沙鋼高爐爐缸侵蝕機制研究

雷 鳴 劉建波 杜 屏 馮 輝 陳 亮

(1. 江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇張家港 215625；2.江蘇沙鋼集團有限公司煉鐵廠，江蘇張家港 215625)

沙鋼高爐爐缸侵蝕機制研究

雷 鳴1劉建波1杜 屏1馮 輝2陳 亮2

(1. 江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇張家港 215625；2.江蘇沙鋼集團有限公司煉鐵廠，江蘇張家港 215625)

沙鋼A高爐開爐不久，爐缸側壁溫度長期高達700 ℃，雖然采取了降低產量、壓漿、活躍爐缸和加鈦礦等護爐措施，使得鐵水中鈦的質量分數達到了0.15%以上，但爐缸側壁溫度并未得到有效控制，隨后停爐大修。對A高爐爐缸侵蝕原因進行了深入研究，在對殘余耐材進行分析時發(fā)現，碳磚在高溫時的導熱系數偏低，導致爐缸中的熱量不能及時導出，碳磚熱面溫度過高，碳磚附近的鐵水中無法析出TiC和Ti(C,N)，使得鈦礦護爐失效。

高爐 爐缸侵蝕 鈦礦 護爐機制

隨著煉鐵水平的不斷進步，高爐長壽成為煉鐵工作者關心的問題。寶鋼3號高爐一代爐役達到了19年[1]，居世界先進水平。而國內多數高爐仍不能達到長壽水平，近年來國內數座高爐開爐不久就發(fā)生了爐缸燒穿事故[2]，對安全生產造成威脅。高爐不能長壽的原因很多，可分為設計、施工和操作三大類。沙鋼1號2 500 m3高爐一代爐役僅7年，主要原因是冷卻水系統(tǒng)和爐缸結構設計存在問題[3- 4]。國內某鋼鐵公司一座高爐開爐僅1個月就出現爐底上漲和煤氣泄漏，不到1年停爐大修，調查發(fā)現，爐基耐熱混凝土中的MgO含量過高，發(fā)生水化反應，造成耐材膨脹，使爐體上漲、煤氣泄漏[5]。

沙鋼A高爐開爐半年，爐缸側壁溫度全面升高，第7層碳磚部分熱電偶溫度達到700 ℃以上，采取了堵風口、減產、添加鈦礦等一系列護爐措施，但爐缸溫度并沒有得到明顯降低，開爐不到兩年停爐大修。A高爐爐缸的結構如圖1所示，侵蝕最嚴重區(qū)域位于第7層碳磚，殘余碳磚最薄處僅350 mm。A高爐在開爐半年后長期使用鈦礦護爐，鐵水中鈦的質量分數達到0.15%以上，但護爐效果并不理想，爐缸側壁溫度并未得到有效控制。鈦礦的護爐機制已被廣泛認可，并在國內外多座高爐上取得了良好的效果，如寶鋼2號高爐[6]、京唐2號高爐[7]和重鋼5號高爐[8]。沙鋼1號2 500 m3高爐在爐役后期長期使用鈦礦護爐，鐵水中鈦的質量分數約為0.15%，拆爐大修后，發(fā)現殘余碳磚最薄處存在大量的鈦化合物，呈淡黃色，質地堅硬，對爐缸起到了一定的保護作用。而A高爐鐵水中鈦的質量分數達到0.15%以上，但拆爐時沒有發(fā)現爐缸中存在鈦化合物。因此，本文對沙鋼A高爐爐缸侵蝕原因進行了深入分析，以探究鈦礦護爐效果不佳的原因。

1 鈦平衡計算

圖1 A高爐爐缸結構剖面圖Fig.1 Profile of hearth structure of blast furnace A

一般說，使用鈦礦是高爐爐役后期有效的護爐方式。而A高爐使用鈦礦護爐后，效果并不理想，再加上爐缸殘余碳磚表面并未發(fā)現有鈦沉積物析出，于是對該高爐的鈦平衡進行分析。取A高爐某日的生產數據，每批料共計35 t，燒結礦比例為79%，塊礦約11%，球團礦約8%，每批料加入800 kg含鈦球團，每天約144批料，產量約3 150 t。

燒結礦中鈦的質量分數約0.10%，球團礦中鈦的質量分數約0.041%，塊礦中鈦的質量分數約0.03%，通過計算可知由礦石帶入的鈦量為：

Q燒結礦=144×35 000×79%×0.10%÷3 150

=1.264 kg/t

Q球團礦=144×35 000×8%×0.041%÷3 150

=0.052 5 kg/t

Q塊礦=144×35 000×11%×0.03%÷3 150

=0.052 8 kg/t

鈦球中鈦的質量分數約14.166%，則護爐加入的鈦量為：

Q鈦球=144×800×14.166%÷3 150

=5.181 kg/t

進入高爐的總鈦量：

Q入=1.264+0.052 5+0.052 8+5.181

=6.550 3 kg/t

鈦是以鐵水和渣的形式從高爐中排出，該高爐鐵水中鈦的質量分數為0.17%，渣中二氧化鈦的質量分數為2.523%，渣比約320 kg/t，由計算可知高爐排出的鈦量為：

=6.544 kg/t

Q入-Q出=6.550 3-6.544=0.006 3 kg/t

經計算可知，爐缸鈦沉積量約為0.006 3 kg/t，數量極小，若考慮到誤差，則爐缸中幾乎沒有鈦沉積，即鐵水中的鈦沒有形成鈦化物，加入的鈦礦沒有起到護爐作用，由此可以推測爐缸中的鈦未發(fā)生析出反應。

2 鈦礦護爐機制

鈦以鈦礦的形式加入高爐，在風口附近被還原成鈦，隨渣鐵進入爐缸，在爐缸邊緣發(fā)生以下反應：

[Ti]+[C,N]=Ti(C,N)

[Ti]+[C]=TiC

正常生產的高爐鐵水中的碳和氮都是不飽和的，若要保證上述反應的發(fā)生，必須使鐵水中的鈦達到過飽和。圖2是鐵水中形成TiC和Ti(C,N)的最低Ti含量[9]，當鐵水中的Ti含量高于其溶解度時，才會析出鈦化物。鈦礦護爐的關鍵在于爐缸壁面附近鐵水中的鈦達到過飽和，在碳磚熱面析出含鈦化合物，隔離鐵水和碳磚，達到保護碳磚的作用。一般說，由于爐缸側壁超微孔碳磚導熱性良好，使得碳磚熱面和鐵水之間存在溫差，爐缸邊緣鐵水溫度越低，越容易使鐵水中的鈦達到過飽和，使鈦化物析出。

圖2 鐵水中形成鈦化物的最低Ti含量[9]Fig.2 Minimum content of Ti in molten iron required for the formation of TiC and Ti(C,N)

高爐操作者一般會添加釩鈦礦來提高鐵水中的鈦含量，但入爐鈦負荷過高也會引起爐渣的流動性變差，因此應根據高爐爐容的不同控制鐵水的鈦含量在某一范圍內。護爐期間,A高爐鐵水中鈦的質量分數控制標準為0.15%～0.2%。從圖2中可以看出，鐵水中鈦的質量分數為0.15%時，析出Ti(C,N)的溫度約1 500 ℃，也就是說碳磚熱面附近的鐵水溫度只要低于1 500 ℃，就會有鈦化物析出。實際上A高爐爐缸的碳磚表面沒有鈦化物析出，說明上述反應沒有發(fā)生，即爐缸邊緣鐵水中的鈦未達到過飽和，爐缸邊緣鐵水的溫度達到了1 500 ℃以上，碳磚熱面和鐵水之間未形成溫差，碳磚熱面溫度過高，這表明爐缸的熱量不能及時導出。

3 殘余耐材檢測

對A高爐冷卻系統(tǒng)的調查發(fā)現，隨著碳磚溫度的升高，冷卻水溫差未發(fā)生明顯變化，僅0.2 ℃，說明爐缸的熱量不能及時導出，看來爐缸側壁的導熱系統(tǒng)存在問題。A高爐冷卻壁運行狀態(tài)良好，無破損現象，冷卻水量較大，冷卻水溫差不大，因此排除了冷卻壁系統(tǒng)的問題。在高爐爐役后期，碳磚和冷卻壁之間出現氣隙是非常常見的，一般采取壓漿，就能使爐缸溫度得到控制。A高爐鐵口未出現過明顯竄煤氣，爐役后期也進行過壓漿，打多個壓漿孔，僅一個孔壓漿成功，爐缸溫度也未得到控制，說明爐缸存在大面積氣隙的可能性不大。

根據上述分析，可以推測爐缸的超微孔碳磚或搗打料的導熱系數偏低。因此高爐大修后，對侵蝕最嚴重的第7層碳磚取樣分析，分別在熱面、冷面和側面處取樣，測定樣品的顯氣孔率、體積密度、耐壓強度、抗折強度、熱導率(1 200 ℃)等物理指標，具體結果如表1所示。

從檢測結果看，碳磚在高溫時的導熱性較差，1 200 ℃時，碳磚熱面的導熱系數為12.33 W/(m·K)，側面為6.9 W/(m·K)，冷面為4.63 W/(m·K)。

表1 殘余碳磚不同部位物理指標的檢測結果Table 1 Detection results of physical index at different parts of residual carbon block

由于熱面長期接觸鐵水，表面存在鐵水滲入，造成導熱系數高于側面和冷面。國標規(guī)定，超微孔碳磚的導熱系數應高于16 W/(m·K)。由于碳磚的導熱性能差，爐缸中的熱量不能及時導出，使得碳磚熱面溫度過高，耐材過早破損。即使使用大量鈦礦護爐，但由于碳磚熱面附近鐵水的溫度過高，熱面中的鈦無法達到過飽和，從而無法形成鈦化物保護層。

4 結束語

鈦礦護爐是高爐爐役后期有效的護爐方式，在國內外多座高爐上已經得到了證實。鈦礦護爐的關鍵在于使碳磚熱面附近鐵水中的鈦達到過飽和，并和鐵水中的碳、氮形成鈦化合物，沉積于碳磚上，隔離鐵水和碳磚，達到保護碳磚的作用。若耐材的導熱系數偏低或爐缸中存在大面積氣隙，使得爐缸中的熱量不能及時導出，碳磚熱面溫度過高，熱面附近鐵水中的鈦飽和度偏高，不易使得鈦化合物析出。沙鋼A高爐就是由于超微孔碳磚在高溫時的導熱系數偏低，在碳磚熱面和冷卻壁之間形成熱阻，導致爐缸內無法形成鈦化物保護層，使得鈦礦護爐失效。

[1] 陳永明, 林成城. 寶鋼3號高爐高效長壽技術[C]//第五屆寶鋼學術年會論文集.上海, 2013:A360- A366.

[2] 湯清華, 王筱留. 高爐爐缸爐底燒穿事故處理及努力提高其壽命[C]//全國煉鐵生產技術會議暨煉鐵學術年會.無錫,2012：89- 95.

[3] 雷鳴, 杜屏, 劉建波. 沙鋼2 500 m3高爐爐缸側壁三角形侵蝕的原因分析[J]. 上海金屬, 2013, 35(3):54- 58.

[4] 雷鳴, 杜屏, 劉建波. 沙鋼宏發(fā)1號高爐爐缸圓周方向異常侵蝕的原因[J]. 煉鐵, 2013,32(1) : 38- 40.

[5] 曾明,阮燕.某鋼廠高爐基墩耐熱混凝土事故原因分析[J].混凝土,2007(2):87- 89.

[6] 任勝瑜. 寶鋼2號高爐鈦球護爐生產實踐[J]. 湖南工業(yè)大學學報, 2010,24(6):14- 17.

[7] 霍吉祥, 黃俊杰. 首鋼京唐2號高爐護爐措施[J]. 煉鐵,2013,32(3):14- 16.

[8] 雷有高, 魏功亮, 趙仕清. 重鋼2號高爐鈦礦護爐冶煉實踐[J]. 煉鐵,2007, 26(1):20- 22.

[9] 蔡皓宇, 程樹森, 馬金芳. 高爐鈦礦護爐規(guī)律的研究[J]. 鋼鐵,2012,47(11):16- 20.

收修改稿日期：2016- 12- 08

MechanismofHearthErosionofShasteelBlastFurnace

Lei Ming1Liu Jianbo1Du Ping1Feng Hui2Chen Liang2

(1. Institute of Research of Iron & Steel of Shasteel Group, Zhangjiagang Jiangsu 215625, China; 2. Ironmaking Plant of Shasteel Group, Zhangjiagang Jiangsu 215625, China)

Soon after blowing in of one of the blast furnaces in Shasteel, temperature of hearth wall increased to 700 ℃ and kept a long period. Although a lot of maintenances has been carried out, such as decreasing production of hot metal, injecting mud onto the refractory of hearth, activating hearth and adding titanium ore in charging system, and to let the mass fraction of Ti in melted iron be above 0.15%, the temperature of hearth wall was not decreased. Then the blast furnace was relined. So then the cause of hearth erosion of blast furnace A was investigated. During the analysis of residual refractory, it was observed that the thermal conductivity of carbon brick in high temperature was ralatively low, so the heat in hearth could not transfer to cooling water or shell. The temperature of inner side of carbon brick was too high to precipitate TiC and Ti(C,N) in molten iron, resulting in the failure of titanium ore to protect lining.

blast furnace，hearth erosion，titanium ore，mechanism of furnace maintenance

雷鳴，女，工程師，碩士，研究方向為高爐長壽，Email: jessieleiming@163.com