李建軍，張磊，曾宇，謝明輝，郭天永，姚碩，姜喆

（1. 鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山 114021；2. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

鞍鋼自2003 年開始，在煉鋼等后道工序完成技術(shù)改造后，將重點放到了煉鐵工序，到2010 年鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司高爐投產(chǎn)，逐步完成了煉鐵系統(tǒng)的大型化、現(xiàn)代化改造，產(chǎn)能已經(jīng)達到2 600 萬t。但煉鐵工序面臨著創(chuàng)新發(fā)展能力不足、環(huán)境能源約束不斷增強、 可持續(xù)發(fā)展動力不足等問題。隨著鞍鋼高爐的大型化，煉鐵技術(shù)發(fā)展應(yīng)把安全長壽作為主攻方向。 如何在高爐“穩(wěn)定順行、指標優(yōu)化”的基礎(chǔ)上做到“安全長壽”是擺在鞍鋼煉鐵工序面前的首要任務(wù)[1-3]。 本文結(jié)合近年來鞍鋼高爐破損調(diào)查結(jié)果，分析了造成高爐爐缸破損的原因，重點闡述了為解決爐缸異常侵蝕而選用的炭磚的參數(shù)標準，并對炭磚的幾項關(guān)鍵指標參數(shù)的重要性進行了排序。

1 鞍鋼高爐破損調(diào)查情況

通過對鞍鋼1 座4038 m3、4 座3200 m3和3 座2580 m3大型高爐進行破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，爐缸長壽的限制性部位都是在鐵口中心線以下1.5～3 m[4]，鐵口圓周方向15°以內(nèi)。 鞍鋼高爐爐缸侵蝕概況見表1。

表1 鞍鋼高爐爐缸侵蝕概況Table 1 Erosion State of BF Hearth in Ansteel

由表1 可以看出，鐵口下方1～3 m、鐵口圓周方向15°區(qū)域，爐襯最容易開始侵蝕，這是由于該部位鐵水流速大，不容易形成渣鐵保護層，因而容易產(chǎn)生炭磚的鐵水沖刷熔蝕；同時，該部位承受的剪切力最大，當高爐炭磚的抗壓強度指標小于承受的熱應(yīng)力時，炭磚容易斷裂。由于鐵口上部和爐底炭磚幾乎沒有侵蝕，因此在高爐大修過程中，應(yīng)該在爐缸鐵口下部環(huán)炭部位采用品質(zhì)優(yōu)良的炭磚，在鐵口上部和爐底炭磚則可選用價格低廉、質(zhì)量參數(shù)一般的炭磚。

2 鞍鋼高爐爐缸破損原因分析

2.1 鐵水環(huán)流

由于爐缸內(nèi)存在“死料柱”，鐵水出現(xiàn)環(huán)流是必然現(xiàn)象，而此現(xiàn)象又會造成鐵水沖刷爐缸側(cè)壁，導(dǎo)致“象腳型”侵蝕。 鐵水環(huán)流會加劇鐵水對炭磚的滲透和沖刷，造成炭磚熱面出現(xiàn)分步性和階段性分層及粉化后剝離。近年來，對鞍鋼不同容積的高爐進行破損調(diào)查，均發(fā)現(xiàn)明顯的鐵水環(huán)流造成的爐缸環(huán)炭侵蝕現(xiàn)象。 新1#高爐第一代因環(huán)流造成的鐵口下方熔洞如圖1 所示。

圖1 新1#高爐第一代因環(huán)流造成的鐵口下方熔洞Fig. 1 First Generation Melting Hole under Iron Notch Caused by Circulating Flow of Hot Metal in New No. 1 BF

為減少爐缸內(nèi)鐵水環(huán)流對炭磚的破壞，可以選擇從高爐操作和設(shè)計兩個方面入手解決。 ①操作方面可以選擇堵風口、提高焦炭冶金性能、減少中心加焦比例、降低冶煉強度和加強冷卻壁和炭磚之間的傳熱等手段，但上述方法或是減緩爐缸侵蝕效果有限，或是對排產(chǎn)計劃和鐵水成本均有負面影響，難以實施。 ②最根本的手段還是在設(shè)計方面選用抗鐵水侵蝕和滲透性能好的炭磚。 炭磚的抗鐵水侵蝕性能可以通過鐵水熔蝕指數(shù)檢測數(shù)據(jù)直接體現(xiàn)，理論上應(yīng)該盡可能采購低鐵水熔蝕指數(shù)的炭磚，最好控制爐缸鐵口以下炭磚鐵水熔蝕指數(shù)≤26%。 炭磚的抗鐵水侵蝕性能也可以通過壓汞儀檢測耐火材料≤1 μm 的氣孔容積比例側(cè)面體現(xiàn)。

筆者統(tǒng)計了鞍鋼2010—2019 年大修的8 座高爐的一代爐役與炭磚≤1 μm 的氣孔容積比例關(guān)系，高爐爐缸壽命與炭磚≤1 μm 的氣孔容積比例關(guān)系如圖2 所示。

圖2 高爐爐缸壽命與炭磚≤1 μm 的氣孔容積比例關(guān)系Fig.2 Proportional Relation between Hearth Life of BF and Volume of Pores with Equal to or Less Than 1μm of Carbon Bricks

由圖2 可以看出，炭磚≤1 μm 的氣孔容積比例越高，高爐壽命越長，因此，基于鞍鋼的原燃料條件和操作習慣，炭磚的抗鐵水侵蝕性能和≤1 μm的氣孔容積比例是高爐選用炭磚時最應(yīng)該重視的指標。近年來，鞍鋼所有大修的高爐爐缸環(huán)炭重點部位均采用≤1 μm 的氣孔容積比例＞80%的超微孔炭磚，一定程度上延緩了鐵口下部、鐵水環(huán)流嚴重區(qū)域的侵蝕速度。

2.2 應(yīng)力破壞

炭磚是一類抗折強度遠低于其抗壓強度的脆性材料，但由于受爐缸結(jié)構(gòu)性限制，以及炭磚受熱膨脹后變形和溫度場應(yīng)力因素的影響，徑向因溫度差產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形和熱應(yīng)力長時間作用于炭磚本身，會導(dǎo)致炭磚受疲勞應(yīng)力作用而環(huán)裂和縫隙加大。通過對鞍鋼新1#高爐第二代破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，新1#高爐出現(xiàn)大量炭磚環(huán)裂，見圖3。

圖3 新1#高爐第二代因應(yīng)力造成的炭磚環(huán)裂Fig.3 Second Generation Ring Cracking along Carbon Bricks in New No.1 BF Caused by Stress

與局部炭磚的角部崩裂相比，大量炭磚出現(xiàn)環(huán)裂對高爐長壽具有非常致命的影響。 炭磚產(chǎn)生環(huán)狀裂紋后，不再是一個整體，會出現(xiàn)氣阻層，造成其內(nèi)部的熱量向外傳遞受阻，外部的冷卻效果降低，促使炭磚熱面溫度升高，不能形成有效保護層，導(dǎo)致侵蝕速度加快。 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是，炭磚抗壓強度和導(dǎo)熱系數(shù)兩個參數(shù)與炭磚設(shè)計長度不匹配。 炭磚長度過長、導(dǎo)熱系數(shù)低易造成炭磚熱面與冷面溫度差增大，進而使熱應(yīng)力增加，超過炭磚的抗壓強度，這是炭磚環(huán)裂的主要原因。

理論上，炭磚設(shè)計的長度越長，導(dǎo)熱系數(shù)越小，相應(yīng)的選用炭磚的抗壓強度越大。通過對高爐破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在炭磚導(dǎo)熱系數(shù)為15～20 W/（m·K）時，當高爐炭磚長度≥1.2 m 時，應(yīng)將常溫抗壓強度控制在≥40 MPa；當高爐炭磚長度≥1.4 m 時，應(yīng)將常溫抗壓強度控制在≥50 MPa；當高爐炭磚長度≥1.6 m 時，應(yīng)將常溫抗壓強度控制在≥60 MPa。理論上計算的高爐內(nèi)炭磚所承受的鼓風壓力和渣鐵鐵水壓力之和，均小于所測炭磚抗壓強度，炭磚的斷裂更多是由于炭磚所受應(yīng)力疲勞和爐缸內(nèi)鐵水液位反復(fù)升降產(chǎn)生的熱振動所導(dǎo)致的，但炭磚在高爐內(nèi)部是否容易環(huán)裂，仍然可以通過抗壓和抗熱振性能反應(yīng)出來。

2.3 氧化侵蝕

生產(chǎn)炭磚的主要原料是煤，炭磚內(nèi)部的碳元素含量超過80%以上，因此高爐爐缸砌筑的炭磚很容易被高爐內(nèi)部的氧化物侵蝕而粉化。 鞍鋼高爐大修后，在多座高爐上發(fā)現(xiàn)炭磚氧化侵蝕造成的疏松、粉化，見圖4。

圖4 炭磚氧化侵蝕造成疏松、粉化Fig. 4 Looseness and Pulverization Caused by Oxidation Erosion Occurred in Carbon Bricks

對炭磚疏松粉化物進行化學分析，成分見表2，發(fā)現(xiàn)碳素含量僅在20%～40%，說明炭磚發(fā)生過氧化侵蝕。

表2 炭磚疏松粉化物化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 2 Chemical Compositions in Loosened and Pulverization Matters from Carbon Bricks（Mass Fraction）%

在高爐日產(chǎn)生產(chǎn)過程中，冷卻設(shè)備漏水、煤氣中的CO2串入炭磚縫隙、 高爐崩料造成渣中FeO含量增加的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，導(dǎo)致高爐內(nèi)CO2和H2O 對炭磚的氧化侵蝕很難避免，鄒忠平等認為爐缸積水是爐缸長壽的最大“敵人”[5]。 炭磚中碳素與氧化性氣體，如H2O 和CO2分別在450 ℃和760 ℃以上就可以發(fā)生化學反應(yīng)。 高爐爐缸內(nèi)部環(huán)境溫度往往超過1 500 ℃，一旦出現(xiàn)氧化性氛圍炭磚就會迅速粉化。 為了防止因炭磚氧化而造成的侵蝕，設(shè)計時應(yīng)選擇抗氧化能力比較強的炭磚。目前，鞍鋼大型高爐大修時均采用氧化率小于8%的炭磚，并在發(fā)現(xiàn)風口漏水時進行及時更換和處理，基本上可以控制炭磚因氧化侵蝕而造成的疏松、粉化。

2.4 堿金屬侵蝕

入爐堿金屬有相當一部分在爐內(nèi)上部和下部之間循環(huán)轉(zhuǎn)移，不能排出爐外，造成堿金屬在高爐內(nèi)的循環(huán)和富集。據(jù)日本高爐解體調(diào)查，在爐內(nèi)參與循環(huán)的堿量為入爐堿量的10 倍以上。 堿金屬中K、Na 蒸氣與炭磚中添加劑Al2O3及SiO2形成霞石（KNa3（AlSiO4）4）及 白 榴 石（K2O·Al2O3·4SiO2），前者體積膨脹49%～50%，后者體積膨脹30%[6]。此外，堿金屬原子若嵌到碳晶格層面中，會引起碳層間距增大，體積膨脹。 根據(jù)有關(guān)資料介紹，當堿金屬吸收量大于2%，炭磚將會膨脹開裂，對炭磚分層與粉化作用十分明顯。為了減少有害元素對炭磚的侵蝕，除了應(yīng)提高冷卻強度，控制炭磚熱面溫度在Zn、K、Na 對炭磚的侵蝕溫度（800～1 000 ℃）以下外，還需要選用抗K 和Na 等有害元素侵蝕性能好的炭磚。炭磚的抗堿性好意味著，堿金屬滲碳進炭磚后炭磚的體積膨脹率和強度變化小，可以有效的減少炭磚內(nèi)部受的應(yīng)力和保持自身抵御外部壓力的能力，減少炭磚開裂風險。目前,國內(nèi)外質(zhì)量較好的炭磚可以做到抗堿侵蝕后，體積膨脹率在5%以下，抗壓強度變化率不大于10%。 建議高爐爐料中堿金屬負荷高的高爐，應(yīng)著重關(guān)注此指標。

2.5 爐缸傳熱平衡破壞

由于搗料在砌筑過程中用量非常少，其性能的好壞非常容易被忽略，并造成不可估量的損失。冷卻壁與炭磚之間的搗料在爐缸傳熱鏈中起承上啟下的作用，如果炭搗料的傳熱性能過差，不僅不能起到有效的橋梁作用，還會在搗料層形成熱阻，且就算選用的炭磚本身導(dǎo)熱系數(shù)高，也不能將炭磚的熱量有效并及時地傳遞給冷卻水帶走，會造成炭磚的熱面溫度異常上升，無法形成凝固層，最終導(dǎo)致炭磚的異常侵蝕。因此，搗料的導(dǎo)熱系數(shù)甚至比炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)更加重要，如果搗料搗不實影響導(dǎo)熱系數(shù)，即使采用高價格的炭磚也不能達到高爐長壽的目的。 搗料的導(dǎo)熱系數(shù)與搗料的密度成正比，在高爐砌筑過程中應(yīng)保證炭磚之間碳素膠泥飽滿、碳素搗料搗實，盡可能提高其密度；并對碳素搗料隨機取樣檢驗其密度和導(dǎo)熱系數(shù)，保證搗實后搗料體積密度達到1.65 g/cm3以上，導(dǎo)熱系數(shù)盡可能提高到接近炭磚的水平。

3 爐缸炭磚的選用探討

高爐長壽是一項涉及設(shè)計選材、施工、烘爐、開爐、 日常操作、 后期維護的長期系統(tǒng)的綜合技術(shù)，其中設(shè)計選材對高爐長壽影響巨大。

目前，很多鋼鐵廠由于缺乏檢測手段，不能在高爐砌筑前對高爐耐材試樣進行抽樣檢驗監(jiān)查，造成新建高爐非常容易在開爐2～3 年后出現(xiàn)爐缸側(cè)壁溫度升高情況。在高爐砌筑前，應(yīng)利用超聲波探傷儀對大塊炭磚進行隨機抽檢，保證大塊炭磚內(nèi)部無缺陷，搗料密度和導(dǎo)熱系數(shù)達到設(shè)計要求，炭磚的選用應(yīng)更重視其抗鐵水侵蝕性能、≤1 μm的氣孔容積比例，其次是抗氧化性能；而原燃料中堿金屬負荷大的高爐，則應(yīng)該優(yōu)先選擇高爐抗堿性能好的炭磚；爐缸環(huán)炭部位炭磚設(shè)計長度長的高爐，應(yīng)重視抗壓強度指標。

現(xiàn)今，國內(nèi)外炭磚生產(chǎn)制造商通過設(shè)備改造和提高炭磚內(nèi)部石墨含量，基本可使炭磚導(dǎo)熱系數(shù)接近或超過20 W/（m·K），高導(dǎo)熱的石墨炭磚可接近90 W/（m·K），炭磚導(dǎo)熱性能基本都能滿足高爐爐缸構(gòu)建傳熱體系的需要，甚至過剩。 與炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)太高相反，目前導(dǎo)熱系數(shù)最好的搗料，在110 ℃烘干后實驗室檢測的數(shù)值也僅僅超過17 W/（m·K）[7]，搗料在爐缸內(nèi)長時間氣蝕后導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低到5 W/（m·K）以下，搗料的導(dǎo)熱系數(shù)已經(jīng)成為構(gòu)建爐缸導(dǎo)熱體系的限制性環(huán)節(jié)，無法形成爐缸由內(nèi)到外導(dǎo)熱系數(shù)是遞增的產(chǎn)熱體系。

筆者計算了搗料厚度取0.08 m、 炭磚導(dǎo)熱系數(shù)取20 W/（m·K）條件下，炭磚長度分別為0.3 m、0.8 m 和1.2 m 時搗料導(dǎo)熱系數(shù)變化對炭磚熱面溫度的影響（見圖5），發(fā)現(xiàn)搗料導(dǎo)熱系數(shù)越大，則炭磚熱面溫度越低，越容易產(chǎn)生渣鐵保護殼保護爐缸。

圖5 搗料導(dǎo)熱系數(shù)變化對炭磚熱面溫度的影響Fig. 5 Effect of Thermal Coefficient in Changing of Rammed Material on Hot Surface Temperature of Carbon Bricks

當搗料經(jīng)過氣蝕，導(dǎo)熱系數(shù)降低到5 W/（m·K）以下后，在爐缸搗料層形成熱阻，無法將熱量順利地傳出，也就無法降低了炭磚熱面溫度而產(chǎn)生了渣鐵殼，這種現(xiàn)象在爐缸炭磚殘余厚度較大時較為明顯。在此種傳熱平衡條件下，繼續(xù)選用高導(dǎo)熱系數(shù)炭磚已經(jīng)沒有太大意義，因此導(dǎo)熱系數(shù)與炭磚的其它性能相比不那么重要，但高爐砌筑前測試炭磚從室溫至1 150 ℃不同溫度段的導(dǎo)熱系數(shù)，可以幫助準確計算出高爐爐役后期炭磚的殘余厚度，保證高爐爐役后期的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。建議鋼鐵廠砌筑高爐前，根據(jù)自己的原燃料條件、設(shè)計爐型和投資成本，綜合考慮采購炭磚并對炭磚進行抽樣測試分析，合理選擇炭磚。

4 結(jié)論

（1）鞍鋼高爐侵蝕的主要部位為鐵口下1.5～3 m，鐵口圓周方向15°以內(nèi)，此處應(yīng)選用抗鐵水侵蝕和滲透性能好的炭磚，而炭磚的抗鐵水侵蝕性能可以通過鐵水熔蝕指數(shù)和小于≤1 μm 的氣孔容積比例體現(xiàn)。

（2）炭磚環(huán)裂的主要原因是熱應(yīng)力超過其抗壓強度，為避免炭磚出現(xiàn)環(huán)裂，應(yīng)保證炭磚抗壓強度、導(dǎo)熱系數(shù)與炭磚設(shè)計長度相匹配，避免炭磚設(shè)計長度過長；炭磚因氧化和堿金屬造成的侵蝕是不可避免的，應(yīng)選擇氧化率＜8%且抗堿性能優(yōu)良的炭磚。

（3）炭磚的選用應(yīng)更重視其抗鐵水侵蝕性能、≤1 μm 的氣孔容積比例，其次是抗氧化性能；而原燃料中堿金屬負荷大的高爐，則應(yīng)該優(yōu)先選擇高爐抗堿性能好的炭磚；爐缸環(huán)炭部位炭磚設(shè)計長度長的高爐，應(yīng)重視抗壓強度指標。

（4）目前炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)基本上是過剩的，應(yīng)更加重視搗料的導(dǎo)熱系數(shù)，保證爐缸由內(nèi)到外材料的導(dǎo)熱系數(shù)是遞增的，避免形成熱阻層。