TWI402349B - Quick protection system and method - Google Patents

Description

快速護爐系統及方法

本發明係關於一種護爐系統及方法，詳言之，係關於一種快速護爐系統及方法。

一般高爐需要進行維護大修的可能因素包括：(1)調整產量；(2)鼓風嘴以上爐襯侵蝕嚴重，高爐外殼嚴重熱點(Hot Spot)；(3)冷卻元件嚴重破損；(4)爐床耐火材侵蝕；(5)爐頂嚴重漏氣；及(6)熱風爐(Hot Stove)之重建。

由於高溫殘銑無法進入爐床更換或修補耐火材，例如，日本鋼鐵(Nippon Steel)所屬高爐大修之理由以爐床侵蝕為主。另外，中國大陸之高爐如首鋼、鞍鋼等已能掌握爐頂冷卻，以及控制氫氣含量在爆炸點以下，能順利的將料位降至鼓風嘴高度，之後於料面鋪上隔絕層後，待溫度與CO氣體濃度容許的條件下，人員即可進入爐內針對高爐鼓風嘴以上的爐體、爐襯及冷卻元件進行修補或更換(歐洲Corus公司亦有類似的技術)。

因此，未來鼓風嘴以上爐體之侵蝕應不會成為大修主要考量因素；反而觀之，當爐床發生嚴重侵蝕時，人員無法進入修補，而變成高爐大修主要的因素。因此如何減低爐床侵蝕，或在爐床侵蝕部位形成保護層，即為延長高爐使用壽命的主要手段。

習知技術中常見保護爐床的方法為鈦礦保護法，將鈦礦加入高爐內進行護爐已行之有年，對於鈦礦護爐的機制，Li及Fruehan提出下列的解釋：當含鈦礦隨鐵礦加入高爐後，先期會形成高鈦爐渣，再還原進入鐵水中，使鐵水中大量形成Ti(C、N)顆粒，當鐵水流過侵蝕位置(溫度低高熱通量)時，鐵水會因Ti(C、N)的存在而黏度大幅提昇，流動性變差，以致在侵蝕部位凝固形成保護層。

習知鈦礦添加的方式主要包括以下幾種：(i)爐頂隨含鐵原料添加入爐，此為最普遍的做法，一般分為預防型(Preventive)與修補型(Remedial)，前者添加量為3-5kg TiO₂ /tHM(每噸熱金屬液含3-5公斤之二氧化鈦)，後者為5-20kg TiO₂ /tHM；(ii)將TiO₂ 粉由特定位置鼓風嘴的PCI(Pulverized Coal Injection)噴鎗處噴吹入爐，噴吹的位置多選擇在熱點處附近的鼓風嘴，主要是希望在熱點處產生高濃度的鈦渣，進而產生保護層；以及(iii)將含有TiO₂ 的包芯線，以餵線機由PCI噴鎗送進到風徑區，此種操作與噴TiO₂ 粉類似，只是鈦礦粉成渣位置應較噴粉者更易掌握。

其中，由於大量的TiO₂ 吹入高爐內，造成出鐵作業時出渣不順利，須採部分重疊(Overlap)出鐵方式作業，使出鐵間的工作強度增加。此外，在噴吹期間，鈦礦粉輸送系統之閥件可能發生嚴重磨損問題，會造成噴吹點回火問題。此外，噴吹鈦礦粉護爐之效果不甚理想，其起因於大部分吹入的鈦礦粉直接吹入爐內分散各處，並未在特定區域大量的熔融成渣所致。

另外，當高含鈦渣附著於焦炭時，高含鈦渣中之TiO₂ 會因此還原成Ti(C、N)，此物質有助於融渣與焦炭的潤濕行為，換言之，焦炭與渣之分離性變差，這也說明習知護爐過程中，若鈦礦加入量過多時，出鐵作業會發生出渣困難，甚至斷渣的現象。

是故，習知技術中由爐頂加入鈦礦或由鼓風嘴噴吹護爐時，常會有出鐵作業不順利的狀況發生，以致影響高爐正常操作，甚至危害到作業人員的安全。

因此，有必要提供一創新且富有進步性之快速護爐系統及方法，以解決上述問題。

本發明提供一種快速護爐系統，用以在一高爐之爐床底部之侵蝕部分形成一保護層，該快速護爐系統包括：一第一供應單元及一第二供應單元。該第一供應單元設置於一高爐之一鼓風嘴中，用以供應粉煤至該高爐內之一風徑區燃燒。該第二供應單元設置於該鼓風嘴中，用以供應一含鈦物質至該風徑區熔融，其中熔融之該含鈦物質還原進入該高爐內之金屬液中，以形成一修補物質，該修補物質覆蓋該侵蝕部分以形成該保護層。

本發明另提供一種快速護爐方法，用以在一高爐之爐床底部之侵蝕部分形成一保護層，該製造方法包括以下步驟：(a)利用一第一供應單元供應粉煤至該高爐內之一風徑區燃燒，該第一供應單元設置於該高爐之一鼓風嘴中；及(b)利用一第二供應單元供應該含鈦物質至該風徑區熔融，其中熔融之該含鈦物質還原進入該高爐內之金屬液中，以形成一修補物質，該修補物質覆蓋該侵蝕部分以形成該保護層，該第二供應單元設置於該鼓風嘴中。

本發明之快速護爐系統及方法係在該鼓風嘴中，利用該第一供應單元及該第二供應單元同時進行粉煤之供應及含鈦物質之供應，獲得快速護爐及最佳之修補效果，以降低爐床溫度而達到保護爐床之功效，並可減少該含鈦物質之使用量，以降低成本。另外，本發明之快速護爐系統及方法在快速護爐期間不會過量供應該含鈦物質，亦無斷渣或出鐵困難的現象發生，且可維護作業人員之安全。

在高爐作業中，若高爐之爐底周緣產生侵蝕(象腳(Elephant Foot)的侵蝕)，該侵蝕部分之溫度會波動走高，若不進行處置，侵蝕現象會持續加劇，進而減少該高爐之使用壽命。

參考圖1，其顯示本發明之快速護爐系統應用於一高爐之示意圖，其中，高爐2具有一鼓風嘴21及至少一出鐵口23，相對於該高爐2之中心，該鼓風嘴21與該出鐵口23係呈一設定弧角角度設置於該高爐2之爐壁，其中，該設定弧角角度係介於90至180度，例如：45度(如圖2所示之θ角)、90度(如圖3所示之θ角)、135度(如圖4所示之θ角)或180度(如圖5所示之θ角)，較佳地，該設定弧角角度係為120至180度。

本發明之快速護爐系統1係用以在該高爐2之爐床底部之侵蝕部分22形成一保護層3。在本實施例中，該快速護爐系統1包括：一第一供應單元11、一第二供應單元12、一餵進裝置13及一監控裝置14。

該第一供應單元11設置於該鼓風嘴21中，用以供應粉煤4至該高爐2內之一風徑區24燃燒。該第二供應單元12設置於該鼓風嘴21中，用以供應一含鈦物質5至該高爐2內之該風徑區24熔融，且在該鼓風嘴21中，該粉煤4及該含鈦物質5之供應較佳係同時操作，其中該含鈦物質5具有一單位含鈦量，且以一餵進速率供應至該高爐2內。在本實施例中，該第一供應單元11及該第二供應單元12實質上係設置於該侵蝕部分22上方相對位置之該鼓風嘴21中，該出鐵口23係設置於相對該鼓風嘴21之該高爐2之爐壁，即，該設定弧角角度為180度。

該第一供應單元11及該第二供應單元12較佳為噴鎗裝置，在本實施例中，該噴鎗裝置係為PCI(Pulverized Coal Injection)噴鎗，另外，該第二供應單元12連接該餵進裝置13，該餵進裝置13利用空壓方式使該第二供應單元12以該餵進速率供應該含鈦物質5至該高爐2內。

熔融之該含鈦物質5還原進入該高爐2內之金屬液6(例如：鐵水)中，以形成一修補物質，該修補物質流經並覆蓋該侵蝕部分22以形成該保護層3。在本實施例中，該含鈦物質5係為含氧化鈦包芯線，其成分包括二氧化鈦、氧化鐵、氧化鎂及二氧化矽，其中該二氧化鈦(TiO₂ )之重量百分比為45.9，該氧化鐵(Fe₂ O₃ )之重量百分比為49.5，該氧化鎂(MgO)之重量百分比為2.0，該二氧化矽(SiO₂ )之重量百分比為2.6。

茲以該含鈦物質5為含氧化鈦包芯線為例說明，唯該含鈦物質5之成分及含量僅係舉例以詳細說明本發明，其並不意謂本發明僅侷限於此實施例所揭示之內容。在本實施例中，該第二供應單元12係每秒供應422至1266克(可依據該含鈦物質5之鈦含量及供應速率調整該含鈦物質5之供應量)之含氧化鈦包芯線至該高爐2內，熔融之含氧化鈦包芯線還原進入該高爐2內之金屬液6中，會形成一修補物質，而該修補物質係包括碳化鈦及氮化鈦至少其中之一，而碳化鈦及氮化鈦可表示為Ti(C、N)。其中，因大量之該修補物質會使金屬液6中大量形成Ti(C、N)顆粒，當金屬液6流過該侵蝕部分22(溫度低、高熱通量)時，金屬液6因Ti(C、N)的存在而黏度大幅提昇，使其流動性變差，以致在該侵蝕部分22凝固形成該保護層3。

要強調的是，在固定的出鐵口位置下，該高爐2之爐壁區域的鈦濃度變化明顯的受到餵進該含鈦物質5位置的影響，亦即，該出鐵口23與該第一供應單元11及該第二供應單元12之相對設置位置，影響該保護層3之形成與否以及形成位置甚巨。舉例而言，分別在45°、90°、135°及180°位置餵進該含鈦物質5(該出鐵口23(該第一供應單元11及該第二供應單元12)與該出鐵口23之夾角為45°(圖2)、90°(圖3)、135°(圖4)及180°(圖5))。其中，在45°位置餵進該含鈦物質5時，所餵進之該含鈦物質5會很快的因出鐵作業流出爐外，無法抵達爐底，換言之，所餵進該含鈦物質5的利用率極低，造成浪費。當餵進該含鈦物質5位置與出鐵口23距離越遠，受到出鐵作業的影響愈小，含鈦之金屬液6越易向垂直方向移動。當在出鐵口23相對該第一供應單元11及該第二供應單元12呈180°處進行餵進該含鈦物質5時，含鈦之金屬液6可流過爐底中心部分(參考圖6，其顯示該第一供應單元11及該第二供應單元12與該出鐵口23之夾角為180°時，該高爐2中金屬液6之流線模擬示意圖，其中金屬液6之流線由該高爐2之爐壁流經爐底，再從出鐵口23流出)。

由此可知，要以較低的該含鈦物質5之餵進量獲得快速護爐的效果，該第二供應單元12與該出鐵口23位置的選擇扮演了一個重要的角色，而較佳之含鈦物質餵進位置為180度。

另外，該監控裝置14可用以監控該第一供應單元11供應粉煤及該第二供應單元12供應該含鈦物質5之狀態。在本實施例中，該監控裝置14包括一電荷耦合元件(CCD)141、一網路系統142及一錄影系統143。

要強調的是，在餵進該含鈦物質5時可能具有以下問題產生：餵進該含鈦物質5進入該第二供應單元12之一連接元件(圖未示出)會有因壓力不足，有熱鼓風衝出的疑慮；餵進該含鈦物質5進入該鼓風嘴21後至該風徑區24過程是否會接觸與磨擦該鼓風嘴21，進而造成該鼓風嘴21的蝕破而漏水；以及，餵進該含鈦物質5時，該鼓風嘴21前是否會有大塊落料，以致該含鈦物質5大量累積在該鼓風嘴21中。

一旦造成該鼓風嘴21的破損、或是該含鈦物質5在該鼓風嘴21中大量累積，不但對該高爐2之爐況有不良的影響，更會影響作業人員之安全。為了維護餵進該含鈦物質5期間之操作及安全，本發明除可根據該監控裝置14之CCD裝置141以調整餵進該含鈦物質5之速率外，且其可連接至該網路系統142，使作業人員(包括控制人員及研發人員)能及時掌握並監控該第一供應單元11供應粉煤及該第二供應單元12供應該含鈦物質5之狀態，此外，更可將維護期間之狀態經由該錄影系統143紀錄下來。

圖3顯示本發明快速護爐方法之流程圖。配合參考圖1及圖3，首先參考步驟S31，供應粉煤4至該高爐2內之風徑區24燃燒。參考步驟S32，供應一含鈦物質5至該風徑區24熔融，以與該高爐2內之金屬液6形成一修補物質(如Ti(C、N))，該修補物質覆蓋該高爐2之侵蝕部分22以形成該保護層3。其中，該高爐2內之金屬液6會因該修補物質的存在而黏度大幅提昇，流動性變差，以致在該侵蝕部分22，高黏度區阻礙該區域金屬液6的流動而形成一停滯區，該停滯區在逐漸被冷卻的情況下，該保護層3得以持續生成所致，使得該侵蝕部分22之爐壁達到明顯降溫。此外，當該保護層3成長至一定厚度後，因逐漸獲得新生鐵、渣的熱量，再度熔融液化流入該高爐2，故不會無限度生成。

在本實施例中，其係利用該餵進裝置13提供該第二供應單元12供應該含鈦物質5之動力，使該含鈦物質5以一餵進速率進入該風徑區24。要注意的是，在本實施例中係選用噴鎗裝置作為該第一供應單元11及該第二供應單元12，且同時進行該粉煤4之供應及該含鈦物質5之供應。

要強調的是，本發明之方法另包括一出鐵口選定步驟，以選擇出鐵之位置。較佳地，該出鐵口23係選擇相對於該高爐2之中心，與該第一供應單元11及該第二供應單元12呈120至180度之弧角角度之出鐵口。當餵進該含鈦物質5位置與該出鐵口23距離越遠，受到出鐵作業的影響愈小，含鈦之金屬液6越易向垂直方向移動，其中，當該出鐵口23在相對該第一供應單元11及該第二供應單元12呈180°處(本實施例)進行餵進該含鈦物質5，含鈦之金屬液6可流過爐底中心部分，不僅可獲得最佳之修補效果，且可減少該含鈦物質5的流失，故可減少該含鈦物質5之使用量。

另外，本發明之方法另包括一監控步驟，以監控該第一供應單元11供應粉煤及該第二供應單元12供應該含鈦物質5之狀態。其中，在該監控步驟中，其係利用該監控裝置14之電荷耦合元件141進行監控，以及時掌握該第一供應單元11供應粉煤4及該第二供應單元12供應該含鈦物質5之狀態，且利用該網路系統142傳輸至該錄影系統143，以紀錄所有的操作狀態。

較佳地，本發明之方法可依據該含鈦物質5之鈦含量，並配合參考該監控裝置14所得該第一供應單元11供應該粉煤4及該第二供應單元12供應該含鈦物質5之狀態，調整該該含鈦物質5之供應速率及供應量。藉此，在快速護爐期間不會過量供應該含鈦物質5，且餵進該含鈦物質5期間亦無斷渣或出鐵困難的現象發生。

在本實施例中，本發明之方法在步驟S32之後更另包括一終止供應判斷步驟S33，其中，當該侵蝕部分22之爐壁降溫速率達10℃/日，判斷該侵蝕部分22已填補完成且可達到所需之護爐功效，故停止供應該含鈦物質5。

本發明之快速護爐系統1及方法在該鼓風嘴21中，利用該第一供應單元11及該第二供應單元12同時進行該粉煤4之供應及該含鈦物質5之供應，獲得快速護爐及最佳之修補效果，以降低爐床溫度而達到保護爐床之功效，並可減少該含鈦物質5之使用量，以降低成本。另外，在快速護爐期間不會過量供應該含鈦物質5，亦無斷渣或出鐵困難的現象發生。再者，該監控裝置14可據以調整餵進該含鈦物質5之速率、及時掌握並監控該第一供應單元11供應該粉煤4及該第二供應單元12供應該含鈦物質5之狀態，以防止該鼓風嘴21的破損、或是該含鈦物質5在該鼓風嘴21中大量累積造成之不良影響及危險，以維護作業人員之安全。

上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明。因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

1．．．本發明之快速護爐系統

2．．．高爐

3．．．保護層

4．．．粉煤

5．．．含鈦物質

6．．．金屬液

11．．．第一供應單元

12．．．第二供應單元

13．．．餵進裝置

14．．．監控裝置

21．．．鼓風嘴

22．．．侵蝕部分

23．．．出鐵口

24．．．風徑區

141．．．電荷耦合元件

142．．．網路系統

143．．．錄影系統

圖1顯示本發明之快速護爐系統應用於一高爐之示意圖；

圖2至5顯示本發明鼓風嘴設置與出鐵口之夾角為45°、90°、135°及180°之示意圖；

圖6顯示本發明第一供應單元及第二供應單元與出鐵口之夾角為180°時，高爐中金屬液之流線模擬示意圖；及

圖7顯示本發明快速護爐方法之流程圖。

1．．．本發明之快速護爐系統

2．．．高爐

3．．．保護層

4．．．粉煤

5．．．含鈦物質

6．．．金屬液

11．．．第一供應單元

12．．．第二供應單元

13．．．餵進裝置

14．．．監控裝置

21．．．鼓風嘴

22．．．侵蝕部分

23．．．出鐵口

24．．．風徑區

141．．．電荷耦合元件

142．．．網路系統

143．．．錄影系統

Claims (21)

1. 一種快速護爐系統，用以在一高爐之爐床底部之侵蝕部分形成一保護層，該快速護爐系統包括：一第一供應單元，設置於一高爐之一鼓風嘴中，用以供應粉煤至該高爐內之一風徑區燃燒；及一第二供應單元，設置於該鼓風嘴中，用以供應一含鈦物質至該風徑區熔融，其中熔融之該含鈦物質還原進入該高爐內之金屬液中，以形成一修補物質，該修補物質覆蓋該侵蝕部分以形成該保護層。
2. 如請求項1之快速護爐系統，其中該第一供應單元及該第二供應單元實質上係設置於該侵蝕部分上方相對位置。
3. 如請求項1之快速護爐系統，其中該第一供應單元及該第二供應單元係為噴鎗裝置。
4. 如請求項1之快速護爐系統，另包括一餵進裝置，連接該第二供應單元。
5. 如請求項1之快速護爐系統，其中該含鈦物質係為含氧化鈦包芯線。
6. 如請求項1之快速護爐系統，其中該含鈦物質具有一單位含鈦量，該第二供應單元以一餵進速率供應該含鈦物質至該高爐內。
7. 如請求項1之快速護爐系統，其中該修補物質包括碳化鈦及氮化鈦至少其中之一。
8. 如請求項1之快速護爐系統，其中相對於該高爐之中 心，該第一供應單元及該第二供應單元與該高爐之一出鐵口，係呈一設定弧角角度設置於該高爐之爐壁。
9. 如請求項8之快速護爐系統，其中該設定弧角角度係為120至180度。
10. 如請求項1之快速護爐系統，另包括一監控裝置，用以監控該第一供應單元供應粉煤及該第二供應單元供應含鈦物質之狀態。
11. 如請求項10之快速護爐系統，其中該監控裝置係為電荷耦合元件(CCD)。
12. 一種快速護爐方法，用以在一高爐之爐床底部之侵蝕部分形成一保護層，該製造方法包括以下步驟：(a)利用一第一供應單元供應粉煤至該高爐內之一風徑區燃燒，該第一供應單元設置於該高爐之一鼓風嘴中；及(b)利用一第二供應單元供應該含鈦物質至該風徑區熔融，其中熔融之該含鈦物質還原進入該高爐內之金屬液中，以形成一修補物質，該修補物質覆蓋該侵蝕部分以形成該保護層，該第二供應單元設置於該鼓風嘴中；其中在步驟(a)及步驟(b)中係同時進行粉煤之供應及含鈦物質之供應。
13. 如請求項12之方法，其中在步驟(a)及步驟(b)中係選用噴鎗裝置作為該第一供應單元及該第二供應單元。
14. 如請求項12之方法，其中在步驟(b)中係利用一餵進裝置 提供該第二供應單元供應該含鈦物質之動力。
15. 如請求項14之方法，其中在步驟(b)中，該餵進裝置使該第二供應單元以一餵進速率供應該含鈦物質至該高爐內。
16. 如請求項12之方法，其中在步驟(b)中係形成包括碳化鈦及氮化鈦至少其中之一之修補物質。
17. 如請求項12之方法，另包括一出鐵口選定步驟，以選擇出鐵之位置。
18. 如請求項17之方法，其中在該出鐵口選定步驟中，係選擇相對於該高爐之中心，與該第一供應單元及該第二供應單元呈120至180度之弧角角度之出鐵口。
19. 如請求項12之方法，另包括一監控步驟，以監控該第一供應單元供應粉煤及該第二供應單元供應含鈦物質之狀態。
20. 如請求項19之方法，其中在該監控步驟中，係利用電荷耦合元件(CCD)進行監控。
21. 如請求項12之方法，其中在步驟(b)之後另包括一終止供應判斷步驟，當該侵蝕部分之爐壁降溫速率達10℃/日，則停止供應該含鈦物質。