高爐爐缸爐底的腐蝕與控制

高爐爐缸爐底的腐蝕與控制

高粱長(zhǎng)壽是現(xiàn)代高粱的目標(biāo)。高粱長(zhǎng)壽意味著經(jīng)濟(jì)效益的提高。近幾年來,隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展,我國(guó)高爐的數(shù)量迅速增加,高爐容積向大型化發(fā)展,高爐的設(shè)計(jì)水平和使用壽命都有了較大提高。國(guó)外先進(jìn)高爐長(zhǎng)壽水平較高,一代爐役(無中修)壽命可達(dá)15a以上,部分高爐達(dá)20a以上,如日本川崎公司千葉6號(hào)高爐(4500m3)和水島2號(hào)、4號(hào)高爐都取得了20a以上的長(zhǎng)壽實(shí)績(jī);最近,經(jīng)過大修的部分高爐已將長(zhǎng)壽目標(biāo)定為30a。相比而言,我國(guó)高爐裝備的長(zhǎng)壽水平則較低,一般一代爐役(無中修)壽命低于10a,僅少數(shù)高爐可實(shí)現(xiàn)10～15a的長(zhǎng)壽目標(biāo),如寶鋼1號(hào)高爐第一代爐齡達(dá)10.5a,攀鋼1號(hào)高爐的爐齡接近14a。這與國(guó)外最先進(jìn)水平還有相當(dāng)大的差距。高爐長(zhǎng)壽技術(shù)是一項(xiàng)涉及設(shè)計(jì)、裝備、材料、施工、維護(hù)、原料以及生產(chǎn)操作管理等方面的綜合技術(shù),已成為高爐煉鐵技術(shù)進(jìn)步的主流。當(dāng)前,高冶煉強(qiáng)度和強(qiáng)化操作下的高爐長(zhǎng)壽技術(shù)主要有兩個(gè)限制性環(huán)節(jié):一個(gè)是爐缸和爐底壽命,另一個(gè)是爐身下部(爐腰和爐腹)壽命。特別是在爐缸處,其耐火磚襯的使用壽命決定著高爐壽命,從而使高爐爐缸壽命成為影響高爐長(zhǎng)壽最關(guān)鍵的因素。(1)鐵水對(duì)炭磚的滲透侵蝕。鐵水滲透到炭磚的氣孔中,生成FexC一類的脆性物質(zhì),造成炭磚熱面脆化,物理性能降低。此過程分3個(gè)階段(見圖1):第一階段,鐵水滲入到炭磚的氣孔中,與此同時(shí),炭磚開始溶解;第二階段,1150℃等溫線處,鐵水開始凝固,同時(shí)發(fā)生體積收縮,裂紋開始擴(kuò)散,隨后被鐵水填充的空隙數(shù)量增加,見圖1(a);第三階段,隨著炭磚侵蝕的逐步加劇,1150℃等溫線移向炭磚冷面,鐵水的滲入是隨著裂紋的擴(kuò)散(平行于熱面)而逐漸進(jìn)行的,見圖1(b)。(2)鐵水環(huán)流的機(jī)械沖刷。出鐵時(shí),鐵水環(huán)流沖刷炭磚熱面,會(huì)造成炭磚的磨蝕。而導(dǎo)致鐵水環(huán)流的主要原因是爐缸內(nèi)死料柱的存在,當(dāng)死料柱浮起減小時(shí),自由鐵水區(qū)的鐵水流速加快,鐵水對(duì)爐壁和爐底沖刷力增大;中心死料柱相對(duì)尺寸越大,對(duì)爐底和爐壁侵蝕越嚴(yán)重;死料柱孔隙減小時(shí),則鐵水對(duì)爐底和爐壁的侵蝕增大。(3)熱應(yīng)力對(duì)炭磚的破壞。爐缸中出現(xiàn)“象腳狀”異常侵蝕的區(qū)域正是熱應(yīng)力集中的區(qū)域,熱應(yīng)力超過了炭磚的破碎強(qiáng)度而使炭磚破碎,然后再逐漸被鐵水沖刷掉。(4)堿金屬的侵蝕。隨著高爐的長(zhǎng)期冶煉,堿金屬的富集循環(huán)是不可避免的。堿金屬氧化物在一定溫度(850～900℃)下與炭磚中的炭素劇烈反應(yīng)產(chǎn)生堿蒸氣(如K2O+C==2K↑??+COΚ2Ο+C=2Κ↑+CΟ↑),而堿蒸氣侵入炭磚中時(shí),易與炭素反應(yīng)形成新的化合物(如K2CO3、Fe3C和ZnO等),產(chǎn)生體積膨脹(見圖2)而破壞炭磚的強(qiáng)度,對(duì)炭磚的破損起促進(jìn)作用。(5)CO2、H2O等對(duì)炭磚的氧化。因爐缸環(huán)砌炭磚處于較高溫度場(chǎng)中,所以炭磚中的C極易被水氧化(即H2O+C→H2+COΗ2Ο+C→Η2+CΟ)。高爐中的水分主要是由于風(fēng)口、渣口及冷卻壁損壞而滲漏進(jìn)來的。例如,文獻(xiàn)中報(bào)道,本鋼高爐爐缸炭磚環(huán)裂嚴(yán)重與冷卻器漏水所導(dǎo)致的氧化有直接關(guān)系。(6)熔渣對(duì)炭磚的沖刷和侵蝕。高爐渣偏堿性,而高爐常用的耐火磚偏酸性,故在高溫下發(fā)生化學(xué)性渣化,這對(duì)爐襯是一重要的破壞因素。(7)CO分解產(chǎn)生炭素沉積。高爐冶煉過程中,在爐缸炭磚熱面500℃等溫線附近會(huì)發(fā)生CO的邊界反應(yīng),即2CO(g)→C?↓+CO(g)→C↓+CΟ2↑,生成的C脆而松散,易造成炭磚膨脹而出現(xiàn)裂紋。有研究表明,鐵及鐵的化合物對(duì)CO的分解起催化作用。2合理的預(yù)緊器結(jié)構(gòu)2.1料柱升降控制實(shí)踐證實(shí),高爐爐缸、爐底“象腳狀”的異常侵蝕,主要是由于鐵水滲透到炭磚中,使炭磚脆化變質(zhì),再加之爐缸內(nèi)鐵水環(huán)流的沖刷作用而形成的。處于死鐵層位置的鐵水,除因出鐵、放渣時(shí)死料柱升降對(duì)其擾動(dòng)外,是比較平靜的。因此,加深死鐵層深度,是抑制爐缸“象腳狀”異常侵蝕的有效措施;而且加深死鐵層后,可避免死料柱直接沉降在爐底上,加大了死料柱與爐底之間的鐵流通道,提高爐缸透液性,減輕了鐵水環(huán)流,從而延長(zhǎng)爐缸、爐底壽命。但是,死鐵層也不宜過深,否則會(huì)使?fàn)t底炭磚以上的鐵水液面高度增加,加重鐵水對(duì)爐底炭磚的熔蝕和滲透作用,而且白白浪費(fèi)高爐容積,特別是大高爐,其死鐵層深度每增加1m,會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)容幾十甚至上百立方米。對(duì)于大高爐,以爐缸直徑的15%作為死鐵層深度,完全能滿足冶煉要求,也能保證爐缸長(zhǎng)壽。2.2增加爐缸容積高爐在大噴煤操作條件下,爐缸風(fēng)口回旋區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。適當(dāng)加高爐缸高度,不僅有利于煤粉在風(fēng)口前的燃燒,而且還可以增加爐缸容積,以滿足高效化生產(chǎn)條件下的渣鐵存儲(chǔ),減少在強(qiáng)化冶煉條件下出現(xiàn)爐缸“憋風(fēng)”的可能性。近年我國(guó)已建成或在建的大型高爐都有爐缸高度增加的趨勢(shì),爐缸容積為有效容積的16%～18%。2.3適當(dāng)加深鐵口深度鐵口是高爐渣鐵排放的通道,鐵口區(qū)的維護(hù)十分重要。研究表明,適當(dāng)加深鐵口深度,對(duì)于抑制鐵口區(qū)周圍爐缸內(nèi)襯的侵蝕具有顯著作用。一般將鐵口深度定為爐缸半徑的45%左右就可以減輕出鐵時(shí)在鐵口區(qū)附近形成的鐵水渦流,延長(zhǎng)鐵口區(qū)爐缸內(nèi)襯的壽命。3內(nèi)部結(jié)構(gòu)和耐腐蝕性設(shè)備根據(jù)以上對(duì)爐缸、爐底侵蝕機(jī)制的分析,要延長(zhǎng)壽命,應(yīng)該為爐缸和爐底選擇合理的結(jié)構(gòu)和耐火材料。3.1全炭磚結(jié)構(gòu)爐爐底模板分析目前,國(guó)內(nèi)外高爐爐底、爐缸采用的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)形式大致可分為兩大類:一類是全炭磚結(jié)構(gòu),另一類是炭磚與陶瓷材料結(jié)合的結(jié)構(gòu)。從傳熱角度來說,全炭磚爐缸、爐底結(jié)構(gòu)為完全導(dǎo)熱型,通常稱之為散熱型結(jié)構(gòu);而炭磚與陶瓷材料結(jié)合的爐缸、爐底結(jié)構(gòu)為隔熱與導(dǎo)熱的結(jié)合,通常稱之為保溫型結(jié)構(gòu)。3.1.1熱等靜壓成型小塊炭磚和超多孔炭磚全炭材料的爐缸、爐底結(jié)構(gòu)是按高導(dǎo)熱原理設(shè)計(jì)的薄壁結(jié)構(gòu),它強(qiáng)調(diào)通過高熱導(dǎo)率的半石墨質(zhì)炭塊將熱量傳遞給冷卻系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)熱平衡,同時(shí)利用良好的導(dǎo)熱性在爐缸內(nèi)側(cè)壁部位降低工作面(熱面)溫度,并形成渣皮狀附著物,將800℃等溫線推至炭磚以外,從而保護(hù)爐缸內(nèi)壁,實(shí)現(xiàn)爐缸系統(tǒng)的安全、高效、長(zhǎng)壽。此類爐缸的側(cè)壁材料使用具有高熱導(dǎo)率(600℃時(shí)18.4W·m-1·K-1,20℃時(shí)60～80W·m-1·K-1)的熱等靜壓成型小塊炭磚或超微孔炭磚,其透氣度只有普通炭磚的1%,這樣的低孔隙度能有效阻止鐵水和熔渣的滲透。寶鋼3號(hào)高爐、首鋼1號(hào)高爐等就是采用美國(guó)UCAR公司的全炭材料爐缸、爐底結(jié)構(gòu)。3.1.2提高爐缸穩(wěn)定性炭磚-陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)是按隔熱原理設(shè)計(jì)的厚壁結(jié)構(gòu),它強(qiáng)調(diào)在采用高熱導(dǎo)率的炭塊將爐缸熱量傳遞給冷卻系統(tǒng)的同時(shí),通過增加具有耐高溫、抗渣堿侵蝕、耐沖刷和良好抗熱震性的陶瓷材料制成的陶瓷杯,將爐缸內(nèi)的炭質(zhì)材料與鐵水及混合物分隔,從而在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)杜絕了鐵水對(duì)炭質(zhì)材料爐缸的侵蝕,實(shí)現(xiàn)了爐缸系統(tǒng)的安全、高效、長(zhǎng)壽。寶鋼2號(hào)高爐、沙鋼1號(hào)高爐等,采用的就是法國(guó)SAVOIE公司和日本電極公司的炭磚-陶瓷材料復(fù)合爐缸、爐底結(jié)構(gòu)。3.2高爐材料的選用高爐耐火磚襯的壽命,特別是高爐爐缸、爐底的壽命,決定著高爐的壽命。在選擇高爐耐火材料時(shí),不僅要考察耐火材料的強(qiáng)度、氣孔率等基本性能,還要從與侵蝕介質(zhì)的適應(yīng)性方面考慮,如抵抗鐵水、爐渣和堿金屬的侵蝕以及導(dǎo)熱等性能。爐底和爐缸內(nèi)襯材料的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。3.2.1優(yōu)質(zhì)炭磚和多孔炭磚的性能目前,我國(guó)高爐爐缸、爐底用炭磚主要是從國(guó)外進(jìn)口的微孔焙燒大炭磚和熱壓小炭磚。熱壓小炭磚主要是美國(guó)UCAR公司提供的NMA、NMD(70%石墨質(zhì));微孔大炭磚主要是德國(guó)SGL炭素公司生產(chǎn)的3RD-N微孔炭磚及7RD-N超微孔炭磚和日本NDK公司提供的BC-7S微孔炭磚、BC-8SR超微孔炭磚。國(guó)內(nèi)的炭磚產(chǎn)品也得到了較快的發(fā)展,典型的有半石墨炭磚、微孔炭磚、低氣孔自焙炭磚等。表2對(duì)國(guó)內(nèi)外主要炭磚的性能進(jìn)行了比較。國(guó)產(chǎn)半石墨質(zhì)焙燒炭磚和微孔炭塊的性能,如平均孔徑、耐堿性、鐵水熔蝕指數(shù)等實(shí)測(cè)指標(biāo)已接近或達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平,但一些指標(biāo)與國(guó)外相比仍有較大差距:(1)進(jìn)口優(yōu)質(zhì)炭磚的熱導(dǎo)率明顯高于國(guó)內(nèi)炭磚的,約高20%;(2)德國(guó)SGL公司炭磚的尺寸公差在±0.2mm以內(nèi),且磚表面基本看不到局部疏松、孔洞、缺棱、掉角等缺陷;但國(guó)內(nèi)炭磚尺寸公差都在±0.4mm左右,且磚表面還有局部疏松、孔洞、缺棱、扭曲、掉角等缺陷;(3)大塊微孔炭磚內(nèi)部的孔隙直徑,國(guó)外先進(jìn)水平是<0.3μm,而國(guó)內(nèi)<0.5μm的產(chǎn)品還沒有,由此產(chǎn)生的抗鐵水滲透性能差距很大。3.2.2爐缸陶瓷杯壁爐底陶瓷墊一般選用剛玉-莫來石材料。國(guó)產(chǎn)剛玉-莫來石材料的性能與進(jìn)口材料的接近(如表3所示),完全可以滿足陶瓷墊的使用要求,而且價(jià)格便宜。爐缸陶瓷杯壁用法國(guó)MONOCORAL大預(yù)制塊較好,雖然國(guó)產(chǎn)剛玉-莫來石、復(fù)合棕剛玉材料在性能上達(dá)到要求,但因其塊小,砌筑要求高,且在受熱后應(yīng)力分布不均勻,易造成局部坍塌、漂浮而破損。法國(guó)MONOCORAL的大預(yù)制塊有利于避免這種漂浮破損。3.2.3搗打料的使用炭素?fù)v打料主要用于爐底炭磚以下及爐缸炭磚與冷卻壁之間的縫隙。由于炭磚熱導(dǎo)率大,而且應(yīng)用了銅冷卻壁,如果搗打料的熱導(dǎo)率仍然很低,將嚴(yán)重影響冷卻壁的冷卻速度,大大降低冷卻效果,阻礙炭磚和銅冷卻壁高導(dǎo)熱性能的發(fā)揮,最終影響高爐壽命。為此,20世紀(jì)80年代在寶鋼1號(hào)高爐上使用了日本的炭素?fù)v打料。這種搗打料雖具有熱導(dǎo)率高,常溫施工無有害氣體逸散,施工勞動(dòng)條件較好等特點(diǎn),但其主要原料為人造石墨,由于人造石墨的固有特性,施工搗固密實(shí)度低,找平較困難,從而影響了爐底的傳熱條件。充分利用我國(guó)質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉的半石墨化高溫電煅無煙煤資源(根據(jù)使用要求,還可以生產(chǎn)石墨化度>30%、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%～3%的高溫電煅無煙煤),并加入超微粉添加劑生產(chǎn)的炭素?fù)v打料,在熱導(dǎo)率與日本炭素?fù)v打料相當(dāng)?shù)那闆r下,搗打密實(shí)度提高了15%～20%,施工搗固速度加快,并提高了炭搗體的質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中,嚴(yán)格檢查炭素?fù)v打料的質(zhì)量和搗打密實(shí)度,對(duì)于大型高爐爐缸和爐底的安全、長(zhǎng)壽具有極為重要的作用。4在爐底和爐渣中維護(hù)4.1增加爐缸、爐底的熱負(fù)荷生產(chǎn)實(shí)踐表明,長(zhǎng)期穩(wěn)定順行的爐況,不僅是高爐高產(chǎn)、低消耗的先決條件,也是延長(zhǎng)壽命的必要條件。在冶煉過程中,各種爐況失常,都不可避免地導(dǎo)致爐缸、爐底熱負(fù)荷的大幅度波動(dòng)。有些處理措施對(duì)爐缸、爐底還有直接的破壞作用,如加洗爐劑洗爐。因此,要維護(hù)好爐缸、爐底,必須要使高爐穩(wěn)定順行,減少爐況波動(dòng)。4.2侵蝕加流動(dòng)性鐵水中硅和硫含量的高低直接影響鐵水的流動(dòng)性:流動(dòng)性太好,則對(duì)爐缸、爐底的侵蝕加劇;流動(dòng)性太差,則影響高爐的生產(chǎn),造成爐況的波動(dòng),也對(duì)爐缸、爐底造成損壞。根據(jù)高爐的運(yùn)行情況,一般控制硅含量在0.5%(w)左右,硫含量控制在0.02%(w)左右,并根據(jù)高爐順行情況和爐缸、爐底侵蝕狀態(tài)隨時(shí)調(diào)整。4.3提高爐渣含量和用量為了減少堿金屬等有害元素在爐內(nèi)的富集,應(yīng)采取以下措施:(1)優(yōu)化配料,合理配礦,限制入爐堿金屬負(fù)荷。(2)控制煤氣流分布。根據(jù)爐況及時(shí)調(diào)整相關(guān)操作制度,以“發(fā)展中心氣流排堿”為手段,調(diào)整熱制度和造渣制度,以確保鐵水溫度和良好的爐渣流動(dòng)性,有利于堿金屬等有害元素隨爐渣及時(shí)排出,減少其在爐內(nèi)的停留時(shí)間。(3)適當(dāng)降低爐溫。堿金屬硅酸鹽的還原是個(gè)強(qiáng)吸熱過程,反應(yīng)要在較高的溫度下進(jìn)行。彭鳳翔等對(duì)高爐渣中(K2O+Na2O)與[Ti]含量的數(shù)據(jù)進(jìn)行的回歸分析表明,爐溫升高有利于生成鉀和鈉蒸氣。因此,降低爐溫有利于爐渣排堿,但對(duì)脫硫和爐渣流動(dòng)性都不利。(4)控制爐渣成分,適當(dāng)提高渣量。提高渣中MgO含量,可改善爐渣流動(dòng)性;適當(dāng)提高渣量,不僅可增加有害元素隨爐渣的排出量,還有利于降低渣的Al2O3含量。王成立等進(jìn)行了高爐渣鉀容量的研究,認(rèn)為在一定試驗(yàn)條件下,爐渣中MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)從6%增加到16%時(shí),爐渣鉀容量不斷增大。王藝慈等的研究結(jié)果表明,當(dāng)爐渣溫度在1300～1400℃,堿度為1.0左右時(shí),提高爐渣的MgO含量會(huì)大大降低堿金屬在爐渣中的活度,增加K2O和Na2O在爐渣中的溶解度,同時(shí),增加MgO含量還有利于改善爐渣的流動(dòng)性和穩(wěn)定性。因此,合理的爐渣成分能有效提高爐渣的排堿能力。(5)降低爐渣堿度。高堿度會(huì)造成渣中堿金屬硅酸鹽的分解(K2SiO3+CaO+C==2K(g)+CO(Κ2SiΟ3+CaΟ+C=2Κ(g)+CΟ(g)+CaO·SiO2),使堿金屬揮發(fā),增加堿金屬在高爐內(nèi)的循環(huán)量,從而降低爐渣排堿率。因此,需要降低爐渣堿度。4.4提高si質(zhì)量分?jǐn)?shù)的意義釩鈦礦護(hù)爐的原理是提高爐料的含TiO2量,使TiO2在高溫、還原氣氛下生成的Ti(N,C)沉積在爐底和爐缸上而形成穩(wěn)定的保護(hù)層。護(hù)爐期間,在操作制度上,應(yīng)適當(dāng)提高爐溫,爐溫高,則含鈦爐料的還原程度大,護(hù)爐效果好;鐵水中Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到0.7%～0.8%(上限不得超過1.0%),有利于Ti的還原;在煤氣控制方面,采取吹透中心、減少環(huán)流的操作,盡量使高溫帶遠(yuǎn)離爐墻,擴(kuò)大風(fēng)口之間的死區(qū),使沉積的Ti(N,C)有利于保護(hù)爐缸。生鐵中的Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.08%～0.10%(上限不得超過0.2%),鐵水中含Ti量增加,可降低鐵水的流動(dòng)性,減少鐵水對(duì)爐底和爐缸的機(jī)械沖刷,有利于保護(hù)爐底和爐缸,對(duì)降低爐底和爐缸溫度起到積極作用。富鈦的沉積物能否穩(wěn)定存在,關(guān)鍵在于Ti(N,C)能否穩(wěn)定存在,這要求爐料中有足夠量的TiO2、過剩的焦炭和還原性氣氛。然而,在爐缸中、上部,由于氧化性氣氛的存在,這種沉積物是不能穩(wěn)定存在的,護(hù)爐作用也就微乎其微了。這也是含鈦礦石護(hù)爐作用的局限性。4.5爐缸冷卻系統(tǒng)爐缸和爐底部位側(cè)面的熱脹冷縮使磚襯中產(chǎn)生縫隙,在休風(fēng)時(shí)可以有計(jì)劃地采用壓漿處理。針對(duì)爐缸鐵口處工作環(huán)境最惡劣的特點(diǎn),加強(qiáng)鐵口處的壓漿,將鐵口煤氣火壓到最小。一般采用與環(huán)形炭磚同材質(zhì)的耐火泥漿壓入鐵口處。在正常生產(chǎn)過程中對(duì)爐缸進(jìn)行在線壓漿維護(hù),能有效消除爐缸磚襯間的間隙,提高爐缸冷卻系統(tǒng)的冷卻效果,減緩爐缸磚襯的侵蝕。壓漿料必須具備以下基本性能:首先應(yīng)具有良好的