沙鋼高爐爐缸侵蝕機(jī)制研究

雷 鳴 劉建波 杜 屏 馮 輝 陳 亮

(1. 江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇張家港 215625；2.江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司煉鐵廠，江蘇張家港 215625)

沙鋼高爐爐缸侵蝕機(jī)制研究

雷 鳴1劉建波1杜 屏1馮 輝2陳 亮2

(1. 江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇張家港 215625；2.江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司煉鐵廠，江蘇張家港 215625)

沙鋼A高爐開爐不久，爐缸側(cè)壁溫度長(zhǎng)期高達(dá)700 ℃，雖然采取了降低產(chǎn)量、壓漿、活躍爐缸和加鈦礦等護(hù)爐措施，使得鐵水中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了0.15%以上，但爐缸側(cè)壁溫度并未得到有效控制，隨后停爐大修。對(duì)A高爐爐缸侵蝕原因進(jìn)行了深入研究，在對(duì)殘余耐材進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，碳磚在高溫時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)偏低，導(dǎo)致?tīng)t缸中的熱量不能及時(shí)導(dǎo)出，碳磚熱面溫度過(guò)高，碳磚附近的鐵水中無(wú)法析出TiC和Ti(C,N)，使得鈦礦護(hù)爐失效。

高爐 爐缸侵蝕 鈦礦 護(hù)爐機(jī)制

隨著煉鐵水平的不斷進(jìn)步，高爐長(zhǎng)壽成為煉鐵工作者關(guān)心的問(wèn)題。寶鋼3號(hào)高爐一代爐役達(dá)到了19年[1]，居世界先進(jìn)水平。而國(guó)內(nèi)多數(shù)高爐仍不能達(dá)到長(zhǎng)壽水平，近年來(lái)國(guó)內(nèi)數(shù)座高爐開爐不久就發(fā)生了爐缸燒穿事故[2]，對(duì)安全生產(chǎn)造成威脅。高爐不能長(zhǎng)壽的原因很多，可分為設(shè)計(jì)、施工和操作三大類。沙鋼1號(hào)2 500 m3高爐一代爐役僅7年，主要原因是冷卻水系統(tǒng)和爐缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問(wèn)題[3- 4]。國(guó)內(nèi)某鋼鐵公司一座高爐開爐僅1個(gè)月就出現(xiàn)爐底上漲和煤氣泄漏，不到1年停爐大修，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，爐基耐熱混凝土中的MgO含量過(guò)高，發(fā)生水化反應(yīng)，造成耐材膨脹，使?fàn)t體上漲、煤氣泄漏[5]。

沙鋼A高爐開爐半年，爐缸側(cè)壁溫度全面升高，第7層碳磚部分熱電偶溫度達(dá)到700 ℃以上，采取了堵風(fēng)口、減產(chǎn)、添加鈦礦等一系列護(hù)爐措施，但爐缸溫度并沒(méi)有得到明顯降低，開爐不到兩年停爐大修。A高爐爐缸的結(jié)構(gòu)如圖1所示，侵蝕最嚴(yán)重區(qū)域位于第7層碳磚，殘余碳磚最薄處僅350 mm。A高爐在開爐半年后長(zhǎng)期使用鈦礦護(hù)爐，鐵水中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.15%以上，但護(hù)爐效果并不理想，爐缸側(cè)壁溫度并未得到有效控制。鈦礦的護(hù)爐機(jī)制已被廣泛認(rèn)可，并在國(guó)內(nèi)外多座高爐上取得了良好的效果，如寶鋼2號(hào)高爐[6]、京唐2號(hào)高爐[7]和重鋼5號(hào)高爐[8]。沙鋼1號(hào)2 500 m3高爐在爐役后期長(zhǎng)期使用鈦礦護(hù)爐，鐵水中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.15%，拆爐大修后，發(fā)現(xiàn)殘余碳磚最薄處存在大量的鈦化合物，呈淡黃色，質(zhì)地堅(jiān)硬，對(duì)爐缸起到了一定的保護(hù)作用。而A高爐鐵水中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.15%以上，但拆爐時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)爐缸中存在鈦化合物。因此，本文對(duì)沙鋼A高爐爐缸侵蝕原因進(jìn)行了深入分析，以探究鈦礦護(hù)爐效果不佳的原因。

1 鈦平衡計(jì)算

圖1 A高爐爐缸結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Profile of hearth structure of blast furnace A

一般說(shuō)，使用鈦礦是高爐爐役后期有效的護(hù)爐方式。而A高爐使用鈦礦護(hù)爐后，效果并不理想，再加上爐缸殘余碳磚表面并未發(fā)現(xiàn)有鈦沉積物析出，于是對(duì)該高爐的鈦平衡進(jìn)行分析。取A高爐某日的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，每批料共計(jì)35 t，燒結(jié)礦比例為79%，塊礦約11%，球團(tuán)礦約8%，每批料加入800 kg含鈦球團(tuán)，每天約144批料，產(chǎn)量約3 150 t。

燒結(jié)礦中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.10%，球團(tuán)礦中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.041%，塊礦中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.03%，通過(guò)計(jì)算可知由礦石帶入的鈦量為：

Q燒結(jié)礦=144×35 000×79%×0.10%÷3 150

=1.264 kg/t

Q球團(tuán)礦=144×35 000×8%×0.041%÷3 150

=0.052 5 kg/t

Q塊礦=144×35 000×11%×0.03%÷3 150

=0.052 8 kg/t

鈦球中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約14.166%，則護(hù)爐加入的鈦量為：

Q鈦球=144×800×14.166%÷3 150

=5.181 kg/t

進(jìn)入高爐的總鈦量：

Q入=1.264+0.052 5+0.052 8+5.181

=6.550 3 kg/t

鈦是以鐵水和渣的形式從高爐中排出，該高爐鐵水中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.17%，渣中二氧化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.523%，渣比約320 kg/t，由計(jì)算可知高爐排出的鈦量為：

=6.544 kg/t

Q入-Q出=6.550 3-6.544=0.006 3 kg/t

經(jīng)計(jì)算可知，爐缸鈦沉積量約為0.006 3 kg/t，數(shù)量極小，若考慮到誤差，則爐缸中幾乎沒(méi)有鈦沉積，即鐵水中的鈦沒(méi)有形成鈦化物，加入的鈦礦沒(méi)有起到護(hù)爐作用，由此可以推測(cè)爐缸中的鈦未發(fā)生析出反應(yīng)。

2 鈦礦護(hù)爐機(jī)制

鈦以鈦礦的形式加入高爐，在風(fēng)口附近被還原成鈦，隨渣鐵進(jìn)入爐缸，在爐缸邊緣發(fā)生以下反應(yīng)：

[Ti]+[C,N]=Ti(C,N)

[Ti]+[C]=TiC

正常生產(chǎn)的高爐鐵水中的碳和氮都是不飽和的，若要保證上述反應(yīng)的發(fā)生，必須使鐵水中的鈦達(dá)到過(guò)飽和。圖2是鐵水中形成TiC和Ti(C,N)的最低Ti含量[9]，當(dāng)鐵水中的Ti含量高于其溶解度時(shí)，才會(huì)析出鈦化物。鈦礦護(hù)爐的關(guān)鍵在于爐缸壁面附近鐵水中的鈦達(dá)到過(guò)飽和，在碳磚熱面析出含鈦化合物，隔離鐵水和碳磚，達(dá)到保護(hù)碳磚的作用。一般說(shuō)，由于爐缸側(cè)壁超微孔碳磚導(dǎo)熱性良好，使得碳磚熱面和鐵水之間存在溫差，爐缸邊緣鐵水溫度越低，越容易使鐵水中的鈦達(dá)到過(guò)飽和，使鈦化物析出。

圖2 鐵水中形成鈦化物的最低Ti含量[9]Fig.2 Minimum content of Ti in molten iron required for the formation of TiC and Ti(C,N)

高爐操作者一般會(huì)添加釩鈦礦來(lái)提高鐵水中的鈦含量，但入爐鈦負(fù)荷過(guò)高也會(huì)引起爐渣的流動(dòng)性變差，因此應(yīng)根據(jù)高爐爐容的不同控制鐵水的鈦含量在某一范圍內(nèi)。護(hù)爐期間,A高爐鐵水中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制標(biāo)準(zhǔn)為0.15%～0.2%。從圖2中可以看出，鐵水中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)，析出Ti(C,N)的溫度約1 500 ℃，也就是說(shuō)碳磚熱面附近的鐵水溫度只要低于1 500 ℃，就會(huì)有鈦化物析出。實(shí)際上A高爐爐缸的碳磚表面沒(méi)有鈦化物析出，說(shuō)明上述反應(yīng)沒(méi)有發(fā)生，即爐缸邊緣鐵水中的鈦未達(dá)到過(guò)飽和，爐缸邊緣鐵水的溫度達(dá)到了1 500 ℃以上，碳磚熱面和鐵水之間未形成溫差，碳磚熱面溫度過(guò)高，這表明爐缸的熱量不能及時(shí)導(dǎo)出。

3 殘余耐材檢測(cè)

對(duì)A高爐冷卻系統(tǒng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨著碳磚溫度的升高，冷卻水溫差未發(fā)生明顯變化，僅0.2 ℃，說(shuō)明爐缸的熱量不能及時(shí)導(dǎo)出，看來(lái)爐缸側(cè)壁的導(dǎo)熱系統(tǒng)存在問(wèn)題。A高爐冷卻壁運(yùn)行狀態(tài)良好，無(wú)破損現(xiàn)象，冷卻水量較大，冷卻水溫差不大，因此排除了冷卻壁系統(tǒng)的問(wèn)題。在高爐爐役后期，碳磚和冷卻壁之間出現(xiàn)氣隙是非常常見(jiàn)的，一般采取壓漿，就能使?fàn)t缸溫度得到控制。A高爐鐵口未出現(xiàn)過(guò)明顯竄煤氣，爐役后期也進(jìn)行過(guò)壓漿，打多個(gè)壓漿孔，僅一個(gè)孔壓漿成功，爐缸溫度也未得到控制，說(shuō)明爐缸存在大面積氣隙的可能性不大。

根據(jù)上述分析，可以推測(cè)爐缸的超微孔碳磚或搗打料的導(dǎo)熱系數(shù)偏低。因此高爐大修后，對(duì)侵蝕最嚴(yán)重的第7層碳磚取樣分析，分別在熱面、冷面和側(cè)面處取樣，測(cè)定樣品的顯氣孔率、體積密度、耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、熱導(dǎo)率(1 200 ℃)等物理指標(biāo)，具體結(jié)果如表1所示。

從檢測(cè)結(jié)果看，碳磚在高溫時(shí)的導(dǎo)熱性較差，1 200 ℃時(shí)，碳磚熱面的導(dǎo)熱系數(shù)為12.33 W/(m·K)，側(cè)面為6.9 W/(m·K)，冷面為4.63 W/(m·K)。

表1 殘余碳磚不同部位物理指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果Table 1 Detection results of physical index at different parts of residual carbon block

由于熱面長(zhǎng)期接觸鐵水，表面存在鐵水滲入，造成導(dǎo)熱系數(shù)高于側(cè)面和冷面。國(guó)標(biāo)規(guī)定，超微孔碳磚的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)高于16 W/(m·K)。由于碳磚的導(dǎo)熱性能差，爐缸中的熱量不能及時(shí)導(dǎo)出，使得碳磚熱面溫度過(guò)高，耐材過(guò)早破損。即使使用大量鈦礦護(hù)爐，但由于碳磚熱面附近鐵水的溫度過(guò)高，熱面中的鈦無(wú)法達(dá)到過(guò)飽和，從而無(wú)法形成鈦化物保護(hù)層。

4 結(jié)束語(yǔ)

鈦礦護(hù)爐是高爐爐役后期有效的護(hù)爐方式，在國(guó)內(nèi)外多座高爐上已經(jīng)得到了證實(shí)。鈦礦護(hù)爐的關(guān)鍵在于使碳磚熱面附近鐵水中的鈦達(dá)到過(guò)飽和，并和鐵水中的碳、氮形成鈦化合物，沉積于碳磚上，隔離鐵水和碳磚，達(dá)到保護(hù)碳磚的作用。若耐材的導(dǎo)熱系數(shù)偏低或爐缸中存在大面積氣隙，使得爐缸中的熱量不能及時(shí)導(dǎo)出，碳磚熱面溫度過(guò)高，熱面附近鐵水中的鈦飽和度偏高，不易使得鈦化合物析出。沙鋼A高爐就是由于超微孔碳磚在高溫時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)偏低，在碳磚熱面和冷卻壁之間形成熱阻，導(dǎo)致?tīng)t缸內(nèi)無(wú)法形成鈦化物保護(hù)層，使得鈦礦護(hù)爐失效。

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收修改稿日期：2016- 12- 08

MechanismofHearthErosionofShasteelBlastFurnace

Lei Ming1Liu Jianbo1Du Ping1Feng Hui2Chen Liang2

(1. Institute of Research of Iron & Steel of Shasteel Group, Zhangjiagang Jiangsu 215625, China; 2. Ironmaking Plant of Shasteel Group, Zhangjiagang Jiangsu 215625, China)

Soon after blowing in of one of the blast furnaces in Shasteel, temperature of hearth wall increased to 700 ℃ and kept a long period. Although a lot of maintenances has been carried out, such as decreasing production of hot metal, injecting mud onto the refractory of hearth, activating hearth and adding titanium ore in charging system, and to let the mass fraction of Ti in melted iron be above 0.15%, the temperature of hearth wall was not decreased. Then the blast furnace was relined. So then the cause of hearth erosion of blast furnace A was investigated. During the analysis of residual refractory, it was observed that the thermal conductivity of carbon brick in high temperature was ralatively low, so the heat in hearth could not transfer to cooling water or shell. The temperature of inner side of carbon brick was too high to precipitate TiC and Ti(C,N) in molten iron, resulting in the failure of titanium ore to protect lining.

blast furnace，hearth erosion，titanium ore，mechanism of furnace maintenance

雷鳴，女，工程師，碩士，研究方向?yàn)楦郀t長(zhǎng)壽，Email: jessieleiming@163.com