单管煤枪的改进与应用

敖爱国,刘 煜

(宝山钢铁股份有限公司宝钢湛江钢铁有限公司,广东 湛江 524072)

高炉喷煤是以煤代焦、控制风口前理论燃烧温度、有效降低炼铁成本、减少污染物排放的重要技术措施。喷煤枪是高炉喷煤系统中重要的设备之一,其结构、材质及使用寿命直接影响高炉喷煤比、煤粉燃耗率、风口喷煤的均匀度、风口的工作寿命以及备件消耗、高炉作业率等诸方面,使用性能良好且长寿命的煤枪对减轻现场操作维护人员的劳动强度也具有十分重要的意义[1-2]。

结合宝钢股份多年来的高煤比操作经验和国内外高炉目前普遍采用的煤枪技术,为降低喷煤枪冷却气量和工序成本,宝钢湛江钢铁公司自主研发出长寿单管煤枪,并在2015年9月25日投产的1号高炉、2016年7月15日投产的2号高炉上使用。生产实践证明,该煤枪使用效果好、寿命长,由于取消了冷却用气,有效降低了生产成本,取得了良好的经济效益。

1 单管煤枪与外冷式套管煤枪的差异

单管煤枪与外冷式套管煤枪相比,具有寿命长、能耗低、耐磨损的优势。

(1) 单管煤枪前端采用耐高温、耐磨陶瓷内衬,大幅度提高了煤枪前段在高温环境下的耐热强度和耐磨性能,从而大幅减少了变形量,延长了该段的使用寿命。

(2) 单管煤枪使用中是不需要通冷却气的,大幅度减少了冷却气的使用,降低了压缩空气的消耗,减少了生产成本。

(3) 减少进入炉内的冷空气量,有利于提高风口前理论燃烧温度,减少风口磨损,降低高炉临时休风率,降低煤枪使用成本。

2 普通单管煤枪的不足及湛钢长寿单管煤枪的特点

2.1 普通单管煤枪存在的问题及分析

普通单管煤枪因无外部冷却、高温耐磨性差,常发生枪管前部变形弯曲、煤粉流股发散或偏离中心、磨损风口内壁等现象[2-3],为此,许多高炉采用内衬陶瓷煤枪。

普通单管内衬陶瓷煤枪在使用过程中,时常出现枪管的内衬陶瓷区域被煤粉磨穿的情况。分析认为,由于煤枪插入直吹管内的部分工作温度高达1 000～1 200 ℃,内衬陶瓷层由于自身热应力、钢管与陶瓷冷热收缩特性差异以及枪管震动等原因而产生环形裂纹。内衬陶瓷的长度越长,钢管壁厚越大,产生裂纹的几率越高。如内衬陶瓷环形裂纹宽度不大,尚能发挥其减小管壁磨损的作用,但如果此环形裂纹扩展到一定程度,即出现陶瓷层环形断裂,发生向前位移和产生无陶瓷的“空区”,这一“空区”位置正好是枪管被煤粉冲刷最为严重的部位。

现有的钢管自蔓延内衬陶瓷技术还无法从成分、组织结构上克服高温环境下产生裂纹的问题,煤枪使用中更无法控制裂纹产生的位置。因此,要防止枪管的内衬陶瓷区域被煤粉磨穿,只能从控制内衬陶瓷断裂后的位移量方面研究对策。

煤枪使用中还经常出现内冷气入口三通前部被煤粉磨穿的现象。经过长期观察发现,其主要原因是冷却气进入煤枪与煤粉流混合后,原煤粉流股从层流变为紊流状态,紊乱的煤粉颗粒对该区域枪管内壁产生磨损,一定时间后导致此段煤枪被磨穿。

2.2 湛钢长寿单管煤枪的技术特点

湛江钢铁高炉喷煤煤枪的结构为单管直管式煤枪,如图1所示,由枪身、与煤粉软管连接的短管(枪尾)和与内冷气管件连接的三通管以及枪头(前段)组成。区别于普通的内衬陶瓷煤枪,枪头(前段)由耐热钢管本体和覆盖在钢管内表面的耐磨材料层构成。

该煤枪结构、材料有如下特点:

(1) 枪管前段(高温区部分)内衬耐磨材料。普通内衬陶瓷单管煤枪前段所附加的陶瓷层长度一般较短,多为100 mm左右,在生产使用过程中容易发生变形甚至被磨穿的现象。本煤枪前段内壁所覆盖的耐磨材料长度较长(约1 m),这种结构大幅度提高了煤枪前段在高温环境下的耐热强度和耐磨性能,从而大幅减少了变形量,延长了该段的使用寿命,而且实现了前段多次重复使用。

(2) 煤枪前段端部设置耐磨材料防位移阻挡装置,可防止内衬耐磨材料层在使用过程中因环形断裂所发生的脱离层位移,确保煤枪前段不被煤粉磨穿。另外,由于每支煤枪端部内衬耐磨材料层后内径都存在一定的差异,设置阻挡位移装置后,其内径几乎一致,解决了煤枪端口断面尺寸不均匀的问题,有利于均匀喷煤。

(3) 三通管前部设置耐磨材料管。在内冷却气入口三通管前部的枪体内增设耐磨材料管,防止此区域枪管被紊流状态的煤粉流磨穿,如图2所示。

同轴套筒式煤枪结构复杂,煤枪安装角度过小会与直吹管干涉。其外冷却气常开,消耗量较大,而且需要设置单独的冷却供气系统。湛江钢铁研发的内冷式长寿单管煤枪结构简单,使用寿命长。内冷却气管道从分配器吹扫用压缩空气管道接出,距离较近。内冷却气不常用,只在煤粉停喷的情况下为了防止煤枪损坏时才使用。因此,冷却用气量大大降低。湛江钢铁长寿单管煤枪安装角度小,不仅避免了煤枪与直吹管的干涉,而且煤枪中心线与直吹管中心线的夹角更小,利于防止煤粉流股偏离和磨损风口。

(4) 确定合理的煤枪内径和煤流出口速度。根据煤枪出口位置、枪头内径、煤粉流股与风口中心线的夹角以及煤粉射流在风口内的扩散宽度,选择合适的罐压和输送气量,保证一定的煤流出口速度和较窄的扩散范围,减少风口内壁的磨损。

3 湛钢长寿单管煤枪的使用效果

自宝钢湛江钢厂两座大高炉投产以来,自主研发的长寿单管煤枪在高炉上使用效果良好。据统计,这种煤枪的使用寿命能确保在高炉的1个定修周期内不损坏。由于煤枪使用1个定修周期后,无论是否能够继续使用均一律更换,所以煤枪的实际使用寿命将超过1个定修周期(3个月)。而且,在1个定修周期内煤枪可重复使用3次(3次临时休风,每次可拔出再插入使用)。通过在煤枪端部设置耐磨材料防位移钢制阻挡装置,消除了各个煤枪端口的内径差异,风口圆周喷煤更加均匀。湛钢2座5 050 m3高炉使用这种长寿单管煤枪,都取得了很好的效果,在喷煤比180～185 kg/t、喷煤量90～100 t/h的生产指标下,煤枪操作参数见表1。

表1 湛钢高炉煤枪操作参数

与外冷式套管煤枪相比,湛江钢铁高炉采用长寿单管煤枪,省去外冷却气,具有如下两方面的优势:①节省外冷却气消耗7 200 m3/h。按价格0.1元/m3计算,每座高炉1年节约成本7 200 m3/h×24 h/d×365 d×98.5%×0.1元/m3=621.3万元。②减少了外冷却气对实际风温的影响14 K,节约焦比1.2 kg/t,每座高炉1年节约成本1.2/1 000×11 504 t/d×365 d×98.5%×1 980元/t=982.7万元。

此外,在使用长寿单管煤枪后,对高炉风口小套内壁的磨损导致小套破损的数量大幅度下降。如表2所示,湛钢1BF在2017年将煤枪更换为新型的长寿单管煤枪后,由于风口小套内壁磨损导致的小套破损数量从2016年的13个大幅下降至2017年的7个,减少了小套的更换次数,延长了小套使用寿命,至2018年已基本无风口小套内壁破损的情况。

表2 湛钢1号高炉风口小套破损实绩

4 结论

宝钢湛江钢铁高炉研发和采用的长寿单管煤枪经过长时间的实际生产使用检验,其结构简单、先进可靠,性能优良,使用寿命长。通过特殊的结构设计和合理设置内衬耐磨材料,达到了提高耐磨性、减小煤枪前段变形量、控制内衬耐磨层位移量的目的,有效提高了煤枪的使用寿命,并改善了风口喷煤的均匀性。由于煤枪寿命长和取消了外冷却气,同时也减少了对风口小套磨损,延长了小套寿命,与套管式煤枪相比,有效降低了高炉的生产成本,取得了良好的经济效益。