不同鋼材和耐材在轉(zhuǎn)爐煙道內(nèi)的應(yīng)用性能對比分析

段興亞 萬慶明 黃 偉 耿明山

(1.建龍西林鋼鐵有限公司煉鋼廠，2.中冶京誠工程技術(shù)有限公司)

轉(zhuǎn)爐爐氣是鐵水中的碳與氧作用后的產(chǎn)物，即出爐口以前的廢氣，目前轉(zhuǎn)爐爐氣的處理工藝以未燃法為主。在前后吹煉期，提起煙罩，足量的空氣與爐氣中的CO在爐口完全燃燒后一起進入汽化冷卻煙道；在回收期，降下煙罩，少量空氣伴隨轉(zhuǎn)爐爐氣經(jīng)活動煙罩進入汽化冷卻煙道，爐氣中少量CO遇空氣燃燒，爐氣量和爐氣溫度小幅度升高。進入汽化冷卻煙道內(nèi)的混合氣即為轉(zhuǎn)爐煙氣[1-4]。

未燃法轉(zhuǎn)爐煙氣成分以CO為主，煙氣含塵量大，其中氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的煙氣含塵量為80～150 g/m3，煙塵中60%以上的成分為FeO，約70%的煙塵粒徑在10 μm以上[5-9]。

轉(zhuǎn)爐冶煉期間，大量的高溫含塵煙氣對煙道造成一定程度的沖蝕磨損。非冶煉期，風(fēng)機不停機，煙道內(nèi)氣體溫度、煙氣量、含塵量均明顯下降，對煙道的沖蝕磨損有所緩解。在持續(xù)冶煉過程中，汽化冷卻煙道內(nèi)經(jīng)歷氣—固流體的高低溫及高低流速的周期性循環(huán)，對煙道材質(zhì)的沖蝕磨損性能有較大考驗。因此，在該煙道內(nèi)研究常用耐熱鋼材的抗氧化性、常用耐火材料的熱震穩(wěn)定性及煙氣的沖蝕磨損性能，具有較強的應(yīng)用價值和實踐意義。

文章選擇常用的304和310s兩種耐熱鋼及高強莫來石和高強高鋁兩種耐火材料作為研究對象，在汽化冷卻煙道中二段內(nèi)設(shè)置四個測試點安裝以上四種材料，經(jīng)歷32 d的持續(xù)冶煉，獲得了兩種鋼板和兩種耐火材料的應(yīng)用情況。以汽化冷卻煙道中二段為研究范圍，通過CFD仿真模擬，分析轉(zhuǎn)爐冶煉期含塵煙氣對鋼材、耐材的沖蝕磨損情況，為轉(zhuǎn)爐煙道內(nèi)材質(zhì)的選型、設(shè)計提供參考。

1 現(xiàn)場實驗

1.1 實驗裝置

在某鋼廠轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道中二段適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置四個實驗裝置插入點，分別安裝尺寸為100 mm×100 mm×10 mm的310s鋼板測試塊和304鋼板測試塊各一塊，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的高強莫來石澆注耐材測試塊和高強高鋁澆注耐材測試塊各一塊。實驗裝置插入點在煙道中的位置如圖1所示。

圖1 四個實驗測試塊的插入位置

1.2 實驗過程

在2022年2月13日停爐檢修間歇期，將四個實驗測試塊按設(shè)計位置依次裝入汽化冷卻煙道中二段內(nèi)，之后開展正常冶煉，至2022年3月17日再次停爐檢修間歇期，將四個測試塊依次取出。實驗期間，該轉(zhuǎn)爐持續(xù)冶煉，未停爐，總共持續(xù)經(jīng)歷了約1 340個冶煉周期。

2 仿真計算

2.1 幾何模型

以汽化冷卻煙道中二段作為仿真模型的計算范圍，在四個測試塊的插入位置設(shè)置相應(yīng)的測試壁面，分析轉(zhuǎn)爐冶煉期間，該段煙道內(nèi)的煙氣氣流分布，以及煙氣對煙道壁面的沖蝕。首先按照1∶1比例建立幾何模型，然后采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，實驗塊進行局部加密處理，劃分網(wǎng)格數(shù)為703 975，90%的單個網(wǎng)格的最大縱橫比在0.9以上，質(zhì)量良好。幾何模型見圖2。

圖2 汽化冷卻煙道計算域

2.2 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

假定計算區(qū)域內(nèi)氣固兩相均為不可壓縮的理想狀態(tài)，文章計算采用可實現(xiàn)的k-ε湍流模型，煙氣入口邊界設(shè)為velocity-inlet，煙氣出口邊界設(shè)為outflow，煙道及測試塊表面均為wall壁面，采用SIMPIEC算法。采用離散相DPM模型計算煙氣中顆粒物，煙氣入口為injection，煙氣出口采用Escape條件，wall壁面采用reflect條件[10-12]。

粒子與壁面間的相互作用通過法向及切向回彈系數(shù)來設(shè)置。使用Fluent中的Generic Erosion模型。參考冶煉期的煙氣參數(shù)，煙氣入口流速取20 m/s，湍流強度為2.86%，煙塵濃度為120 g/m3，顆粒進入速度與煙氣流速相同。在顆粒的物性參數(shù)方面，做了一些假設(shè)：顆粒為球形，呈Rosin-Rammler分布，最大粒徑取100 μm，最小粒徑取10 μm，平均粒徑取28 μm。顆粒與煙道壁面的相互作用借助沙—鐵的回彈系數(shù)和碰撞角函數(shù)計算，其中法向回彈系數(shù)Rn=0.993-0.030 7α+0.000 475α2+0.000 002 61α3，切向回彈系數(shù)Rt=0.988-0.029α+0.000 643α2+0.000 003 56α3，碰撞角函數(shù)采用分段線性方式定義。

3 結(jié)果與分析

3.1 鋼材的抗氧化性能分析

304和310s鋼材是常用的耐熱鋼，耐高溫強度和耐熱性能已有較多的應(yīng)用研究和驗證。文章主要從抗氧化性的角度對比分析兩種鋼材在轉(zhuǎn)爐冶煉環(huán)境下的應(yīng)用情況。

在高溫氧化環(huán)境下，耐熱鋼的抗氧化性主要表現(xiàn)為鋼材表面形成的氧化膜與基體的粘附性。氧化膜與基體的粘附性較好，則表現(xiàn)出良好的抗氧化性能，氧化膜若出現(xiàn)嚴重的剝落現(xiàn)象，則基體材料的抗氧化性能惡化[13-14]。

對比兩個測試塊在實驗前后的外觀形貌。實驗前，304測試塊和310s測試塊外表均比較光滑，且邊界清晰。實驗后，在兩種測試塊的外表面均形成了一層高溫灼燒后的氧化膜，呈鐵銹色，肉眼觀察，兩種測試塊表面形成的氧化膜均發(fā)生了一定程度地剝落，其中304鋼材測試塊表面的氧化膜剝落情況更為明顯。兩種鋼材測試塊的重量和磨損率如表1所示。310s鋼材測試塊的磨損率為2.14%，304鋼材測試塊的磨損率為4.33%，304鋼材的磨損率約為310s鋼材磨損率的兩倍。說明在轉(zhuǎn)爐工況下，310s鋼材的高溫抗氧化性能要優(yōu)于304材質(zhì)。若長期連續(xù)使用，可以推算310s鋼材的使用壽命約為304鋼材的兩倍。

表1 兩種鋼材測試塊的重量和磨損率

3.2 耐材的熱震穩(wěn)定性分析

熱震穩(wěn)定性是指耐火材料抵抗溫度驟變而不發(fā)生損壞的性能[15]。該實驗所選用的高強高鋁澆注料的成分中Al2O3含量≥40%，最高使用溫度為1 300 ℃；高強莫來石澆注料的成分中Al2O3含量≥50%，最高使用溫度為1 400 ℃。

對比實驗前后兩種耐火材料測試塊的表面形貌。實驗前，兩種耐火材料表面光滑，邊界清晰，為一個完整的正方體。實驗后，高強莫來石耐材表面雖然生成了明顯的裂紋，但沒有發(fā)生明顯的剝落，原有正方體外形能夠保持相對完整；高強高鋁耐材表面雖然沒有明顯的裂紋，但發(fā)生了較大面積的剝落，原有正方體外形的邊界破損嚴重。實驗前后兩種耐材測試塊的重量和磨損率如表2所示。高強莫來石耐材測試塊的磨損率為0.14%，高強高鋁耐材測試塊的磨損率為16.02%，高強高鋁耐材的磨損率遠高于高強莫來石耐材的磨損率。說明在轉(zhuǎn)爐工況下，高強莫來石耐材的熱震穩(wěn)定性明顯優(yōu)于高強高鋁耐材的熱震穩(wěn)定性。若長期連續(xù)使用，則優(yōu)先采用高強莫來石澆注的耐火材料。

表2 兩種耐火材料測試塊的重量和磨損率

3.3 煙氣的沖蝕磨損性能分析

鋼材和耐火材料在轉(zhuǎn)爐煙氣內(nèi)的應(yīng)用穩(wěn)定性，除了與材料本身的性能有關(guān)，還與煙道內(nèi)由煙氣帶來的沖蝕磨損密不可分。由汽化冷卻煙道中二段冶煉期煙道內(nèi)的數(shù)值仿真計算，得到煙道內(nèi)的煙氣流速分布和煙道壁面上的沖蝕磨損分布，如圖3和圖4所示。

圖3 汽化冷卻煙道內(nèi)的煙氣流速分布

圖4 汽化冷卻煙道壁面的沖蝕磨損分布

在轉(zhuǎn)爐冶煉期，大量的含塵高溫?zé)煔飧咚贈_刷煙道表面。由圖3煙道內(nèi)的煙氣流速分布可知，在冶煉期，煙氣基本呈柱塞流狀通過汽化冷卻煙道中二段，在第一個彎頭外側(cè)附近仍保持較高的流速約15 m/s，在第二個彎頭內(nèi)側(cè)形成小湍流。煙道內(nèi)高速流動的煙氣及煙氣中的顆粒對煙道壁面的碰撞是發(fā)生氣固兩相沖蝕磨損的主要原因。由圖4煙道壁面上的沖蝕磨損分布可知，在冶煉期，煙道內(nèi)壁面都受到不同程度的沖蝕磨損，磨損面積分布較廣且分散。因此，在汽化冷卻煙道的設(shè)計選材過程中，需要充分考慮氣固沖蝕磨損對煙道壁面的影響，合理選擇煙道材質(zhì)、耐火材料及壁厚，以延長煙道的使用壽命。

4 結(jié)論

在轉(zhuǎn)爐持續(xù)冶煉工況下，310s鋼材的抗氧化性能要明顯優(yōu)于304鋼材，高強莫來石澆注耐火材料的熱震穩(wěn)定性明顯優(yōu)于高強高鋁澆注耐火材料。另外，在汽化冷卻煙道中二段存在兩個彎頭，沖蝕磨損的影響范圍較大，需要充分考慮沖蝕磨損對煙道壁面的沖擊。在設(shè)備設(shè)計和選型過程中，為延長煙道的使用壽命，轉(zhuǎn)爐煙道高溫區(qū)域關(guān)鍵部件鋼材的選取建議以310s耐熱鋼為主，耐火材料建議使用高強莫來石澆注。