我國高爐爐缸破損情況初步調(diào)查

1、我國高爐爐缸破損情況初步調(diào)查黃曉煜薛向欣(鞍山鋼鐵(集團(tuán))公司)(東北大學(xué))摘要結(jié)合鞍鋼2號和7號等高爐和2號高爐的調(diào)查結(jié)果，對國內(nèi)部分高爐爐缸破損情況進(jìn)行初步調(diào)查，對爐缸破損原因做了初步分析和討論，認(rèn)為造成我國高爐爐缸環(huán)形斷裂的主要原因是由于碳磚自身物化性能差以及爐缸碳磚和高爐爐殼之間的熱應(yīng)力；環(huán)裂的出現(xiàn)加劇了爐缸的異常侵蝕。關(guān)鍵詞高爐爐缸爐缸侵蝕熱應(yīng)力環(huán)形斷裂PRELIMINARY INVESTIGATION ON BLAST FURNACEHEARTH DAMAGE IN CHINAHUANG XiaoyuXUE Xiangxin(Anshan Iron & Steel(Grou

2、p) Co.)(Northeastern University)ABSTRACTA preliminary investigation was made on hearth damage of a number of furnaces in China,and the analysis and discussion are presented for reasons of hearth damage in this paper.The main reasons of ring crack of the hearth are:1.Improper physical and chemical pr

3、operties of baked carbon bricks.2.The thermal stress existing in carbon bricks,alumina bricks and the furnace shell.The formation of the ring crack aggravates the abnormal erosion of the hearth.KEY WORDSblast furnace hearth,hearth erosion,thermal stress,ring crack1前言目前我國高爐爐缸基本分三種情況：一是引進(jìn)國外碳磚和技術(shù)，使?fàn)t缸壽命

4、基本滿足生產(chǎn)的要求。如寶鋼1號高爐采用日本大塊碳塊，一代爐齡達(dá)10年多，但還需用釩鈦礦護(hù)爐；二是多年來在骨干鋼鐵企業(yè)中普遍使用大塊焙燒碳磚和高鋁磚結(jié)合的綜合爐底。因強(qiáng)化冶煉和爐容大型化，此種爐缸壽命只有27年。在采用綜合爐底的高爐中，鞍鋼7號高爐的破損具有代表性，圖1是7號高爐1987年大修時(shí)爐缸破損剖面1；三是許多中小高爐采用自焙碳磚爐缸，一代爐齡可達(dá)610年，基本滿足生產(chǎn)的要求。1992年鞍鋼7號高爐采用自焙碳磚陶瓷砌體復(fù)合爐缸以來，已有五座10002580 m3的高爐采用此種爐缸。實(shí)踐證明，該爐缸令人滿意2。本文就我國廣泛使用的焙燒碳磚綜合爐底的破損情況進(jìn)行了初步調(diào)查。圖 1鞍鋼7號高爐

5、1987年大修爐缸破損剖面圖Fig.1Sectional drawing for hearth erosion of No.7 BF in relining in 19872調(diào)查與分析焙燒碳磚和高鋁磚綜合爐缸爐底破損的兩個(gè)突出特征是異常侵蝕和環(huán)形斷裂，找出其形成機(jī)理對實(shí)現(xiàn)長壽是必要的。2.1破損機(jī)理調(diào)查分析(1) 鐵水接觸碳磚后，發(fā)生鐵液的滲透、碳素的溶解和鐵水對碳磚的機(jī)械沖刷。因溫度波動(dòng)，導(dǎo)致碳磚龜裂和脆化。這就破壞了碳磚的結(jié)構(gòu)，造成了碳磚的侵蝕。(2) 熱應(yīng)力的破壞作用。因爐殼在爐缸處有折點(diǎn)，加之焙燒碳磚尺寸大，開爐后碳磚里外兩端溫差大，使碳磚產(chǎn)生熱應(yīng)力。碳磚熱端的熱膨脹、冷端受到爐殼的限

6、制及綜合爐底中高鋁磚和碳磚膨脹系數(shù)的差異也增加了碳磚的熱應(yīng)力。幾種熱應(yīng)力的綜合結(jié)果造成了環(huán)裂。停爐后的破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，碳磚熱端向上折斷。由斷口判斷，這是明顯的機(jī)械損壞。這種環(huán)縫并不是因所謂脆化而造成的微小裂縫，而是明顯的裂縫，斷口清晰。1993年12月鞍鋼2號高爐大修停爐時(shí)拍了環(huán)裂的照片(略)。1978年武鋼1號高爐爐缸破損調(diào)查均證明了類似的現(xiàn)象。(3) 堿金屬的破壞作用。這一作用主要發(fā)生在環(huán)裂縫外側(cè)和冷卻壁或風(fēng)口漏水處。在多次爐缸破損調(diào)查中發(fā)現(xiàn)環(huán)裂縫外側(cè)碳磚呈疏松粉末狀，且碳磚出現(xiàn)溶洞。表1給出了已粉化疏松的碳磚中的堿金屬含量。值得注意的是，由多個(gè)破損爐缸看到，環(huán)裂外側(cè)碳磚只是局部而不是大部分

7、出現(xiàn)失去強(qiáng)度的疏松粉化狀態(tài)。表1是從環(huán)縫和冷卻壁間出現(xiàn)粉化的碳磚樣與環(huán)縫和碳磚內(nèi)表面間未粉化的碳磚樣分析結(jié)果的對比，可見堿金屬破壞作用應(yīng)主要發(fā)生在環(huán)縫外側(cè)。表 1爐缸碳磚中堿金屬含量%Table 1Alkali metal content in carbon bricks%成分FeOK2ONa2O環(huán)縫內(nèi)側(cè)9.790.180.15環(huán)縫外側(cè)0.990.830.322.2爐缸破損形狀的調(diào)查分析一般中小高爐爐缸異常侵蝕的形狀為“蒜頭形”，而大型高爐中心存在“死區(qū)”和鐵水環(huán)流，爐缸侵蝕的形狀為“蘑菇形”。造成此異常侵蝕有如下原因。(1) 除爐缸內(nèi)鐵水環(huán)流的作用外，碳磚自身物化性能差是造成異常侵蝕的主要原

8、因。由表2可見，我國綜合爐底使用的大塊焙燒碳磚和國外優(yōu)質(zhì)碳磚的差距。其中我國焙燒碳磚自身的導(dǎo)熱性差，使碳磚熱面難以形成粘稠狀保護(hù)層。另外，碳磚本身氣孔大，鐵水的滲入和碳素的溶損也是造成異常侵蝕的重要原因。相反，國外一些優(yōu)質(zhì)碳磚導(dǎo)熱性能好，氣孔率低，又被加入一些金屬微粉以進(jìn)一步降低氣孔率，這就有效地抑制了侵蝕，即使有異常侵蝕，也遠(yuǎn)不及我國爐缸使用的大塊焙燒碳磚的侵蝕嚴(yán)重。(2) 碳磚導(dǎo)熱性能差和尺寸過大，使碳磚承受的熱應(yīng)力相應(yīng)增大。另外，環(huán)裂縫出現(xiàn)后，裂縫造成的氣體間隙或渣鐵形成的裂縫熱阻又使碳磚熱端受鐵水的化學(xué)侵蝕速度增加。一旦侵蝕深入環(huán)縫，爐缸就有燒穿的危險(xiǎn)。1994年鞍鋼2號高爐大修停爐時(shí)

9、拍的爐缸環(huán)縫照片表明，環(huán)縫中有大量凝固的鐵。爐底中部表面高鋁磚被燒結(jié)成致密的一體，因抗鐵水滲透性較強(qiáng)，侵蝕也較輕，爐底邊緣與環(huán)砌碳磚接觸的高鋁磚在鐵水侵入接縫和碳磚被侵蝕后則會出現(xiàn)程度不同的侵蝕或漂起，故造成環(huán)狀侵蝕。2.3破損位置的調(diào)查分析爐缸出現(xiàn)破損的位置不同，破損程度亦不同。鐵口區(qū)以上到渣口、風(fēng)口以下區(qū)域，爐缸最內(nèi)側(cè)為渣、鐵、石墨碳和焦炭等混合粘結(jié)沉積物，接著是環(huán)縫內(nèi)側(cè)300800 mm厚的碳磚，然后是碳磚中部環(huán)縫或環(huán)縫中的渣鐵，環(huán)裂縫外側(cè)有300500 mm的碳磚。鞍鋼10號高爐停爐后的調(diào)查結(jié)果表明3：與粘結(jié)物相接的碳磚內(nèi)表面基本沒受侵蝕。10號高爐停 表 2幾種碳磚的冶金性能比較Ta

10、ble 2Metallurgical properties comparison of carbon bricks吉林碳塊UCARNMA日本BC-7法國AN-102半石墨化自焙碳磚原料構(gòu)成回轉(zhuǎn)窯煅燒無煙煤、冶金焦電煅燒無煙煤電煅燒無煙煤電煅燒無煙煤電煅燒無煙煤體積密度/g*cm-31.551.621.601.561.62耐壓強(qiáng)度/MPa23.8241.5542.0037.2439.00導(dǎo)熱系數(shù)(1 200 )/W*m-1*K-13.7819.7016.00(20 )9.116.20鐵水滲透(0.3 MPa)嚴(yán)重滲透(0.5 MPa)輕度滲透輕度滲透輕度滲透灰分/%8.2410.010.012.

11、9850耐堿性CU-LCLCLCLC注： C大裂縫； LC有裂縫； U無裂縫。 爐大修的原因是爐缸二段(死鐵層區(qū)域)嚴(yán)重破損所致，可見爐缸鐵口區(qū)上下破損原因不同。爐缸鐵口區(qū)以上，因存在沉積物，碳磚表面侵蝕輕微，而碳磚中部環(huán)裂縫內(nèi)侵蝕嚴(yán)重。環(huán)縫寬達(dá)150400 mm是常見的，且縫內(nèi)被鐵和渣充填。鐵口區(qū)以下至爐底，因碳磚導(dǎo)熱性能差，使1150 等溫線出現(xiàn)在碳磚層內(nèi)。這使?fàn)t缸表面粘結(jié)保護(hù)層不能穩(wěn)定存在，導(dǎo)致侵蝕過程充分進(jìn)行，侵蝕線急劇向外擴(kuò)展，造成嚴(yán)重的異常侵蝕。2.4爐缸環(huán)裂縫及其中存在渣鐵的原因如前所述，環(huán)裂產(chǎn)生的原因是因碳磚尺寸大、性能差和多種因素產(chǎn)生的熱應(yīng)力所致。渣鐵由渣鐵口區(qū)碳磚的氣孔及砌

12、縫滲入碳磚環(huán)縫中，導(dǎo)致了所謂的脆化層。在脆化層中侵蝕加重，使碳磚出現(xiàn)環(huán)狀膨脹和粉化，造成環(huán)裂4。此觀點(diǎn)源于日本藤原茂，認(rèn)為鐵液滲入碳磚1 m以上的孔隙，進(jìn)而使碳磚脆化或粉化，因此造成碳磚環(huán)裂，其溫度在800 左右。筆者認(rèn)為，所謂“脆化層”侵蝕機(jī)理是鐵水與碳磚接觸處的侵蝕機(jī)理，脆化層并不是產(chǎn)生環(huán)裂的主要原因。所謂脆化后引起環(huán)裂的觀點(diǎn)至少是不符合我國綜合爐底破損的實(shí)際情況：(1) 在多個(gè)高爐的破損調(diào)查中看到，沒有滲入渣鐵的環(huán)縫中裂縫或縫隙是明顯的機(jī)械斷裂，沒有所謂粉化帶。在沒有滲入鐵水的部位，也有明顯環(huán)裂，即在碳磚內(nèi)表面無侵蝕情況下也發(fā)生嚴(yán)重的環(huán)裂。日本福山鐵廠以四分之一爐缸為模型做不加爐料和鐵水

13、而只升溫的熱應(yīng)力試驗(yàn)，結(jié)果表明碳磚在僅僅受熱而無其它影響因素時(shí)也出現(xiàn)了環(huán)形斷裂5，而藤原茂的觀點(diǎn)與之不符；(2) 環(huán)縫中的渣鐵量較大。鞍鋼2號爐缸破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在拆除的爐缸中常見環(huán)縫中的渣鐵。表 3鞍鋼7號高爐環(huán)縫內(nèi)渣、鐵成分%Table 3Slag and iron contents in ring crack of hearth in No.7 blast furnace%成分SiO2Al2O3CaOMgOFeO渣36.408.1539.998.12.515鐵成分SCSiMnP渣0.529鐵0.10313.720.800.1150.042表3中給出了環(huán)縫中渣鐵的成分。很明顯，該渣鐵不是經(jīng)碳

14、磚氣孔滲入的。鐵水在1300 以上的流動(dòng)性良好。爐缸鐵口區(qū)以下，鐵水容易滲入碳磚氣孔中。滲鐵與碳起作用，生成Fe3C或FeC使氣孔和裂縫擴(kuò)大，破壞了碳磚的工作表面，加重了爐缸的異常侵蝕。在爐底碳磚中滲鐵呈網(wǎng)狀分布并生成碳金屬間化合物，鐵含量可達(dá)10 %以上。滲鐵有正反兩種作用：滲鐵加重了爐缸異常侵蝕；滲鐵中溶解的碳析出，沉積成集結(jié)石墨，增加了碳磚體積密度和強(qiáng)度，提高了碳磚導(dǎo)熱性并對碳磚石墨化過程有催化作用。爐底表面碳磚的體積密度由使用前的1.55 g/cm3增加到1.85 g/cm3。盡管有這樣高的滲鐵，爐缸(爐底)自焙碳磚滲鐵層外既沒出現(xiàn)脆化層和粉化帶，更沒出現(xiàn)環(huán)裂。這說明環(huán)裂不是因鐵水滲入

15、后生成所謂的脆化層所致；(3) 爐缸環(huán)縫內(nèi)側(cè)剩余的碳磚厚度一般為300800 mm，經(jīng)碳磚氣孔滲透過這么大量的渣鐵是不可能的。持因鐵水滲入而引起脆化、形成環(huán)裂觀點(diǎn)的人認(rèn)為，鐵水深入到200300 mm并在200300 mm處造成脆化斷裂，而實(shí)際環(huán)裂距碳磚表面一般為300800 mm?？梢娺@種解釋脆化層機(jī)理的觀點(diǎn)與事實(shí)不符。該觀點(diǎn)還認(rèn)為，開爐一年半左右產(chǎn)生脆化層。但我國多個(gè)爐缸短壽的高爐僅開爐半年后就出現(xiàn)爐缸異常破損，由此證明該觀點(diǎn)亦不符合實(shí)際。本文認(rèn)為脆化層形成機(jī)理是碳磚與鐵水接觸處的微觀侵蝕，不是形成爐缸碳磚環(huán)裂的主要原因。綜上所述，造成我國爐缸環(huán)形斷裂的主要原因是由于碳磚物理化學(xué)性能差和爐缸結(jié)構(gòu)造成的熱應(yīng)力，環(huán)裂的出現(xiàn)加劇了爐缸的異常侵蝕。 3結(jié)論(1) 鐵水滲透、碳素溶解及鐵水的機(jī)械沖刷導(dǎo)致碳磚表面龜裂和脆化；堿金屬甚至造成碳磚的粉化；溫度波動(dòng)使熱應(yīng)力對碳磚的破壞加劇。(2) 焙燒碳磚的物理化學(xué)性能較差，使碳磚易受鐵水的化學(xué)侵蝕和熱應(yīng)力沖擊；而碳磚的尺寸過大，導(dǎo)熱性能差及爐殼結(jié)構(gòu)問題使熱應(yīng)力的破壞更加突出，最終導(dǎo)致碳磚斷裂甚至環(huán)裂，環(huán)裂的出現(xiàn)加劇了爐缸的異常侵蝕。(3) 在沒有滲入渣鐵的環(huán)縫中的裂紋或環(huán)裂縫隙是明顯的機(jī)械斷裂，沒有所謂的粉化帶，即在沒有渣鐵的部位也有明顯的環(huán)裂。所謂“脆化層”侵蝕機(jī)理是鐵水與碳磚接觸處的侵蝕機(jī)理，脆化層并不是產(chǎn)生環(huán)裂的主要原因。脆化層