2023年我国高炉炉缸破损情况初步调查.docx

我国高炉炉缸破损情况初步调查 　　黄晓煜　　　　　薛向欣 　　(鞍山钢铁(集团)公司)　　　(东北大学) 摘　要　结合鞍钢2号和7号等高炉和2号高炉的调查结果，对国内局部高炉炉缸破损情况进行初步调查，对炉缸破损原因做了初步分析和讨论，认为造成我国高炉炉缸环形断裂的主要原因是由于碳砖自身物化性能差以及炉缸碳砖和高炉炉壳之间的热应力；环裂的出现加剧了炉缸的异常侵蚀。 关键词　高炉炉缸　炉缸侵蚀　热应力　环形断裂 PRELIMINARY INVESTIGATION ON BLAST FURNACE HEARTH DAMAGE IN CHINA 　　　　　　HUANG XiaoyuXUE Xiangxin (Anshan Iron & Steel(Group) Co.)(Northeastern University) ABSTRACT　A 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 properties 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 WORDS　blast furnace hearth,hearth erosion,thermal stress,ring crack 1　前言 　　目前我国高炉炉缸根本分三种情况：一是引进国外碳砖和技术，使炉缸寿命根本满足生产的要求。如宝钢1号高炉采用日本大块碳块，一代炉龄达10年多，但还需用钒钛矿护炉；二是多年来在骨干钢铁企业中普遍使用大块焙烧碳砖和高铝砖结合的综合炉底。因强化冶炼和炉容大型化，此种炉缸寿命只有2～7年。在采用综合炉底的高炉中，鞍钢7号高炉的破损具有代表性，图1是7号高炉1987年大修时炉缸破损剖面［1］；三是许多中小高炉采用自焙碳砖炉缸，一代炉龄可达6～10年，根本满足生产的要求。 　　1992年鞍钢7号高炉采用自焙碳砖陶瓷砌体复合炉缸以来，已有五座1　000～2　580 m3的高炉采用此种炉缸。实践证明，该炉缸令人满意［2］。本文就我国广泛使用的焙烧碳砖综合炉底的破损情况进行了初步调查。 图 1　鞍钢7号高炉1987年大修炉缸破损剖面图 　　Fig.1　Sectional drawing for hearth erosion of No.7 BF in relining in 1987 2　调查与分析 　　焙烧碳砖和高铝砖综合炉缸炉底破损的两个突出特征是异常侵蚀和环形断裂，找出其形成机理对实现长寿是必要的。 2.1　破损机理调查分析 　　(1) 铁水接触碳砖后，发生铁液的渗透、碳素的溶解和铁水对碳砖的机械冲刷。因温度波动，导致碳砖龟裂和脆化。这就破坏了碳砖的结构，造成了碳砖的侵蚀。 　　(2) 热应力的破坏作用。因炉壳在炉缸处有折点，加之焙烧碳砖尺寸大，开炉后碳砖里外两端温差大，使碳砖产生热应力。碳砖热端的热膨胀、冷端受到炉壳的限制及综合炉底中高铝砖和碳砖膨胀系数的差异也增加了碳砖的热应力。几种热应力的综合结果造成了环裂。停炉后的破损调查发现，碳砖热端向上折断。由断口判断，这是明显的机械损坏。这种环缝并不是因所谓脆化而造成的微小裂缝，而是明显的裂缝，断口清晰。1993年12月鞍钢2号高炉大修停炉时拍了环裂的照片(略)。1978年武钢1号高炉炉缸破损调查均证明了类似的现象。 　　(3) 碱金属的破坏作用。这一作用主要发生在环裂缝外侧和冷却壁或风口漏水处。在屡次炉缸破损调查中发现环裂缝外侧碳砖呈疏松粉末状，且碳砖出现溶洞。表1给出了已粉化疏松的碳砖中的碱金属含量。值得注意的是，由多个破损炉缸看到，环裂外侧碳砖只是局部而不是大局部出现失去强度的疏松粉化状态。表1是从环缝和冷却壁间出现粉化的碳砖样与环缝和碳砖内外表间未粉化的碳砖样分析结果的比照，可见碱金属破坏作用应主要发生在环缝外侧。 表 1　炉缸碳砖中碱金属含量　　% Table 1　Alkali metal content in carbon bricks　　% 成分 FeO K2O Na2O 环缝内侧 9.79 0.18 0.15 环缝外侧 0.99 0.83 0.32 2.2　炉缸破损形状的调查分析 　　一般中小高炉炉缸异常侵蚀的形状为“蒜头形〞，而大型高炉中心存在“死区〞和铁水环流，炉缸侵蚀的形状为“蘑菇形〞。造成此异常侵蚀有如下原因。 　　(1) 除炉缸内铁水环流的作用外，碳砖自身物化性能差是造成异常侵蚀的主要原因。由表2可见，我国综合炉底使用的大块焙烧碳砖和国外优质碳砖的差距。其中我国焙烧碳砖自身的导热性差，使碳砖热面难以形成粘稠状保护层。另外，碳砖本身气孔大，铁水的渗入和碳素的溶损也是造成异常侵蚀的重要原因。相反，国外一些优质碳砖导热性能好，气孔率低，又被参加一些金属微粉以进一步降低气孔率，这就有效地抑制了侵蚀，即使有异常侵蚀，也远不及我国炉缸使用的大块焙烧碳砖的侵蚀严重。 　　(2) 碳砖导热性能差和尺寸过大，使碳砖承受的热应力相应增大。另外，环裂缝出现后，裂缝造成的气体间隙或渣铁形成的裂缝热阻又使碳砖热端受铁水的化学侵蚀速度增加。一旦侵蚀深入环缝，炉缸就有烧穿的危险。 　　1994年鞍钢2号高炉大修停炉时拍的炉缸环缝照片说明，环缝中有大量凝固的铁。炉底中部外表高铝砖被烧结成致密的一体，因抗铁水渗透性较强，侵蚀也较轻，炉底边缘与环砌碳砖接触的高铝砖在铁水侵入接缝和碳砖被侵蚀后那么会出现程度不同的侵蚀或漂起，故造成环状侵蚀。 2.3　破损位置的调查分析 　　炉缸出现破损的位置不同，破损程度亦不同。铁口区以上到渣口、风口以下区域，炉缸最内侧为渣、铁、石墨碳和焦炭等混合粘结沉积物，接着是环缝内侧300～800 mm厚的碳砖，然后是碳砖中部环缝或环缝中的渣铁，环裂缝外侧有300～500 mm的碳砖。鞍钢10号高炉停炉后的调查结果说明［3］：与粘结物相接的碳砖内外表根本没受侵蚀。10号高炉停 表 2　几种碳砖的冶金性能比拟 　　Table 2　Metallurgical properties comparison of carbon bricks 　 吉林碳块 　 UCAR NMA 日本 BC-7 法国 AN-102 半石墨化 自焙碳砖 原料构成 　 回转窑煅烧无 烟煤、冶金焦 电煅烧无烟煤 　 电煅烧无烟煤 　 电煅烧无烟煤 电煅烧无烟煤 　 体积密度/gxcm-3 1.55 1.62 1.60 1.56 　1.62 耐压强度/MPa 23.82 41.55 42.00 37.24 39.00 导热系数(1 200 ℃)/Wxm-1xK-1 3.78 19.70 16.00 (20 ℃)9.1 16.20 铁水渗透(0.3 MPa) 　 严重渗透 (0.5 MPa) 轻度渗透 轻度渗透 　 轻度渗透 　 灰分/% 8.24 10.0 10.0 12.98 5～0 耐碱性 C U-LC LC LC LC 　　注： C—大裂缝； LC—有裂缝； U—无裂缝。 　　炉大修的原因是炉缸二段(死铁层区域)严重破损所致，可见炉缸铁口区上下破损原因不同。炉缸铁口区以上，因存在沉积物，碳砖外表侵蚀轻微，而碳砖中部环裂缝内侵蚀严重。环缝宽达150～400 mm是常见的，且缝内被铁和渣充填。 　　铁口区以下至炉底，因碳砖导热性能差，使1　150 ℃等温线出现在碳砖层内。这使炉缸外表粘结保护层不能稳定存在，导致侵蚀过程充分进行，侵蚀线急剧向外扩展，造成严重的异常侵蚀。 2.4　炉缸环裂缝及其中存在渣铁的原因 　　如前所述，环裂产生的原因是因碳砖尺寸大、性能差和多种因素产生的热应力所致。渣铁由渣铁口区碳砖的气孔及砌缝渗入碳砖环缝中，导致了所谓的脆化层。在脆化层中侵蚀加重，使碳砖出现环状膨胀和粉化，造成环裂［4］。此观点源于日本藤原茂，认为铁液渗入碳砖1 μm以上的孔隙，进而使碳砖脆化或粉化，因此造成碳砖环裂，其温度在800 ℃左右。笔者认为，所谓“脆化层〞侵蚀机理是铁水与碳砖接触处的侵蚀机理，脆化层并不是产生环裂的主要原因。所谓脆化后引起环裂的观点至少是不符合我国综合炉底破损的实际情况： 　　(1) 在多个高炉的破损调查中看到，没有渗入渣铁的环缝中裂缝或缝隙是明显的机械断裂，没有所谓粉化带。在没有渗入铁水的部位，也有明显环裂，即在碳砖内外表无侵蚀情况下也发生严重的环裂。日本福山铁厂以四分之一炉缸为模型做不加炉料和铁水而只升温的热应力试验，结果说明碳砖在仅仅受热而无其它影响因素时也出现了环形断裂［5］，而藤原茂的观点与之不符； 　　(2) 环缝中的渣铁量较大。鞍钢2号炉缸破损调查发现，在撤除的炉缸中常见环缝中的渣铁。 表 3　鞍钢7号高炉环缝内渣、铁成分　　% 　　Table 3　Slag and iron contents in ring crack of hearth in No.7 blast furnace　　% 成分 SiO2 Al2O3 CaO MgO FeO 渣 36.40 8.15 39.99 8.1 2.515 铁 — — — — — 成分 S C Si Mn P 渣 0.529 — — — — 铁 0.103 13.72 0.80 0.115 0.042 　　表3中给出了环缝中渣铁的成分。很明显，该渣铁不是经碳砖气孔渗入的。 　　铁水在1　300 ℃以上的流动性良好。炉缸铁口区以下，铁水容易渗入碳砖气孔中。渗铁与碳起作用，生成Fe3C或FeC使气孔和裂缝扩大，破坏了碳砖的工作外表，加重了炉缸的异常侵蚀。在炉底碳砖中渗铁呈网状分布并生成碳—金属间化合物，铁含量可达10 %以上。渗铁有正反两种作用：渗铁加重了炉缸异常侵蚀；渗铁中溶解的碳析出，沉积成集结石墨，增加了碳砖体积密度和强度，提高了碳砖导热性并对碳砖石墨化过程有催化作用。炉底外表碳砖的体积密度由使用前的1.55 g/cm3增加到1.85 g/cm3。尽管有这样高的渗铁，炉缸(炉底)自焙碳砖渗铁层外既没出现脆化层和粉化带，更没出现环裂。这说明环裂不是因铁水渗入后生成所谓的脆化层所致； 　　(3) 炉缸环缝内侧剩余的碳砖厚度一般为300～800 mm，经碳砖气孔渗透过这么大量的渣铁是不可能的。持因铁水渗入而引起脆化、形成环裂观点的人认为，铁水深入到200～300 mm并在200～300 mm处造成脆化断裂，而实际环裂距碳砖外表一般为300～800 mm。可见这种解释脆化层机理的观点与事实不符。该观点还认为，开炉一年半左右产生脆化层。但我国多个炉缸短寿的高炉仅开炉半年后就出现炉缸异常破损，由此证明该观点亦不符合实际。本文认为脆化层形成机理是碳砖与铁水接触处的微观侵蚀，不是形成炉缸碳砖环裂的主要原因。 　　综上所述，造成我国炉缸环形断裂的主要原因是由于碳砖物理化学性能差和炉缸结构造成的热应力，环裂的出现加剧了炉缸的异常侵蚀。