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耐火磚知識與新聞

高爐耐火磚襯損壞的原因分析

高爐的耐火磚襯圍砌成冶煉空問,所以它是生產操作時的工作表面,受到多種因素的破壞,歸納起來分為兩大類:一類是由高爐冶煉過程自身特點確定的且是連續作用的網素;另一類則是結構生產因素。前者是第一位的,后者是第二位的。設計者和生產者應盡量克服第二類因素的作用,減輕第一類因素的作用。

屬于第一類的因素有溫度作用、機械沖刷與磨損、爐料帶入的堿金屬和其他元素與磚襯的化學作用以及析碳反應和鋅的沉積等。屬于第二類的因素有設計的爐墻結構不合理、所用耐火材料質量差、筑爐質量差和操作不當(如邊緣氣流過分發展、結瘤、邊緣管道)等。

A  溫度作用

高爐煉鐵是高溫火法冶金,風口燃燒帶形成的高溫煤氣上升時有相當一部分是沿爐墻運動的,研究表明,耐火磚內襯表面的溫度接近流過的煤氣溫度,相差2050。高溫對耐火磚襯的破壞表現為:

1)熔蝕。當邊緣氣流過分發展而使用荷重軟化溫度低的劣質耐火材料時,若高溫超過其允許溫度則會使耐火磚內襯熔蝕。

2)熱應力。耐火磚工作熱面溫度接近邊緣煤氣流溫度,而另一端有冷卻器冷卻,溫度低,兩端的溫度差在400℃以上,而且陶瓷質耐火磚的導熱性差。這樣就在磚襯內產生很大的熱應力,高時可達40MPa;在與冷卻器接觸的地方,磚襯的徑向壓力(輻射狀)1516MPa。熱面部分的耐火磚襯在高溫作用下產生膨脹而傾向于移動(相對于加熱較低的冷端),結果在熱、冷邊界處產生很高的彎曲應力和剪應力。當這些力超過耐火磚的拉仲強度時,形成環形裂縫,在其他因素共同作刖下發生剝落。爐缸壁炭磚層的中部產生脆裂帶,從爐身下部耐火磚中沿工作熱而發生平行的裂紋就是典型的實例。

3)熱震。熱震是耐火磚遭遇非穩定的熱應力而被破壞的現象。這種現象頻繁發生在邊緣氣流劇烈波動,特別是突發性和大幅度的波動時。溫度高時,耐火磚體內產生很高的熱應力,隨著煤氣流的減小,耐火磚表面的溫度逐漸降低。這樣反復發生就在耐火磚內產生龜裂,最終斷裂:影響熱震破壞的因素主要是溫度的波動和耐火磚襯的抗熱震性能,一般來講,碳質耐火磚的抗熱震性能好,而陶瓷質耐材的抗熱震性能則差。

B  機械沖刷與磨損

機械沖刷與磨損是指爐缸內渣鐵流動對爐缸壁的沖刷、燃燒帶形成的煤氣帶著粉末向上運動時對爐墻爐襯的磨損以及從爐頂裝入爐內的爐料在下降過程中對爐襯的磨損。

1)爐缸內渣鐵流動的沖刷。前已述及,焦炭柱(死料柱)浸埋在爐缸積存的渣鐵中,有兩種情況:一種是焦柱深埋在鐵口中心線以下的部分,更接近于爐底;另一種是爐缸鐵水浮力大,使焦柱漂浮在鐵口中心線以上。出鐵時,渣鐵流是有勢流,以出鐵口為中心點,渣鐵流朝向其流動,由于浸埋的焦柱底部呈球狀突起,渣鐵流流動時邊緣焦炭少、阻力小,因此渣鐵流沿爐缸壁做湍流運動。鐵水流對爐缸壁的沖刷,再加上碳未飽和的鐵水對炭磚的滲碳溶蝕,造成爐缸內襯與爐底磚接觸的角部嚴重侵蝕(即所謂的象腳狀或蒜頭狀侵蝕)。近年來,在爐缸沒計中通過加大死鐵層厚度來增加鐵水的浮力,使焦柱盡可能漂浮到接近鐵口中心線或以上位置,增加鐵水從死料柱下面通過的量,以減輕鐵水環流量及其對爐缸壁的沖刷。另外,在出鐵作業中要適當控制出鐵速度,因為出鐵后期出鐵口直徑變大,鐵水流速增加,而隨著出鐵過程的進行,爐缸內鐵水減少,焦柱下降,焦柱下通過的鐵水量減少,邊緣鐵水流量增大,沖刷程度加劇。

2)爐身部位的磨損。裝入爐內的爐料對爐墻的摩擦既增加了爐料下降的阻力,也對爐墻磚襯產生磨損破壞作用,嚴重的是上部,因為爐型的變化減輕了這一作用。但與此同時,從燃燒帶上升的煤氣帶著粉末向上運動時產生的沖刷和磨損破壞作用都有所增加。

機械沖刷與磨損的破壞作用占全部破壞的比例在10%左右。

C  化學侵蝕

化學侵蝕分為兩類:一類是FeOMnO含量高的初渣的侵蝕;另一類是堿金屬氧化物和氟化物的侵蝕。前者主要發牛在爐身出現初渣的部位,而后者則殃及整個爐子的磚襯。后者的破壞作用超過前者數倍。

堿金屬氧化物的破壞作用表現在以下三個方面:

1)堿金屬氧化物與耐火磚中的SiO2反應形成低熔化溫度的化合物,其結果或是將爐襯破壞,或是形成爐瘤的根,成為損壞爐襯的重要原因之一。

2)堿金屬氧化物與耐火磚中莫來石(3A12O3·2SiO2)反應形成鉀霞石(K2O·A12O3·2SiO2)白榴石 (K2O·A12O3·4SiO2),同時伴隨有30%~50%的體積膨脹,后果是造成爐襯剝落。

3)堿金屬與炭磚中的碳反應形成有機物(例如KnCm),使炭磚變得疏松,在鐵水滲透作用和環流運動下炭磚被損壞。

堿金屬破壞作用是磚襯損壞的最主要原因,其占全部破壞的比例達40%左右。

D  析碳反應及Zn、SiO等的作用

析碳反應2CO=CO2+C在高爐內開始于340370,而在500700范圍內大量發生并伴隨著體積膨脹(6cm3mol),從而在耐火磚襯的空隙中產生很大壓力(最高可達,導致耐火磚襯破損。更為嚴重的是,還原出來的金屬Fe、Zn、Ni、Co和堿金屬及其氧化物等都是這個反應的催化劑,加重了析碳反應的破壞作用。

ZnSiO的破壞作用是在爐襯及管道內結瘤。

析碳反應和Zn、SiO的破壞作用僅次于堿金屬氧化物,其占全部破壞的比例在20%左右。

E  結構性因素的作用

磚襯損壞的重要因素之一是設計和建造的爐墻結構不合理。典型的例子是爐底磚襯漂浮,爐身磚襯的支撐元件不好甚至無支撐元件,導致上部爐襯脫落,使這些爐襯還沒有發揮應有的作用就遭到破壞。

耐火材料質量差和建爐質量不好為第一類破壞因素的作用創造了條件,例如,耐火磚的孔隙率大、砌磚的縫隙大為堿金屬氧化物、析碳反應等創造了反應場所。

操作中邊緣氣流過分發展會使爐墻工作熱面溫度過高,為溫度作用創造了條件,使磚砌過早剝落。

總的來講,正常磚襯在上述各因素的作用下,開爐初期侵蝕較快,在厚壁高爐上達到2040mm/月;24個月后逐步放慢,在冷卻的作用下熱工作面開始結渣皮,侵蝕速度降為520mm/月;經過3年左右,渣皮成為主要爐襯,形成操作爐型。在薄壁高爐上,由于砌筑的磚襯儀厚150mm,或不砌磚而只噴涂不定型耐火材料,因此較早地進入以渣皮為爐襯的時期。

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