防治K、Na、Zn元素侵蝕高爐爐缸炭磚的隔熱夾層型爐缸內(nèi)襯-

1、2014年全國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會議暨煉鐵學術(shù)年會防治 K 、 Na 、 Zn 元素侵蝕高爐爐缸炭磚的 隔熱夾層型爐缸內(nèi)襯徐瑞圖 張建來 何汝生 曹永國(北京瑞爾非金屬材料有限公司 北京 100086摘 要:以氣態(tài)形式存在于高爐爐缸中的 K 、 Na 、 Zn 元素,對爐缸炭磚有強烈的破壞作 用,明顯影響高爐壽命。隔熱夾層型爐缸內(nèi)襯通過增加炭磚、陶瓷杯的界面熱阻,使爐缸 炭磚的熱面溫度遠離 K 、 Na 、 Zn 的沸點溫度,降低了爐缸炭磚的溫差應力,抑制了 K 、 Na 、 Zn 元素對炭磚的接觸和滲透破壞,降低了陶瓷杯的溫差應力,延長了高爐爐缸炭磚、 陶瓷杯的使用壽命。關(guān)鍵詞:高爐 堿金屬 鋅

2、陶瓷杯 炭磚 侵蝕1. 前言原燃料帶入高爐的 K 、 Na 和 Zn 有害于高爐冶煉過程,明顯危害高爐內(nèi)襯的使用壽命, 幾乎所有的煉鐵廠均根據(jù)自身情況確定了 K 、 Na 和 Zn 的入爐負荷標準。 高爐煉鐵工藝設(shè)計 規(guī)范明確提出入爐原料和燃料應控制有害雜質(zhì)量,其中:K 2O+Na2O 的控制值宜 3.0kg/t、 Zn 的控制值宜 0.15kg/t1。然而,隨著優(yōu)質(zhì)原燃料資源的逐漸減少、除塵灰泥的再處理 入爐利用等,常見高爐冶煉生產(chǎn)中的實際 K 2O 、 Na 2O 和 Zn 負荷遠超上述指標,有的高爐的 堿金屬、鋅的實際負荷甚至成倍于上述指標。毋容置疑,這種情況已經(jīng)影響到我國高爐壽 命實績

3、。能夠預計,高爐煉鐵工藝不可避免地將面對越來越高的堿、鋅負荷,它們對高爐 壽命的影響將更加明顯。過去,對堿金屬、鋅對高爐內(nèi)襯的影響研究、防治措施主要集中 在影響機理、降低入爐量、爐渣排堿等方面,鮮見關(guān)于爐缸內(nèi)襯結(jié)構(gòu)形式對堿金屬、 Zn 侵 蝕爐缸炭磚影響的研究。降低堿金屬、鋅化合物的入爐量能從源頭上降低它們對爐缸炭磚的侵蝕,但在優(yōu)質(zhì)原 燃料逐漸減少的資源壓力下,始終將它們控制在前述指標下是困難的,堿金屬、鋅化合物 的入爐量必然不斷上升。高爐冶煉生產(chǎn)中,可采用較低的爐渣堿度甚至酸性渣,較低的鐵水溫度、甚至較高的- 1 -生鐵含 S 、加大渣量等操作手段通過爐渣排堿,減輕堿害。但是,爐渣排堿只能間

4、斷進行, 資源壓力下排堿和脫硫的矛盾會日益尖銳,堿金屬在爐內(nèi)的富集和對冶煉過程及高爐壽命 的影響程度會進一步趨于嚴重。可見,從爐缸內(nèi)襯結(jié)構(gòu)方面研究 K 、 Na 、鋅對爐缸炭磚的侵蝕影響、開發(fā)對 K 、 Na 、鋅 侵蝕具有防治效果的爐缸內(nèi)襯結(jié)構(gòu),可豐富高爐堿害、鋅害的防治技術(shù),降低它們對高爐 壽命的影響。2. 堿金屬、鋅對爐缸磚襯的侵蝕機理原燃料帶入的 K 2O 、 Na 2O 、 K 2CO 3、 Na 2CO 3在進入爐缸之前即被 CO 還原為 K 、 Na ,它們的 沸點分別為 758和 883, 因而還原產(chǎn)物為鉀蒸氣和鈉蒸氣, 鉀蒸氣、 鈉蒸氣的一部分隨 煤氣流上升,一部分進入爐缸。

5、在高溫、高壓的爐缸環(huán)境下,較難還原的堿金屬硅酸鹽也 會被 C 直接還原為鉀蒸氣和鈉蒸氣。由鐵礦石帶入高爐的鐵酸鹽(ZnO ·Fe 2O 3 、硫酸鹽(ZnSO 4 、硅酸鹽(2ZnO ·SiO 2 , 在高爐下部的高溫區(qū)被 C 還原為 Zn ,其沸點為 907,還原產(chǎn)物均為氣態(tài)鋅。鐵礦石帶入 高爐的硫化鋅(ZnS 也將先轉(zhuǎn)化為復雜的氧化物,然后在大于 1000的高溫區(qū)域被 CO 還 原為氣態(tài)鋅 2。一部分氣態(tài)鋅隨煤氣流上升,一部分氣態(tài)鋅進入爐缸。爐缸內(nèi)的上述堿蒸氣、鋅蒸氣接觸到爐缸炭磚時,在壓差作用下不斷地滲透入炭磚內(nèi) 部,并在沸點對應的溫度區(qū)間內(nèi)凝結(jié)、富集。富集的堿金屬與

6、碳反應生成的層狀化合物使 炭磚出現(xiàn)體積膨脹、組織疏松、強度下降等。另外,堿金屬對 C+CO2=2CO反應具有明顯的 催化作用,這也會加速炭磚的化學侵蝕。鋅在爐缸炭磚中沉積,易產(chǎn)生“鼠洞”狀侵蝕, 甚至導致爐缸燒穿事故 3。在鋅沉積最多的地方也往往產(chǎn)生大量的煙碳沉積,煙碳沉積也 有明顯的體積膨脹 4。文獻 5報道了爐缸側(cè)壁不同部位炭磚的侵蝕機理不同,其中與堿金屬、 Zn 有關(guān)的主 要有:第一層炭磚侵蝕, K 在碳素熔損反應中起催化作用,并且生成白榴石,磚體膨脹。 上部炭磚主要以 K 滲透到磚內(nèi)為主。 風口炭磚的侵蝕, 在炭磚表面以 Zn 為主, 在炭磚 內(nèi)部,是以 K 滲透的形式侵蝕, K 在炭

7、磚內(nèi)部滲透,使炭磚變脆,并且 Zn 有結(jié)晶生長。 鐵口炭磚含有 K 、 Zn 和 Pb 元素, K 元素含量較多。有些元素在爐缸側(cè)壁不同位置的炭磚侵 蝕過程中所起的作用會發(fā)生變化,如:元素 K 對炭磚的改性及反應始終起催化作用;元素 Zn 在某些部位出現(xiàn)塊狀結(jié)晶,在風口炭磚是平鋪在炭磚表層。文獻 6認為, 鉀蒸氣不是侵蝕爐缸炭磚的直接原因, 液態(tài)堿金屬是侵蝕爐缸炭磚的直 接原因;鉀蒸氣通過炭磚的微裂紋流動和擴散,在低于沸點后的一段溫度區(qū)間內(nèi)不斷液化 富集,與炭磚的灰分反應,造成灰分體積膨脹,加劇微裂紋擴展形成為有利于鉀蒸氣的流 動和擴散以及液態(tài)鉀富集的裂紋; 液態(tài)鉀與串入爐缸的 CO 在炭磚裂

8、紋處不斷地反應, 形成 的石墨不斷地擠壓炭磚,促使裂紋不斷擴展而形成環(huán)裂。堿金屬、 Zn 以氣態(tài)存在于爐缸中為業(yè)界共識。 上述關(guān)于堿金屬、 Zn 對爐缸炭磚的侵蝕 機理雖有不同,但在滲透入炭磚磚襯并導致炭磚膨脹型損壞等方面是一致的?？梢?阻斷 堿金屬和 Zn 接觸、 滲入炭磚的通道、 盡可能降低它們接觸、 滲入爐缸炭磚的數(shù)量或者推遲 它們接觸、滲入炭磚的時間,應該是爐缸內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要內(nèi)容。- 2 -3. 爐缸內(nèi)襯結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計選擇耐火磚組織有孔隙、泥漿充填的磚間接縫有孔隙、高爐爐缸為高溫有壓空間等,這些 都是氣態(tài)堿金屬和 Zn 接觸、滲入爐缸炭磚的天然通道和動力。普通的全炭磚爐缸中,有

9、效阻斷氣態(tài)堿金屬、 Zn 蒸氣接觸、滲透入爐缸炭磚的通道幾 乎是不可能的。爐缸使用的微孔炭磚、超微孔炭磚,通過向炭磚中添加金屬、非金屬等, 改善了氣孔的分布特性,微小氣孔的比例大幅上升,較大氣孔的比例大幅下降或者幾乎沒 有大氣孔存在,因而明顯提高了炭磚的抗鐵水滲透性,但微孔、超微孔阻止不了氣態(tài)堿金 屬、 Zn 蒸氣的滲入。通過提高炭磚的導熱率、提高爐缸冷卻強度、保持良好的傳熱效率可在爐缸炭磚的熱 面形成溫度相對較低、流動性相對較差的“粘滯層” ,它對爐缸炭磚具有保護作用。但是, 這種方式建立的“粘滯層”有其動態(tài)特性,它的流動、更新速率決定于冷源(一般為鑄鐵 冷卻壁給予的冷卻和爐缸內(nèi)渣鐵、煤氣的

10、溫度(熱源和運動強度;高爐的冷源、熱源 可以認為是固定的。此時,當冶煉強度高、爐缸活躍時, “粘滯層”的流動、更新速率必然 提高,對炭磚的保護效果也隨之下降。由于“粘滯層”的動態(tài)特性,這種型式的爐缸中, 氣態(tài)堿金屬、 Zn 仍然能夠接觸、滲入炭磚,它們通過與炭磚之間的表面反應、滲入磚體來 侵蝕爐缸炭磚。對于炭磚陶瓷砌體復合結(jié)構(gòu)的爐缸內(nèi)襯, 陶瓷砌體耐火磚自身的組織孔隙 (15% 和 磚間接縫(100條 /m2無法通過設(shè)計技術(shù)、耐材品質(zhì)消除,是氣態(tài)堿金屬、 Zn 流向炭磚 的通道。 大量停產(chǎn)高爐的爐缸殘磚上可見堿金屬、 Zn 蒸氣的冷凝殘留物證明實際生產(chǎn)中有 堿金屬、 Zn 蒸氣在此通過、駐留。

11、新砌筑的此種爐襯,陶瓷砌體的低導熱使炭磚熱面的溫 度一般可為 700800, 氣態(tài)堿金屬、 Zn 在到達炭磚之前會冷凝為液態(tài)。 由于炭磚熱面溫 度完全依賴于陶瓷砌體的厚度,隨著陶瓷砌體的厚度降低,炭磚熱面溫度很快即會上升至 堿金屬、 Zn 的沸點溫度,發(fā)生氣態(tài)堿金屬、 Zn 對炭磚的接觸侵蝕和滲透破壞。根據(jù)傳熱基本原理,在由爐缸內(nèi)高溫渣鐵和煤氣、陶瓷杯、炭磚、冷卻壁組成的傳熱 體系中,在熱源(高溫渣鐵和煤氣 、冷源(冷卻壁穩(wěn)定的條件下,若能以數(shù)量級增大炭 磚與陶瓷杯的界面熱阻,則可顯著降低傳遞到炭磚的熱量,而且陶瓷杯厚度的變化不會顯 著影響炭磚的溫度, 炭磚的熱面溫度在較長時間中均會被限制為遠

12、離堿金屬、 Zn 的沸點溫 度,堿金屬、 Zn 難以接觸、滲透炭磚。據(jù)此,筆者設(shè)計了具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的隔熱夾層型 爐缸內(nèi)襯 7,如圖 1。- 3 - 1-爐底炭磚, 2-陶瓷墊, 3-陶瓷杯壁, 4-隔熱夾層, 5-爐缸炭磚圖 1 隔熱夾層型爐缸內(nèi)襯結(jié)構(gòu)示意圖圖 1中的隔熱夾層由可壓縮、可在高溫下使用、具有低導熱率的特種緩沖隔熱板與高 溫材料復合構(gòu)成。已經(jīng)得到實際應用的隔熱夾層的導熱率為爐缸炭磚導熱率的 13%,為 陶瓷杯導熱率的 1015%。4. 隔熱夾層的分析與應用4.1 技術(shù)分析圖 1所示爐缸內(nèi)襯中,因炭磚與隔熱夾層的導熱率以數(shù)量級低于炭磚和陶瓷杯的導熱 率,使得爐缸磚襯的溫度分布較傳統(tǒng)

13、爐缸磚襯的溫度分布有了較大變化。以 2500m 3高爐為 例,正常配置、生產(chǎn)操作等邊界條件下,傳統(tǒng)爐缸內(nèi)襯、隔熱夾層型爐缸內(nèi)襯的溫度分布 推測結(jié)果見圖 2,炭磚熱面溫度與陶瓷杯厚度的關(guān)系見圖3。 432143251- 4 -圖中:1-陶瓷杯, 2-炭磚, 3-碳搗料, 4-冷卻壁, 5-隔熱夾層圖 2 傳統(tǒng)爐缸內(nèi)襯、隔熱夾層爐缸內(nèi)襯的溫度分布圖 2、圖 3溫度分布計算中采用的主要邊界條件為:鐵水溫度 1500,鑄鐵冷卻壁, 冷卻水溫度 33, 炭磚厚度 950mm 、 炭磚導熱率 1416w/m.k, 陶瓷杯厚度 350mm 、 陶瓷杯 導熱率 3.5w/m.k,隔熱夾層厚度 60mm 。圖

14、3 炭磚熱面溫度與陶瓷杯厚度的關(guān)系從圖 2可見,隔熱夾層型爐缸內(nèi)襯的炭磚熱面溫度僅為 453,較傳統(tǒng)型式的炭磚熱 面溫度降低了 157;從圖 3可見,隔熱夾層型爐缸內(nèi)襯的炭磚熱面溫度隨陶瓷杯厚度減 薄而上升的速率遠小于傳統(tǒng)型式的炭磚熱面溫度隨陶瓷杯厚度減薄而上升的速率。上述可見, 爐缸內(nèi)襯中的隔熱夾層能使得炭磚的熱面溫度遠離堿金屬、 Zn 的沸點溫度, 并在陶瓷杯厚度減薄到相當程度時仍然能夠保持炭磚的熱面處于600的低溫。由于低 溫,堿金屬、 Zn 對炭磚的侵蝕將受到明顯抑制。表 1給出了上述邊界條件下,兩種型式爐缸內(nèi)襯的炭磚和陶瓷杯的溫度梯度。從表 1可見, 隔熱夾層型爐缸內(nèi)襯的炭磚溫度梯度

15、降低了27%, 即炭磚工作中所承受的溫差應力 相應降低了27%, 這不僅從應力角度延長了炭磚的使用壽命, 同時可對避免炭磚在高應力 下出現(xiàn)微細組織裂紋發(fā)揮重要作用。根據(jù)侵蝕機理,這些裂紋為堿金屬、 Zn 滲入、擴散提 供了通道,會加劇炭磚破損。同理,陶瓷杯冷面溫度的上升,降低了陶瓷杯的溫度梯度, 降低了陶瓷杯工作中所承受的溫度應力,可延長陶瓷杯的使用壽命。表 1 環(huán)形炭磚、陶瓷杯襯體的溫度梯度 - 5 -綜上所述， 隔熱夾層型爐缸內(nèi)襯通過隔熱夾層極大地增加了炭磚與陶瓷杯的界面熱阻， 使炭磚的熱面溫度遠離堿金屬、Zn 的沸點溫度，大幅度地降低了炭磚和陶瓷杯所承受的溫 差應力，降低了磚體組織中有利

16、于堿金屬、Zn 滲透、擴展的應力裂紋的產(chǎn)生危險，因此可 有效防治堿金屬、Zn 接觸、滲入炭磚導致的侵蝕，延長爐缸壽命。 誠然，隔熱夾層的使用增加了爐缸內(nèi)襯投資，但隔熱夾層的投資相較所帶來的壽命延 長效益是低微的。前例中，隔熱夾層型爐缸內(nèi)襯的熱通量降低了 2020w/m ，年可節(jié)省430 萬度電、節(jié)電效益350 萬元?？梢?，在很短的周期內(nèi)即可收回隔熱夾層增加的投資。 2 4.2 隔熱夾層型爐缸內(nèi)襯的應用 圖 1 所示的隔熱夾層型爐缸內(nèi)襯于 2005 年首次應用于宣鋼 9 號高爐。該高爐于 2005 年 10 月投產(chǎn)后的實況證明了隔熱夾層的綜合功效。 圖 5 為該高爐 2011 年 10 月年修時

17、， 風 口組合磚下爐缸炭磚、隔熱夾層、陶瓷杯的實際狀態(tài)； “蒜頭狀”部位的爐缸炭磚冷面的同 時期溫度為 80120、炭磚熱面溫度為 150290。從此可見，經(jīng)過 6 年的冶煉生產(chǎn)之 后，爐缸炭磚處于有利的低溫狀態(tài)，炭磚表面光滑平整，磚縫清晰干凈，未見堿金屬、Zn 等通過、駐留的痕跡；陶瓷杯幾乎未出現(xiàn)侵蝕，仍然保持為砌筑時的原始狀態(tài)；炭磚與陶 瓷杯之間的隔熱夾層無渣鐵、堿金屬、Zn 滲入。這些均證明了隔熱夾層型爐缸內(nèi)襯的有效 性和可靠性。 圖 8 宣鋼 9 號高爐爐缸炭磚、陶瓷杯使用 6 年時的實際狀態(tài) 隔熱夾層型爐缸內(nèi)襯的有效性、可靠性于 2011 年得到宣鋼 9 號高爐的實踐印證之后， 沙鋼

18、宏發(fā)煉鐵廠的三座 2500m 高爐、沙鋼華盛煉鐵廠的兩座 580m 高爐、鞍鋼凌源 2800m 3 3 3 3 高爐、包鋼兩座 4350m 高爐、湯陰亞新 1 號和 3 號高爐、常州東方特鋼 1 號高爐、石鋼京 誠營口 1 號高爐等相繼采用了這種新型爐缸內(nèi)襯。 5. 結(jié)語 高爐爐缸中的 K、 Na 堿蒸氣和 Zn 蒸氣對爐缸炭磚的使用壽命有極大危害， 在優(yōu)質(zhì)原燃 料逐漸貧乏的資源壓力下，它們對高爐壽命的嚴重影響會較過去更加明顯。 隔熱夾層型爐缸內(nèi)襯通過數(shù)量級增加爐缸炭磚與陶瓷杯的界面熱阻，極大程度地降低 了爐缸炭磚的工作溫度和溫差應力，使炭磚的熱面遠離堿金屬、Zn 的沸點溫度，減小了炭 磚因溫差應力出現(xiàn)有利于堿金屬、Zn 蒸氣滲透、擴散的微細裂紋的危險，可有效防止堿金 屬、Zn 等有害元素對爐缸炭磚的侵蝕，延長炭磚的使用壽命。 隔熱夾層同時降低了陶瓷杯的溫度梯度和溫差應力，延長了陶瓷杯的使用壽命，更長 - 6 - 時間地給爐缸炭磚以有效保護，從而延長了高爐的爐役壽命。 參考文獻： 1 GB 50427-2008.高爐煉鐵工藝設(shè)計規(guī)