李恒旭，趙正洪，車玉滿，王寶海，王志，孫波，周哲，汪琦
(鞍山鋼鐵股份有限公司，遼寧科技大學(xué))
摘 要：對某廠3200m3高爐爐缸進行了破損調(diào)查，測繪了爐缸各部位炭磚剩余厚度，繪制了爐缸侵蝕輪廓圖，發(fā)現(xiàn)了一些新的侵蝕特征，并分析了爐缸炭磚破損原因。
關(guān) 鍵 詞：大型高爐；爐缸；破損調(diào)查
某廠3200m3高爐爐缸結(jié)構(gòu)，為UCAR模壓小塊炭磚+陶瓷杯。爐缸采用光面冷卻壁，水管規(guī)格為Φ50mm×6mm，每個鐵口周圍有6塊異形銅冷卻壁。在生產(chǎn)過程中，高爐順行狀態(tài)一直良好，一代爐齡平均利用系數(shù)接近2．3，綜合焦比在485kg/t以下，煤比180kg/t以上。在生產(chǎn)5年11個月后，由于爐缸熱流強度、內(nèi)襯溫度連續(xù)攀升，利用數(shù)學(xué)模型估算最薄內(nèi)襯不足300mm。為分析爐缸侵蝕原因，利用高爐搶修之機，對高爐爐缸進行了一次破損調(diào)查。
1 高爐爐缸爐底破損形狀測繪
1．1 鐵口及鐵口以上區(qū)域
在爐缸第5段冷卻壁高度范圍，砌筑22層半石墨-SiC小塊炭磚，厚度745．1mm。破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，炭磚外形保持完整，沒有侵蝕跡象，只有在第34號冷卻壁位置，即4號鐵口左上部出現(xiàn)1道縱向裂紋，裂紋覆蓋4塊炭磚，裂縫寬度3～5mm，這與使用普通大塊炭磚裂紋寬度100～200mm相比，屬于非常輕微的現(xiàn)象；陶瓷杯外表面黏結(jié)不同厚度渣皮，渣皮外表面凸凹不平。
第4段冷卻壁處于鐵口區(qū)域高度范圍，鐵口區(qū)域下沿在第3段冷卻壁上部。鐵口框架區(qū)域內(nèi)，全部使用NMD小塊炭磚。本次破損調(diào)查，對各鐵口區(qū)域炭磚剩余厚度進行測量。其中，1號鐵口區(qū)域，炭磚剩余厚度700~1200mm，最大侵蝕程度1350mm；2號鐵口區(qū)域，炭磚剩余厚度900～1000mm，最大侵蝕程度1150mm；3號鐵口區(qū)域，炭磚剩余厚度800～1100mm，最大侵蝕程度1250mm；4號鐵口區(qū)域，炭磚剩余厚度800～900mm，最大侵蝕程度1250mm。由于鐵口區(qū)域始終能夠得到炮泥保護，炭磚剩余厚度基本大于700mm。第4段冷卻壁非鐵口區(qū)域炭磚保持完整，陶瓷杯剩余厚度大部分在200～230mm，局部保持完整。破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在2號鐵口到3號鐵口之間，小塊炭磚并沒有形成整體，磚縫之間的部分炭素膠泥已經(jīng)流失。
1．2 鐵口以下區(qū)域
鐵口以下區(qū)域共包含3段冷卻壁，其中第1段冷卻壁位于爐底第1層到第5層炭磚下部。第2段和第3段冷卻壁是炭磚破損最嚴(yán)重區(qū)域，且主要集中在陶瓷墊之上100mm到鐵口中心線以下1600mm之間，侵蝕最重高度范圍900mm。在該高度范圍內(nèi)，非鐵口區(qū)域侵蝕程度比鐵口區(qū)域輕許多。
破損調(diào)查過程中，測繪各位置炭磚剩余厚度，侵蝕最嚴(yán)重鐵口區(qū)域測試數(shù)據(jù)見表1。表1表明，第3段冷卻壁下沿和第2段冷卻壁上沿是侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域。其中，3號鐵口最薄處炭磚剩余150mm，1號鐵口最薄處炭磚剩余210mm，已達(dá)到非常嚴(yán)重程度。
1．3 爐底炭磚
爐底陶瓷墊共2層，每層厚度400mm。破損調(diào)查表明，爐底侵蝕線呈平鍋底狀，邊緣并沒有出現(xiàn)以往破損調(diào)查所發(fā)現(xiàn)的向下凹陷形狀；上層的陶瓷墊殘存厚度為300mm左右，表面沉積一層厚度不均勻凝鐵層；凝鐵層上表面中含有紫銅色渣鐵混合物，局部陶瓷墊出現(xiàn)環(huán)裂，裂縫寬度最大約為50mm；爐底第5層炭磚保持完整。
1．4 爐缸侵蝕輪廓
根據(jù)破損調(diào)查，測繪炭磚剩余厚度實際數(shù)據(jù)，編制數(shù)學(xué)模型軟件，用數(shù)學(xué)模型繪制鐵口以下炭磚侵蝕輪廓圖(如圖1～4所示)。
(1)1號鐵口區(qū)域。1號鐵口區(qū)域炭磚剩余厚度最薄210mm，位置在第2段冷卻壁上沿，在鐵口中心線以下2100mm位置。其他炭磚剩余厚度不足500mm高度范圍約為900mm，在鐵口中心線以下1500～2400mm。
(2)2號鐵口區(qū)域。2號鐵口區(qū)域炭磚剩余厚度最薄520mm，位置在第2段冷卻壁上沿，在鐵口中心線以下2100mm位置。其他炭磚剩余厚度也均超過500mm。
(3)3號鐵口區(qū)域。3號鐵口區(qū)域炭磚剩余厚度最薄150mm，位置在第2段冷卻壁上沿，在鐵口中心線以下2100mm位置。該區(qū)域炭磚侵蝕面最大，其他炭磚剩余厚度不足500mm高度范圍約為1500mm，在鐵口中心線以下1500~3000mm位置。
(4)4號鐵口區(qū)域。4號鐵口區(qū)域炭磚剩余厚度最薄490mm，位置在第2段冷卻壁上沿，在鐵口中心線以下2100mm。其他炭磚剩余厚度均超過500mm。
2 爐缸炭磚侵蝕特征
(1)出現(xiàn)大磚縫。按設(shè)計要求，小塊炭磚縫隙為1．7mm，炭磚之間使用特制炭素膠泥，要求高爐開爐初期爐缸快速升溫，促使小塊炭磚形成整體。破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在1～2號鐵口區(qū)域中第2段冷卻壁和第3段冷卻壁位置存在大磚縫，并有鉆鐵現(xiàn)象，鐵片厚度達(dá)46mm，在2號鐵口中心線以下300mm位置環(huán)炭磚縫最大寬度可達(dá)5mm。大磚縫形成是局部陶瓷杯出現(xiàn)裂紋和破損后，鐵水鉆入陶瓷杯與炭磚之間，侵蝕炭素膠泥，造成膠泥粉化流失或揮發(fā)。
(2)局部炭磚存在嚴(yán)重鐵水溶蝕現(xiàn)象。破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，爐缸局部環(huán)炭存在嚴(yán)重鐵水溶蝕而產(chǎn)生粉化現(xiàn)象，沿高度方向在第2段冷卻壁上沿最為嚴(yán)重。特別是3號鐵口區(qū)域，最薄位置僅剩余150mm，而且炭磚外表面出現(xiàn)嚴(yán)重滲鐵、疏松、粉化現(xiàn)象。
(3)爐缸侵蝕程度不均勻性。鐵口以上區(qū)域炭磚侵蝕比較輕，鐵口區(qū)域雖然是鐵水通道，但炭磚侵蝕程度也比較輕，炭磚剩余厚度在750～980mm。鐵口以下區(qū)域是炭磚侵蝕的重災(zāi)區(qū)，特別是鐵口中心線以下2100mm位置(第2段冷卻壁上沿)。在該高度位置，圓周方向炭磚侵蝕程度也是不均勻的，鐵口區(qū)域炭磚總體剩余厚度150～520mm。非鐵口區(qū)域炭磚剩余厚度均在5500mm以上，局部位置陶瓷杯依然存在。即使是在鐵口區(qū)域，炭磚侵蝕程度也極不均勻，侵蝕最重的3號鐵口區(qū)域炭磚最薄剩余厚度150mm，而2號鐵口區(qū)域炭磚剩余厚度最薄520mm，兩個鐵口炭磚剩余厚度相差370mm。
(4)象腳侵蝕位置向上移動。炭磚在爐缸與爐底交界位置一般都會形成象腳形侵蝕，是高爐爐缸的薄弱環(huán)節(jié)。破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，爐底陶瓷墊只出現(xiàn)輕微侵蝕，而且在邊緣位置也沒有出現(xiàn)加重現(xiàn)象。在陶瓷墊上沿0．1m高度范圍內(nèi)，爐缸炭磚絕大部分保持原始厚度，只有少部分存在輕微侵蝕。象腳侵蝕線向上移動到陶瓷墊以上0．1m位置，與傳統(tǒng)象腳侵蝕位置大致向上移動0．9m。
(5)沒有環(huán)裂現(xiàn)象。根據(jù)國內(nèi)其他企業(yè)高爐破損調(diào)查資料，大塊炭磚普遍存在環(huán)裂現(xiàn)象，由于炭磚環(huán)裂后裂縫處會出現(xiàn)氣體隔熱層，造成內(nèi)部熱量向外傳遞受阻，外部的冷卻效果因此降低，促使炭磚溫度升高，侵蝕速度加快。炭磚產(chǎn)生環(huán)裂的主要原因是炭磚較長，內(nèi)外溫差大，因而產(chǎn)生剪切力。由于鐵口以上部位鐵水液面高度不穩(wěn)定，該部位炭磚熱面溫度也不穩(wěn)定。因此，環(huán)裂現(xiàn)象最容易出現(xiàn)在鐵口以上炭磚外表面。
小塊炭磚的幾何參數(shù)比大塊炭磚小許多，并且NMD磚導(dǎo)熱系數(shù)極高，即使是NMA磚，其導(dǎo)熱系數(shù)也能達(dá)到18W／(m·K)以上。因此，每塊小塊炭磚前面溫度與背面溫度差值比大塊炭磚小許多，從根本上解決了環(huán)裂問題。
(6)沒有出現(xiàn)熔洞現(xiàn)象。炭磚出現(xiàn)熔洞主要原因是炭素與氧化性氣體，如CO2、H2O以及爐渣中的FeO反應(yīng)造成侵蝕，以及炭素與堿金屬氧化物發(fā)生還原反應(yīng)造成侵蝕。這二種化學(xué)反應(yīng)均需要800℃以上溫度。調(diào)查過程中，沒有發(fā)現(xiàn)炭磚內(nèi)表面出現(xiàn)熔洞現(xiàn)象，說明小塊炭磚抗堿金屬侵蝕能力比較強。
3 結(jié)語
(1)破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，爐缸炭磚最薄剩余厚度150mm，說明炭磚已經(jīng)被嚴(yán)重侵蝕；
(2)爐缸炭磚侵蝕主要原因是磚縫鉆鐵，膠泥粉化和揮發(fā)，炭磚沒有形成整體，鐵水滲透造成炭磚疏松、粉化；
(3)新型爐缸結(jié)構(gòu)形式，從上到下及圓周方向爐缸呈現(xiàn)侵蝕程度不均勻性，爐底呈現(xiàn)平鍋底侵蝕特征，象腳侵蝕位置與傳統(tǒng)高爐相比向上移動0．9m。