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鐵合金生產中,礦熱爐發生噴料、爆炸、塌料事故的原因分析

在礦熱爐冶煉作業過程中發生過塌料爆炸事故,炸裂電極大小水套,造成礦熱爐檢修時間延長。個別企業甚至出現過熾熱熔體噴出爐外,致使爐前操作工人受傷、致殘。類似事故在南非等國外廠家亦曾發生。據報導,爐內爆炸事故竟導致多人傷亡。因此,認真分析礦熱爐發生噴料、爆炸事故的起因,并提出相應的防范措施,對保證鐵合金企業安全生產十分重要。
1、礦熱爐冶煉模式的分類
據鐵合金生產企業的統計分析,發生礦熱爐噴料、爆炸事故多出現在錳硅合金冶煉和高碳鉻鐵冶煉過程中,高碳錳鐵冶煉一般發生翻渣現象,但很少見到硅鐵或硅系鐵合金生產中發生爐膛內塌料、爆炸事故的報導。這說明礦熱爐的冶煉模式對生產過程發生噴料、爆炸事故有直接關系。按照碳熱還原反應的冶金特點,一般可將鐵合金生產工藝分為有渣法冶煉和無渣法冶煉兩大類。這種分類方法并非指鐵合金生產過程是否有爐渣形成為標準的,而是指冶金過程,爐內碳熱還原反應機理和發生主要區域的區別。式(l)和式(2)是硅鐵和錳硅鐵合金生產的總反應式:
硅鐵合金(無渣法)
SiO2+2C=Si(Fe)+2CO↑
錳硅合金(有渣法)
MnO2+SiO2+6C=MnSi+6CO↑
錳硅合金生產中,使用的錳礦中含有脈石,同時添加部分含CaO、MgO的熔劑,因此,還原劑焦炭是從含Mn、Si元素的熔體中反應生成Mnsi鐵合金產品。由于碳熱還原過程的反應方式隨產品不同而不同,使得硅系鐵合金和錳系鐵合金兩種礦熱爐的爐膛結構產生明顯差異。
有渣法礦熱爐的爐膛結構是由生料層、軟熔層、熔渣層、金屬熔池等幾部分構成(見圖2)。焦炭層是有渣法埋弧電爐最重要的特征,它是輸人爐內的電能轉變為熱能和碳熱還原反應的主要場所。因此,有渣法冶煉時,發生翻渣、噴料甚至爆炸等生產事故,應與礦熱爐爐膛結構相聯系。爐膛焦炭層結構的合理性和穩定性是電爐正常運行的重要保證。
2、爐內翻渣或噴料—“液泛”的表現形式
有渣法礦熱爐內形成的焦炭層始終處于動態平衡狀態。當一個冶煉周期結束(出鐵后),隨著混合爐料的熔化和還原反應的進行,爐膛內焦炭層是通過軟熔層中焦炭的消耗和積聚逐步形成。焦炭與熔渣相互不浸潤,但與大部分金屬碳化物和鐵合金相浸潤,因而,爐膛中存在的焦炭層也起著渣鐵熔體的“過濾”和分離的作用。當液態產物(初渣或鐵合金)穿過焦炭層的孔隙下降時,會形成滯留。渣、鐵的滯留量是高爐冶煉過程的一個重要參數。高爐生產中存在氣、液逆流的條件,滯留量一般指焦炭層中氣、液兩相流形成載點到泛點之間的液體高度,與上升氣流速度、渣鐵物理性質和焦炭層結構有直接關系。當到達“泛點”時,焦炭層中渣鐵會被氣流“托起”,出現所謂“液泛”現象,這是高爐發生懸料的主要原因之一。對照高爐冶煉的工況條件,礦熱爐的焦炭層不僅也會形成渣鐵滯留帶,而且由于發生碳與初渣的反應,其生成的CO氣體上升氣流恰好與下降的渣鐵形成逆流條件。因此,發生翻渣現象實際上是“液泛”的一種表現形式,在礦熱爐料面透氣性差,焦炭層中孔隙小的情況下,容易在電極根部最先引起翻渣。尤其當爐膛內壓力過大或電極埋深過淺時,在每相電極根部先會發生噴料或噴焦,F象,而后發生大翻渣。因此,爐膛內焦炭過厚造成電極不能深插,或者選擇焦炭粒度太小、焦炭強度不夠,在爐膛內不能形成“活動”焦炭層區,都有可能造成大翻渣操作事故。出鐵過程排一定數量的焦炭,以調節爐內焦炭層的厚度與透氣性,將有利于穩定電極埋深位置和防止翻渣。
3、爐內塌料爆炸的成因
爐內發生塌料、爆炸屬惡性事故,應將其歸因于可燃氣體的一種帶有壓力波的燃燒—爆燃或爆轟‘。礦熱爐作為還原性氣氛冶煉設備,其爐氣均屬于可燃性氣體。
氣體爆炸必須具備3個基本條件:
(1)有合適濃度的可燃氣體。
(2)有合適濃度的氧氣。
(3)有足夠能量的點火源。
可燃氣體與空氣混合達到某一比例濃度范圍,一遇明火,即引起爆炸。這個比例濃度范圍,就叫做爆炸范圍。如圖4所示。爆炸范圍是由發生速度和傳熱速度相互決定的。由于在低濃度區域內的可燃性氣體量不足,而在高濃度區域空氣量又不足,所以在這兩個區域內不發生爆炸。
礦熱爐正常作業時,爐膛內因碳熱反應生成的CO、H2等可燃性氣體一般通過爐料層升至料面上方,再經煙道排放。對密閉爐而言,因爐內空氣量不足,可燃性氣體濃度高,導致化學反應的不完全,反應放出的熱量小于損耗的熱量,因而阻礙火焰蔓延。燃氣僅能在料面上形成正常的小火苗燃燒反應。對于半封閉、矮煙罩爐,爐內過量的空氣作為惰性介質參與燃燒反應,消耗一部分反應燃燒熱,起到冷卻作用,阻礙了火焰自行傳播。使得燃氣在料面上形成正常燃燒的大火焰,同時也增加了煙氣量的和煙氣溫度(400一500℃),上述兩種情況均不會造成爐內可燃氣體的爆炸。但是,對于有渣法冶煉的礦熱爐爐膛結構,如果因作業過程使得爐內局部區域的可燃氣體與空氣混合比例處于爆炸范圍,即可能發生爆炸事故。
據生產實際統計,發生塌料、爆炸事故是有一定規律的:
(1)最可能發生爆炸的位置是靠近出鐵口的電極區域,其次是中心料管與相間料管之間布料薄弱的區域。
(2)事故大多發生在出鐵中后期。
(3)不合理的升降電極(一般夜班作業易發生)。
上述工況條件造成可燃氣體爆炸的原因,可用圖5說明。當開眼出鐵時,爐膛內渣鐵的排出使焦炭層下降,靠近出鐵口相電極下的焦炭層上表面開始會更低一些,若該相電極料層開始不下沉的話,則會在焦炭層和料層之間形成空穴,爐內可燃氣體容易在空穴內積聚,局部濃度升高。當到出鐵中后期,空穴壓力增大,或電極周圍懸空料層面積增大到一定程度時,即會發生塌料,此時若塌料導人空穴中的空氣與可燃性氣體比例達到爆炸范圍,或因塌料,從空穴中排出的可燃氣體與料面處的空氣比例達到爆炸范圍時,則就會引起爆炸事故。
4、預防事故發生的技術措施
根據上述對渣法冶煉礦熱爐易發生塌料、爆炸事故的起因分析,提出以下供參考的技術措施:
(1)改善入爐的原料條件,提高爐料的透氣性。
(2)合理配置下料管位置和角度,達到布料均勻的目的。
(3)加強料面爐料的操作管理,發生翻渣爐況應及時處理,使之不影響料層的透氣性。
(4)保證電極工作端長度和爐料內的插入深度。
(5)三相電極電流不平衡需要調整時,應在活動電極前先蓋料,警示爐前操作工人遠離電爐后,加大電極活動量從而促進爐料下沉,三相電極電流平衡后,再打開料管布料。
(6)選擇合適的焦炭粒度和控制出鐵時的爐內排炭量,使爐膛內逐步形成合理的焦炭層厚度和結構,避免翻渣、噴料。


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