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高炉炉缸碳砖侵蚀因素分析

浏览次数: 日期:2017年4月26日 09:57
    目前已知的影响高炉炉缸碳砖侵蚀的因素有炉缸设计、耐材性能、耐材质量、铁水环流、铁水溶蚀、有害元素侵蚀、热应力、结构性应力、冷却强度、环状裂缝影响、死铁层深度、渣(铁)皮保护、钛矿护炉情况、冶炼强度等。基于炉缸碳砖热面侵蚀存在巨大的竖向差异,本文重点选取与此关联性较大的影响因素进行探讨。
 
  目前,炉缸结构分为全碳炉缸和陶瓷杯加碳砖的复合炉缸。陶瓷杯消失后,复合炉缸也可以看做是全碳炉缸。在对比炉缸碳砖热面侵蚀的竖向差异时,都以陶瓷杯消失后的状况为参考,因为陶瓷杯消失后,炉缸碳砖仍然要使用很长时间。
 
  铁水溶蚀。在炉缸上部因铁水未充盈,加之存在渣皮保护,铁水不会长时间直接接触炉缸碳砖热面,因此,该部位受铁水溶蚀的影响非常有限。
 
高炉炉缸
 
  铁口带的工况是不断变化的。由于周期性出铁,该部位铁水液面不断上下浮动,周期性浸没炉缸碳砖。而且该处铁水为新生成铁水,碳饱和度较低,出铁造成该处铁水的不断流动,各项因素叠加后,该部位的铁水溶蚀情况较严重。
 
  死铁层铁水的流动不明显,铁水的置换周期长,碳饱和度较高,铁水对炉缸碳砖的溶蚀速度较慢。近年来,死铁层的深度不断加大,象脚区的位置更低,象脚区铁水溶蚀的速度应该慢于铁口带。
 
  铁水环流。铁水环流由高炉出铁引发,受出铁速度、死料柱的透液性和死料柱的浸没深度等影响。出铁速度越快、死料柱透液性越差、死料柱浸没深度越深,铁水环流的速度越大。虽然客观上存在铁水环流,但铁水环流的流速极低,没有形成冲刷的足够动能。根据东北大学的数学模型计算,铁水环流的流速为0.005m/s,近似蜗牛的速度。即使铁水的密度较大,也没有足够的动能形成机械冲刷。只有铁口附近的流速较大,客观存在铁水冲刷的情况,但这不是环流冲刷。
 
  由于铁水环流的流速低、动能小,加之炉缸碳砖热面可能形成的粘滞层(甚至是铁壳层)的隔离,铁水环流无法对炉缸碳砖形成强烈的冲刷侵蚀。尤其在炉缸下部的象脚区,铁水环流的冲刷侵蚀更是非常有限。虽然象脚状侵蚀的外貌类似铁水环流冲刷形成,但并不能据此肯定这种侵蚀就一定是铁水环流造成的。
 
  有害元素侵蚀。基于高炉内部的实际工况,炉缸上部比较容易受到钾、钠、铅、锌等有害元素的侵蚀。实际的高炉破碎调查也证实,炉缸碳砖环形裂缝中富集有害元素。铁口带也存在环形裂缝,因此也存在钾、钠、铅、锌等有害元素的侵蚀。由于有渣(铁)皮的保护,铁口带及炉缸上部碳砖热面受钾、钠、铅、锌等有害元素的侵蚀程度有限。在死铁层区域,炉缸环形裂缝较窄;在象脚区,环形裂缝几乎没有。因此,钾、钠、铅、锌等有害元素通过环形裂缝到达并侵蚀象脚区碳砖的程度很轻。由于死铁层铁水的隔离,钾、钠、铅、锌等有害元素对炉缸下部碳砖热面的侵蚀程度非常有限。
 
  结构性应力。对于新投产的高炉,炉缸上部、中部、下部的耐材厚度差别较大。特别是复合结构的炉缸,炉缸与炉底陶瓷垫相结合。由于不同材质的耐材相互交错,在高炉投产后的高温环境中,热膨胀系数的差异将产生较大的结构性应力。径向的、轴向的结构性应力交叉作用,对炉缸、炉底交界处的耐材产生巨大的损害。因此,虽然该部位的耐材厚度很大,但侵蚀速度也快得多,使用寿命并不长。
 
  高炉使用一定周期后,炉缸上部、中部、下部的耐材厚度将趋于接近。这时候陶瓷杯基本消失,炉缸上部、中部、下部的结构性应力趋于一致。但炉缸上部、中部、下部的碳砖侵蚀速度仍然存在巨大差异,特别是象脚区的炉缸碳砖继续以较快的速度被侵蚀,这时结构性应力的影响应该比较有限。
 
高炉炉缸碳砖侵蚀
 
  热应力。高炉炉缸的热应力由炉内、炉外的巨大温差产生。温度梯度差越大,热应力也随之增大。对于新投产的高炉,炉缸上部的热应力最大,铁口带的热应力较小,死铁层带的热应力最小。当高炉生产一定周期后,炉缸上部、中部、下部的厚度将趋于接近,热应力状况也趋于接近。由于炉缸下部的侵蚀速度更快,高炉寿命后期,炉缸下部厚度最小,热应力最大。
 
  但从高炉炉缸的整个侵蚀过程看,无论热应力是最大还是最小,象脚区的侵蚀速度都是最快的。因此,热应力不是象脚区异常侵蚀的主要因素。
 
  环状裂缝与冷却强度。高炉生产一定周期后,炉缸碳砖内部大多形成环形裂缝。裂缝自上而下到达铁口带,也有到达象脚区的。裂缝上宽下窄,到达象脚区的裂缝宽度非常有限。环形裂缝的存在,造成钾、钠、铅、锌等有害元素富集,进而对碳砖造成进一步的侵蚀。
 
  环形裂缝的存在形成较大的热阻,造成炉缸上部冷却效果最差、铁口带的冷却效果较差、死铁层区的冷却效果较好。然而,死铁层区碳砖的侵蚀速度最快。提高冷却强度可以缓解象脚区的侵蚀速度,但不能阻止侵蚀的持续发生,冷却效果不是影响象脚区异常侵蚀的主要因素。
 
  渣(铁)皮、粘滞层保护和钛矿护炉。炉缸实际的运行状况可能是:陶瓷杯消失后,碳砖热面逐步形成一定厚度的铁皮和粘滞层,阻断了铁水与炉缸碳砖的直接接触,中断了铁水对碳砖的溶蚀,也阻断了铁水环流的冲刷。但是碳砖热面仍然发生其他原因引起的持续侵蚀,并诱发已经形成的铁皮出现周期性脱落。
 
  如果碳砖厚度较小,铁皮的脱落将引起局部炉缸温度升高,这时往往采取钛矿护炉、降低冶炼强度、堵风口等措施,使该处炉缸温度恢复到正常状态。炉缸温度恢复的过程也是该部位新的铁皮(或钛合物保护层)形成的过程。
 
  钛矿护炉有一定效果,但只是在创面上贴膏药,并不能从根本上阻止象脚侵蚀的继续发展。依靠持续钛矿护炉实现的高炉长寿不是真正意义的长寿,而目前的长寿高炉大多依赖持续的钛矿护炉。

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