高爐爐缸爐底耐材長期受到高溫液態渣鐵的機械磨損和化學侵蝕,已成為限制高爐長壽的主要因素之一!。為了弄清爐缸爐底侵蝕原因,在高爐停爐時,對爐體尤其是爐缸爐底耐材進行破損調查已是慣例[2-4]

柳鋼6號高爐(1500m)于2008年12月投產2017年4月,降料面對部分損壞的冷卻壁進行更換,復風后爐缸側壁溫度異常偏高,被迫進入護爐階段。2021年以后,爐墻渣皮頻繁脫落,銅冷卻壁溫度波動較大,造成冷卻壁冷卻水管大量破損,嚴重影響高爐穩定順行和安全生產。2021年7月31日停爐進行大修,一代爐役壽命12年零7個月。停爐期間,對爐缸爐底進行了破損調查。

爐缸爐底破損狀況

6號高爐爐缸爐底采用“炭磚+陶瓷杯綜合爐底”結構。從爐底至爐喉下部共設有14段冷卻壁其中,爐底爐缸5段采用光面鑄鐵冷卻壁,爐腹至爐黏結,見圖1(a)。風口下方1000~2000mm,復合磚表面有渣層覆蓋,除去渣層,可清晰看到小塊炭磚,侵蝕較輕,見圖1(b)。(2)鐵口中心線(第12層炭磚下沿)周圍的炭磚侵蝕較為嚴重,殘余厚度僅200mm左右。鐵口中心線以下區域,從第9層到第7層炭磚殘厚逐漸減小,在東鐵口(22號風口)中心線正下方1500mm處(即第7層炭磚)侵蝕最嚴重,殘余度僅20mm左右。(3)爐底區域第5層炭磚侵蝕嚴重,中心直徑6m范圍內的炭磚已被侵蝕成鍋底狀。第4層炭磚未見侵蝕,但表面有凝結物料,且有些部位向上翹起磚縫間有鉛沉積。(4)12號與22號風口下方位置炭磚侵蝕曲線如圖2所示。從圖2可知,爐缸炭磚侵蝕最多的部分,集中在鐵口周圍和鐵口正下方1500mm(即第7層炭磚)的象腳區域。且東鐵口(22號風口)象腳區侵蝕最為嚴重,已見冷卻壁光面,隨時有燒穿的風險。此次停爐放殘鐵位置選取在第4層和第5層炭磚之間較為合理,標高7.190m,達到了爐缸侵蝕最深區域,基本能放凈爐內殘鐵,爐內清理基本沒有大塊鐵。

2 爐缸爐底侵蝕的原因

2.1鐵水環流

象腳狀侵蝕的主要原因是中心死料柱的透氣性和透液性較差,鐵水環流發展,而死鐵層深度及死料柱形態又是影響鐵水環流的關鍵因素[5]

般而言,死料柱有沉坐爐底和浮于鐵水兩種狀態。采用文獻[61中的方法,估算6號高爐死鐵層深度最小應為1750mm,而實際死鐵層設計深度僅為1370mm。這表明,6號高爐死鐵層深度過淺死料柱沉坐在爐底上,爐底與爐缸側壁形成爐底拐角,導致高溫鐵水主要集中于拐角處,因較大的鐵水流量和壁面剪切力,拐角處炭磚無法形成穩定的保護層而逐漸被侵蝕,整體呈現象腳狀。因此,在爐缸爐底交界部位的侵蝕最嚴重。

文獻[71指出,爐缸中心的死焦堆的孔隙率遠低于爐缸邊沿死焦堆的孔隙率,這為鐵水環流發展提供了條件。6號高爐長期使用質量較差的焦炭(M為7.5%),同時煤比較高(160kg/t)[81,使得爐缸中死料柱的透氣性和透液性較差,鐵水環流發展加速了象腳狀侵蝕的形成。

2.2 有害元素

有害元素K、Na、Zn和Pb對爐缸爐底炭磚侵蝕有較大的影響[9。堿金屬(KNa)與C作用形成層間化合物,引起膨脹,導致炭磚組織的破壞0。Zr和K、Na相比具有較大的離子質量和較小的離子半徑,在爐缸內更容易通過炭磚氣孔滲入到炭磚內部對其進行破壞。Pb體積密度大(11.34x10kg/m’),熔點低(327℃),氣相分壓高,滲透性極強Pb在高爐內通過各種縫隙進入耐火材料內部,發生膨脹和變形,破壞耐火材料的組織結構。而6號高爐入爐原燃料中的有害元素含量偏高,堿金屬負荷長期在3.5kg/t左右,Pb負荷和Zn負荷均達到0.5kg/t.

(1)有害元素的分布。對6號高爐爐缸爐底侵蝕較為嚴重的鐵口以下區域炭磚進行取樣分析,結果表明,K,0和Zn0在上部炭磚中含量較高,而在下部炭磚中含量較低。例如,第7層K0最高(4.85%)其他層K,0均在1.51%以下;第8層Zn0最高(45.30%)。同時,第8層還發現了黃色品體,根據XRD分析結果(見圖3)主要礦相為Zn0.說明Zn在第8層富集嚴重。第5層也含有大量的Zn0(11.84%),第7層Zn0 也較高(1.51%)其他層Zn0均小于0.31%。而Na,0含量均不高均在1.40%以下。Pb與其他有害元素不同,在上部。

炭磚中含量相對較低,在下部炭磚中含量較高,第8層向下到第3層均在0.83%以下,而在第2層達到4.91%,第1層也達到了2.10%。

在第10層多個方位的炭磚熱面上發現了不同顏色的物質。為此,對第10層的西鐵口、東鐵口、東南、西南和正北五個方位的炭磚進行了取樣分析(見圖4)。從圖4可以看到,東、西兩個鐵口方位炭磚中的碳顆粒經高溫后變得粗大:東南方位炭磚表面能看到一層白色物質,且含有大量水分,同時在斷口處也能看到白色物質已深入到了內部:西南方位炭磚中的碳顆粒粗大,且表面較為濕潤,在斷口處可以看到白色顆粒鑲嵌在炭磚中:正北方位炭磚表面上有一層灰白色物質結的殼,斷口處有大量灰白色的粉末鑲嵌在其中,并且炭磚比較疏松,能夠輕易捏碎。

第10層五個方位炭磚中除碳元素外的主要化學成分見表1。從表1可以看出,東、西兩個鐵口方位的炭磚中堿金屬(K,0和Na0)、Pb含量較低,侵人的 Si0,、A1,0,等渣成分含量較高,此外,西鐵口炭磚中的Zn0含量高,達到了4.42%,而東鐵口中的

Zn0含量極低,僅為0.16%。東南、西南和正北三個方位炭磚中的堿金屬含量均較高,其中東南方位炭磚中的堿金屬含量最高,K,0達到了45.38%Na,0也達到了12.60%,其他成分的含量相對較低;西南和正北方位炭磚中不僅堿金屬含量高,Ph均大干1.68%。

第10層東南方位炭磚表面白色物質XRD分析

結果表明,白色物質主要為水合碳酸鉀(K,CO:·1.5H,0)。碳酸鉀(K,CO,)呈白色結品粉末,吸濕性強。這說明,炭磚上的白色物質有可能為碳酸鉀只是取樣后未防潮。

第10層西鐵口和正北方位炭磚的XRD分析結果表明,西鐵口炭磚中主要礦相為紅鋅礦(Zn0)石英(Si0,)和C,正北方位炭磚中主要礦相為水碳鋁

鉛石[Pb,Al(CO)(OH)·3H,0]、水合碳酸鉀(K,CO:·1.5H,0)和 C。

(2)有害元素對炭磚的侵蝕。從第8層炭磚與黃色品體界面處第8層取樣,分析結果見圖5、表2.結合圖5和表2可知,Zn0晶體(如點1)與碳基質緊密黏結在一起。Zn0熔點為1975℃,在爐缸溫度下可以固體形式穩定存在,在炭磚表面形成的Zn0品體對其有一定保護作用!2在Zn0晶體中能夠發現很多的裂紋和氣孔通道,并且在一些氣孔通道內存在著含鉛物質(點2)圖5柳鋼6號高爐第8層炭磚黃色晶體樣的由于Pb的密度較大,極易到達爐缸下部。Pb與氧

形成的Pbo熔點低(886℃)沸點也低(1470℃),容易以氣態形式存在,這為Pb0進入Zn0晶體空隙中提供了條件。

在圖5中的Ⅱ區,可以清楚地看到一條Zn0侵入炭磚內部的通道。在Zn0晶體與炭磚交界處的碳基質中有細小的空隙,這些空隙向炭磚內部延伸，并且在延伸的通道中可以看到Zn0聚集(點7)這可能是在炭磚表面附著的Zn0交界處,因長期處于高溫狀態,Zn0和C發生反應(1)產生Zn蒸氣日消耗了C,形成空隙,為Zn蒸氣侵入炭磚內部提供了條件。當炭磚中有水蒸氣或煤氣進入后!3,鋅蒸氣又被H,0或CO,氧化為Zn0 附著在碳基質上再與碳反應,如此循環反復,深入炭磚內部,破壞炭磚結構,使得炭磚變得疏松，圖6 柳鋼6號高爐第7層炭磚樣品的形貌描分析結果見圖7。從圖7可知,K元素分布在整個視場中,而zn元素主要分布在兩個區域:一個是Zn元素含量較高的亮灰色區域,該區域除了Zn元素外,還有氧元素和少量的K元素,說明該區域以Zn0為主:另一個是Zn元素含量相對較低的灰色帶,其中除了Zn 元素外,還有O、K和Si元素,說明該區域中的z和K元素主要以硅酸鹽的形式存在。

ZnO+C=Zn+CO(1)對6號高爐爐缸爐底侵蝕最為嚴重的第7層炭磚進行了取樣(見圖6)。從圖6可知,在炭磚表面有大量的白色物質,應為含K化合物,同時其表面還存在著一些黃色物質,應為含Zn化合物,炭磚斷口處也有大量的含K化合物,且炭磚比較疏松。

從圖7還發現,在以C元素為主的區域中有一部分范圍,在有K元素存在時,其他元素極少或沒有,即只有K和C兩種元素,這說明K較容易滲透

第7層炭磚樣品的FESEM/BSED圖及表面掃

到炭磚內部,并極有可能與C發生反應(2),生成層狀化合物CK。而該物質的生成,能夠使炭磚碳基質體積膨脹而裂散!1.從而為堿金屬、Zn和Pb侵入到炭磚內部提供有利條件。

2K+2nC=2C K

(2)

2.3 鐵水滲透

鐵水對炭磚的滲透是導致其破損的重要原因之爐缸爐底炭磚在爐內高溫鐵液的浸泡中,其結構變得疏松,且鐵液會通過炭磚熱面產生的孔隙不斷向炭磚中心推進,使炭磚性能嚴重受到影響。由于鐵原子半徑為1.28x10-10m4.而Fe與Fe+半徑更小,分別為0.74x10-10m和0.63x10-10m,因此,鐵元素很容易通過炭磚縫隙和氣孔滲透到內部。6號高爐死鐵層側壁炭磚中含F量為1.00%~4.90%。爐底部分炭磚,除了最底層(第1層)含Fe為0.30%以外,其他層含Fe均在1.00%以上最高達到13.22%。

死鐵層區域的炭磚熱面始終與鐵水接觸,主要分三個階段對炭磚進行侵蝕:

第一階段,鐵水滲入到炭磚氣孔中,且接觸面的炭磚開始溶解;

第二階段,1150℃等溫線處,鐵水開始凝固收縮,造成炭磚裂紋擴散:

第三階段,1150℃等溫線向炭磚冷面移動,炭磚熱面溶解加劇。

同時,滲透到炭磚的鐵水能與C形成脆性物質Fec,造成炭磚熱面脆化,物理性能降低,并在鐵水環流等機械力作用下加速炭磚侵蝕。爐底炭磚承受著液態渣鐵、煤氣壓力及料柱的部分重量,當有磚縫和氣孔存在時,為鐵水滲入炭磚提供條件,滲透到爐底炭磚內部的鐵水凝固并析出石墨,體積膨脹,進而擴大裂縫,造成磚襯脫落或漂浮。

2.4 熱應力與 H,0的氧化

(1)熱應力。高爐內溫度經常波動,異常爐況頻繁發生,出渣鐵前后爐料和煤氣流分布的改變等

因素,都會引起磚襯溫度劇烈波動和受熱速率改變導致爐襯冷熱端形成較大溫度梯度而產生熱應力從而加劇爐襯的破損。鄭玉峰等!5]指出,爐底側壁炭磚在死鐵層熱應力作用下易形成崩角,崩角尺寸的增大在一定范圍內促進了徑向熱應力向炭磚中心部位的集中,當超過其所受應力極限值時產生環裂。

6號高爐長期(特別是爐役后期)爐況波動,爐墻渣皮脫落頻繁,爐缸側壁溫度管控難等81造成爐缸爐底爐磚襯內外溫度梯度大而產生熱應力,從而加劇了炭磚的破損。

(2)H,0對炭磚的氧化。高溫下的氧化是碳質材料共有的缺點。一旦因操作失誤或設備故障等問題引起風口、冷卻器等出現漏水,爐缸側壁炭磚便會處在有水蒸氣的條件下,使爐缸爐底炭磚遭到嚴重的氧化破壞,反應見式(3)和式(4)。6號高爐在生產期間,特別是爐役后期,大量冷卻壁出現損壞漏水[6],為炭磚的氧化提供了H0的來源,這也是炭磚侵蝕的主要原因之一。

C+H0=CO+H,C+2H,0=C0,+2H,

結語N

(1)柳鋼6號高爐經12年零7個月的連續生產,其爐缸爐底已嚴重破損,陶瓷杯結構完全被侵蝕掉,屬于典型的象腳狀侵蝕。第7層的炭磚侵蝕最為嚴重,殘余厚度僅 20mm 左右。

(2)6號高爐死鐵層深度過淺,死料柱沉坐在爐底上,加上長期使用質量差的焦炭,使得爐缸中死料柱的透氣性和透液性差,鐵水環流發展,加速了象腳狀侵蝕的形成。

(3)6號高爐有害元素負荷高,破壞了炭磚內部結構,加劇了炭磚的侵蝕。同時,爐缸爐底炭磚還要經受鐵水滲透、熱應力和H0的氧化等因素的侵蝕。因此.6號高爐爐缸爐底爐襯的破損,不是某單因素造成的,而是諸多破損機理綜合作用的結果。