張曉萍  王洛  宋燦陽

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心)

摘要：為對爐缸爐底耐材的選用和生產(chǎn)監(jiān)控提供支撐，在試驗室考察了 6種爐缸爐底耐材的理化性能指標以及鋅、堿作用的衫響，并就鋅、堿作用后的兩種耐材進行了 SEM形貌及能譜分析。從爐缸溫度場要求考慮，采用具有阻熱作用的陶査杯配合具有高導熱性能炭磚的復合爐缸爐底結構有利于獲得爐缸長壽。堿金屬和鋅的侵蝕對耐材的理化性能彩響很大，尤其導熱性能和耐壓強度。耐材的性能指標是高爐爐缸爐底設計時的選材依據(jù)，但不是決定爐虹壽命的關鍵，減少有害元素對耐材的侵蝕有利于爐缸的監(jiān)控和操作應對。

關鍵詞：高爐；爐缸；爐底；耐材；性能；指標

0 前言

高爐長壽技術是個系統(tǒng)工程，包括科學合理的爐型設計、高效冷卻設備、優(yōu)質(zhì)耐火爐襯、精心砌筑、質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)原燃料、良好的高爐長壽操作技術和有效的監(jiān)測維護手段，要采取綜合技術措施確保高爐各部位的同步長壽^[1]。隨著銅冷卻壁和爐襯噴補在爐身下部至爐腹部位的應用，高爐長壽的薄弱環(huán)節(jié)已從爐身中下部、爐腰和爐腹轉移至爐缸部位^[2]。 近幾年高爐爐缸燒穿事故時有發(fā)生，造成了嚴重的經(jīng)濟損失，不合理的爐缸爐底結構和選用不合適的耐材是造成短命和燒穿事故的原因之二^[3]。 

采用高導熱性的炭磚，同時對爐缸冷卻壁實行強化冷卻，可使渣鐵形成凝固的1 15℃溫度殘存于炭磚中，并且遠離冷卻壁。高噴煤比的高爐，在操作上既要強度活躍爐缸中心，又要求爐底中心保持適當?shù)臏囟龋虼酥匾曁沾杀淖锜嶙饔?。依?jù)強化冷卻形成凝固層冷卻，爐缸側壁則需要高導熱、低孔隙度、防滲透性和高抗堿性能。

本文在實驗室條件下研究馬鋼4 000 m³高爐爐缸爐底所用6種耐材的導熱性、顯氣孔率和耐壓強度等性能指標，以及鋅、堿靜態(tài)侵蝕后的影響，旨在為爐缸爐底部位耐材的選用和生產(chǎn)監(jiān)控提供支撐。

1試驗方法

顯氣孔率、體積密度、耐壓強度及永久線變化率分別執(zhí)行標準 GB/T 2997 - 2015, GB/T 7320 —2008及GB/T 5988 - 2007o導熱系數(shù)測定采用LFA427激光導熱儀檢測。

耐材抗侵蝕性試驗方法在參考標準GB/T14983的基礎上重新設計，試驗裝置示意圖如圖1 所示。試驗采用還原氣氛，以木炭和金屬碳酸鹽、氧化鋅混合物為試劑。

2試驗結果與分析

2. 1理化性能

爐缸爐底耐材的編號及理化性能指標見表1，其值為6個試樣測定結果的平均值。單個試樣的顯氣孔率測定結果波動情況如圖2所示，導熱系數(shù)隨溫度的變化情況如圖3所示。

從表1可以看出，在6種爐缸爐底耐材中，陶瓷杯杯壁磚的顯氣孔率最低，陶瓷杯杯底磚和超微孔炭磚次之,最高的為石墨炭磚。盡管超微孔炭磚的顯氣孔率較低，但從圖2可以看出，其每個試樣的測定結果波動較大，除試驗系統(tǒng)誤差的影響外，主要還是氣孔大小的分布不均所致。氣孔大小的分布不均將導致炭磚整體抵御侵蝕、鐵水滲透的能力變差，并且易造成應力集中，因此改進炭磚質(zhì)量的一個重要方面是努力使炭磚的氣孔均勻分布。從圖3可知，各溫度下陶瓷杯杯底、杯壁磚的導熱系數(shù)與其他炭磚的差別較大，相對較低.隨溫度的升高變化也不大，該性能達到了爐缸爐底對耐材阻熱作用的要求；石墨炭磚的導熱系數(shù)遠高于其他幾種炭磚。根據(jù)上述耐材的導熱性能，馬鋼4 000m³高爐在爐底最上層和爐缸側壁砌筑低導熱陶瓷磚可獲得適中的爐底中心溫度，而爐底最低層采用高導熱的石墨磚布置在爐底水冷管上，通過水冷卻系統(tǒng)可帶走熱量，保證了爐底的溫度場。從耐材選擇角度說，這種設計有利于獲得爐缸爐底的長壽。

2.2鋅、堿作用對理化性能影響

表2為1 100℃條件下堿金屬和鋅對爐缸爐底耐材顯氣孔率性能的影響。

從表W可知，堿金屬和鋅有顯著降低炭磚顯氣孔率的作用，降幅達到4. 43個百分點以上，但對陶瓷杯杯底磚、杯壁磚的影響很小。這主要是因為堿金屬和鋅侵蝕后，由于炭磚的顯氣孔率大，相比陶瓷杯杯底磚、杯壁磚堿金屬和鋅進入炭磚內(nèi)部的通道更大，侵蝕性氣體進入炭磚的概率增加，但由于試驗是在1 100℃條件完成的短時間靜態(tài)堿、鋅蒸氣侵蝕，動力學條件有限，受作用力、氣氛、反應時間和速度的限制，進入炭磚氣孔的K、Na和Zn未與炭磚發(fā)生進一步的化學反應，從而停留在氣孔產(chǎn)生堵塞，導致顯氣孔率降低。超微孔炭磚分別受鈉、鋅蒸氣侵蝕后的SEM圖，如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5可知，炭磚基質(zhì)上明顯分布有許多棱角分明的白色晶體，這種晶體的內(nèi)部有孔洞存在。對該白色晶狀物進行能譜分析發(fā)現(xiàn)，主要是Na和Zn,進一步解釋了該試驗條件下進入炭磚氣孔的K、Na和Zn未與炭磚內(nèi)部發(fā)生反應而堵塞氣孔，導致氣孔率降低的結論。盡管試驗得出堿金屬和鋅有大幅降低炭磚顯氣孔率的作用，但不是說堿和鋅的侵蝕對提高炭磚性能有好處，因為在高爐實際生產(chǎn)中，有害元素對爐缸爐底耐材的侵蝕是一個長時間綜合作用的結果，一旦侵入炭磚，長時間綜合作用下將會在炭磚中形成大量的硅酸鹽物相，由此產(chǎn)生體積膨脹而對炭磚進行破壞。因此，還是選擇氣孔率低的耐材，以減少有害元素與炭磚接觸的面積，從而提高炭磚的抗蝕能力。

從表2還可看出，鋅對超微孔炭磚、微孔炭磚顯氣孔率的影響小于堿金屬的影響。這是由于在碳過剩條件下，高溫下C加速了 K₂CO₃.Na₂CO₃的分解，生成的K₂O，Na₂O被進一步還原成金屬K、Na^[4]，K、Na原子半徑比Zn要小，同時與K₂O. Na₂O，K₂CO₃.Na₂CO₃等分子半徑相比小的多，在耐火磚沒有受到侵蝕前質(zhì)地比較致密，原子半徑較小的K、Na首先進人磚體^[5]。因此，鋅對超微孔炭磚、微孔炭磚顯氣孔率的影響小于堿金屬的影響。

1100℃條件下堿金屬和鋅作用后，幾種爐缸爐底耐材的體積密度影響都很小，線變化率增大最多的是陶瓷杯杯底磚，為1.71個百分點。陶瓷杯杯底磚、石墨炭磚的耐壓強度大幅降低，超過了 30%，陶瓷杯底磚的尤為嚴重。陶瓷杯壁磚的抗鋅侵蝕較差，耐壓強度下降幅度高達80.66%。而對半石墨炭磚、超微孔炭磚、微孔炭磚的耐壓強度則有一定的提高作用。鋅、堿侵蝕后陶瓷杯杯壁磚、超微孔炭磚中的侵蝕金屬含量（能譜分析）見表3。

從表3可知，陶瓷杯底磚中侵蝕金屬含量明顯較超微孔炭磚中的多，由此說明陶瓷杯底磚更容易受鋅、堿侵蝕。

鋅、堿對爐缸爐底耐材導熱系數(shù)的影響，如圖6所示。從圖6導熱系數(shù)的變化情況來看，堿金屬和鋅有顯著增大陶瓷杯杯底磚、杯壁磚導熱系數(shù)的作用，而超微孔炭磚、微孔炭磚的則會顯著降低。對于半石墨炭磚，受侵元素不同導熱系數(shù)變化不同，K侵蝕后導熱系數(shù)增加，Na、Zn侵蝕后減小，K、Na混合作用后增加。堿金屬有增大石墨炭磚的導熱系數(shù)的作用，而Zn則減小石墨炭磚的導熱系數(shù)。

4 結語

本文通過在實驗室研究分析6種爐缸爐底耐材的理化性能指標以及鋅、堿作用的影響，得出如下結論：

1) 具有阻熱作用的陶瓷杯配合具有高導熱性能炭磚的復合爐缸爐底結構有利于獲得爐缸長壽。

2) 堿金屬和鋅的侵蝕對耐材的理化性能影響很大，尤其導熱性能和耐壓強度。

3) 耐材的氣孔為堿金屬和鋅的侵蝕提供了通道，為減少有害元素與炭磚的接觸面積，以提高炭磚的抗蝕能力，在耐材的選擇中還是希望原始氣孔率低。

4) 改善微孔炭磚、超微孔炭磚的氣孔均勻分布是提高其質(zhì)量的一個重要措施。

參考文獻

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