Corex炼铁过程风口故障及成因

    Corex是一种用非炼焦煤及纯氧代替焦炭及空气的熔融还原炼铁工艺。风口区温度比高炉风口区温度高很多，因而风口的承受能力是一大难题。印度JSW钢厂停炉故障中近15%是由于更换烧损风口造成的。为了弄清故障机理及找出主要原理，对风口故障及影响风口烧损的生产过程参数进行了详细分析。虽然造成风口故障的原因很多，但主要是细煤粉（-6.3mm）过多、平均粉粒尺寸过小、压力低、风口堵塞产生痂疤及崩料等。

    2 风口故障类型

   在Corex炼铁过程中发生的风口故障有不同类型。一种是因风口底部受到铁水冲击造成的烧穿。风口顶部是温度最高的区域，此区域液态熔融产物流动可能极为迅速。当煤质不够坚硬产生大量煤粉时，流动阻力会变大，熔融产物流动变缓，会聚积在风口底部。在这种情况下，熔渣及铁液都会升高，到达风口平面。另外两种风口故障是由氧流喷嘴前端腐蚀及堵塞引起的。据观测超过90%的风口故障是由此喷嘴前端腐蚀引起的。风口材质是99.96%高纯铜材，原喷嘴口径为24mm，而腐蚀后扩大到84mm。

    3 问题说明

    两套Corex装置从投产开始就都频频出现风口烧穿故障。Corex-I及Corex-II大修后，月风口烧穿率最高分别达到19次及16次。观察结果表明，风口寿命从46天到360天不等，平均为100天。另据观测发现，故障出现频率与炉子部位有关。出铁口区是受影响最重的地方。

    4 煤性能对风口故障的影响

    根据工艺参数统计分析进行观测表明，风口故障主要原因之一是煤质量差，主要是细煤粉多（-6.3mm）及煤粉平均粒度小（MPS）。Corex所用煤粉平均粒度通常在17mm及20mm之间不等，而细煤粉量可高达26%。不同煤粉平均粒度对风口烧损率的影响不同。据观测，随着细煤粉的增多及煤粉平均粒度的下降，风口的烧损次数逐渐增多。而细煤粉比率的影响远大于煤粉平均粒度。细煤粉比率高的及平均粒度小的煤会降低含碳料层的透气性，造成气流分布不均，形成气沟。这样就会因热传导不足及气流不均匀而进一步导致风口区附近局部温度偏高。当煤粉平均粒度小时，可以观测到出现更多的压力峰值，使炉子难以保持稳定。

    5 有可能是反压力失控

    风口可能因熔融金属及熔融炉渣的反向冲击发生损坏。研究证实，内腔呈直斜状的风口可以保证速度与音速的最佳比值，即最大马赫数为1。

    当马赫数为1时，在P/P0=0.5283的条件下不会出现反向冲击。其中P代表内压力，P0代表氧气的排出压力。

    在Corex反应过程中，排出压力P0=6.6bar（取设备运行压力=3.6bar）。按公差值为10%考虑，风口前面氧气压力应大于6bar，才可防止上述反向冲击。但在实际操作中，由于氧气厂压力达不到供气压力及供氧系统发生故障，氧气压力常有波动。显然，无论是氧压低于下限，还是波动很大，只要这类现象持续较长时间，风口都会发生故障。对10个风口这类故障（发生于2008年2月23日）进行了研究。结果发现，炉子开始运行时风口氧气入口压力为5.9bar～6.1bar，之后降至4.9bar，而在1h后，10个风口被烧穿。经对工艺参数分析发现，在此次事故中除氧气入口压力有上述改变外，其它各项运行参数皆在正常范围内。

    6 形成痂块及挂料

    造成风口故障的一种可能原因是熔融气化炉内悬料及塌料。采用高碱度炉料可能导致熔融气化炉圆顶及净空区形成痂块及渣壳。只要中断喷吹或压力下降就可能引起渣壳降落在含碳料层里。这种现象会成为炉内发生较大扰动的根源，很可能造成风口故障。对1次这类风口故障作了实验，实验中发现，在出现上述现象后，FeO渣高达2.5%（正常比率为0.3%）。而这种现象的出现只有在渣壳或痂块掉进铁水熔池，炉子受到干扰时才有可能。

    7 风口关闭

    为使炉子保持较低生产率，有些风口被关闭，以维持要求的氧流量。据观测，在一个风口关闭时，该风口标高处温度低，气流阻力高。这样就使风口关闭区变成不活动区，增大了被关风口附近发生烧损的可能性，而且附近风口区这种烧损的发生具有不对称性。例如，1个被关闭的风口，两边各有1个及两个风口发生烧损，或者两个紧接着的风口关闭，其附近的１个及较远的一个风口发生烧损。另外，位于出铁场区风口容易发生烧损。出铁区是更不稳定区，出铁场区附近风口关闭增大了旁边仍在运行的风口烧损的机会。

    8 烧损风口分析

    为了分析风口故障机理，从Corex生产现场收集了烧坏的风口。一般情况下，氧气喷嘴是内腔先为平直，而后变为渐缩，最后又恢复平直的一种喷嘴。将烧坏的风口从其中心线纵向切开后发现氧气喷嘴已腐蚀。风口试样都是从受烧坏风口影响最严重的区域收集来的。腐蚀处含有可以分别取出的纯铜物质及粘着物质，粘着物的化学成分。

    9电子弥散X射线分析

    对既有铜又有粘附物的试样，沿其横断面纵向进行了电子弥散X射线分析。为进行更细致的观测，在从头到尾的不同断面部位上分析了铁及铜的百分率，发现铁从粘着物扩散到铜喷嘴中深达2.5mm，从喷嘴末尾到头顶，铁百分率逐渐下降，而铜百分率升高。粘着物中的其它元素未扩散到铜中。

    10 故障机理的讨论

    几乎90%的风口故障是由氧流喷嘴末端腐蚀造成的。对烧嘴的故障分析表明，氧气喷嘴的腐蚀及浊杂物的粘着都发生在喷嘴内部。粘着物的成分是铁水、熔渣及含碳料层材料。在粘着物所含的各类元素中，只有铁扩散到铜里。温度梯度可以加快扩散速度。铁扩散到铜喷嘴内表面以下深度2.5mm，这降低了热传导，进而引起风口温度升高。随着时间及铁扩散，温度升高得更多，最后风口的一部分变软被高速氧流冲走。于是氧流喷嘴出现腐蚀后风口被烧损。

    炉况不稳定造成物质附着于铜喷嘴上。对操作参数的分析表明，炉子运行当中细煤粉量增多，煤粉平均粒度变小及渣量增加。粉量大降低了含碳料层的透气性，增加了发生气沟、挂料及塌料的机会，破坏了炉子稳定。随着循环区附近气流阻力升高，气体有了向风口顶处循环的机会。这样，气体就有将熔渣或铁水或含碳料层颗粒物带入风口顶端的机会。被携带的颗粒物质粘附于铜嘴顶端，进而引起腐蚀。一旦铜嘴前端发生腐蚀，嘴口就会扩大，向外扩散，使喷嘴嘴壁出现低压区，使反向冲击力有可能大增。这样一来，熔渣、铁水或含碳料层物质贴附于铜喷嘴的可能性自然会大增。

    11 结语

    风口故障有不同类型：风口前端受金属反冲击烧穿，氧流喷嘴前端腐蚀及前端堵塞。

    风口故障原因各不相同，可能的原因有：

    .煤性能不佳；

    .反压力下降；

    .炉内结疤及塌料；

    .风口堵塞。

    从操作角度来看，煤粉细及含碳料层透气性差是风口故障重要原因。由于透气性差导致气流阻力大，增加了出现气沟、崩料、塌料的机遇。这些不良现象会破坏炉子稳定。

    风口前面氧气压力需大于6bar，才能防止反向冲击。