FMR电熔炉整体耐火材改善.doc

FMR電熔爐整體耐火材改善Overall improvement of Melting Unit refractory in Fine Material Reduction Plant黃 盈 超1 邵 建 榮2 方 敏 鏗3 黃 豐 基4中龍鋼鐵股份有限公司 爐修工場1工程師2課長3主任中國鋼鐵股份有限公司新材料研發處陶瓷材料組4研究員中龍公司細粉料工場(FMR) 電熔爐，最主要是處理煉鐵、煉鋼製程中所產生的集塵灰，集塵灰中含有SOx、NOx、ZnO 及Fe2O3 等物質，在處理過程中SOx、NOx 會被燒除，ZnO 被還原形成粉狀再回收利用，而Fe2O3 被還原為鐵水而後鑄成銑鐵。細粉料工場在運轉試俥階段常發生1. 底部洩銑2. 排渣口磚襯崩毀3. 上出鐵口異常溶損4. 渣線異常溶損造成銅水箱溫度異常等問題，造成設備操作率低、生產成本高。其中以電熔爐底部洩銑對設備造成的損傷最大。由於原電熔爐內襯耐火材料選用與磚襯設計不適用於現場操作，經相關單位之努力與改善下，電熔爐操作率大幅提昇，耐火材料使用壽命由試俥階段814 日提升至目前2230 日，處理量提升近一倍以上，整體耐火材單位耗用成本大幅下降。關鍵詞： 集塵灰、ZnO、電熔爐、排渣口、出鐵口Melting Unit (MU) in Fine Material Reduction plant (FMR) in Dragon Steel mainly treats steelmaking and ironmaking dusts that contain SOx, NOx, ZnO, Fe2O3 and other components. The SOx, NOx are removed during the treatment procedure. After reduction, the ZnO is recycled and Fe2O3 is cast into pig iron. During hot starting operation in MU we often observed that: 1.hot metal inf iltrating from bottom, 2.slag door refractory brick collapsing, 3.upper taphole refractory brick severely wearing out, and 4.slag line refractory brick wearing out causing a higher temperature at copper cooler. These issues often caused lost productivity and higher production cost. The hot metal infiltration from bottom often caused serious damage to the equipment and facilities. Integration of operation and improvements of refractory materials and lining design, the refractory lifetime and productivity gradually improved. MU refractory lifetime increased from 814 days to 2230 days. The total amount of MU production has more than doubled and MU refractory cost has decreased dramatically.Key words: Dust, Zinc oxide, Melting Unit, Slag door, Tap Hole一、前言中龍公司細粉料工場，主要設備為還原爐與電熔爐組成，還原爐設備功能是將造粒完成的集塵灰以分層落料方式，作一預還原處理；電熔爐設備功能是以三相交流電極棒輔以底吹攪拌系統將造粒後的集塵灰熔融再處理。集塵灰經過電熔爐再處理生成物有二，鐵水由出鐵口經由流道、盛銑桶至鑄機生成銑鐵塊，處理過程中所生成的渣經由排渣口以溢流的方式排出。細粉料工場運轉初期常因異常下線，其中以電熔爐耐火材料損壞為下線主因。尤其第57爐代，電熔爐送電生產後第3 日，即發生底部洩銑事故，設備停機修復超過一個月。電熔爐耐火材料初步改善，首先針對影響設備最大損傷的底部洩銑著手，對策中因屬試俥階段，藉由中鋼T62 建議耐火材料選用與製程改善，改善後的使用壽命與集塵灰處理量，相較於試俥運轉初期已逐步提升與穩定。二、耐火材應用電熔爐功能為熔煉鋼鐵生產過程中所產生的集塵灰，爐體耐火材料設計，如圖1。爐襯材質設計主要為鎂碳磚為主，依使用部位，差別在於含碳量，爐體主要部位功能，如表1；部位材質，如表2。表1電熔爐部位功能表部位功能出鐵口上出鐵口：正常中的出銑位置 下出鐵口：緊急出銑或爐內洩清排渣口熔煉電爐灰的所產生的渣，以溢流的方式排出。底吹系統12 支MHP 攪拌磚，功能為破渣、均溫、均質 表2電熔爐部位材質表部 位材 質底部工作層鎂碳磚MgC12永久層鎂磚斷熱層火黏土磚SK33壁部工作層工作層鎂碳磚MgC12永久層鎂磚壁部渣線層工作層鎂碳磚MgC15FreeBoard工作層鎂碳磚MgC10斷熱層C1出鐵口鎂碳磚MgC13排渣口鎂碳磚MgC15底吹系統鎂碳磚MgC13三、原因與改善對策(一) 電熔爐異常原因統計統計電熔爐115 爐代，線上操作時的異常狀況，如圖2，對於設備損傷所造成的產能損失依序為：底部洩銑、底攪拌異常、排渣口崩毀、上出鐵口異常，比率總計為87%。(二) 內襯耐火材損壞原因探討與改善對策1. 底部洩銑(1) 原因探討A. 生產製程：電熔爐預熱完成後於上線生產前，須於室外進行加料作業，時間約68小時，生產流程簡圖，如圖3，此段期間對於耐火材料的影響，主要為熱散失所產生的磚縫與鎂碳磚脫碳。B. 爐襯耐火材料設計：探究底部磚襯設計，如圖4。工作層為含碳量12%鎂碳磚，熱傳導率：10(W/mK)。原設計優點為吸熱快，預熱時間短；缺點為熱散失亦相對快，鐵水滲透至底部路徑短，由A 及B 廠商，依操作溫度1550估算底部熱傳，如表4。以鐵水凝固點1147而言，底部熱傳估算結果，工作層與永久層間的介面一，鐵水滲透至此仍有流動性，造成底部洩銑風險相對提高。 (2) 改善對策A. 操作製程：縮短電熔爐空冷時間。露天加料時間縮短 4 小時，減少熱散失，降低鎂碳磚磚縫產生與脫碳。B. 耐火材料：材料選用無碳材質，熱傳導率較低的鎂鉻磚，延緩露天加料時的熱散失。C. 爐襯設計：底部磚襯設計更改，除無碳鎂鉻磚選用之外，增加介面，延長鐵水滲透路徑，磚襯更改與磚層界面溫度估算，如圖5。2. 排渣口崩毀(1) 原因探討：A. 操作製程：生產中連續排渣，當排渣口堵渣時，須以人工採破碎機與吹氧方式維持排渣口暢通，清渣頻率每班約23 次，每次耗時約13 小時，生產清渣時所造成的耐火磚襯損傷，如圖6。B. 耐火材料：排渣口耐火材料為含碳量15%鎂碳磚，使用環境須承受，氣體流動所產生脫碳、排渣時流動侵蝕、人工清渣時的震動與吹氧破壞對於耐火磚的外力損傷，排渣口磚襯下線崩毀照片，如圖7。C. 爐襯設計：排渣口兩側耐火磚設計無交疊應力，結構強度不佳，對於經常性清渣作業，所造成的物理性破壞，無法負荷，原設計磚襯實體築磚，如圖8。(2) 改善對策A. 操作製程：增加清渣頻率(46 次/ 班)，縮短清洗時間1530 分鐘。B. 耐火材料：材料選用鎂鉻磚降低脫碳，並增加熱間補爐，於清渣後執行。C. 爐襯設計：更改磚型設計大型化，加強磚襯結構，磚襯預組立，如圖9。3. 底吹不攪拌、渣線蝕深(1) 原因探討A. 操作製程：電熔爐渣線整圈溶損，如圖10，其共通點為線上操作時，都有底攪拌不佳與攪拌流量低的情況。攪拌在電熔爐的功能為均質、均溫、破渣，底吹不攪拌或攪拌率低，送電生產中，熱負荷會集中於渣線層造成鎂碳磚整圈熔損。 B. 耐火材料：底部攪拌磚型式為MHP，下線檢修時，表面均已被包覆，如圖11，取樣化驗成分為金屬合金。(2) 改善對策A. 生產調整底吹流量通氣模式，熔煉初期採維持模式，降低氮氣通氣時，所形成的冷區，避免金屬瞬間凝結而包覆住MHP 通氣孔。B. 加料時由原先細碎鐵改為銑鐵塊，降低包覆攪拌磚表面金屬熔點，若有輕微堵塞時，電擊棒不須提高功率，降低電弧對於攪拌磚的損傷。C. 預熱時間延長，露天加料時間縮短。除降低耐火磚的熱散失，亦避免送電鐵水融熔階段，耐火磚因熱焓不足對於鐵水所造成的吸熱反應。4. 上出鐵口異常(1) 原因探討：A. 磚襯設計：上出鐵口介於渣線與鐵水線交界，須承受渣侵蝕、送電時的熱負荷、出鐵時的物理侵蝕、電弧的影響，磚襯設計，如圖12。B. 耐火材料：上/ 下出鐵口材質均為含碳15%鎂碳磚，以材質特性，較不能抵抗出鐵時的物理流動侵蝕，因處理率提升，每日出鐵次數由初期12 次提升至3 次，上出鐵口下線熔損狀況，如圖13。(2) 改善對策A. 材質選用鎂鉻磚，主要考量為物理侵蝕的抵抗性，除上出鐵口部位，周圍保護磚亦局部更改。鎂鉻磚材質配比實驗，如表3；材質侵蝕比較，如圖14；上線實際築磚，如圖15。B. 出鐵口外增加蒙古包保護，避免送電初期電弧造成的損傷，如圖16。四、改善結果(一) 底部洩銑改善成果1. 增加磚層介面與鎂鉻磚導入，延長凝鐵線，改善上線37 日即發生的底部洩銑事故，底部溫度熱傳降低約230，改善前後溫度監控比較，如圖17。2. 底部耐火材耗用降低，因鐵水滲透力高，原爐襯修護時須打除至永久層鎂磚，改善後，底部熱傳降低、鐵水滲透短，修護時底部打除區減少，改善前後磚襯打除區域比較，如圖18。(二) 排渣口崩毀改善成果 磚形大型化、材質選用鎂鉻磚，雖生產清渣頻率增加，但增加熱間補爐措施，目前為止排渣口使用壽命均能符合生產，改善前後比較，如圖19。(三) 底吹不攪拌、渣線蝕深改善成果1. 底吹攪拌流量穩定，不攪拌情況未再發生，改善前後差異比較，如圖20。2. 底吹攪拌率提升，渣線熱負荷集中降低，渣線溶損率降低，改善前後渣線鎂碳磚溶損率差異比較，如圖21。3. 底攪拌率提升，電熔爐處理量亦提升，改善前後電熔爐處理量差異比較，如圖22。 (四) 上出鐵口異常改善成果上出鐵口材質改用鎂鉻磚與增加蒙古包保護改善，改善前後使用壽命比較，如圖23。五、整體改善效益(一) 處理率提升試俥階段的月平均處理量2,550 噸，102 年月平均處理量5,193，處理率提升約為49%。年度月平均處理量趨勢比較，如圖24。 (二) 單位耗用成本降低電熔爐耐火材單位耗用降低，102 年與試俥階段月平均單位耗用比較 ，降減幅度約64%，年度月耗用平均趨勢，如圖25。六、結論細粉料工場目前瓶頸為電熔爐爐襯雖然尚可使用，但周邊設備損壞而必須提前下線。藉由中鋼T62 部門協助耐火材料改善，目前整體爐襯壽命皆可達到30 日以上，單爐次處理量最高亦曾突破7,000 噸以上。目前電熔爐爐襯耐火材料仍持續進行改善中，由T62 協同國內供料商開發耐侵蝕性更優之低碳鎂碳磚已有初步成效。七、參考文獻(1) 劉清材、張丙懷：熔融還原熔体對耐火材料的侵蝕試驗研究，耐火材料 1997, 31(1) 19 21.(2) 劉清材：熔融還原熔体與鎂碳磚的相互作用，耐火材料 1997, 31(4) 208 210.(3) 李堅強、王文武、甘非芳 、吳吉光：鐵浴式熔融還原渣