田 果，鄒慶峰，劉鵬南，王 鑫

(新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鐵廠)

前言

八鋼歐冶爐是熔融還原非高爐煉鐵新工藝，使用全氧冶煉，氣化爐產(chǎn)生的還原煤氣通過預(yù)還原豎爐圍管進(jìn)入豎爐內(nèi)與下降的爐料進(jìn)行熱交換，同時(shí)進(jìn)行還原反應(yīng)。八鋼歐冶爐預(yù)還原豎爐經(jīng)歷了6年的生產(chǎn)，還原豎爐圍管耐材在850℃的工況環(huán)境下工作，圍管耐材出現(xiàn)的消失侵蝕現(xiàn)象造成煤氣分布失常，嚴(yán)重影響豎爐生產(chǎn)安全及豎爐冶煉指標(biāo)。針對歐冶爐預(yù)還原豎爐圍管耐材出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析并制定了解決方案，對預(yù)還原豎爐圍管耐材材質(zhì)、制作工藝、結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化，以提高預(yù)還原豎爐圍管耐材使用壽命。

1 歐冶爐預(yù)還原豎爐圍管耐材狀況

歐冶爐預(yù)還原豎爐圍管煤氣出口是爐料和熱煤氣進(jìn)行熱交換最劇烈的部位，是溫度波動范圍和頻率最大的區(qū)域，因此要承受反復(fù)的熱震及自身熱應(yīng)力以及爐料的壓力，經(jīng)過6年的生產(chǎn)運(yùn)行，歐冶爐豎爐圍管耐材出現(xiàn)逐步消失侵蝕現(xiàn)象，明顯影響到豎爐生產(chǎn)指標(biāo)。

對比分析圍管耐材狀態(tài)近3年的運(yùn)行情況：2017年豎爐圍管耐材結(jié)構(gòu)基本完整，表面有局部侵蝕消失；2019年豎爐清空檢修，觀察發(fā)現(xiàn)豎爐圍管耐材侵蝕，爐墻厚度方向消失約50～100mm；2020年10月檢修檢查了豎爐圍耐材，發(fā)現(xiàn)爐墻垂直方向圍管孔明顯擴(kuò)大，氣流導(dǎo)流結(jié)構(gòu)部分耐材消失約2/3，達(dá)到200～300mm。

對比羅涇1號COREX爐豎爐，羅涇1號COREX爐豎爐每6個月清空一次，豎爐圍管部位組合磚破損，結(jié)構(gòu)整體失效脫落嚴(yán)重，基本壽命為2年。

2 問題的分析

2.1 圍管耐材子磚結(jié)構(gòu)

豎爐圍管采用碳化硅結(jié)合氮化硅澆注成型燒成子磚，整體碳化硅結(jié)合氮化硅子磚包含RF08/09/10三層共計(jì)52t，三層磚的結(jié)構(gòu)尺寸及單磚重量見表1。歐冶爐豎爐圍管用子磚耐火材料不僅要承受流經(jīng)煤氣的侵蝕，同時(shí)承受較大載荷和較頻繁的溫度波動，其服役環(huán)境尤為惡劣。

表1 歐冶爐豎爐圍管磚結(jié)構(gòu)尺寸

八鋼歐冶爐豎爐圍管結(jié)構(gòu)在羅涇COREX爐豎爐基礎(chǔ)上進(jìn)行了較多優(yōu)化：整磚中間掏孔優(yōu)化為兩對半小磚均勻載荷，中間孔寬度由170mm分解為85mm兩對半；大墻～250t載荷，結(jié)構(gòu)支撐由原RF09層1層優(yōu)化為RF10層2層支撐；在高度上整磚500mm未做變化。

然而圍管子磚的結(jié)構(gòu)尺寸最長近1000mm，自身熱應(yīng)力在生產(chǎn)過程中明顯集中。在還原煤氣溫度變化的過程中，結(jié)構(gòu)熱面與冷面的溫差造成自身抗熱震的能力減弱。

從整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析，圍管組合磚砌筑如圖1所示，高溫煤氣通過子磚形成的通道向下吹，子磚RF09層磚即要滿足導(dǎo)流煤氣分布作用，同時(shí)還必須滿足支撐上部耐材重量的要求。

圖1 歐冶爐圍管組合磚砌筑結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 圍管耐材理化指標(biāo)

Si3N4-SiC均為共價(jià)鍵性極強(qiáng)的化合物，有相似的物理和化學(xué)性能，在高溫狀態(tài)下仍然保持高的鍵合強(qiáng)度[1]。一定顆粒級配的SiC砂在均勻的Si粉包圍下，通過高溫氮化反應(yīng)， 生成的α-Si3N4及β- Si3N4把堅(jiān)硬的SiC結(jié)合起來，形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此Si3N4-SiC制品具有許多良好的物理化學(xué)性能：具有高溫強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱震穩(wěn)定性好、荷重軟化點(diǎn)高、較低的熱膨脹系數(shù)、抗高溫蠕變、抗酸能力強(qiáng)、不被有色金屬潤濕、抗氧化性能好等特點(diǎn)，是一種惰性材料。

豎爐圍管子磚耐材采用Si3N4-SiC材料，具有低的線膨脹系數(shù)及更優(yōu)良的熱震穩(wěn)定性，各項(xiàng)性能指標(biāo)較好，如表2所示。

表2 歐冶爐預(yù)還原豎爐圍管子磚耐材理化指標(biāo)要求

2.3 預(yù)還原豎爐工況條件對圍管耐材的損害分析

2.3.1 煤氣流速的影響

預(yù)還原豎爐導(dǎo)氣孔附近處煤氣流速最大，以入口為中心，呈扇形分布。相比而言，由于導(dǎo)氣孔中心軸與水平方向夾角較大，所以在導(dǎo)氣孔下方煤氣流較為集中。在導(dǎo)氣孔水平處以上，煤氣流速逐漸降低并趨于穩(wěn)定；而在導(dǎo)氣孔水平處以下，煤氣流速大幅降低，在豎爐中心的“dead man”位置和海綿鐵出口處達(dá)到最低值。

實(shí)際生產(chǎn)中，直接測量高溫的入口煤氣流量有一定的困難，通常近似認(rèn)為出口煤氣流量和入口煤氣流量一致，進(jìn)而采用在標(biāo)況下的頂煤氣流量來考察煤氣流量對爐內(nèi)溫度場的影響。因此，分別選取頂煤氣流量分別為211500Nm3/h、282000 Nm3/h、352500 Nm3/h，即在頂煤氣流量近似等于入口煤氣流量的前提下，折算出導(dǎo)氣孔入口煤氣流速分別對應(yīng)為15m/s、20m/s、25m/s，分析頂煤氣流量對預(yù)還原豎爐內(nèi)速度場、壓力場、濃度場，特別是溫度場分布的影響。

研究表明,在導(dǎo)氣孔水平，從中心到邊緣，煤氣和爐料溫度均不同程度的增大，其中煤氣從700℃上升到850℃水平，而爐料僅從650℃上升到700℃水平，煤氣與爐料間溫差在100℃上下。豎爐圍管耐材承受流速的變化與溫度的變化，影響到耐材的使用壽命。

豎爐煤氣的成分與圍管的作業(yè)氛圍對材料的長壽影響明顯，還原煤氣成分見表3。

表3 歐冶爐預(yù)還原豎爐圍管區(qū)域煤氣指標(biāo)

2.3.2 煤氣中水蒸氣對Si3N4-SiC圍管材料的影響

有研究表明[2]：當(dāng)PH2O=10-7～10-6MPa時(shí)，Si3N4、SiC都被氧化成SiO2，發(fā)生“鈍化氧化”；同時(shí)由于H2的存在，SiO2又被還原為SiO氣體，發(fā)生“活化氧化”。只要?dú)夥沼兴羝謮捍嬖诤蜌錃夥謮哼_(dá)到一定比例時(shí)，Sialon-SiC中Sialon相在一定溫度下都能被氧化成SiO2和Al2O3。且隨著溫度的不斷升高，在一定溫度下，不管是何種材料結(jié)合的SiC都出現(xiàn)氧化增重，且Si3N4-SiC>Sialon-SiC，說明氮化硅結(jié)合碳化硅在N2-H2-H2O氣氛中的抗氧化性較差。

在N2-H2-H2O氣氛中氧化增重量在同一溫度下隨著爐內(nèi)水蒸汽(H2O)含量的增大耐逐漸增加。不管是Si3N4-SiC，還是Sialon-SiC，在N2-H2-H2O氣氛中所發(fā)生的是“活化氧化”，主要原因是氣氛中存在的H2將試樣的氧化產(chǎn)物SiO2還原為SiO氣體。

服役后豎爐圍管用氮化硅結(jié)合碳化硅磚溶蝕和脫落，其主要是由于流經(jīng)煤氣中含有一定量的水蒸氣，水蒸氣同碳化硅反應(yīng)生成表面多孔的SiO2玻璃相，導(dǎo)致氮化硅結(jié)合碳化硅磚結(jié)構(gòu)破壞，不能承受較高的載荷，致使磚體斷裂脫落。

3 預(yù)還原豎爐圍管耐材長壽的解決方案

經(jīng)過理論分析與討論，對豎爐圍管用耐火材料從制作、檢測、新材料試驗(yàn)以及圍管整體結(jié)構(gòu)用耐材等幾個方面提出優(yōu)化措施。

3.1 采用新的檢測標(biāo)準(zhǔn)

提出新的檢測標(biāo)準(zhǔn)，歐冶爐豎爐圍管耐材Si3N4-SiC 磚的檢測標(biāo)準(zhǔn)、表面滲氮、中心成分，深度1/3、1/2的成分檢測指標(biāo)Si3N4>20%，對磚的棱角部位檢測指標(biāo)僅作參考。同時(shí)提出采用最新的制造工藝，能夠機(jī)械壓制成型的采用機(jī)械壓制成型，特別巨大的采用澆注預(yù)成型模式生產(chǎn)。

3.2 豎爐圍管結(jié)構(gòu)整體采用組合磚的整體結(jié)構(gòu)

對豎爐圍管結(jié)構(gòu)整體提出采用組合磚的整體結(jié)構(gòu)，爐殼與圍管位置的澆筑料及36個清理孔采用砌磚+澆筑料形式，通過優(yōu)化滿足熱振強(qiáng)度要求，消除脫落問題，保證圍管組合磚的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.3 關(guān)于其他材質(zhì)的豎爐圍管磚性能

研究其他材質(zhì)的豎爐圍管磚的性能效果，Sialon-SiC因氧化后在表面形成一層SiO2和Al2O3氧化膜，阻止氣體與試樣的接觸，其抗氧化性能好于Si3N4-SiC。歐冶爐的工作環(huán)境條件下，圍管用耐火材料用“Sialon結(jié)合SiC”應(yīng)該效果更好。與制造廠家討論，查閱國內(nèi)外技術(shù)文獻(xiàn)，Sialon-SiC材料的制作核心受限于體積尺寸，過大的Sialon-SiC會出現(xiàn)應(yīng)力聚集燒成過程中出現(xiàn)裂縫等質(zhì)量問題。

試驗(yàn)新的材料，在制造廠制作鉻剛玉材質(zhì)4-5孔圍管磚，進(jìn)行燒成，然而在造坯環(huán)節(jié)因磚型體積過大，不管使用機(jī)械壓制成型工藝還是澆注預(yù)制成型都無法使磚坯成型，脫模過程就出現(xiàn)松散斷裂問題，勉強(qiáng)成型后稍微干燥出現(xiàn)斷裂裂紋掉角等問題。

豎爐圍管新材料選擇還需要考慮許多環(huán)節(jié)，需要繼續(xù)跟蹤研究。

4 關(guān)于豎爐圍管耐材長壽需關(guān)注的方向

豎爐圍管耐材要具有良好的抗熱震性能、耐磨性能，在煤氣成分一定的條件下抗H2、Cl-、H2S、H2O侵蝕的能力；同時(shí)要具備一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在內(nèi)置式的圍管條件下必須承擔(dān)爐墻載荷。在組合磚子磚制作上體積尺寸過大會造成制作的困難，被迫降低指標(biāo)放棄機(jī)械壓制成型，采用澆注成型的辦法，給燒制及滲氮等工藝要求帶來極大的困難。

4.1 預(yù)還原豎爐圍管組合磚結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圍管的核心結(jié)構(gòu)是三層碳化硅結(jié)合氮化硅的RF08/09/10與高鋁材質(zhì)的RF11，結(jié)構(gòu)尺寸為子磚制作帶來的問題主要是成型方式與制造周期，增加了制造成本。

圍管組合子磚進(jìn)行分解，將高鋁材質(zhì)的RF11磚號分解為4塊，減小結(jié)構(gòu)尺寸，采用機(jī)械壓制成型，降低氣孔率與制作尺寸偏差，降低制作時(shí)的結(jié)構(gòu)變形，可提高制作效率30%以上。同時(shí)在子磚的安裝施工過程變得簡單方便，消除施工中163kg子磚搬運(yùn)的困難與風(fēng)險(xiǎn)。

RF09磚是結(jié)構(gòu)尺寸最大的磚，進(jìn)行優(yōu)化分解，分解為250mm兩層結(jié)構(gòu)，每層子磚成為4塊，長度尺寸的縫隙可以調(diào)整上下層壓縫設(shè)計(jì)，上下左右交錯，采用卯榫結(jié)構(gòu)增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性，子磚尺寸變小采用機(jī)器壓制成型，有利于制作效率與質(zhì)量，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與體積密度。

RF10層磚作為呈上啟下結(jié)構(gòu)，子磚從長度上以中心孔為界限，分解為4塊，每塊子磚之間采取卯榫結(jié)構(gòu)連接，采用機(jī)器壓制成型，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與體積密度。

RF08層基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，尺寸合適，已經(jīng)采用機(jī)械壓制成型，從生產(chǎn)效果看是長壽表現(xiàn)最優(yōu)的部位。

RF08/09/10層子磚分小結(jié)構(gòu)后，子磚制作難度可下降30%～40%，同時(shí)子磚滲氮，更均勻能夠滲入子磚內(nèi)部。RF08/09/10/11上下交錯咬縫砌筑滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在制作廠必須進(jìn)行整體預(yù)砌筑，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4.2 預(yù)還原豎爐圍管形式優(yōu)化

結(jié)合高爐熱風(fēng)圍管的技術(shù)分析，豎爐圍管可以參考高爐熱風(fēng)圍管的模式，將煤氣的分配管道移出豎爐本體，熱煤氣通過法蘭連接的直吹管進(jìn)入豎爐，爐內(nèi)煤氣出口部位的組合磚體積結(jié)構(gòu)進(jìn)一步變小。

從檢修角度考慮，直吹管與煤氣噴口耐材更易檢修更換，可以離線備好一套，檢修時(shí)快速更換即可，更換組合轉(zhuǎn)的檢修時(shí)間由停爐60天可縮短至30天。不必長時(shí)間的停爐更換進(jìn)350t爐墻耐材，生產(chǎn)效率與檢修成本有明顯優(yōu)勢。同時(shí)豎爐圍管設(shè)置在爐體外部，消除了圍管耐材必須支撐爐體上部大墻250t載荷結(jié)構(gòu)要求，在一定程度上保證了結(jié)構(gòu)的整體壽命。

5 結(jié)束語

八鋼歐冶爐預(yù)還原豎爐圍管耐材的優(yōu)化主要是在制造工藝與指標(biāo)檢驗(yàn)上進(jìn)行提升。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，在熱交換和氣流沖刷磨損部位增加耐磨強(qiáng)和抗熱震的指標(biāo)，采用碳化硅結(jié)合氮化硅材料是合適的，采用Sialon-SiC材料主要是受制造工藝條件限制，無法達(dá)到大體積化生產(chǎn)。

大塊碳化硅結(jié)合氮化硅材料的滲氮不能滿足長壽命的生產(chǎn)要求，采用機(jī)械壓制成型工藝的制造受限于子磚的尺寸，將子磚分解為小塊磚有利于加工制造，同時(shí)有利于氮元素的滲入，降低氣孔率、提高結(jié)合強(qiáng)度，有利于降低制造費(fèi)用，同時(shí)為采用其他材質(zhì)的耐火材料制造提供了條件，這也是圍管耐材的制造發(fā)展方向。