姜華，劉振均，傅思榮
(東北大學，寶山鋼鐵股份有限公司)
摘 要：通過采用保護性的調查手段，實測了高爐爐缸炭磚用后的侵蝕輪廓，獲得了殘磚結構的宏觀和微觀形態(tài)，分析了其中的殘留物。同時，結合國內外部分高爐炭磚用后調查資料后指出，用后大炭磚不再是物性單一的均質體，而是轉變?yōu)槎喽卧趥鳠岱较蛏暇哂胁煌镄缘奶卣?。以出鐵口標高為基準，其上下區(qū)域磚襯工作面上的附著物不同，殘留磚襯脆化層中的外來異物不同。并據(jù)此推斷脆化層的形成機理，為建立爐缸炭磚侵蝕模型提供依據(jù)。
關 鍵 詞：高爐爐缸；用后炭磚；結構形態(tài)
高爐爐缸磚襯用炭磚，按單塊體積大小主要分為兩類：一類是大塊炭磚(塊)，厚度和寬度一般超過300mm，包括焙燒和自焙；另一類是厚度在100mm左右的小塊炭磚。還有在此基礎上增加陶瓷結構體，成為陶瓷杯加炭磚的組合結構體等。統(tǒng)計國內外高爐爐缸用后炭磚形態(tài)的案例[1-22]，發(fā)現(xiàn)無論采用何種結構，在一代爐役結束時，爐缸內襯炭磚熱面的最終殘存形態(tài)，基本可形象地歸結為三類：①鍋底狀；②寬臉狀；③象腳(蘑菇或蒜頭)狀。
盡管業(yè)界關于爐缸炭磚磚襯蝕損、最終所顯現(xiàn)出的表觀形態(tài)的原因，理解和觀點不一，但是，所描述的用后炭磚殘存結構形態(tài)和組成卻具有一定的共性。研究這一共性，對客觀分析炭磚磚襯蝕損的成因，指導高爐爐缸磚襯結構的設計，以及高爐在役期間的操作維護乃至長壽都具有良好的指導意義。
1 國內外高爐爐缸用后炭磚
國內外業(yè)者普遍重視對高爐爐缸磚襯用后狀態(tài)的調查，調查結果和分析觀點多有報道。
1．1 日本高爐用后炭磚
NSC君津廠3號高爐(第二代)(4063m3)[19]，在經(jīng)過10年8個月多的安全運行、累計出鐵3212萬t后，按計劃停爐。對爐缸側壁磚襯的檢查中發(fā)現(xiàn)：在風口以下，包括出鐵口在內的整個炭磚襯中，都有脆化層存在。其中，第6～13層炭磚中脆化層粉化現(xiàn)象嚴重；即使是位于爐底的炭磚和殘存的黏土磚結構中，也發(fā)現(xiàn)存在脆化層，其龜裂形態(tài)呈網(wǎng)狀，裂紋穿過晶粒，基質出現(xiàn)粉化；在中部的脆化層與健全層之間，存在多條平行于工作面的裂縫；中上部脆化層中發(fā)現(xiàn)有ZnO和K2O沉積，下部及爐底的脆化層中沒有發(fā)現(xiàn)；分析鐵水對炭磚的侵入，滲鐵層中鐵含量20％～35％，脆化層中也有12％，健全層中沒有。
NSC室蘭廠3號高爐第六代[20]，在開爐1．5年后因故停爐，有機會調查了高爐投產(chǎn)初期的爐缸內襯炭磚狀態(tài)：在出鐵口及其上方的黏土磚保護層基本完好，其工作表面有外來物質(包括堿金屬)的侵入；出鐵口下部及底部侵蝕嚴重，最大侵蝕量500mm；在鐵口標高以下的炭磚結構中，出現(xiàn)厚度分別為200mm的滲鐵層、100mm的脆化層和700mm的健全層；鐵水的侵入深度達脆化層，基質中的氣孔被鐵封堵；部分脆化層中也有鐵的侵入，脆化層與滲鐵層之間的裂紋與工作面平行。結果表明，爐缸磚襯中的滲鐵和脆化在高爐爐役的初期就已經(jīng)發(fā)生。
NKK福山廠5號高爐[21](4617m3，累計出鐵3182萬t)在使用10年后停爐大修。在役期間，爐缸側壁溫度按照最高280℃控制，停爐檢查發(fā)現(xiàn)側壁的炭磚殘厚最小為500mm。
川鐵鹿島廠3號高爐(第一代)[22](5050m3，累計出鐵4815萬t)在使用13年5個月后停爐大修。檢查發(fā)現(xiàn)：出鐵口以上部位基本完好；出鐵口以下侵蝕嚴重，最小殘厚400mm；側壁殘厚中，分為健全層、脆化層和滲鐵后的變質層。
1．2 我國高爐用后炭磚
我國學者關于高爐爐缸炭磚的用后狀態(tài)也多有調查與研究分析。
在對鞍鋼煉鐵廠3號高爐爐缸殘存的炭磚情況檢查[1]時發(fā)現(xiàn)：在風口中心線以下2000mm，距冷卻壁表面300～400mm處，炭磚存在斷裂，并沿圓周方向形成環(huán)狀。14~3號風口區(qū)域的炭磚裂縫距冷卻壁300mm，3～14號風口區(qū)域的炭磚裂縫近距冷卻壁約400mm。鐵口附近幾乎沒有炭磚，也沒有泥包。兩側的炭磚被侵蝕成弧狀，弧內是渣鐵混合物。
鞍鋼11號高爐于1990年6月投產(chǎn)，1992年7月停爐中修時檢查了爐缸側壁磚襯[2]：鐵口中心線以上的炭磚侵蝕較少，僅200～300mm，鐵口標高以下3～4層范嗣的炭磚殘厚薄而需要更換；未更換的用后炭磚(環(huán)裂至冷卻壁之間的距離大于450mm)的熱面侵蝕呈不規(guī)則狀態(tài)，炭磚體內有多處環(huán)形斷裂。東西鐵口處磚襯侵蝕較嚴重，殘厚為500～600mm，其他處磚襯殘厚約700～900mm不等。
學者黃曉煜等，結合鞍鋼、武鋼的多座高爐調查結果，在分析我同高爐爐缸破損情況后指出[12]：在不同部位炭磚的破損不同，破損的程度亦不同。鐵口區(qū)以上到渣口、風口以下的區(qū)域，炭磚工作面上有渣、鐵、石墨碳和焦炭等混合黏結沉積物，在距離工作面300～800mm位置炭磚中出現(xiàn)環(huán)縫，一些環(huán)縫中有渣鐵留存，環(huán)裂縫至冷卻壁之間是300～500mm的炭磚。
學者許傳智等，早在1983年對武鋼的大型高爐進行用后調研中就發(fā)現(xiàn)[13]：爐缸磚襯中的環(huán)裂是沿風口大套口垂直下延伸的；同時，還發(fā)現(xiàn)，此環(huán)裂幾乎平行于高爐爐殼，形成一條連綿不斷的環(huán)形裂縫。此縫的寬度大約80～150mm，一直垂直向下延伸至爐底炭磚。在風口大套下沿磚襯中，環(huán)裂周圍炭磚表現(xiàn)為疏松、發(fā)黑，并有大量炯灰沉積；環(huán)裂帶炭磚表面呈白中帶灰綠色，置于空氣中易潮解且有滑膩感。作者由此認為，爐底爐缸環(huán)縫形成是堿金屬循環(huán)富集的結果。
學者周有德，在“高爐爐缸形成蒜頭狀侵蝕的分析和對策”一文中認為[14]：由于死鐵層沒有渣皮覆蓋，鐵水長期直接接觸炭磚。岡此，該部位炭磚熱面溫度高，內外溫差大，熱應力大，易出現(xiàn)炭磚環(huán)裂和破損。因此，鐵水易滲入炭磚內部，鐵水侵蝕炭磚的反應在該部位就更易進行。由此認為，沒有渣皮覆蓋而鐵水直接接觸炭磚和炭磚抗鐵水侵蝕能力較差，是死鐵層形成“蒜頭狀”侵蝕的根本原因。
學者孫永芳，在“結合鞍鋼7號高爐爐缸破損情況調查淺談爐缸長壽措施”一文中指出[15]：該高爐爐缸破損的主要表現(xiàn)為環(huán)裂和爐底環(huán)流侵蝕；炭磚的侵蝕是先從磚縫開始的。
縱觀國內外業(yè)者關于高爐爐缸磚襯用后狀態(tài)的調查報道，盡管狀態(tài)描述近似，但對成因的觀點差異很大。
2 某大型高爐用后炭磚的調查
筆者曾對幾座使用大塊炭磚的大型高爐爐缸側壁磚襯，進行了用后狀態(tài)的調查。這些高爐一代爐役均超過10年，且屬于計劃性停爐。
為了盡可能地減少大修工程對用后炭磚殘存狀態(tài)的影響，調查取樣工作分為兩部分：一部分是在高爐停爐后，采用從爐外鉆孔的方式進行；另一部分是根據(jù)殘鐵凝同形態(tài)，間接判斷爐缸鐵口以下部分側壁工作面的蝕損最終輪廓。
2．1 殘厚炭磚的工作面輪廓及其內部構成
(1)用后炭磚的工作面輪廓。即使是在出鐵口區(qū)域，不同標高的殘磚厚度差異很大(如圖1所示)。在圖1(b)中，出鐵口中心上沿炭磚(第14層)為早期斷裂。第14層以下區(qū)域的炭磚，侵蝕呈象腳形，直至第9層蝕損達到最嚴重。
第9層炭磚以下區(qū)域的用后炭磚工作面輪廓，從三個代表性方位來觀察，即兩緊鄰出鐵口之間、出鐵口正下方和兩遠距離出鐵口之間的殘鐵形態(tài)(如圖2所示)。
比較后可直觀地發(fā)現(xiàn)，爐缸側壁炭磚工作面在不同角度，侵蝕程度和形態(tài)存在明顯的差異。其中，出鐵口正下方最嚴重，兩遠距離出鐵口之間區(qū)域最平緩(如圖3所示)。
(2)用后炭磚的宏觀結構。以出鐵口標高為分界，觀察不同標高的取樣結果，發(fā)現(xiàn)其上下區(qū)域的用后炭磚工作面的附著物存在明顯的差異：出鐵口及其以上區(qū)域，附著物以渣或渣鐵混合物為主，其厚度在70～120mm(如圖4所示)。出鐵口以下區(qū)域，尤其是在象腳區(qū)域，殘鐵與用后炭磚直接接觸(冷卻后存在縫隙)，其間未見渣狀物黏結(如圖5所示)。
沿傳熱(厚度)方向，觀察側壁用后炭磚的結構，呈多層結構形態(tài)：完好層、斷裂縫、脆化層和滲鐵層(圖6所示)。
其中，出鐵口以上區(qū)域，磚襯中的脆化層(多裂紋區(qū)域)較薄，脆化層與完好層之間多存在明顯的裂縫或裂紋，這些裂縫(紋)基本平行于熱面，裂縫寬度3～18mm，使部分炭磚呈斷裂狀；在調查中發(fā)現(xiàn)的炭磚早期斷裂部位，有黏結物沉積；部分裂縫水平方向在圓周方向連續(xù)發(fā)展，呈環(huán)狀；裂紋中存在明顯的堿性沉積物，與國內外一些文獻報道一致，在此不重復。
在出鐵口以下區(qū)域，直至爐底，磚襯中脆化層的厚度增加，且表現(xiàn)為明顯的網(wǎng)狀結構，結構疏松，樣品難以制成標準試樣來做強度檢測。
2．2 用后炭磚的微觀結構
對用后炭磚樣品做微觀分析時發(fā)現(xiàn)：滲鐵層、脆化層和完好層之間存在明顯的界面；在滲鐵層中，基質部分有明顯的滲鐵現(xiàn)象。在顯微鏡下，滲鐵層沿炭磚的厚度方向上，從高溫向低溫側滲鐵量逐步減少，至脆化層滲鐵結束；脆化層中基本沒有鐵。
2．3 用后炭磚的性能
對殘磚的部分樣品進行主要性能的檢測，結果見表1～4。
3 關于用后炭磚
3．1 用后炭磚的工作面形態(tài)
綜合國內外文獻關于爐缸磚襯用后狀態(tài)的描述，不同部位的侵蝕量和殘存厚度不同，直觀表現(xiàn)為工作面形態(tài)不規(guī)則。綜合國內近年來發(fā)生的多起高爐爐缸側壁燒穿事故調查的信息分析，爐缸磚襯工作面的形態(tài)主要有兩個特點。
(1)在側壁的高度方向上基本表現(xiàn)為：出鐵口標高以上至風口之間的侵蝕量較少；出鐵口標高以下的侵蝕嚴重，最大侵蝕量發(fā)生在出鐵口中心以下1～2m之間(因死鐵層深度和爐底形態(tài)不同而異)；計劃性停爐的爐缸側壁磚襯殘存厚度多在300～500mm之間；出鐵口部位的殘存厚度最大(因鐵口維護等原因，也有鐵口殘厚小于上部側壁的個案)?；拘螒B(tài)如圖7所示。
(2)在圓周方向上，不同標高位置磚襯工作面表現(xiàn)不一。①出鐵口標高以上區(qū)域，越接近風口，側壁的圓度越規(guī)則。②在出鐵口標高，沿圓周方向，出鐵口區(qū)域凹凸不一：凸起者爐缸狀態(tài)穩(wěn)定；凹陷者爐缸側壁溫度異常。③出鐵口以下的象腳區(qū)域，不同角度的工作面軸向輪廓差異很大。出鐵口正下方多表現(xiàn)為突變形凹陷，這種凹陷因爐底形態(tài)的不同而異。
3．2 用后炭磚的結構形態(tài)
在傳熱方向上，用后炭磚多由原始的單一物性結構，變化為不同物性的多層(變質、脆化、完好等)結構。此外，以出鐵口標高為界，其上部和下部的炭磚結構形態(tài)差異也較大。
(1)出鐵口上部的炭磚中裂縫(或環(huán)裂)更多，寬度更寬，而下部炭磚中多表現(xiàn)為裂紋；
(2)上部炭磚中的脆化層較薄不明顯，而下部炭磚(包括爐底炭磚)中的脆化層更厚且更明顯；
(3)上部磚襯工作面的蝕損多表現(xiàn)為化學性，裂縫(包括脆化層)中堿金屬沉積較多，尤其是接近風口部位，而下部磚襯的熱面蝕損則多表現(xiàn)為滲鐵性，裂紋和脆化層中堿金屬沉積不明顯。
3．3 用后炭磚熱面的黏結物
停爐后的檢查結果表明：出鐵口上部磚襯熱面的黏結物多為渣或渣鐵混合物；出鐵口下部磚襯工作面無黏結物。
這與物料處于高爐不同區(qū)域的形態(tài)及物性是相符的：出鐵口標高以下，爐缸內的鐵水處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，炭磚工作面接觸的基本就是鐵水；只有出鐵口及其以上區(qū)域的側壁，受爐渣隨鐵水液面上下浮動變化的影響，處于與渣和鐵的交變接觸狀態(tài)。由于渣的熔點更低，當磚襯受冷卻而降溫時，更容易黏結于其表面。
3．4 關于脆化層
國內外關于用后爐缸磚襯的調查資料顯示：脆化層遍布爐缸側壁整個磚襯結構之中，包括炭磚和黏土磚。脆化層的產(chǎn)生或許早于磚襯的大范圍侵蝕[13]，在高爐早期停爐檢查時，就發(fā)現(xiàn)磚襯尚未嚴重侵蝕，磚襯中脆化層已經(jīng)出現(xiàn)[22]。
長期以來關于脆化層的形成機理多有報道，觀點不一。這里僅依據(jù)上述形態(tài)調查和不同標高磚襯脆化層中的成份檢測結果，參照實驗室對一般炭磚做壓應力試驗后的破壞形態(tài)特征，以及爐缸炭磚運行過程中的受力狀態(tài)(遠低于炭磚的耐壓強度)。初步分析認為：脆化層的形成，源于生產(chǎn)過程中作用于炭磚上的交變應力，而非超強度的穩(wěn)態(tài)正壓力或化學作用。正是這種低周波的交變應力作用，導致磚襯結構產(chǎn)生了疲勞性破壞。這種應力的來源和性質有待進一步研究確定。有文獻根據(jù)在脆化層中發(fā)現(xiàn)存在以堿金屬為主的化學物質，就認為化學侵蝕是炭磚中形成脆化的主因。筆者調查后推測：這類堿性化學物質源于高溫煤氣，當煤氣透過磚襯中已經(jīng)形成的裂紋(縫)，在從風口(高壓端)向出鐵口(低壓端)流動過程中，其中夾帶的堿金屬受到冷卻而沉積附著于裂縫中，煤氣所流經(jīng)區(qū)域都將存在堿金屬，包括部分出鐵口標高以下的區(qū)域。
有國外學者在對爐缸用后炭磚中脆化層的狀態(tài)及其形成機理進行調查分析后，也提出了類似的觀點[25，26]。
學者Tamura等，在研究爐缸炭磚的“脆化”現(xiàn)象時，詳細地檢測了其中的堿物質和Zn的分布；也分段測試了熱導系數(shù)，試圖探討它們與脆化的關系[27]。研究發(fā)現(xiàn)，“脆化”與堿物質并不存在明確的相關性。首先，K2O的數(shù)量很少，約0．7％，本來是炭磚中本身的含量，在部分脆化區(qū)的個別點可達10％；ZnO的分布極也不均勻，個別斷裂區(qū)域競高達56％。這顯然是先行斷裂，而后有ZnO滲入之結果，屬于物理狀態(tài)的填充。
4 結語
根據(jù)對高爐爐缸用后炭磚的實際調查于研究，綜合分析國內外一些調查案例和研究成果，就高爐爐缸炭磚襯的蝕損及其結果，提出以下觀點：
(1)在一定的結構形態(tài)、材料物性、冷卻條件等高爐原始條件，和穩(wěn)定的爐燃料條件、操作維護環(huán)境下，用后爐缸炭磚的工作面最終將維持基本一定的形態(tài)。
(2)爐缸側壁磚襯的受侵蝕程度，出鐵口中心以上區(qū)域相對較輕；出鐵口以下區(qū)域較重，尤其是在出鐵口中心以下1～2m范圍。
(3)爐缸側壁磚襯工作面的附著物，以出鐵口中心為界，上下差異明顯：出鐵口及其上部以渣或渣鐵混合物為主，下部以凝鐵為主。
(4)磚襯工作面受到的損傷，以出鐵口標高為界：上部以化學性損傷為主，其下部以滲鐵性損傷為主。
(5)在傳熱方向上，用后炭磚不再是原始的均質單一物性，而是變?yōu)橛啥喾N不同物性(包括變質層、脆化層和完好層等)組成的多層結構，不同物質的導熱性能差異很大。因此，在爐缸磚襯的侵蝕模型計算中不能采用均質單一物性作為基礎數(shù)據(jù)，否則計算結果將與實際產(chǎn)生嚴重偏差。
(6)根據(jù)在出鐵口上下不同區(qū)域的脆化層中殘存物質分析，脆化層的形成過程與堿物質并不存在明確的相關性。根據(jù)受力狀態(tài)和內部殘留物分析，推測脆化層(包括裂縫)的形成原因，是作用于炭磚的交變應力，其中的外來化學物質應該是裂紋形成后外來物以物理方式沉積填充形成的。關于這種交變應力的來源、性質及其對磚襯的影響，有待進一步研究。
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