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高爐爐缸耐火材料應用現狀及重要技術指標

2018/2/1 9:34:54??????點擊:

高爐爐缸耐火材料應用現狀及重要技術指標

左海濱1,王聰1,張建良1,2,趙永安3,焦克新1,2

1.北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室,北京 100083;

2.北京科技大學冶金與生態工程學院,北京 100083;

3.河南五耐集團實業有限公司,河南 鞏義 451250)

 

 要:高爐爐缸耐火材料的性能對高爐長壽有著重要的影響。高爐爐缸部位采用的耐火材料可分為如下三種:以碳質為主的炭磚,以高鋁質為主的剛玉磚,以及炭質和高鋁質適當比例復合的碳復合磚。經過多年應用,炭磚和陶瓷杯用剛玉磚都出現了不足之處,碳復合磚兼顧了剛玉磚和炭磚的優點,彌補了兩者的不足之處,具有很好的發展前景。本文就爐缸用耐火材料的幾個重要指標進行分析,包括導熱系數、鐵水溶蝕指數、抗爐渣侵蝕性和微氣孔化指標,并對比分析了炭磚、陶瓷杯用剛玉磚和碳復合磚的以上性能。結果顯示,碳復合磚的綜合性能較好,并提出耐火材料的研發應注重各項指標協調綜合提高。

 

關鍵詞:高爐爐缸;耐火材料;炭磚;剛玉磚;碳復合磚

 

 

 

 

 

 

Application Status and Important Technical Indexes of BF Hearth Refractory

 

ZUO Hai-bin1,WANG Cong1,ZHANG Jian-liang1,2),ZHAO Yong-an3,JIAO Ke-xin1,2)

(1.State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2.School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 3.Henan Winna Industrial group Co. LId, Gongyi 451250, China)

Abstract:Blast furnace hearth with quality refractories has an important impact on BF longevity. Blast furnace hearth refractory materials used can be divided into three categories as follows: the carbon brick, with high C content;the corundum brick, with high Al2O3 content; the carbon composite brick;with mixed C and Al2O3 appropriate proportion. After many years of application, the carbon brick and the corundum brick used by ceramic cup structure appear some disadvantages. Carbon composite brick combines advantages of corundum brick and carbon brick, andmake up for their deficiencies. This paper analyzes several important indexes for the hearth refractory materials, including thermal conductivity, hot iron corrosion, slag corrosion and micro porosity index, and analyzesabove performance of aeramic cup structure, corundum brick and carbon composite brick. The results showed thatthe comprehensive performance of carbon composite brick is better, and the development of refractories should pay attention to thecoordination of comprehensive indexes to improve.

Key words: BF hearth; refractory; carbon brick; corundum brick; carbon composite brick

1 引言

隨著我國高爐向大型化、高效化的方向發展,高爐長壽已成為煉鐵工序的重要技術特征。但目前我國高爐壽命普遍低于國外高爐壽命,國外高爐壽命普遍在15年以上,而我國高爐壽命普遍在10年左右[1]。近幾年來,高爐長壽成為煉鐵工作者的研究重點之一。

高爐長壽技術是一項涉及到爐型設計、操作制度、冷卻制度、耐材質量等方面的綜合技術。近年來隨著煉鐵技術的發展,高爐的利用系數不斷提高,也就對高爐的耐火材料和冷卻系統提出了更高的要求。銅冷卻壁的應用,保證了爐腹以上部位的安全性,限制高爐長壽的環節就轉移到爐缸爐底的壽命。近幾年高爐爐缸燒穿事故時有發生,造成了嚴重的經濟損失,不合理的爐缸爐底結構是造成短命和燒穿事故的原因之一。因此,高爐爐缸選用合理的耐火材料尤為重要。

2 高爐爐缸耐火材料的應用現狀

目前,高爐爐缸部位采用的耐火材料主要可分為如下三種:以碳質為主的炭磚,以高鋁質為主的剛玉磚,以及炭質和高鋁質適當比例復合的碳復合磚。

2.1 炭磚

炭磚的種類很多,按石墨化程度、焙燒制度、添加劑種類等可分為高密度炭磚、微孔炭磚、超微孔炭磚、半石墨質塊、半石墨質塊、高溫模壓炭塊、自焙炭磚[2]。炭磚的優勢在于其高導熱性,導熱系數一般都在10W/(m·K)以上,雖然炭磚的高溫穩定性和耐侵蝕性雖然不高,但尚在可接受范圍內,故炭磚在高爐爐缸部位的應用較為廣泛。

全炭材料的爐缸結構是按高導熱原理設計的結構,體現了“傳熱學”在高爐冷卻系統中的應用,它強調通過高熱導率的炭磚將熱量傳遞給冷卻系統而實現降低炭磚熱面溫度[3],并在炭磚和鐵水間形成“自保護”的保護層,將1150℃侵蝕線推至炭磚以外,達到保護爐缸內壁的目的。

但在實際生產中,開爐初期無法迅速形成“自保護”的保護層,炭磚直接接觸高溫鐵水,侵蝕劇烈。在高爐穩定運行中,經常因為操作,原料的變化,保護層不能穩定的存在,一旦保護層消失,也會加速炭磚的侵蝕。

2.2 剛玉磚

剛玉磚以氧化鋁為基質,添加少量添加劑,利用氧化鋁優良的抗侵蝕性,提高了磚襯接觸高溫鐵水的壽命。目前,剛玉磚的應用主要是以陶瓷杯的形式與炭磚搭配使用。陶瓷杯結構是指在高爐爐缸炭磚內側砌筑一層陶瓷材料(剛玉磚),利用陶瓷材料優良的抗鐵水侵蝕能力將炭磚和鐵水隔開,減緩鐵水對爐缸側壁的侵蝕,將800℃侵蝕線留在了剛玉磚內,低了炭磚的脆化程度[4]。目前,較多應用的是陶瓷杯與高導熱壓小塊炭磚。

但在實際生產中,以剛玉磚為主的陶瓷杯結構也顯示出了不足的地方。首先、陶瓷杯僅在開爐之后起保護作用,待剛玉磚被侵蝕殆盡之后,剩余的炭磚直接面對鐵水,陶瓷本質上是延緩了侵蝕的發生。其次,由于陶瓷杯的導熱系數較低,熱阻大,使得爐缸部位的冷卻系統難以發揮作用[5]

2.3 碳復合磚

碳復合磚是一種新型爐缸耐火材料,合理地將碳組分引入到了氧化鋁,采用樹脂結合劑形成碳結合,進行陶瓷材料與碳素材料的復合[6]。碳復合磚結合了炭磚和陶瓷杯的優點,利用炭組分在其內部形成了類似“導線”的結構提高了導熱率,彌補了氧化鋁導熱率低的不足,同時具有了陶瓷材料優良的抗鐵水溶蝕性、抗堿性、抗渣性的特點。

碳復合磚的作用機理,是利用其高導熱率在鐵水與磚面接觸處形成渣皮狀附著物,以達到“自保護”的目的,又利用其高抗侵蝕性保證了在開爐初期渣皮狀附著物沒有形成或開爐后渣皮狀不穩定時,實現“他保護”的目的。這種保護模式即符合“傳熱學”理念又符合“耐火材料學”理念。

綜上,炭磚以其高導熱性充分發揮了冷卻系統的作用,利用溫度梯度的變化在爐缸內部形成保護層,以達到“自保護”的目的;以剛玉磚為主的陶瓷杯結構充分發揮其較高的抗渣、鐵侵蝕性,將炭磚與鐵水隔離開來,延緩鐵水對炭磚的侵蝕,達到“他保護”的目的;碳復合磚兼顧了炭磚和剛與磚的性能,以達到“自保護”和“他保護”結合的目的。

3 高爐爐缸耐火材料的重要技術指標

高爐爐缸用耐火材料的技術指標眾多,本文將選取導熱系數、鐵水溶蝕指數,抗爐渣侵蝕性和微氣孔化指標這四種重要技術指標進行分析,并對比炭磚、陶瓷杯用剛玉磚和碳復合磚這三種耐火材料的各項性能。

3.1 導熱系數

導熱系數是爐缸用耐火材料的最重要性能之一,無論耐火材料抗侵蝕性能多高,也都只能減緩侵蝕速率,不能完全消除侵蝕,即使目前應用較廣的陶瓷杯結構,也會在爐役后期完全被侵蝕。因此,依靠形成“自保護”保護層是延長爐缸壽命的正確理念。

炭磚和剛玉磚的導熱分別是有由石墨晶格的振動和Al2O3晶格振動決定的,而碳復合磚的導熱是由石墨晶格振動與A2O3晶格振動共同決定的。從表1可以看出,炭磚的導熱系數與剛玉磚的導熱系數相差比較大,這是因為C晶格振動的導熱能力大于Al2O3晶格振動。且兩者的導熱系數大致隨溫度增加而增加,這是因為對于單一材料或振動頻率相同的復合材料,隨著溫度的升高,聲子運動加強,所以熱導率增大。碳復合磚的導熱系數接近于美國NMA炭磚的水平,因為Al2O3基質中引入了C元素,增強了整體的導熱能力。碳復合磚的導熱系數隨溫度增加而減少,這是由于C與Al2O3聲子振動頻率不同,聲子間的相互作用或碰撞加強,對平衡位置的偏移加強,引起的散射加劇,從而使導熱載體聲子的平均自由程減小,從而導致導熱率隨溫度升高而下降。

 

1  國內外典型高爐耐火材料導熱率對比

Table 1Domestic and foreign typical blast furnace refractory material thermal conductivity

指標

溫度

美國NMA炭磚[7]

法國棕剛玉澆注塊[7]

剛玉莫來石[7]

碳復合磚[7]

導熱系數

W/(m·K)

300℃

11.3

4.93

4.48

16.21

600℃

16.1

5.42

4.46

14.27

800℃

16.6

4.61

5.08

13.78

 

 

若在爐缸內部形成“自保護”的保護層,就需要將1150℃鐵水凝固線推至磚襯熱面以外,根據傳熱學知識,可以計算形成保護層磚襯所需的最小導熱系數。計算的初始數據如下:冷卻水流速v取1.5m/s,水的密度取1000kg/m3,冷卻水管壁取65mm,冷卻水比熱取4186J/(kg·℃),水溫差△t取0.3℃,每塊冷卻壁面積取1.91m2,每塊冷卻壁上有4條冷卻管道。通過式(1)可以計算熱流強度,計算得13.1kW/m2

根據熱流強度與總熱阻的關系,可以計算出總熱阻R為0.086 m2·K/W,Tw鐵水溫度取1423K(1150℃),Tm冷卻水的溫度為303K(30℃)。計算公式見下式:1)式中:c為冷卻水的比熱,J/(kg·℃);m為每秒每根水管流過的冷卻水質量,kg/s;△t為冷卻水冷卻前后溫差,℃;ρ為冷卻水的密度,kg/m3d為冷卻水管道直徑,m;A為每塊冷卻壁的面積,m2

爐缸部位傳熱由鐵水對流換熱、磚襯導熱、搗打料導熱、冷卻壁導熱、冷卻水對流換熱五部分組成,由于搗打料和冷卻壁的導熱系數較大,因此考慮爐缸傳熱熱阻時,可近似看做鐵水對流換熱、磚襯導熱、冷卻水對流換熱三部分熱阻組成。鐵水與耐材的對流傳熱系數取75 W/(m2·K),水與管壁間對流傳熱系數取7016 W/(m2·K),磚襯厚度L取1m,總熱阻可寫成:2)式中:Tw為鐵水溫度,K;Tm為冷卻水的溫度,K;R為近似總熱阻,m2·K/W;

通過式(3)可以求出,可以求出磚襯的導熱系數λ為13.865 W/(m·K)。因此,只要爐缸耐火材料的導熱系數近似或大于13.865 W/(m·K)就可以將1150℃鐵水凝固線推至磚襯熱面外部,美國NMA炭磚和碳復合磚均符合這一要求。3)式中:α1為鐵水對磚襯的對流換熱系數,W/( m2·K);L為磚襯厚度,m;λ為磚襯的導熱系數,W/(m·K);α2為冷卻水對壁管的對流換熱系數,W/(m2·K);

3.2 鐵水溶蝕指數

高爐破損調研結果表明,爐缸部位的侵蝕主要是鐵水溶蝕、鐵水滲透侵蝕及鐵水環流的機械磨損[8]。耐火材料的鐵水溶蝕指數代表其抵抗高溫鐵水的機械沖刷和化學熔蝕能力,直接關系到耐火材料的侵蝕狀況,是耐火材料一個非常重要而又易被忽略的指標。

鐵水的溶蝕機理如下:鐵水滲入磚襯內的氣孔,促進磚襯基質的溶解,隨著溫度的變化,鐵水經歷著凝固、熔化、再凝固的循環過程。這樣的循環過程使磚襯產的強度降低,磚襯表面發生龜裂現象。由于鐵水的不斷侵入,磚襯的機械性能和內部溫度梯度發生變化產生剪切應力。剪切應力達到臨界值時,磚襯被折斷并發生粉化,加速其損壞進程。

從表2中可以得出,剛玉磚和碳復合磚的鐵水溶蝕指數優于炭磚,且接近于不侵蝕狀態。這是由于剛玉磚中的Al2O3基本不與高溫鐵水發生反應,具有很強的抗溶蝕能力;而C易溶于高溫鐵水中,抗溶蝕能力弱。碳復合磚正是利用了Al2O3的這一特性,減少了C元素直接接觸高溫鐵水的面積,使碳復合磚的鐵水溶蝕指數接近于剛玉磚的性能指標。

 

2  國內外典型高爐耐火材料鐵水溶蝕指數對比

Table 2Domestic and foreign typical blast furnace refractory material hot iron corrosion

指標

美國NMA炭磚[7]

法國棕剛玉澆注塊[7]

剛玉莫來石[7]

碳復合磚[7]

鐵水溶蝕指數(%)

28.18

0

0.54

0.12~0.62

3.3 抗爐渣侵蝕性

在高爐內的軟熔帶處,渣相開始形成,其基本特點是FeO含量較高,對磚襯有很強的侵蝕性。爐缸區域的磚襯也會受到爐渣的侵蝕。如果用于爐缸部位的耐火材料抗渣侵蝕性差,磚襯就將很快被侵蝕。武鋼高爐爐身下部曾用高鋁磚或粘土磚砌筑,雖然厚度很大,一般生產2~3年就被侵蝕殆盡[9],主要是這些耐火材料的抗爐渣侵蝕性很差。

從表3中可以看出,碳復合磚和炭磚的抗爐渣侵蝕性較好,遠低于剛玉磚的抗爐渣侵蝕性。Al2O3質類的耐火材料抗渣性能之所以較差,是因為在高溫熔融狀態下爐渣中的CaO和SiO2Al2O3發生反應生成CA6C2AS等礦物不斷熔入爐渣中從而使磚襯不斷被侵蝕,在Al2O3-爐渣界面附近形成的反應層和尖晶石富集層及其所含的礦物對磚襯的侵蝕均有重要影響。而C元素基本不與渣相中的各類氧化物反應,所以表現出來的抗侵蝕性能較好。

 

3  國內外典型高爐耐火材料抗爐渣侵蝕性對比

Table 3Domestic and foreign typical blast furnace refractory material slag corrosion

指標

日本CRD-BFAL[7]

法國棕剛玉澆注塊[7]

剛玉莫來石[7]

碳復合磚[7]

抗爐渣侵蝕性(%)

2.73

23.08

57

1.81

 

3.4 微氣孔化指標

耐火材料的微孔化指標包括透氣度、平均孔徑和<1μm孔容積。爐缸部位耐火材料的微孔化指標與侵蝕程度有關。包括鐵水的滲入,鋅、堿金屬的化學侵蝕,CO2和水蒸氣的氧化侵蝕等[9]。這些侵蝕過程都是氣體或液體首先滲入磚襯,在一定的條件下與磚襯發生化學反應,破壞磚襯。微氣孔化指標的提高可以抵御或減緩部分侵蝕的發生。除此之外,微孔化指標的提高也有利于提高磚襯的機械性能,抵御鐵水沖刷帶來的磚襯熱面的破壞,減少熱應力導致“環裂”現象的發生。因此,微氣孔化指標是高爐爐缸用耐火材料的重要指標。

提高磚襯微孔化指標主要采取引入Si,Al等元素,利用其在焙燒過程中所形成的晶須填補空隙。例如,在原料引入了一定量的Si元素,經研究發現在焙燒過程中形成了Si-O-N晶須,此晶須填補了原來空隙的位置,提高了耐火材料的微孔化指標[10]。從表4中可以得出,透氣度方面,碳復合磚的性能最好,僅為0.63,其次為炭磚,剛玉磚的透氣度最差;平均孔徑方面,剛玉磚的性能最好,其次為炭磚和碳復合磚,但三者數據較為接近。小于1μm孔容積方面,剛玉磚的性能最好,其次為碳復合磚,炭磚的性能較差。綜合三項指標來看,碳復合磚的微氣孔化指標較為理想。

 

4  國內外典型高爐耐火材料微氣孔化指標對比

Table 4Domestic and foreign typical blast furnace refractory material Micro porosity index

微氣孔化指標

美國NMA炭磚[7]

法國棕剛玉澆注塊[7]

蘭州微孔炭磚[7]

碳復合磚[7]

透氣度(mDa)

4.44

6.08

2.418

0.63

平均孔徑(μm)

1.083

0.175

0.232

0.238

<1μm孔容積(%)

53.4

95.33

73.69

80.44

 

從以上分析來看,高爐爐缸的侵蝕機理受很多復雜因素共同影響,如鐵水溶蝕、渣侵蝕、熱應力、堿金屬侵蝕等,這對爐缸用耐火材料提出了更高的要求。耐火材料的各種性能指標是互相影響的,例如微氣孔化指標的提高不僅提高其機械性能,又可以提高抗渣、鐵侵蝕性能。因此,不能追求某一指標的單一發展,應注重各項指標協調綜合提高。通過幾種耐火材料的對比,發現碳復合磚的綜合性能高于炭磚和剛玉磚,更適用高爐爐缸部位。

4 結論

1) 高爐爐缸用炭磚和陶瓷杯結構經過多年應用,都出現了相應的不足之處,碳復合磚兼顧了剛玉磚和炭磚的優點,實現“自保護”和“他保護”的結合,彌補了兩者的不足之處,具有很好的發展前景。

2) 碳復合磚的導熱系數接近于美國NMA炭磚的水平,因為Al2O3基質中引入了C元素,增強了整體的導熱能力。碳復合磚的導熱系數隨溫度升高而降低,這是由于C與Al2O3聲子振動頻率不同,聲子間的相互作用或碰撞加強,對平衡位置的偏移加強,引起的散射加劇,從而使導熱載體聲子的平均自由程減小,從而導致導熱率隨溫度升高而下降。

3) 碳復合磚和剛玉的鐵水溶蝕指數低于炭磚。這因為摻入Al2O3的耐火材料,降低了耐火材料的鐵水溶蝕指數。

4) 碳復合磚和炭磚的抗爐渣侵蝕性優于剛玉磚的抗爐渣侵蝕性。因為爐渣中的CaO和SiO2Al2O3發生反應生成CA6C2AS等礦物不斷熔入爐渣中從而使磚襯不斷被侵蝕。

5) 綜合微氣孔化的三項指標,碳復合磚的性能優于炭磚和剛玉磚。提高磚襯微孔化指標主要采取引入Si,Al等元素,利用其在焙燒過程中所形成的晶須填補空隙。

6) 耐火材料的各種性能指標是互相影響的,例如微氣孔化指標的提高不僅提高其機械性能,又可以提高抗渣、鐵侵蝕性能。因此,耐火材料的發展不能追求某一指標的發展,應注重各項指標協調綜合提高。

參考文獻

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