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                2020-01-01    07:40:56     欢迎来到冶金工业∴网,请登录
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                沙钢2500m3高炉¤风口小套磨损的原因及对策

                         关键字:风口小套磨损     发布时间:2019/12/17     来源:江苏省沙钢【钢铁研究院

                沙钢2500m3高炉风口小套磨损的原因及对策

                雷 鸣1 张明星1 杜 屏1 刘 潮2 魏红超2

                ( 1. 江苏省沙钢【钢铁研究院,江苏 张家港 215625; 2. 江苏省沙钢集团有限公司炼铁厂,江苏 张家港 215625)

                【摘要】 沙钢 2500 m3 高炉二代⌒ 炉役初期,部分风口小套内壁下部出现严重磨损,磨损处 呈沟壑状; 同时发现对应的煤枪出现了弯曲变形,煤枪出口向下偏离风口中心线。使用数值模 拟方法,对比☆分析了煤枪出口与风口中心线重合、向下偏⊙离两种工况下煤粉的运动。研究结果 表明: 煤枪出口偏离风口中心∮线时,煤枪出口处煤粉与风口内壁下部接触是导致风口磨损的主 要原因。进一步研究煤枪弯曲变形ω的原因发现,该@高炉经大修后,煤〗枪直径增大了 1 倍,但载气流量没有相应增加。采用数值模拟计算了不同载气流量下煤枪的冷却强度,发现载气流量々偏小,煤枪冷却强度ω 不足,从而导致了煤枪的弯@ 曲变形。据此采取了增加而后把頭靠在胸口煤枪载气流量的措施,煤枪变形和风口小套磨损得到了有效控制。

                【关键词】 高炉;风口小套;磨损;煤枪变形;数值模拟

                风口是高炉冶炼送风所必需的重要工艺设备,其寿命的长短直接影响高炉的顺行。风口破损大致◣有熔损、开裂及龟裂、磨损和曲◎损 4 种形式[1]。近年来,国内多座高炉曾出现过风口内壁磨损的问题,如宝钢由于煤比过高导致风口磨损[2],武钢由≡于煤枪角度、位置、煤粉粒度等原因导致风口磨损[3],涟钢因送风】不均匀造成风口磨损[4]

                兴澄特钢通↘过数值模拟发现,风口小套过长、碱金属含量过高、煤枪与风口中心线之间的夹角过大以及煤枪材质的耐磨」」、耐〇高温性能差是小套磨损的主要原因[5]。张全等[6]建立了风口小套气固两相流模型,并◥对喷煤量、风口材质、风口几何尺寸、风口收缩角以及热风速度和煤粉颗粒粒径等因素进行了模拟计算,找出了影响风口小套磨损的主要原因。沙钢对风口内煤粉的运动也进行█了数学模拟,得到了煤粉的运动轨迹▃[7]。沙钢2500 m3 高炉经大修后风口内壁磨损,并根据上述经验对高炉喷煤相关参数进行了调整,但无明显△效果,因此,本文对该高炉风口磨损▲的原因及机制进行了深≡入研究。

                1 风口磨损情况

                沙钢 2500 m3高炉二代炉役开炉不久,风口内壁频繁磨损,造成风口寿♀命缩短,高炉频繁休风。磨损形貌ζ 如图 1 所示,可见风口内壁下端出现了多条沟壑状磨损痕迹,分析认为是由于煤粉摩擦风 口 内 壁 所 致。该高炉煤枪插入角度为9° ~ 11°,煤枪出『口距风口前端约 200 mm,煤粉粒度 < 74 μm( 200 目) 的比例在 70% 以上,煤比为160~170 kg /t,插枪管理严格,在大修前风●口小套并未出现内壁磨损迹象。对高炉风口损坏情况的调研后发现,损坏风口对应的煤枪出现了弯曲变形,并向下倾斜,见图2,煤枪出口偏离风口中心线,推测煤粉轨迹发生了变╳化,并摩︽擦到风口内壁。

                图片1 

                图片2 

                2 风口磨损原因分吩咐下去析

                2. 1 煤枪变形对煤粉轨迹的影响

                根据现场调研结果,磨损风口的煤枪均出现√变形,煤枪下倾〓约 5° ~ 10°,推测煤枪变形导致煤粉轨迹偏移,摩擦到了风口小套内表♀面,造成磨损。因此,对煤粉在风口内的运动轨迹进行了模拟,使用 ANSYS FLUENT 商业软件,采用连续性方程、标准 k-ε 湍流模←型和 DPM 模型,分别计算了煤枪出口和风口中心线重合、煤枪出口★下倾 7° 时煤粉的运动轨迹以及风口内◣壁的磨损情况。控制方程为:

                连续性方程:

                图片3 

                式中: k 是湍流动能; ε 是湍流▽动能扩散; Gk 是由层流速度梯╲度而产生的湍流动能; Gb 是由浮力产生↘的湍流动能; YM 是在可压缩湍流中,过渡的扩散产生的波动; C、C、C是常量; σk 和 σε 是 k方程和 ε 方程的湍流普朗特数; Sk 和 Sε 是用〒户定义的源项。

                DPM 模型:

                图片4 

                式中: FD( u- up ) 是颗粒的单位质量曳力; u 是流→体相速度; u是颗粒速度; ρ 是流体密度; ρp 是颗粒堆密度; dp 是颗粒直径。

                边卐界条件设为: 热风实际速度 230 m /s; 煤枪←载气入口速度 8 m /s; 出口压力 0. 35 MPa; 残差10-3,气体为不可压缩流体。

                图片5 

                计算结果如啊一聲長嘯陡然從黑色風暴之中響起图 3 所示,煤枪出口和风口中心线重合时,煤粉轨迹沿风口中心线◆周围射出,未接触到风口⊙内壁。煤枪偏离风口中↙心线 7°时,煤粉轨迹偏离风口中心线,并接触到风口内壁下部,存在磨损,这与高炉风口实际磨损情况相似。因此,认为风口小套∩内壁磨损是由煤枪下倾变形引∏起的。

                图片6 

                2. 2 煤枪材质分析

                由图 2 可知,沙钢 2 500 m3高炉煤枪的枪头部位发〒生弯曲,弯曲处无磨损、烧损现象。煤枪材质为 SUS310S 耐热Ψ 不锈钢,和国内多数高炉所用煤枪的材质相同,正常操作☆时不会变形。但若钢管◤材质不合格,使煤枪耐高温性能下降,则可能引起煤枪受热变形,因此对沙钢 2 500 m3 高炉的煤枪进行了化学成分分析◣( ICP 法) ,分↓别分析了煤枪的焊料、枪头及直段部分,结果如表2所示。由表2可见,沙钢 2500 m3 高炉〓煤枪的化学成分合格。对煤枪的显微组织进行了金相和扫描电镜分析,未发现裂纹∞、翘皮等明显缺陷,如图 4 所示。

                图片7 

                2. 3 煤枪的冷却

                高炉煤枪长期处于 1 200 ℃ 的热风中,工作环境恶劣,主要依靠煤粉载气来冷却,输送煤粉的载气〇为氮气,不超过 100 ℃。通常载气流量决定了煤☉枪的冷却状况,若煤枪载气流▲量偏低,则会引起煤枪的冷却不充分,导致过热变形。高炉经大修后,煤粉的载气流量◇没有变化,但调查●发现,大修后为了提高喷煤量,煤枪的内径由 13 mm 增加到了 26 mm,若载气流量没有变化,载气流速则降低到原来的 1 /4,煤枪的ξ冷却受到影响。据此对大修〖前后不同载气流速下,煤枪的温度场分布进行了模拟计算。 计算〓模型如图 5 所示。采用流固耦合方式,模澹臺灝明身體一顫型外侧为固体( 煤枪) ,材质为不锈钢∩; 内侧为流体( 载气) ,为氮气。模型煤枪长度为ξ ξ  1 m,厚度为 4. 5 mm,内径分别为 13 和 26 mm。计算使用 ANSYS FLUENT 软件,数学模型包括连续性方程( 式( 1) ) 、标准 k-ε 湍流模型( 式( 2) ~ 式( 3) ) 和能量方程[7]( 式( 5) ) :

                图片8 

                式中: keff是有效热传导系数; Jj’是组分 j’的扩散通『量。

                方程( 5) 右侧的前 3 项分别描述了热传☆导、组分扩散和粘性耗散带来的能量输运。Sh 包括了化学反应热以及用户定义◇的体积热源项。

                图片9 

                模型参数和实际高炉操 看著千秋雪眼睛那堅毅作参数一致,边界条件设定为:

                ( 1) 氮气的入口温度为 353 K;

                ( 2) 热风温︼度为 1 473 K;

                ( 3) 氮气流速分别为 30 和 7. 5 m /s;

                ( 4) 煤枪外壁与热风之间的热交换系数由迪 贝斯-贝尔特公式计算得出:

                图片10 

                式中: λ 是热风导热系数; d 是风口》内径; Re 是雷诺 数; Pr 是普朗♀特数; ρ 是热风密度; u 是实际风速; l 是风口内径; μ 是热风的动力粘度; Cp 是热※风的比热 容。

                计算▅所取物性参数( 1 200 ℃) 如表3 所示。

                图片11 

                计算结果如图 6 所示,载气流量不变,煤枪直径为 13 mm 时,载气流速为 30 m /s,煤枪温度约1 000 K; 当煤【枪直径增大至 26 mm 时,载气流速下降至 7. 5 m /s,煤枪温度提高至 1 200 K 左右。这说明决定煤枪冷却状况的主要因素为载气流功法和長老都隔絕開來速。煤枪直径增大」后,若载气流量不变,流速减小,煤枪的冷却减→弱。由于 SUS310S 不锈钢的软化温度约 1 123 K,由以上计算结果可知,煤枪直径增大后,枪体的温度高于其软化温度,因此易发∏生过热变形。

                图片12 

                煤粉载气流量▆不变,煤枪直增大后,载气流速降低,是造成煤枪冷却∞不足、受热变形的就在這藏寶閣之中主要原因。煤枪过ω热变形,直接导致煤枪出口偏离风口中心线,造成风口︽内壁磨损。

                2. 4 措施

                经化学分析和数值模拟,发现在材质合格、煤粉流量一定的前提下,造成煤枪变形的主要原因是煤枪内径增大后,载∏气流速过低,冷却不足,煤□ 枪温度过高,超过了该材料的软化温度,导致煤枪过热变形。因此就在人最多提出改进建议:

                (1))提高输粉的载气流量,使煤枪温度低于软化温度◆。

                (2) 更◣换煤枪材料,使用更高级别的耐热金属材料。

                对沙钢 2 500 m高炉采取了第( 1) 种措施,即提高载气流量,增强煤枪的∴冷却,结果当月变形煤枪的数量大幅度降低,风口磨损也得到了明¤显改善。

                3 结论

                沙钢 2 500 m3高炉风口磨损是由煤粉轨迹偏离风口中心线、摩擦风口内壁所引起的,而煤枪过热变形是导致煤粉轨迹偏离中心线的主要原因。经数值模拟计算得出,煤枪变形的主要原因是『煤粉载气流量偏小、煤枪冷却不足。提高煤粉载气流量后,煤枪变形明显减小,风口小套内壁磨损得到解决。

                参考文献

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