興澄3號(hào)高爐爐缸破損調(diào)查及機(jī)理分析

史志苗，徐振庭，張宏星

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214400）

興澄3號(hào)高爐于2009年9月開(kāi)爐投產(chǎn)，于2020年5月停爐，采用不放殘鐵方式進(jìn)行大修，一代爐齡（無(wú)中修）10年7個(gè)月，單位爐容產(chǎn)鐵量9555.1t/m3，基本邁進(jìn)了大型高爐長(zhǎng)壽之列。因此，調(diào)查3號(hào)高爐的爐缸侵蝕狀況，研究爐缸侵蝕機(jī)理，對(duì)驗(yàn)證目前所采取的長(zhǎng)壽措施是否有效及進(jìn)一步提高高爐壽命具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

本文主要對(duì)興澄3號(hào)高爐爐缸炭磚宏觀破損狀況及微觀形貌進(jìn)行調(diào)查研究，繪制爐缸侵蝕內(nèi)型，分析爐缸破損的主要原因及侵蝕機(jī)理，總結(jié)高爐長(zhǎng)壽管理經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步提高高爐壽命提供指導(dǎo)。

1 爐缸炭磚宏觀破損狀況調(diào)查

1.1 興澄3號(hào)高爐爐缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

爐缸爐底采用大塊炭磚+陶瓷杯/墊結(jié)構(gòu)，爐底鋪設(shè)五層炭磚，第1層為石墨炭磚，第2層為半石墨炭磚，第3、4層為微孔炭磚，第5層為超微孔炭磚，五層炭磚上部有兩層陶瓷墊。6～19層炭磚為爐缸部位，爐缸設(shè)計(jì)為傾斜式爐缸結(jié)構(gòu)，6～16層環(huán)砌國(guó)產(chǎn)大塊超微孔炭磚，每層高500mm，17～19層環(huán)砌國(guó)產(chǎn)大塊微孔炭磚，每層高400mm。

高爐設(shè)有32個(gè)風(fēng)口，4個(gè)鐵口，其中1號(hào)風(fēng)口對(duì)應(yīng)0°方向，25號(hào)風(fēng)口對(duì)應(yīng)90°方向，17號(hào)風(fēng)口對(duì)應(yīng)180°方向，9號(hào)風(fēng)口對(duì)應(yīng)270°方向，1號(hào)鐵口在50.625°方向，2號(hào)鐵口在129.375°方向，3號(hào)鐵口在230.625°方向，4號(hào)鐵口在309.375°方向。

1.2 爐缸炭磚宏觀破損狀況調(diào)查

高爐采取空料線方法停爐，不放殘鐵的方式進(jìn)行大修。停爐后，隨著爐缸死焦堆焦炭的扒除，從上到下依次對(duì)各層炭磚的殘余厚度進(jìn)行測(cè)量，得到了第一手資料，為爐缸炭磚破損調(diào)查的準(zhǔn)確性提供了保證。

3號(hào)高爐爐缸鐵口下方區(qū)域炭磚侵蝕較為嚴(yán)重，其中在1#和3#鐵口方向，爐缸下方炭磚侵蝕最為嚴(yán)重。1#鐵口9～10層炭磚侵蝕為最嚴(yán)重區(qū)域（鐵口下方1.35～1.85m，鐵口標(biāo)高10.5m），其中10層炭磚殘厚僅剩260mm，9層炭磚殘厚為285mm；3#鐵口侵蝕最嚴(yán)重區(qū)域位于11層炭磚，其殘厚為440mm；非鐵口區(qū)域炭磚侵蝕相對(duì)較輕，其侵蝕嚴(yán)重位置主要位于9～11層，其厚度均在600mm以上。根據(jù)爐缸炭磚破損調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)比了測(cè)量炭磚平均厚度和原始設(shè)計(jì)炭磚厚度如圖1（左）所示，平均侵蝕最嚴(yán)重區(qū)域位于第10層炭磚；繪制了侵蝕較嚴(yán)重的鐵口區(qū)域的侵蝕內(nèi)型圖，如圖1（右）所示，爐缸侵蝕呈現(xiàn)“寬臉型”侵蝕。

圖1 爐缸高度方向侵蝕曲線（左）和1、3#鐵口區(qū)域剖面侵蝕內(nèi)型圖（右）

2 爐缸炭磚微觀形貌調(diào)查

本次爐缸破損調(diào)查過(guò)程中，取了大量的炭磚試樣，并選取風(fēng)口下方、鐵口區(qū)域及鐵口下方具有代表性的樣品試樣進(jìn)行微觀觀察及分析。

2.1 風(fēng)口下方

該區(qū)域炭磚基質(zhì)存在明顯的孔洞，孔洞周?chē)嬖诖罅糠叫蝂nO，結(jié)合打點(diǎn)分析，部分ZnO已進(jìn)入炭磚孔洞中。如圖2所示。

圖2 風(fēng)口下方炭磚背散射電子圖像

2.2 鐵口區(qū)域

該區(qū)域炭磚基質(zhì)附近存在大量的K元素及少量Na元素，其與SiO2、Al2O3發(fā)生反應(yīng)形成鉀霞石、白榴石等硅鋁酸鹽，造成體積膨脹，損壞炭磚。如圖3所示，炭磚基質(zhì)明顯受到破壞，出現(xiàn)大量裂紋及粉化現(xiàn)象，產(chǎn)生了一條通道，對(duì)其打點(diǎn)分析，可看出該通道的炭磚體積膨脹，完整性被破壞。

圖3 鐵口區(qū)域炭磚背散射電子圖像

2.3 鐵口下方

該區(qū)域炭磚含有大量ZnO物質(zhì)，炭磚基質(zhì)被ZnO包裹，部分區(qū)域ZnO已滲入炭磚基質(zhì)，在Zn元素的作用下，炭磚出現(xiàn)粉化、破損。如圖4所示。

圖4 鐵口下方炭磚背散射電子圖像

3 爐缸炭磚破損機(jī)理分析

3.1 鐵水熔蝕

碳不飽和鐵水滲碳是炭磚侵蝕的一個(gè)主要原因[1]。當(dāng)炭磚熱面保護(hù)層脫落后，鐵水與炭磚熱面直接接觸，會(huì)發(fā)生鐵水滲碳反應(yīng)，鐵水沿著碳基質(zhì)內(nèi)部不斷滲透，進(jìn)入炭磚內(nèi)部從而導(dǎo)致炭磚侵蝕。炭磚侵蝕的本質(zhì)為鐵水的熔蝕，即由于鐵水中的碳元素不飽和性，炭磚表面含碳物質(zhì)會(huì)向鐵水中不斷溶解，其過(guò)程可用下式表征：

可得：

由上式可知，鐵水溶解過(guò)程與溫度存在一定關(guān)系，隨著爐內(nèi)溫度升高，lgK值增大，鐵水中[C]對(duì)應(yīng)升高，游離C粒子在鐵液中擴(kuò)散阻力減小，鐵水飽和碳含量升高，實(shí)際鐵水含碳量與飽和含碳量之間差值增大，碳勢(shì)增高，促進(jìn)含碳組分向鐵水溶解。同時(shí)鐵水溫度增高還會(huì)導(dǎo)致鐵水流速增大，加劇沖刷侵蝕。

為了減輕鐵水對(duì)炭磚的侵蝕，就要使炭磚熱面形成保護(hù)層，保護(hù)層是高爐長(zhǎng)壽的基礎(chǔ)。主要為：

（1）操作上保持爐缸活躍，開(kāi)放中心，降低爐缸鐵水環(huán)流。

（2）保障高爐爐缸合理的傳熱體系---設(shè)計(jì)上提高冷卻強(qiáng)度、提高炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)，施工上嚴(yán)抓碳素?fù)v打料的施工質(zhì)量，使得炭磚熱面溫度低于保護(hù)層形成的溫度，快速形成合理的保護(hù)層，有效抑制炭磚的熔蝕。

3.2 有害元素侵蝕

破損調(diào)查期間，通過(guò)取樣對(duì)炭磚的微觀觀察，發(fā)現(xiàn)炭磚中含有大量的Zn元素和K元素、少量Na元素、S元素、Fe元素及微量渣相，這些元素共同作用影響著炭磚的破損程度，其中Zn元素為3號(hào)高爐炭磚破損的重要因素之一。

Zn的汽化溫度是907℃，在靠近爐缸炭磚熱面的高溫條件下，Zn是呈氣態(tài)存在的，鋅蒸氣隨著爐缸煤氣進(jìn)入炭磚的氣孔、磚縫中，產(chǎn)生ZnO，沉積在氣孔和磚縫中，Zn轉(zhuǎn)化成ZnO的反應(yīng)可以產(chǎn)生54%的體積膨脹，使炭磚嚴(yán)重破損[2]，這是鋅對(duì)炭磚侵蝕的主要方式。

同時(shí)，鋅、鉀、鈉元素會(huì)與炭磚中的Al2O3和SiO2等物質(zhì)反應(yīng)，形成硅酸鹽物相，產(chǎn)生較大的體積膨脹，導(dǎo)致裂紋的長(zhǎng)大和脆化層的形成，脆化層的形成使炭磚產(chǎn)生更多裂紋，甚至縫隙，在炭磚內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)很大的熱阻，使得炭磚熱面的保護(hù)層難以形成。

3.3 炭磚形成脆化層

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沿著炭磚厚度方向，炭磚存在明顯的分層現(xiàn)象，其中可分為炭磚原磚層、熱面脆化層及保護(hù)層，其中脆化層平均厚度為90mm。

爐缸炭磚始終受到高溫鐵水的沖刷及熱沖擊，在炭磚內(nèi)部形成溫度梯度而產(chǎn)生不均勻的熱膨脹，加劇了炭磚中的熱應(yīng)力，炭磚熱應(yīng)力導(dǎo)致炭磚出現(xiàn)了脆化；堿金屬及鋅等有害元素的侵蝕加劇了脆化層的擴(kuò)大和變質(zhì)[3]。

4 結(jié)論

（1）興澄3號(hào)高爐經(jīng)過(guò)一代爐齡的生產(chǎn)，爐缸侵蝕為“寬臉”型侵蝕，侵蝕嚴(yán)重區(qū)域主要位于鐵口下方1.35m～1.85m，侵蝕最嚴(yán)重區(qū)域主要集中在1#和3#鐵口區(qū)域。

（2）碳不飽和鐵水對(duì)炭磚的熔蝕和有害元素侵蝕是3號(hào)高爐炭磚破損的主要原因。

（3）爐缸炭磚存在明顯的分層現(xiàn)象，存在炭磚熱面脆化層和保護(hù)層。3號(hào)高爐能夠邁進(jìn)大型高爐長(zhǎng)壽行列的主要原因是保持了合理的傳熱體系，在生產(chǎn)過(guò)程中，炭磚熱面存在保護(hù)層的保護(hù)。