若載氣流量不變,流速減小,煤槍的冷卻減弱。由于 SUS310S 不銹鋼的軟化溫度約 1 123 K,由以上計算結果可知,煤槍直徑增大后,槍體的溫度高于其軟化溫度,因此易發生過熱變形。

圖片12 

煤粉載氣流量不變,煤槍直增大后,載氣流速降低,是造成煤槍冷卻不足、受熱變形的主要原因。煤槍過熱變形,直接導致煤槍出口偏離風口中心線,造成風口內壁磨損。

2. 4 措施

經化學分析和數值模擬,發現在材質合格、煤粉流量一定的前提下,造成煤槍變形的主要原因是煤槍內徑增大后,載氣流速過低,冷卻不足,煤槍溫度過高,超過了該材料的軟化溫度,導致煤槍過熱變形。因此提出改進建議:

(1))提高輸粉的載氣流量,使煤槍溫度低于軟化溫度。

(2) 更換煤槍材料,使用更高級別的耐熱金屬材料。

對沙鋼 2 500 m高爐采取了第( 1) 種措施,即提高載氣流量,增強煤槍的冷卻,結果當月變形煤槍的數量大幅度降低,風口磨損也得到了明顯改善。

3 結論

沙鋼 2 500 m3高爐風口磨損是由煤粉軌跡偏離風口中心線、摩擦風口內壁所引起的,而煤槍過熱變形是導致煤粉軌跡偏離中心線的主要原因。經數值模擬計算得出,煤槍變形的主要原因是煤粉載氣流量偏小、煤槍冷卻不足。提高煤粉載氣流量后,煤槍變形明顯減小,風口小套內壁磨損得到解決。

參考文獻

[1]劉菁.高爐風口破損機理及壽命探討[J]. 鋼鐵研究,1998,22( 6) : 11-14.

[2]劉兆宏.寶鋼高爐風口使用情況分析[J]. 煉鐵,1997,16( 2) ; 6-10.

[3]鄭衛國,趙思.武鋼 5 號高爐風口損壞原因及對策[J]. 煉鐵,2001,20( S1) : 31-33.

[4]陳雪梅,楊文華.漣鋼 6 號高爐風口磨損的原因及對策[J]. 煉鐵,2009,28( 3) : 25-27.

[5]徐振庭,郭超.興澄特鋼 3 200 m3 高爐減少風口磨損的措施 [J].中國冶金,2017,27( 12) : 40-43.

[6]張全,鄂加強.高爐粉煤噴吹風口磨損模型及應用[J].中南 工業大學學報( 自然科學版) ,2001,32( 4) : 382-385.

[7]雷鳴,張明星. 基于 FLUENT 對高爐風口內煤粉運動的數學模擬[C]/ /第十五屆( 2011) 冶金反應工程學會議論文集.沈陽,2011: 530-534.

80彩票官方网站