【火焰喷补技术】
20世纪80年代初该技术在美国、日本、前苏联、比利时、奥地利等国已进行开发和研究，并于近年来应用于工业冶金炉，对提高炉龄、降低耐火材料消耗、降低钢铁冶炼成本作用显著。近年来，中国在焦炉上采用火焰喷补技术已取得一定的效果，而在高炉热风炉、电弧炉、精炼炉及转炉等方面，火焰喷补技术尚未得以应用，只停留于实验室的模拟研究。
火焰喷补是将粉末状的耐火材料，通过火焰加热达到表面熔融状态而附着于炉衬砖上，形成烧结层。此烧结层与原衬砖结合强固，本身密度较大，具有很好的耐用性。工业用火焰喷补的燃料，可选用固体燃料(焦粉、煤粉等)、液体燃料(重油等)、气体燃料(丙烷、乙炔等)。在喷补距离较短、喷补料量及喷补面积较小时，一般使用气体燃料，以纯氧助燃。气体燃料不但使用方便。控制也容易，火焰较短，喷补料表面可在瞬间被加热到高温，达到熔融状态。故焦炉、RH装置吸上管部位的喷补多采用气体燃料。一般情况下喷补料量为15～50kg／min。而大型转炉的炉内空间大，喷补量及喷补面积较大，为使喷补表面能充分在火焰中被加热到熔融状态，希望火焰长度长些，以延长喷补料在火焰中的滞留时间而有利于喷补料的加热，一般使用焦粉或无烟煤粉在纯氧中充分燃烧而达到高温。因此，以焦粉作燃料铁转炉火焰喷补有如下特点：①耐火材料粉与焦粉混合后由喷枪喷出，与氧充分混合后燃烧，可得到足以使耐火材料粒子表面熔融的燃烧温度和热量。C+O2=CO2，ΔH=32687kJ／kg碳
由于火焰喷补使喷补层与炉衬结合强固，喷补层气孔率低，耐用性好。②喷补能力大、时间短，喷补后即可炼钢，有利于与连铸配合。耐火材料粉在高速的火焰中被迅速加热，到达炉衬砖前，必须使耐火材料表面呈现熔融状态，才能得到高的附着率和良好的喷补层。耐火材料粒子在火焰中达到熔融温度所需时间t，近似地用式(1)表示。 t=0．84ρ·c·D2／λ (1)式中，t为耐火材料粒子被加热的时间，s；ρ为耐火材料粒子密度，kg／m3；c为耐火材料粒子比热容，kJ／(g·K)；D为耐火材料粒子直径，m；λ为耐火材料粒子的热传导率，4．18×102W／(m·K)。
由式(1)可看出，若使用同一材质的喷补料，则耐火材料粒子的直径D对加热时间t的影响是非常大的。一般烧结层的情况，喷补距离为10～20cm，使用气体燃烧耐火材料粒子在火焰中的滞留时间为0．005～0．05s。为在如此短的时间内使耐火材料粒子表面加热到熔融状态，粒子的直径必须小于0．2mm。耐火材料粒子从固态向熔融状态变化，除式(1)所示原因外，火焰温度、耐材粒子溶点、火焰内粉体浓度对其都有影响。使用固体燃料的转炉火焰喷补，火焰较长，喷补距离2m左右，耐材粒子的喷出速度50～200m／s，耐材粒子在火焰中被加热的时间0．01～0．05s。火焰温度必须高于1850℃。
由于使用焦粉作燃料，与使用气体燃料形成的火焰不同，为确定最佳的喷补条件．必须首先进行热分析来决定材料中焦粉量及单位时间的喷出量。1．热平衡分析。火焰喷补的燃烧状态和耐火材料的熔融过程中，所使用的喷补料(包括焦粉)的化学成分如表1所示。表1 喷补料的化学成分 (%)
式中，T为炉衬温度，K；x为距炉衬距离，m；ε为内衬面与火焰间的辐射率；σ为斯忒番－玻尔兹曼常数，kJ／(m2·K4·h)；A为炉内面积，m2。Q2可从传给喷枪的热及炉上放散的热计算出，而Q可从喷补料中焦粉充分燃烧后的燃烧热计算出。
炉衬温度可测出或用式(4)计算出。
式中，τ为时间，h；α为温度传导度，m2／h。
从以上关系，可按给出的初始条件及补炉材料的喷出量(与燃料量相当)与时间关系，计算出火焰温度。首先计算出炉衬温度对火焰温度的影响，结果表明，炉衬温度越高则火焰温度越高，喷补后的火焰温度要达到1850℃以上，当炉料中有35%焦粉时，则炉衬温度必须大于1300℃，即使是允许有各种低效率，炉衬温度也不应低于1200℃。其次是研究炉衬温度与喷补量间的关系，其结果表明，若喷补量较大，喷补量中的焦粉应多些。根据上述的热分析及计算结果，喷补条件可假定如下：(1)喷补前炉衬温度1200～1500℃；(2)喷补料量150～220kg／min；(3)喷补料中焦粉量30%～35%。2．最佳喷补距离的研究。为使喷补料中的发热剂(如焦粉、煤粉等)在高速氧气流中充分燃烧，与使用气体燃料比较，其燃烧距离较长。在与炉衬碰撞之前就燃烧结束，并且喷补料表面被加热呈熔融状态，若燃烧距离合适，可得到良好的附着层。因此，以上述的假设条件为依据进行燃烧距离的计算，并做如下假定：(1)火焰内氧气与喷补料的混合是均匀的；(2)火焰内温度分配是均匀的，且火焰与喷补料的温度相同；(3)火焰存在于氧气流中。从喷嘴喷出的喷补料及氧气流速可用圆型喷流计算式(5)表示。
式中，U为流速，m／s；r为喷流内半径，m；Z为轴方向距离；m；ρ为气体密度，kg／m3。下标n表示喷嘴出口处。
焦粉的燃烧速度可用式(6)表示。
式中，g为燃烧速度．kg／(m2·s)；c为常数，kg／(m2·s)；E为活化能，kJ／kmol；R为气体常数，kJ／kmol；Po2－氧气压力，0．1MPa。
以式(5)的速度喷焦粉被加热到900C以上时，点火燃烧。在Δt时间内，粒子达到某一距离，并求出此时的燃烧速度。此时氧气由于燃烧而消耗，扣除在Δtn－1时间内消耗的氧，作为Δtn的Po2值，以式(5)、(6)依次进行计算，最终当Po2=0．01MPa时，可认为燃烧结束，求出火焰长度。火焰温度低于1850℃，则喷补料不能达到熔融状态；超过2000C易损伤炉衬。喷补料量在200kg／min时，最佳喷补距离为2．1～2．2m，火焰喷补设备是由喷补料供给装置、喷枪、喷枪台车与控制系统组成。通常采用差压法供给粉料，从设有压力传感器的加压罐将喷补料与N2一起喷出，并设有增减喷补料喷出量的调节系统，以控制喷补料量在150～600kg／min。喷补枪由同芯四重管构成，从内管起依次是喷补料、氧气、进出冷却水通路。在喷补枪前端有同心二重管喷嘴1～4个。内管以一定速度喷出喷补料，从内外管间隙中以大于喷补料的速度喷出氧气。喷补枪较重，装置在工作台车上，并保证有各种功能。以喷补枪自身为轴，可做正反方向的旋转运动(±180°)；以喷补枪的支点为重心，喷枪可做上下的摆动(±1．0m)；可做左右的摆动(±1．0m)，以调整最佳喷补距离和喷补方向。喷枪台车整体可做前进与后退动作，以选择喷补位置。将这些动作组合在一起，可在最有利的条件下，对炉内各个位置进行喷补。国际上喷补技术的发展动向是喷补设备现代化，并向小型、高速、多功能方向发展。采用多孔型喷嘴，并配备计算机控制系统，全部喷补过程实现自动作业。为提高喷补效率及降低喷补成本，开发了低成本的喷补料，如废镁砖的再生利用等。同时还开发了向喷补料中加入适量助熔剂和硝石，以提高喷补层的强度。中国对此项技术的开发研究还刚刚起步，今后应加强对该项技术的开发研究工作，以促进冶金工业的发展。(东北大学金培洪，鞍山钢铁公司韩晔、潘永才撰)