高炉炉缸炉底的腐蚀与控制

高炉炉缸炉底的腐蚀与控制

高粱长寿是现代高粱的目标。高粱长寿意味着经济效益的提高。近几年来,随着我国钢铁工业的发展,我国高炉的数量迅速增加,高炉容积向大型化发展,高炉的设计水平和使用寿命都有了较大提高。国外先进高炉长寿水平较高,一代炉役(无中修)寿命可达15a以上,部分高炉达20a以上,如日本川崎公司千叶6号高炉(4500m3)和水岛2号、4号高炉都取得了20a以上的长寿实绩;最近,经过大修的部分高炉已将长寿目标定为30a。相比而言,我国高炉装备的长寿水平则较低,一般一代炉役(无中修)寿命低于10a,仅少数高炉可实现10～15a的长寿目标,如宝钢1号高炉第一代炉龄达10.5a,攀钢1号高炉的炉龄接近14a。这与国外最先进水平还有相当大的差距。高炉长寿技术是一项涉及设计、装备、材料、施工、维护、原料以及生产操作管理等方面的综合技术,已成为高炉炼铁技术进步的主流。当前,高冶炼强度和强化操作下的高炉长寿技术主要有两个限制性环节:一个是炉缸和炉底寿命,另一个是炉身下部(炉腰和炉腹)寿命。特别是在炉缸处,其耐火砖衬的使用寿命决定着高炉寿命,从而使高炉炉缸寿命成为影响高炉长寿最关键的因素。(1)铁水对炭砖的渗透侵蚀。铁水渗透到炭砖的气孔中,生成FexC一类的脆性物质,造成炭砖热面脆化,物理性能降低。此过程分3个阶段(见图1):第一阶段,铁水渗入到炭砖的气孔中,与此同时,炭砖开始溶解;第二阶段,1150℃等温线处,铁水开始凝固,同时发生体积收缩,裂纹开始扩散,随后被铁水填充的空隙数量增加,见图1(a);第三阶段,随着炭砖侵蚀的逐步加剧,1150℃等温线移向炭砖冷面,铁水的渗入是随着裂纹的扩散(平行于热面)而逐渐进行的,见图1(b)。(2)铁水环流的机械冲刷。出铁时,铁水环流冲刷炭砖热面,会造成炭砖的磨蚀。而导致铁水环流的主要原因是炉缸内死料柱的存在,当死料柱浮起减小时,自由铁水区的铁水流速加快,铁水对炉壁和炉底冲刷力增大;中心死料柱相对尺寸越大,对炉底和炉壁侵蚀越严重;死料柱孔隙减小时,则铁水对炉底和炉壁的侵蚀增大。(3)热应力对炭砖的破坏。炉缸中出现“象脚状”异常侵蚀的区域正是热应力集中的区域,热应力超过了炭砖的破碎强度而使炭砖破碎,然后再逐渐被铁水冲刷掉。(4)碱金属的侵蚀。随着高炉的长期冶炼,碱金属的富集循环是不可避免的。碱金属氧化物在一定温度(850～900℃)下与炭砖中的炭素剧烈反应产生碱蒸气(如K2O+C==2K↑⏐⏐+COΚ2Ο+C=2Κ↑+CΟ↑),而碱蒸气侵入炭砖中时,易与炭素反应形成新的化合物(如K2CO3、Fe3C和ZnO等),产生体积膨胀(见图2)而破坏炭砖的强度,对炭砖的破损起促进作用。(5)CO2、H2O等对炭砖的氧化。因炉缸环砌炭砖处于较高温度场中,所以炭砖中的C极易被水氧化(即H2O+C→H2+COΗ2Ο+C→Η2+CΟ)。高炉中的水分主要是由于风口、渣口及冷却壁损坏而渗漏进来的。例如,文献中报道,本钢高炉炉缸炭砖环裂严重与冷却器漏水所导致的氧化有直接关系。(6)熔渣对炭砖的冲刷和侵蚀。高炉渣偏碱性,而高炉常用的耐火砖偏酸性,故在高温下发生化学性渣化,这对炉衬是一重要的破坏因素。(7)CO分解产生炭素沉积。高炉冶炼过程中,在炉缸炭砖热面500℃等温线附近会发生CO的边界反应,即2CO(g)→C⏐↓+CO(g)→C↓+CΟ2↑,生成的C脆而松散,易造成炭砖膨胀而出现裂纹。有研究表明,铁及铁的化合物对CO的分解起催化作用。2合理的预紧器结构2.1料柱升降控制实践证实,高炉炉缸、炉底“象脚状”的异常侵蚀,主要是由于铁水渗透到炭砖中,使炭砖脆化变质,再加之炉缸内铁水环流的冲刷作用而形成的。处于死铁层位置的铁水,除因出铁、放渣时死料柱升降对其扰动外,是比较平静的。因此,加深死铁层深度,是抑制炉缸“象脚状”异常侵蚀的有效措施;而且加深死铁层后,可避免死料柱直接沉降在炉底上,加大了死料柱与炉底之间的铁流通道,提高炉缸透液性,减轻了铁水环流,从而延长炉缸、炉底寿命。但是,死铁层也不宜过深,否则会使炉底炭砖以上的铁水液面高度增加,加重铁水对炉底炭砖的熔蚀和渗透作用,而且白白浪费高炉容积,特别是大高炉,其死铁层深度每增加1m,会导致扩容几十甚至上百立方米。对于大高炉,以炉缸直径的15%作为死铁层深度,完全能满足冶炼要求,也能保证炉缸长寿。2.2增加炉缸容积高炉在大喷煤操作条件下,炉缸风口回旋区结构发生了变化。适当加高炉缸高度,不仅有利于煤粉在风口前的燃烧,而且还可以增加炉缸容积,以满足高效化生产条件下的渣铁存储,减少在强化冶炼条件下出现炉缸“憋风”的可能性。近年我国已建成或在建的大型高炉都有炉缸高度增加的趋势,炉缸容积为有效容积的16%～18%。2.3适当加深铁口深度铁口是高炉渣铁排放的通道,铁口区的维护十分重要。研究表明,适当加深铁口深度,对于抑制铁口区周围炉缸内衬的侵蚀具有显著作用。一般将铁口深度定为炉缸半径的45%左右就可以减轻出铁时在铁口区附近形成的铁水涡流,延长铁口区炉缸内衬的寿命。3内部结构和耐腐蚀性设备根据以上对炉缸、炉底侵蚀机制的分析,要延长寿命,应该为炉缸和炉底选择合理的结构和耐火材料。3.1全炭砖结构炉炉底模板分析目前,国内外高炉炉底、炉缸采用的内衬结构形式大致可分为两大类:一类是全炭砖结构,另一类是炭砖与陶瓷材料结合的结构。从传热角度来说,全炭砖炉缸、炉底结构为完全导热型,通常称之为散热型结构;而炭砖与陶瓷材料结合的炉缸、炉底结构为隔热与导热的结合,通常称之为保温型结构。3.1.1热等静压成型小块炭砖和超多孔炭砖全炭材料的炉缸、炉底结构是按高导热原理设计的薄壁结构,它强调通过高热导率的半石墨质炭块将热量传递给冷却系统而实现热平衡,同时利用良好的导热性在炉缸内侧壁部位降低工作面(热面)温度,并形成渣皮状附着物,将800℃等温线推至炭砖以外,从而保护炉缸内壁,实现炉缸系统的安全、高效、长寿。此类炉缸的侧壁材料使用具有高热导率(600℃时18.4W·m-1·K-1,20℃时60～80W·m-1·K-1)的热等静压成型小块炭砖或超微孔炭砖,其透气度只有普通炭砖的1%,这样的低孔隙度能有效阻止铁水和熔渣的渗透。宝钢3号高炉、首钢1号高炉等就是采用美国UCAR公司的全炭材料炉缸、炉底结构。3.1.2提高炉缸稳定性炭砖-陶瓷复合结构是按隔热原理设计的厚壁结构,它强调在采用高热导率的炭块将炉缸热量传递给冷却系统的同时,通过增加具有耐高温、抗渣碱侵蚀、耐冲刷和良好抗热震性的陶瓷材料制成的陶瓷杯,将炉缸内的炭质材料与铁水及混合物分隔,从而在相当一段时间内杜绝了铁水对炭质材料炉缸的侵蚀,实现了炉缸系统的安全、高效、长寿。宝钢2号高炉、沙钢1号高炉等,采用的就是法国SAVOIE公司和日本电极公司的炭砖-陶瓷材料复合炉缸、炉底结构。3.2高炉材料的选用高炉耐火砖衬的寿命,特别是高炉炉缸、炉底的寿命,决定着高炉的寿命。在选择高炉耐火材料时,不仅要考察耐火材料的强度、气孔率等基本性能,还要从与侵蚀介质的适应性方面考虑,如抵抗铁水、炉渣和碱金属的侵蚀以及导热等性能。炉底和炉缸内衬材料的主要技术指标如表1所示。3.2.1优质炭砖和多孔炭砖的性能目前,我国高炉炉缸、炉底用炭砖主要是从国外进口的微孔焙烧大炭砖和热压小炭砖。热压小炭砖主要是美国UCAR公司提供的NMA、NMD(70%石墨质);微孔大炭砖主要是德国SGL炭素公司生产的3RD-N微孔炭砖及7RD-N超微孔炭砖和日本NDK公司提供的BC-7S微孔炭砖、BC-8SR超微孔炭砖。国内的炭砖产品也得到了较快的发展,典型的有半石墨炭砖、微孔炭砖、低气孔自焙炭砖等。表2对国内外主要炭砖的性能进行了比较。国产半石墨质焙烧炭砖和微孔炭块的性能,如平均孔径、耐碱性、铁水熔蚀指数等实测指标已接近或达到国外先进水平,但一些指标与国外相比仍有较大差距:(1)进口优质炭砖的热导率明显高于国内炭砖的,约高20%;(2)德国SGL公司炭砖的尺寸公差在±0.2mm以内,且砖表面基本看不到局部疏松、孔洞、缺棱、掉角等缺陷;但国内炭砖尺寸公差都在±0.4mm左右,且砖表面还有局部疏松、孔洞、缺棱、扭曲、掉角等缺陷;(3)大块微孔炭砖内部的孔隙直径,国外先进水平是<0.3μm,而国内<0.5μm的产品还没有,由此产生的抗铁水渗透性能差距很大。3.2.2炉缸陶瓷杯壁炉底陶瓷垫一般选用刚玉-莫来石材料。国产刚玉-莫来石材料的性能与进口材料的接近(如表3所示),完全可以满足陶瓷垫的使用要求,而且价格便宜。炉缸陶瓷杯壁用法国MONOCORAL大预制块较好,虽然国产刚玉-莫来石、复合棕刚玉材料在性能上达到要求,但因其块小,砌筑要求高,且在受热后应力分布不均匀,易造成局部坍塌、漂浮而破损。法国MONOCORAL的大预制块有利于避免这种漂浮破损。3.2.3捣打料的使用炭素捣打料主要用于炉底炭砖以下及炉缸炭砖与冷却壁之间的缝隙。由于炭砖热导率大,而且应用了铜冷却壁,如果捣打料的热导率仍然很低,将严重影响冷却壁的冷却速度,大大降低冷却效果,阻碍炭砖和铜冷却壁高导热性能的发挥,最终影响高炉寿命。为此,20世纪80年代在宝钢1号高炉上使用了日本的炭素捣打料。这种捣打料虽具有热导率高,常温施工无有害气体逸散,施工劳动条件较好等特点,但其主要原料为人造石墨,由于人造石墨的固有特性,施工捣固密实度低,找平较困难,从而影响了炉底的传热条件。充分利用我国质优、价廉的半石墨化高温电煅无烟煤资源(根据使用要求,还可以生产石墨化度>30%、灰分质量分数2%～3%的高温电煅无烟煤),并加入超微粉添加剂生产的炭素捣打料,在热导率与日本炭素捣打料相当的情况下,捣打密实度提高了15%～20%,施工捣固速度加快,并提高了炭捣体的质量。在实际生产中,严格检查炭素捣打料的质量和捣打密实度,对于大型高炉炉缸和炉底的安全、长寿具有极为重要的作用。4在炉底和炉渣中维护4.1增加炉缸、炉底的热负荷生产实践表明,长期稳定顺行的炉况,不仅是高炉高产、低消耗的先决条件,也是延长寿命的必要条件。在冶炼过程中,各种炉况失常,都不可避免地导致炉缸、炉底热负荷的大幅度波动。有些处理措施对炉缸、炉底还有直接的破坏作用,如加洗炉剂洗炉。因此,要维护好炉缸、炉底,必须要使高炉稳定顺行,减少炉况波动。4.2侵蚀加流动性铁水中硅和硫含量的高低直接影响铁水的流动性:流动性太好,则对炉缸、炉底的侵蚀加剧;流动性太差,则影响高炉的生产,造成炉况的波动,也对炉缸、炉底造成损坏。根据高炉的运行情况,一般控制硅含量在0.5%(w)左右,硫含量控制在0.02%(w)左右,并根据高炉顺行情况和炉缸、炉底侵蚀状态随时调整。4.3提高炉渣含量和用量为了减少碱金属等有害元素在炉内的富集,应采取以下措施:(1)优化配料,合理配矿,限制入炉碱金属负荷。(2)控制煤气流分布。根据炉况及时调整相关操作制度,以“发展中心气流排碱”为手段,调整热制度和造渣制度,以确保铁水温度和良好的炉渣流动性,有利于碱金属等有害元素随炉渣及时排出,减少其在炉内的停留时间。(3)适当降低炉温。碱金属硅酸盐的还原是个强吸热过程,反应要在较高的温度下进行。彭凤翔等对高炉渣中(K2O+Na2O)与[Ti]含量的数据进行的回归分析表明,炉温升高有利于生成钾和钠蒸气。因此,降低炉温有利于炉渣排碱,但对脱硫和炉渣流动性都不利。(4)控制炉渣成分,适当提高渣量。提高渣中MgO含量,可改善炉渣流动性;适当提高渣量,不仅可增加有害元素随炉渣的排出量,还有利于降低渣的Al2O3含量。王成立等进行了高炉渣钾容量的研究,认为在一定试验条件下,炉渣中MgO质量分数从6%增加到16%时,炉渣钾容量不断增大。王艺慈等的研究结果表明,当炉渣温度在1300～1400℃,碱度为1.0左右时,提高炉渣的MgO含量会大大降低碱金属在炉渣中的活度,增加K2O和Na2O在炉渣中的溶解度,同时,增加MgO含量还有利于改善炉渣的流动性和稳定性。因此,合理的炉渣成分能有效提高炉渣的排碱能力。(5)降低炉渣碱度。高碱度会造成渣中碱金属硅酸盐的分解(K2SiO3+CaO+C==2K(g)+CO(Κ2SiΟ3+CaΟ+C=2Κ(g)+CΟ(g)+CaO·SiO2),使碱金属挥发,增加碱金属在高炉内的循环量,从而降低炉渣排碱率。因此,需要降低炉渣碱度。4.4提高si质量分数的意义钒钛矿护炉的原理是提高炉料的含TiO2量,使TiO2在高温、还原气氛下生成的Ti(N,C)沉积在炉底和炉缸上而形成稳定的保护层。护炉期间,在操作制度上,应适当提高炉温,炉温高,则含钛炉料的还原程度大,护炉效果好;铁水中Si质量分数提高到0.7%～0.8%(上限不得超过1.0%),有利于Ti的还原;在煤气控制方面,采取吹透中心、减少环流的操作,尽量使高温带远离炉墙,扩大风口之间的死区,使沉积的Ti(N,C)有利于保护炉缸。生铁中的Ti质量分数控制在0.08%～0.10%(上限不得超过0.2%),铁水中含Ti量增加,可降低铁水的流动性,减少铁水对炉底和炉缸的机械冲刷,有利于保护炉底和炉缸,对降低炉底和炉缸温度起到积极作用。富钛的沉积物能否稳定存在,关键在于Ti(N,C)能否稳定存在,这要求炉料中有足够量的TiO2、过剩的焦炭和还原性气氛。然而,在炉缸中、上部,由于氧化性气氛的存在,这种沉积物是不能稳定存在的,护炉作用也就微乎其微了。这也是含钛矿石护炉作用的局限性。4.5炉缸冷却系统炉缸和炉底部位侧面的热胀冷缩使砖衬中产生缝隙,在休风时可以有计划地采用压浆处理。针对炉缸铁口处工作环境最恶劣的特点,加强铁口处的压浆,将铁口煤气火压到最小。一般采用与环形炭砖同材质的耐火泥浆压入铁口处。在正常生产过程中对炉缸进行在线压浆维护,能有效消除炉缸砖衬间的间隙,提高炉缸冷却系统的冷却效果,减缓炉缸砖衬的侵蚀。压浆料必须具备以下基本性能:首先应具有良好的