張曉萍  王洛  宋燦陽

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心)

摘要：為對爐缸爐底耐材的選用和生產(chǎn)監(jiān)控提供支撐，在試驗室考察了 6種爐缸爐底耐材的理化性能指標(biāo)以及鋅、堿作用的衫響，并就鋅、堿作用后的兩種耐材進(jìn)行了 SEM形貌及能譜分析。從爐缸溫度場要求考慮，采用具有阻熱作用的陶査杯配合具有高導(dǎo)熱性能炭磚的復(fù)合爐缸爐底結(jié)構(gòu)有利于獲得爐缸長壽。堿金屬和鋅的侵蝕對耐材的理化性能彩響很大，尤其導(dǎo)熱性能和耐壓強(qiáng)度。耐材的性能指標(biāo)是高爐爐缸爐底設(shè)計時的選材依據(jù)，但不是決定爐虹壽命的關(guān)鍵，減少有害元素對耐材的侵蝕有利于爐缸的監(jiān)控和操作應(yīng)對。

關(guān)鍵詞：高爐；爐缸；爐底；耐材；性能；指標(biāo)

0 前言

高爐長壽技術(shù)是個系統(tǒng)工程，包括科學(xué)合理的爐型設(shè)計、高效冷卻設(shè)備、優(yōu)質(zhì)耐火爐襯、精心砌筑、質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)原燃料、良好的高爐長壽操作技術(shù)和有效的監(jiān)測維護(hù)手段，要采取綜合技術(shù)措施確保高爐各部位的同步長壽^[1]。隨著銅冷卻壁和爐襯噴補(bǔ)在爐身下部至爐腹部位的應(yīng)用，高爐長壽的薄弱環(huán)節(jié)已從爐身中下部、爐腰和爐腹轉(zhuǎn)移至爐缸部位^[2]。 近幾年高爐爐缸燒穿事故時有發(fā)生，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，不合理的爐缸爐底結(jié)構(gòu)和選用不合適的耐材是造成短命和燒穿事故的原因之二^[3]。 

采用高導(dǎo)熱性的炭磚，同時對爐缸冷卻壁實行強(qiáng)化冷卻，可使渣鐵形成凝固的1 15℃溫度殘存于炭磚中，并且遠(yuǎn)離冷卻壁。高噴煤比的高爐，在操作上既要強(qiáng)度活躍爐缸中心，又要求爐底中心保持適當(dāng)?shù)臏囟?，因此重視陶瓷杯的阻熱作用。依?jù)強(qiáng)化冷卻形成凝固層冷卻，爐缸側(cè)壁則需要高導(dǎo)熱、低孔隙度、防滲透性和高抗堿性能。

本文在實驗室條件下研究馬鋼4 000 m³高爐爐缸爐底所用6種耐材的導(dǎo)熱性、顯氣孔率和耐壓強(qiáng)度等性能指標(biāo)，以及鋅、堿靜態(tài)侵蝕后的影響，旨在為爐缸爐底部位耐材的選用和生產(chǎn)監(jiān)控提供支撐。

1試驗方法

顯氣孔率、體積密度、耐壓強(qiáng)度及永久線變化率分別執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) GB/T 2997 - 2015, GB/T 7320 —2008及GB/T 5988 - 2007o導(dǎo)熱系數(shù)測定采用LFA427激光導(dǎo)熱儀檢測。

耐材抗侵蝕性試驗方法在參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T14983的基礎(chǔ)上重新設(shè)計，試驗裝置示意圖如圖1 所示。試驗采用還原氣氛，以木炭和金屬碳酸鹽、氧化鋅混合物為試劑。

2試驗結(jié)果與分析

2. 1理化性能

爐缸爐底耐材的編號及理化性能指標(biāo)見表1，其值為6個試樣測定結(jié)果的平均值。單個試樣的顯氣孔率測定結(jié)果波動情況如圖2所示，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化情況如圖3所示。

從表1可以看出，在6種爐缸爐底耐材中，陶瓷杯杯壁磚的顯氣孔率最低，陶瓷杯杯底磚和超微孔炭磚次之,最高的為石墨炭磚。盡管超微孔炭磚的顯氣孔率較低，但從圖2可以看出，其每個試樣的測定結(jié)果波動較大，除試驗系統(tǒng)誤差的影響外，主要還是氣孔大小的分布不均所致。氣孔大小的分布不均將導(dǎo)致炭磚整體抵御侵蝕、鐵水滲透的能力變差，并且易造成應(yīng)力集中，因此改進(jìn)炭磚質(zhì)量的一個重要方面是努力使炭磚的氣孔均勻分布。從圖3可知，各溫度下陶瓷杯杯底、杯壁磚的導(dǎo)熱系數(shù)與其他炭磚的差別較大，相對較低.隨溫度的升高變化也不大，該性能達(dá)到了爐缸爐底對耐材阻熱作用的要求；石墨炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于其他幾種炭磚。根據(jù)上述耐材的導(dǎo)熱性能，馬鋼4 000m³高爐在爐底最上層和爐缸側(cè)壁砌筑低導(dǎo)熱陶瓷磚可獲得適中的爐底中心溫度，而爐底最低層采用高導(dǎo)熱的石墨磚布置在爐底水冷管上，通過水冷卻系統(tǒng)可帶走熱量，保證了爐底的溫度場。從耐材選擇角度說，這種設(shè)計有利于獲得爐缸爐底的長壽。

2.2鋅、堿作用對理化性能影響

表2為1 100℃條件下堿金屬和鋅對爐缸爐底耐材顯氣孔率性能的影響。

從表W可知，堿金屬和鋅有顯著降低炭磚顯氣孔率的作用，降幅達(dá)到4. 43個百分點以上，但對陶瓷杯杯底磚、杯壁磚的影響很小。這主要是因為堿金屬和鋅侵蝕后，由于炭磚的顯氣孔率大，相比陶瓷杯杯底磚、杯壁磚堿金屬和鋅進(jìn)入炭磚內(nèi)部的通道更大，侵蝕性氣體進(jìn)入炭磚的概率增加，但由于試驗是在1 100℃條件完成的短時間靜態(tài)堿、鋅蒸氣侵蝕，動力學(xué)條件有限，受作用力、氣氛、反應(yīng)時間和速度的限制，進(jìn)入炭磚氣孔的K、Na和Zn未與炭磚發(fā)生進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)，從而停留在氣孔產(chǎn)生堵塞，導(dǎo)致顯氣孔率降低。超微孔炭磚分別受鈉、鋅蒸氣侵蝕后的SEM圖，如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5可知，炭磚基質(zhì)上明顯分布有許多棱角分明的白色晶體，這種晶體的內(nèi)部有孔洞存在。對該白色晶狀物進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)，主要是Na和Zn,進(jìn)一步解釋了該試驗條件下進(jìn)入炭磚氣孔的K、Na和Zn未與炭磚內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)而堵塞氣孔，導(dǎo)致氣孔率降低的結(jié)論。盡管試驗得出堿金屬和鋅有大幅降低炭磚顯氣孔率的作用，但不是說堿和鋅的侵蝕對提高炭磚性能有好處，因為在高爐實際生產(chǎn)中，有害元素對爐缸爐底耐材的侵蝕是一個長時間綜合作用的結(jié)果，一旦侵入炭磚，長時間綜合作用下將會在炭磚中形成大量的硅酸鹽物相，由此產(chǎn)生體積膨脹而對炭磚進(jìn)行破壞。因此，還是選擇氣孔率低的耐材，以減少有害元素與炭磚接觸的面積，從而提高炭磚的抗蝕能力。

從表2還可看出，鋅對超微孔炭磚、微孔炭磚顯氣孔率的影響小于堿金屬的影響。這是由于在碳過剩條件下，高溫下C加速了 K₂CO₃.Na₂CO₃的分解，生成的K₂O，Na₂O被進(jìn)一步還原成金屬K、Na^[4]，K、Na原子半徑比Zn要小，同時與K₂O. Na₂O，K₂CO₃.Na₂CO₃等分子半徑相比小的多，在耐火磚沒有受到侵蝕前質(zhì)地比較致密，原子半徑較小的K、Na首先進(jìn)人磚體^[5]。因此，鋅對超微孔炭磚、微孔炭磚顯氣孔率的影響小于堿金屬的影響。

1100℃條件下堿金屬和鋅作用后，幾種爐缸爐底耐材的體積密度影響都很小，線變化率增大最多的是陶瓷杯杯底磚，為1.71個百分點。陶瓷杯杯底磚、石墨炭磚的耐壓強(qiáng)度大幅降低，超過了 30%，陶瓷杯底磚的尤為嚴(yán)重。陶瓷杯壁磚的抗鋅侵蝕較差，耐壓強(qiáng)度下降幅度高達(dá)80.66%。而對半石墨炭磚、超微孔炭磚、微孔炭磚的耐壓強(qiáng)度則有一定的提高作用。鋅、堿侵蝕后陶瓷杯杯壁磚、超微孔炭磚中的侵蝕金屬含量（能譜分析）見表3。

從表3可知，陶瓷杯底磚中侵蝕金屬含量明顯較超微孔炭磚中的多，由此說明陶瓷杯底磚更容易受鋅、堿侵蝕。

鋅、堿對爐缸爐底耐材導(dǎo)熱系數(shù)的影響，如圖6所示。從圖6導(dǎo)熱系數(shù)的變化情況來看，堿金屬和鋅有顯著增大陶瓷杯杯底磚、杯壁磚導(dǎo)熱系數(shù)的作用，而超微孔炭磚、微孔炭磚的則會顯著降低。對于半石墨炭磚，受侵元素不同導(dǎo)熱系數(shù)變化不同，K侵蝕后導(dǎo)熱系數(shù)增加，Na、Zn侵蝕后減小，K、Na混合作用后增加。堿金屬有增大石墨炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)的作用，而Zn則減小石墨炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)。

4 結(jié)語

本文通過在實驗室研究分析6種爐缸爐底耐材的理化性能指標(biāo)以及鋅、堿作用的影響，得出如下結(jié)論：

1) 具有阻熱作用的陶瓷杯配合具有高導(dǎo)熱性能炭磚的復(fù)合爐缸爐底結(jié)構(gòu)有利于獲得爐缸長壽。

2) 堿金屬和鋅的侵蝕對耐材的理化性能影響很大，尤其導(dǎo)熱性能和耐壓強(qiáng)度。

3) 耐材的氣孔為堿金屬和鋅的侵蝕提供了通道，為減少有害元素與炭磚的接觸面積，以提高炭磚的抗蝕能力，在耐材的選擇中還是希望原始?xì)饪茁实汀?/p>

4) 改善微孔炭磚、超微孔炭磚的氣孔均勻分布是提高其質(zhì)量的一個重要措施。

參考文獻(xiàn)

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