(馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心，安徽馬鞍山 243000）

高爐長壽是高爐煉鐵工作者共同追求的目標。隨著銅冷卻壁和爐襯噴補技術在爐身下部至爐腹部位的應用，高爐長壽的薄弱部位已從爐身中下部、爐腰、爐腹轉移至爐缸部位[1-2]。近幾年高爐爐缸燒穿事故時有發(fā)生，造成巨大的經(jīng)濟損失[3-4]。高爐爐缸燒穿事故除個別由于服役時間長，屬正常侵蝕外，絕大多數(shù)是在爐役開始的前幾年由于局部異常侵蝕引發(fā)所致。多數(shù)學者認為高爐爐缸爐底侵蝕的主要原因為：1 400～1 600℃侵液態(tài)渣鐵對爐襯高溫熱力作用與流動沖刷[5]；高溫下渣鐵、堿金屬對爐襯的化學侵蝕[6]；高溫氣流對爐襯的沖刷，特別是渣口、鐵口附近的爐襯是沖刷最厲害的部位；爐料重量的10%～20%和液態(tài)渣鐵、煤氣的靜壓力作用[7]。無論以何種方式侵蝕，高爐爐缸爐底結構及耐火材料的選擇直接影響爐缸的壽命[4,8-9]，所以有必要對高爐爐缸爐底用耐火材料的性能進行研究。

鑒于此，筆者在試驗室條件下研究馬鋼大型高爐爐缸爐底所用6種耐材的性能，以及鋅、堿靜態(tài)侵蝕對耐材性能的影響，旨在為高爐爐缸爐底結構的選擇提供依據(jù)，同時為爐役末期爐缸侵蝕狀態(tài)的監(jiān)控提供支撐。

1 試驗

1.1 試驗原料與處理

試驗原料為馬鋼4 000 m3高爐爐缸爐底所用耐材的同種新樣品，分別為法國SAVOIE公司生產(chǎn)的陶瓷杯杯底磚、陶瓷杯壁磚，日本NDK公司生產(chǎn)的微孔炭磚、超微孔炭磚，以及國產(chǎn)的半石墨炭磚和石墨炭磚，其編號分別為70、89、V、C 、B、S。

試劑為碳酸鉀、碳酸鈉、氧化鋅和木炭粉。試驗前從待測原磚樣上切取6個邊長為30 mm的立方體試樣，并將試樣放于干燥箱(110±5)℃烘3 h后，移入干燥器中自然冷卻至室溫備用。切取試樣時保證3塊試樣從原磚樣芯部切取，試樣的6個切面需光滑平整、棱角完整、相對面平行。

1.2 試驗方法

6種耐材的顯氣孔率、體積密度、耐壓強度及永久線變化率分別按國家標準GB/T 2997—2015，GB/T 7320—2008及GB/T 5988—2007進行檢測。導熱系數(shù)采用LFA427激光導熱儀檢測。

耐材抗侵蝕性試驗在參考國家標準GB/T 14983的基礎上設計，試驗裝置示意圖如圖1。試驗原理是1 100℃高溫條件下碳酸鉀、碳酸鈉、氧化鋅與木碳粉發(fā)生還原反應產(chǎn)生鉀、鈉、鋅蒸氣和CO，在此還原性氣氛條件下保持鉀、鈉、鋅蒸氣與耐材試樣反應3 h，自然降溫冷卻使磚襯熱應力發(fā)生變化，再加熱至1 100℃繼續(xù)反應3 h，自然冷卻后考察材料的質量、強度指標的變化，以此判斷其綜合抗侵蝕能力。

圖1 耐材抗侵蝕性試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device for corrosion test of refractory

為考察鉀、鈉、鋅單個因素侵蝕對耐材理化性能的影響，各試驗所需試劑量的確定方法為：通過待測試樣的質量和設定的富集堿金屬量，根據(jù)2C+R2CO3=3CO+2R(其中R為K、Na)或ZnO+C=Zn+CO的反應分別計算碳酸鉀、碳酸鈉、氧化鋅及木碳粉的質量。木碳粉為還原反應所需，實際添加時應保證活性炭粉過量。碳酸鉀、碳酸鈉、氧化鋅與木碳粉的質量分別為39.81，34.56，48.60，32.93 g。

2 試驗結果與分析

2.1 耐材的理化性能

6種爐缸爐底耐材的理化性能指標如表1，其值均為6個試樣測定結果的平均值。單個耐材試樣的顯氣孔率波動情況見圖2，耐材導熱系數(shù)隨溫度的變化情況見圖3。

表1 爐缸爐底耐材的性能指標Tab.1 Performance indexes of the furnace hearth bottom refractories

圖2 單個耐材試樣的顯氣孔率波動情況Fig.2 Variation of apparent porosity of single refractory specimen

圖3 耐材導熱系數(shù)隨溫度的變化情況Fig.3 Variation of thermal conductivity of refractory with temperature

由表1可知：6種爐缸爐底耐材中，陶瓷杯杯壁磚的顯氣孔率最低，陶瓷杯底磚和超微孔炭磚次之，石墨炭磚最高；陶瓷杯杯底磚、杯壁磚的體積密度、耐壓強度明顯高于其他耐材，但其永久線變化率為負值。由圖2可見，超微孔炭磚、微孔炭磚試樣顯氣孔率波動較大，該現(xiàn)象除試驗系統(tǒng)誤差的影響外，氣孔大小分布不均是主因。氣孔大小分布不均導致炭磚整體抵御侵蝕、鐵水滲透的能力變差，且易造成應力集中，因此改進炭磚質量的一個重要方面是使炭磚的氣孔均勻分布。由圖3可見：不同溫度下陶瓷杯杯底、杯壁磚的導熱系數(shù)相對較低，且隨溫度的升高變化不大，該性能指標滿足爐缸爐底對耐材阻熱作用的要求；石墨炭磚的導熱系數(shù)遠高于其他炭磚。

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1 150℃溫度殘存于炭磚中，并且遠離冷卻壁。對于高噴煤比的高爐，在操作上既要求強度活躍爐缸中心，還要求爐底中心保持適當溫度，因此陶瓷杯杯底磚的阻熱作用受到重視。從爐缸溫度場要求考慮，采用具有阻熱作用的陶瓷杯杯底磚加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。

2.2 鉀、鈉、鋅侵蝕對耐材理化性能的影響

2.2.1 鉀、鈉、鋅對耐材顯氣孔率的影響

1 100℃條件下鉀、鈉、鋅對6種爐缸爐底耐材顯氣孔率的影響如表2。由表2可知，鉀、鈉、鋅侵蝕可顯著降低炭磚顯氣孔率，但對陶瓷杯杯底磚、杯壁磚的影響很小。鉀、鈉、鋅侵蝕后，耐材顯氣孔率的變化決定于原始顯氣孔率，相比陶瓷杯杯底磚、杯壁磚，炭磚的原始顯氣孔率大，堿金屬和鋅進入炭磚內部的通道更大，但由于試驗溫度為1 100℃、試驗時間較短，且為靜態(tài)的蒸氣侵蝕，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、Zn并未完全與炭磚發(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。

表2 鉀、鈉、鋅侵蝕條件下耐材的顯氣孔率，%Tab.2 Apparent porosity of the refractories under K,Na and Zn corrosion conditions,%

由表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鉀、鈉。這主要是因為試驗是在碳過剩的條件下，高溫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[9]，K、Na原子半徑比Zn小，與K2O、Na2O、K2CO3、Na2CO3等分子半徑相比更小，耐火磚沒有受到侵蝕前質地比較致密，故原子半徑較小的K、Na首先進入磚體[10]。

2.2.2 鉀、鈉、鋅對耐材體積密度的影響

1 100℃條件下鉀、鈉、鋅對6種爐缸爐底耐材體積密度的影響如表3。由表3可看出，鉀、鈉、鋅對6種耐材的體積密度影響都不大。如前文所述，鉀、鈉、鋅進入炭磚氣孔產(chǎn)生堵塞，并未與炭磚發(fā)生進一步的化學反應，從而導致體積密度的變化不大。

2.2.3 鉀、鈉、鋅對耐材耐壓強度的影響

1 100℃條件下鉀、鈉、鋅對6種爐缸爐底耐材耐壓強度的影響如表4。由表4可見：鉀、鈉、鋅侵蝕后，除半石墨炭磚的耐壓強度提高外，其余5種耐材的耐壓強度均有不同程度的降低。其中陶瓷杯杯底磚、石墨炭磚的耐壓強度大幅降低，下降幅度基本超過30%，陶瓷杯杯底磚的尤為嚴重；陶瓷杯杯壁磚的抗鋅侵蝕較差，耐壓強度下降幅度高達80.66%。

表3 鉀、鈉、鋅侵蝕條件下耐材的體積密度,g·m--3Tab.3 Bulk density of the refractories under K,Na and Zn corrosion conditions,g·m--3

表4 鉀、鈉、鋅侵蝕條件下耐材的耐壓強度，MPaTab.4 Compression strength of the refractories under K,Na and Zn corrosion conditions，MPa

2.2.4 鉀、鈉、鋅對耐材永久線變化率的影響

1 100℃條件下鉀、鈉、鋅對6種爐缸爐底耐材永久線變化率的影響如表5。由表5可知，鉀、鈉、鋅侵蝕后6種耐材的線變化率均有所增大，但均較?。幌鄬碚f，堿金屬和鋅侵蝕后瓷杯杯底磚和陶瓷杯杯壁磚的永久線變化率增大較多。

表5 鉀、鈉、鋅侵蝕條件下耐材的永久線變化率，%Tab.5 Linear shrinkage of the refractories under K,Na and Zn corrosion conditions，%

2.2.5 鉀、鈉、鋅對耐材導熱系數(shù)的影響

鉀、鈉、鋅侵蝕后6種耐材導熱系數(shù)的變化情況如圖4。由圖4可看見：鉀、鈉、鋅侵蝕后陶瓷杯杯底磚、杯壁磚導熱系數(shù)顯著增大，而超微孔炭磚、微孔炭磚的則顯著降低；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；堿金屬侵蝕后石墨炭磚的導熱系數(shù)增大，而Zn侵蝕后石墨炭磚導熱系數(shù)減小。

2.3 鈉、鋅侵蝕耐材的電鏡分析

為進一步研究堿金屬和鋅作用下耐材的侵蝕行為，選取原始顯氣孔率較低的超微孔炭磚和陶瓷杯杯壁磚進行掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)分析。超微孔炭磚、陶瓷杯杯壁磚受鈉、鋅侵蝕后的SEM形貌分析分別如圖5～8。

由圖5～8可看出：致密的深灰色炭磚基質上明顯分布有許多棱角分明的白色晶體，這種晶體內部存在孔洞；白色晶體的主要成分是Na、Zn，進一步解釋了試驗條件下進入炭磚氣孔的Na、Zn未與炭磚內部發(fā)生反應而堵塞氣孔，導致炭磚氣孔率降低。盡管鈉、鋅可大幅降低炭磚顯氣孔率，但并非說明鈉、鋅的侵蝕有利于提高炭磚性能。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低熔點硅酸鹽物相，由此產(chǎn)生體積膨脹和收縮而對炭磚進行破壞[11]。因此，建議選擇原始氣孔率低的耐材，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。

鈉、鋅侵蝕后陶瓷杯杯壁磚、超微孔炭磚中侵蝕元素的含量如表6。由表6可知，相同試驗水平條件下，陶瓷杯底磚中侵蝕元素含量明顯較超微孔炭磚中多，說明陶瓷杯底磚更易受鈉、鋅侵蝕。

表6 鈉、鋅侵蝕后耐材中鈉、鋅元素含量（能譜分析），w/%Tab.6 Contents of Na and Zn in the refractories after Na and Zn corrosion(energy spectrum analysis)，w/%

圖4 鉀、鈉、鋅對6種爐缸爐底耐材導熱系數(shù)的影響Fig.4 Effects of K,Na and Zn corrosion on thermal conductivity of 6 kinds of hearth and bottom refractories

圖5 鈉侵蝕后超微孔炭磚掃描電鏡形貌及A處白色晶體能譜Fig.5 SEM morphology of ultra-micro-pore carbon brick after Na corrosion and energy spectrum of white crystal atA

圖6 鋅侵蝕后超微孔炭磚掃描電鏡形貌及A處白色晶體能譜Fig.6 SEMmorphologyofultra-micro-porecarbonbrickafterZncorrosion andenergyspectrumofwhitecrystalatA

圖7 鈉侵蝕后陶瓷杯杯壁磚掃描電鏡形貌及A處白色晶體能譜Fig.7 SEM morphology of ceramic hearth brick after Na corrosion and energy spectrum of white crystal atA

圖8 鋅侵蝕后陶瓷杯杯壁磚掃描電鏡形貌及A處白色晶體能譜Fig.8 SEM morphology of ceramic hearth brick after Zn corrosion and energy spectrum of white crystal atA

3 結 論

1)鉀、鈉、鋅侵蝕后，6種耐材的體積密度變化不大，永久性線變化率略有增加，顯氣孔率降低，其降低幅度與原始顯氣孔率正相關。

2)陶瓷杯杯底磚、石墨炭磚的耐壓強度大幅降低，陶瓷杯杯底磚尤為嚴重。

3)陶瓷杯杯底磚、杯壁磚的導熱系數(shù)顯著增大，超微孔炭磚、微孔炭磚的導熱系數(shù)顯著降低。對于半石墨炭磚、石墨炭磚，受侵元素不同導熱系數(shù)變化也不同。

4)耐材氣孔為鉀、鈉、鋅的侵蝕提供了通道，為減少有害元素與炭磚的接觸面積，提高炭磚的抗蝕能力，選擇原始氣孔率低的耐材。改善微孔炭磚、超微孔炭磚的氣孔均勻分布是提高其質量的一個重要方面。