孟玉杰,曹朝真,梅叢華,毛慶武

　　(北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司 煉鐵事業(yè)部

　　北京市冶金三維仿真設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心)

　　熔融還原煉鐵技術(shù)的研究和工程化在我國取得了非常大的進(jìn)展，其資源優(yōu)化利用和清潔環(huán)保生產(chǎn)是鋼鐵行業(yè)發(fā)展的方向，我國首座HIsmelt熔融還原工業(yè)化煉鐵廠于2016年正式投產(chǎn)[1]，作為世界上唯一生產(chǎn)運(yùn)行的工業(yè)化工廠翻開了HIsmelt工藝發(fā)展的新篇章。

　　HIsmelt工藝可直接使用礦粉（<6mm）和非焦煤粉（<3mm）進(jìn)行熔煉，完全不使用焦炭，無需焦化和鐵礦粉造塊，主要的還原反應(yīng)和熔煉過程集中在同一個(gè)還原爐內(nèi)完成，鐵礦粉還原速度快，通過高溫?zé)煔馀c熔池之間的傳熱來完成反應(yīng)，其獨(dú)特的工藝特點(diǎn)在冶煉高磷礦、釩鈦磁鐵礦以及用于鋼廠固廢粉塵處理有特別的優(yōu)勢，而同時(shí)熔融還原爐爐襯壽命也成為其典型的關(guān)鍵技術(shù)。

　　1核心反應(yīng)容器-熔融還原爐

　　圖1 HIsmelt 工藝熔融還原爐內(nèi)部主要反應(yīng)

　　Figure1 Principle of Reaction on SRV of HIsmelt Process

　　HIsmelt工藝熔融還原爐（Smelt Reduction Vessel以下簡稱SRV爐）內(nèi)分為鐵浴區(qū)、過渡區(qū)和煤氣區(qū)，主要發(fā)生了下述反應(yīng)，在熔池區(qū)固體噴槍將預(yù)熱后的礦粉、粒煤和溶劑一起噴進(jìn)鐵水熔池，固體原料被高速地噴入熔池的深處，噴吹物開始與熔池中的鐵水接觸，碳素熔于鐵液，爐料中的鐵氧化物被溶解碳還原形成CO和熔融鐵水，鐵礦粉中的脈石、熔劑和煤粉中的灰份融合形成熔渣。熔池區(qū)上方的氣體空間稱為煤氣區(qū)，煤中的揮發(fā)份被裂解形成CO和氫氣，與經(jīng)熱風(fēng)槍引入的1200℃富氧熱風(fēng)進(jìn)行燃燒反應(yīng)產(chǎn)生熱量（反應(yīng)式1和2），熔融的鐵水和爐渣被熔池中快速釋放的CO、H2和用作載氣的氮?dú)饪焖俚膰娖鸷突芈?，形成涌泉，熔池中氣體的上浮能量把大量的渣、鐵液滴帶到煤氣區(qū)，涌泉中的爐渣掛附在水冷爐壁和噴槍上，減少了熱量損失。此渣、鐵液滴噴涌的區(qū)域被稱為過渡區(qū)，該區(qū)域液態(tài)渣、鐵處于煤氣中（反應(yīng)式3和4），促進(jìn)燃燒后的熱量連續(xù)地傳回熔池中。燃燒產(chǎn)物CO2和H2O穿過過渡區(qū)時(shí)，會與包著鐵液滴的碳發(fā)生反應(yīng)（反應(yīng)式5和6），這些逆反應(yīng)降低了工藝的效率應(yīng)當(dāng)控制。


 

　　為煤氣中一氧化碳的體積百分含量；[H2]煤氣中氫氣的體積百分含量。

　　為實(shí)現(xiàn)向熔池的高效供熱，HIsmelt工藝采用較高的二次燃燒率，一般控制在50%～60%，這種工藝特點(diǎn)也導(dǎo)致大量未能進(jìn)行傳遞的能量留在煤氣中隨煤氣離開SRV，高溫煤氣溫度高但熱值低，溫度在1400℃～1650℃之間。我國首座HIsmelt熔融還原工業(yè)化煉鐵廠（以下簡稱新工廠）主要產(chǎn)品典型的鐵水、爐渣成分見下表。
 

　　1熔融還原爐內(nèi)襯技術(shù)和長壽措施探討

　　由于HIsmelt工藝熔融還原爐內(nèi)具有較高的二次燃燒率，且爐渣中氧化亞鐵含量較高在4%～6%之間，對耐火材料侵蝕嚴(yán)重，而熔池內(nèi)的渣鐵共存區(qū)即過渡區(qū)是SRV爐內(nèi)溫度最高和擾動(dòng)最激烈的區(qū)域，此區(qū)域耐火磚長期受到渣鐵混合物的侵蝕和沖刷，易發(fā)生蝕損和剝落，造成耐火磚體積不斷減少，會形成內(nèi)襯空洞或嚴(yán)重的垮塌。在專利200510081325.8中描述，HIsmelt工藝運(yùn)行時(shí)熔融還原爐需要每年局部更換一次爐襯，每兩年整體更換一次爐襯。而在Kwinana工程中，最初的爐缸內(nèi)襯設(shè)計(jì)壽命是18個(gè)月，但Kwinana廠第一代爐役只維持了不到3個(gè)月，3年間曾4次更換爐缸內(nèi)襯，與高爐爐襯的使用壽命相比差距巨大，若想在煉鐵技術(shù)中具有競爭力，SRV爐爐襯的壽命成為HIsmelt工藝的一處技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

　　1.1熔融還原爐內(nèi)襯的損壞情況

　　原KWINANA工廠熔融還原爐熔池區(qū)內(nèi)襯設(shè)計(jì)見下圖2所示，采用鎂鉻質(zhì)耐火材料從渣鐵線往上砌筑成傾斜的“看臺”形狀結(jié)構(gòu)直至渣口位置，設(shè)計(jì)此種結(jié)構(gòu)可以使?fàn)t缸熔池區(qū)域平滑過渡到爐身煤氣區(qū)域，隨氣體帶入到爐身上部的渣鐵熔滴落在看臺區(qū)域，從斜臺上滑落到熔池區(qū)，減少渣鐵熔融物對此部分的沖刷和防止渣鐵在此區(qū)域積累。此種爐缸內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因看臺區(qū)域內(nèi)襯發(fā)生侵蝕損毀導(dǎo)致耐材脫落，造成跑鐵事故的發(fā)生，侵蝕斷面如下圖2[2]所示。另外，過渡區(qū)耐材受侵蝕速率較大，沒有受到保護(hù)，長期生產(chǎn)后爐襯急速減薄。

　　圖21SRV爐缸內(nèi)襯侵蝕示意圖

　　Fig.2 SRV Refractories lining damage schematic drawing

　　為解決以上問題，在中國HIsmelt新工廠的設(shè)計(jì)中,爐缸渣線區(qū)域采用了銅冷卻壁來代替看臺區(qū)域內(nèi)襯的方案，并在爐缸區(qū)域采用抗侵蝕性能優(yōu)異的Al2O3-Cr2O3質(zhì)材料來代替原有的MgO-Cr2O3質(zhì)材料，且重新設(shè)計(jì)了爐缸的砌筑形式，如下圖3所示。對新的砌筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度場計(jì)算，下圖4為SRV爐爐缸內(nèi)襯有限元分析模型及溫度分布圖，通過ANSYS模型模擬爐缸內(nèi)襯的溫度分布，此模型可反應(yīng)開爐狀態(tài)內(nèi)襯完好情況下的溫度分布，可以看出1150℃鐵水凝固線僅占內(nèi)襯厚度的1/5，從爐內(nèi)介質(zhì)表面至鋼殼外表面溫度分布下降均勻，過渡區(qū)均在高材質(zhì)的鋁鉻磚范圍內(nèi)，砌筑層厚度設(shè)計(jì)合理。而開爐后爐襯表面被熔渣滲透的內(nèi)襯會形成一定的渣皮保護(hù)。
 

……