高炉碳砖环裂情况.doc

高炉碳砖环裂情况
摘　要　高炉炉缸死铁层部位形成“蒜头状”侵蚀是影响高炉炉缸寿命的关键。形成“蒜头状”侵蚀的根本原因是炉缸死铁层部位没有持久的渣皮覆盖以及碳砖抗铁水侵蚀能力差；其对策主要是在碳砖砌体热面增加保护层和改善碳砖的有关性能。
关键词　炉缸　死铁层　蒜头状　侵蚀
MECHANISM OF‘ GARLIC-HEAD WEAR ’FORMED IN BLAST
FURNACE HEARTH AND COUNTERMEASURES
ZHOU Youde
(Handan Iron and Steel(Group) Co.)
ABSTRACT　The ‘Garlic-Head Wear' formed in dead-iron-layer is the key problem affecting the life of a blast furnace hearth.The cause of ‘Garlic-Head Wear' is the lacking of permanent slag cover on dead-iron-layer of the hearth,and the poor resistance of carbon bricks against hot metal erosion.The main countermeasures are adding a protecting layer at the hot side of the carbon bricks,and improving their properties.
KEY WORDS　hearth,dead-iron-layer,garlic-head wear,erosion

　　邯钢1260 m3高炉采用“碳砖+高铝砖”的深死铁层综合炉底，炉底和炉缸碳砖均为半石墨碳砖，炉底和炉体采用软水闭路循环冷却。该高炉1992年7月投产，1995年4月炉缸烧穿，1995年12月停炉大修，一代炉役产生铁231.1万 t。
　　该高炉炉缸是典型的“蒜头状”侵蚀(图1)。由图1可见，高炉炉底采用强制水冷，深死铁层和碳砖上面砌筑优质陶瓷垫，其寿命问题已基本得到解决；高炉炉缸铁口中心线以上，一般侵蚀比较缓慢；而死铁层部位产生“蒜头状”侵蚀是影响高炉炉缸寿命的关键。
1　炉缸产生“蒜头状”侵蚀的原因分析
　　高炉炉缸的死铁层部位之所以比较普遍地出现“蒜头状”侵蚀，笔者认为，最根本的原因是该部位的碳砖没有持久的渣皮保护，铁水直接接触碳砖。
1.1　炉缸内渣皮覆盖状况

图 1　邯钢1260 m3高炉炉缸侵蚀情况
Fig.1　Diagram of the hearth erosion in Hangang BF(1260 m3)
　　高炉停炉后发现，铁口中心线以上的碳砖基本上都被渣皮覆盖，而铁口中心线以下的死铁层部位碳砖基本上没有渣皮覆盖。
　　生产过程中，铁口中心线以上部位有液态渣存在，冷却后在碳砖表面凝固成一定厚度的渣皮。而铁口中心线以下的死铁层部位，在日常生产中，总是存满铁水，炉渣不能达此，也即不可能形成渣皮。在新开炉铁水生成前，即使炉渣首先到达死铁层而形成渣皮，但由于在以后的生产过程中，没有新的渣皮生成，这些渣皮也会由于种种原因而逐渐减薄直至完全消失，所以在高炉的长期生产过程中，该部位铁水直接接触碳砖。
1.2　碳砖的环裂
　　高炉生产实践表明，高炉在生产过程中碳砖确实存在环裂现象，裂缝宽度有的可达20 mm，见图2。因为碳砖环裂后裂缝处出现气体隔热层，其内部的热量向外传递受阻，外部的冷却效果因此而降低，使碳砖温度升高，侵蚀速度加快。所以，环裂对炉缸的寿命产生很大影响。
　　碳砖产生环裂的主要原因是碳砖较长，内外温差大，因而产生剪应力。由于铁口中心线以上的碳砖在正常状态下有较厚的渣皮覆盖，因此，碳砖热面温度相对较低；而铁口中心线以下的碳砖没有渣皮覆盖，铁水直接接触碳砖，其热面温度高得多。因此，后者比前者内外温差大，热应力也大，这和某些高炉热应力的测定结果是吻合的。由此可见，死铁层部位的碳砖因热应力大而易产生环裂和裂纹，是死铁层形成“蒜头状”侵蚀的重要原因之一。

图 2　邯钢1260 m3高炉碳砖环裂情况
Fig.2　Ring crack in carbon bricks in Hangang BF(1260 m3)
　　碱金属侵入碳砖使其变脆，促使碳砖环裂，但由于死铁层部位经常存满铁水，碱金属很难与该部位碳砖接触。因此，碱金属侵入碳砖而促使其环裂不是死铁层部位形成“蒜头状”侵蚀的主要原因。
1.3　铁水对碳砖的侵蚀
　　由于死铁层部位的碳砖没有渣皮覆盖，长期与铁水直接接触，该部位碳砖不仅因热应力大而受到严重的破坏，而且，铁水还会沿着碳砖气孔孔道和裂缝向碳砖内部渗透，有的渗入深度可达400～500 mm，无论是肉眼还是显微观察都十分清楚(图3)。
　　渗入碳砖的铁水停留在碳砖的气孔孔道和裂纹中，经长期浸泡和化学侵蚀，到达一定程度后，碳砖的结构遭到破坏，相当于形成无数小碳块，处于被铁水的包围之中，这些小碳块逐渐溶解于铁水中，即产生所谓微观“漂浮”侵蚀现象。
　　另外，炉底取样的分析结果表明，砖缝中凝铁的碳含量竟高达7.34 %，比正常铁水中碳含量高3 %左右。这说明铁水与碳砖的长期接触，还存在着化学反应，即化学溶解。

图 3　邯钢1260 m3高炉碳砖渗铁情况
Fig.3　Hot metal erosion in carbon bricks in Hangang BF(1260 m3)
　　由上述可见，铁水长期直接接触碳砖，不仅在碳砖表面，而且在铁水渗入的碳砖内部，都存在着铁水溶解碳的反应，这种反应既有物理反应，也有化学反应，两种反应相互促进，共同侵蚀碳砖。尤其是碳砖的大孔径气孔率高和石墨化程度高，上述反应更加明显。这也是碳砖比优质陶瓷砖抗铁水侵蚀能力差，陶瓷质炉缸形成“蒜头状”侵蚀较轻的原因之一。由此可见，铁水对碳砖的侵蚀也是死铁层形成“蒜头状”侵蚀的一个重要原因。
1.4　炉缸内的铁水环流
　　由于炉缸内“死焦堆”的存在，高炉出铁过程中，铁水出现环流是必然现象。但在什么部位出现环流最严重，环流达到什么程度，对“蒜头状”侵蚀有多大影响，这些问题需要进一步研究和探讨。笔者认为，出铁过程中，铁水环流主要发生于铁口中心线以上，而不应该发生于死铁层出现“蒜头状”侵蚀的部位。也就是说，铁水环流不应该是死铁层形成“蒜头状”侵蚀的主要原因。
　　综上所述，由于死铁层没有渣皮覆盖，铁水长期直接接触碳砖，因此，该部位碳砖热面温度高，内外温差大，热应力大，易出现碳砖环裂和破损；因此，铁水易渗入碳砖内部，铁水侵蚀碳砖的反应在该部位就更易进行。由此可见，没有渣皮覆盖而铁水直接接触碳砖和碳砖抗铁水侵蚀能力较差，是死铁层形成“蒜头状”侵蚀的根本原因。
2　消除“蒜头状”侵蚀的对策
2.1　提高碳砖本身抗铁水侵蚀的能力
　　(1) 碳砖实现微孔或超微孔
　　铁水主要是沿着碳砖大孔径孔道和裂纹向碳砖内部渗透的。因此，碳砖实现微孔或超微孔，减少孔径大于1 μm的气孔，是阻止铁水向碳砖内渗透的有效措施，从而减缓铁水对碳砖的侵蚀。实践证明，此措施是有效的。
　　(2) 碳砖实现气孔封闭
　　铁水向碳砖内部渗透的主要渠道是碳砖的气孔孔道。美国UCAR公司的热压碳块其碳砖气孔为封闭气孔，消除或减少了铁水向碳砖内的渗透，使铁水对碳砖的侵蚀只能在碳砖表面进行，缓解了对碳砖的侵蚀速度。使用UCAR公司热压小碳块的实践也证明此措施有效。
　　(3) 提高碳砖的导热系数
　　提高碳砖的导热系数是改善碳砖冷却效果，降低碳砖温度，减缓碳砖侵蚀速度的有效措施。
　　(4) 提高工作层碳砖的抗铁水侵蚀能力
　　碳砖采用电煅烧无烟煤，降低其石墨化程度，增加某些添加剂，提高其抗铁水侵蚀能力。
2.2　采用“碳砖+陶瓷杯”结构
　　“碳砖+陶瓷杯”结构是一种理想的消除“蒜头状”侵蚀的结构。因致密的、荷重软化开始温度高的陶瓷杯，其本身抗铁水侵蚀能力比碳砖高得多，这样，不仅使铁水不能直接接触碳砖，消除了对碳砖的侵蚀，而且由于其导热系数低，可以有效地降低碳砖热面温度，缓解碳砖环裂。另外，死铁层部位的陶瓷杯厚度适当加厚效果会更好。
2.3　强化对炉缸的冷却
　　强化对炉缸的冷却是缓解铁水对砌体侵蚀的有效办法。冷却效果的关键是较高的水速和消除水垢。
2.4　钛化合物护炉
　　高炉生产一个时期后，若死铁层“蒜头状”侵蚀逐渐形成，采用钛化物护炉，可以在炉缸下部，尤其是在“蒜头状”侵蚀部位有效地(在碳砖热面)形成钛化合物保护层，制止对碳砖的进一步侵蚀。要达到钛化物护炉的效果，关键是［Ti］要达到0.13 %以上和连续护炉。
2.5　加强对炉缸及死铁层状态的检测
　　(1) 检测冷却设备的水温差和水量，计算热流强度。
　　(2) 测定砌体的径向温差，计算热流强度。
　　检测热流强度最好同时采用上述两种方法，以便相互对照，消除测量误差，准确掌握砌体侵蚀状况。
2.6　建立炉缸状态的管理制度
　　冷却水管理制度、酸洗制度、水温差检测制度、检测参数的分析处理制度等都是必要的。
3　结语
　　(1) 炉缸死铁层部位形成“蒜头状”侵蚀的根本原因是该部位没有持久的渣皮覆盖。因此，铁水直接接触并侵蚀碳砖，碳砖热面温度高，内外温差大，因而热应力也大。
　　(2) 对炉缸死铁层形成“蒜头状”侵蚀的主要对策是在碳砖热面增设陶瓷杯保护层或采用钛化物护炉形成保护层。另外，提高碳砖的有关性能、加强炉缸的冷却和强化对炉缸状态的检测和管理也是有效措施。