碳磚爐缸產(chǎn)生“蒜頭狀”侵蝕的原因分析及解決辦法

高爐爐缸死鐵層部位形成“蒜頭狀”侵蝕是影響高爐爐缸壽命的關(guān)鍵。形成“蒜頭狀”侵蝕的根本原因是爐缸死鐵層部位沒有持久的渣皮覆蓋以及碳磚抗鐵水侵蝕能力差;其對策主要是在碳磚砌體熱面增加保護(hù)層和改善碳磚的有關(guān)性能。

  爐缸內(nèi)渣皮覆蓋狀況 

高爐停爐后發(fā)現(xiàn)，鐵口中心線以上的碳磚基本上都被渣皮覆蓋，而鐵口中心線以下的死鐵層部位碳磚基本上沒有渣皮覆蓋。

生產(chǎn)過程中，鐵口中心線以上部位有液態(tài)渣存在，冷卻后在碳磚表面凝固成一定厚度的渣皮。而鐵口中心線以下的死鐵層部位，在日常生產(chǎn)中，總是存滿鐵水，爐渣不能達(dá)此，也即不可能形成渣皮。在新開爐鐵水生成前，即使?fàn)t渣首先到達(dá)死鐵層而形成渣皮，但由于在以后的生產(chǎn)過程中，沒有新的渣皮生成，這些渣皮也會由于種種原因而逐漸減薄直至完全消失，所以在高爐的長期生產(chǎn)過程中，該部位鐵水直接接觸碳磚。

  碳磚的環(huán)裂  

高爐生產(chǎn)實踐表明，高爐在生產(chǎn)過程中碳磚確實存在環(huán)裂現(xiàn)象，裂縫寬度有的可達(dá)20 mm，見圖2。因為碳磚環(huán)裂后裂縫處出現(xiàn)氣體隔熱層，其內(nèi)部的熱量向外傳遞受阻，外部的冷卻效果因此而降低，使碳磚溫度升高，侵蝕速度加快。所以，環(huán)裂對爐缸的壽命產(chǎn)生很大影響。

碳磚產(chǎn)生環(huán)裂的主要原因是碳磚較長，內(nèi)外溫差大，因而產(chǎn)生剪應(yīng)力。由于鐵口中心線以上的碳磚在正常狀態(tài)下有較厚的渣皮覆蓋，因此，碳磚熱面溫度相對較低;而鐵口中心線以下的碳磚沒有渣皮覆蓋，鐵水直接接觸碳磚，其熱面溫度高得多。因此，后者比前者內(nèi)外溫差大，熱應(yīng)力也大，這和某些高爐熱應(yīng)力的測定結(jié)果是吻合的。由此可見，死鐵層部位的碳磚因熱應(yīng)力大而易產(chǎn)生環(huán)裂和裂紋，是死鐵層形成“蒜頭狀”侵蝕的重要原因之一。

堿金屬侵入碳磚使其變脆，促使碳磚環(huán)裂，但由于死鐵層部位經(jīng)常存滿鐵水，堿金屬很難與該部位碳磚接觸。因此，堿金屬侵入碳磚而促使其環(huán)裂不是死鐵層部位形成“蒜頭狀”侵蝕的主要原因。

  鐵水對碳磚的侵蝕  

由于死鐵層部位的碳磚沒有渣皮覆蓋，長期與鐵水直接接觸，該部位碳磚不僅因熱應(yīng)力大而受到嚴(yán)重的破壞，而且，鐵水還會沿著碳磚氣孔孔道和裂縫向碳磚內(nèi)部滲透，有的滲入深度可達(dá)400～500 mm，無論是肉眼還是顯微觀察都十分清楚。

滲入碳磚的鐵水停留在碳磚的氣孔孔道和裂紋中，經(jīng)長期浸泡和化學(xué)侵蝕，到達(dá)一定程度后，碳磚的結(jié)構(gòu)遭到破壞，相當(dāng)于形成無數(shù)小碳塊，處于被鐵水的包圍之中，這些小碳塊逐漸溶解于鐵水中，即產(chǎn)生所謂微觀“漂浮”侵蝕現(xiàn)象。

另外，爐底取樣的分析結(jié)果表明，磚縫中凝鐵的碳含量竟高達(dá)7.34 %，比正常鐵水中碳含量高3 %左右。這說明鐵水與碳磚的長期接觸，還存在著化學(xué)反應(yīng)，即化學(xué)溶解。

水滲入的碳磚內(nèi)部，都存在著鐵水溶解碳的反應(yīng)，這種反應(yīng)既有物理反應(yīng)，也有化學(xué)反應(yīng)，兩種反應(yīng)相互促進(jìn)，共同侵蝕碳磚。尤其是碳磚的大孔徑氣孔率高和石墨化程度高，上述反應(yīng)更加明顯。這也是碳磚比優(yōu)質(zhì)陶瓷磚抗鐵水侵蝕能力差，陶瓷質(zhì)爐缸形成“蒜頭狀”侵蝕較輕的原因之一。由此可見，鐵水對碳磚的侵蝕也是死鐵層形成“蒜頭狀”侵蝕的一個重要原因。

 爐缸內(nèi)的鐵水環(huán)流  

由于爐缸內(nèi)“死焦堆”的存在，高爐出鐵過程中，鐵水出現(xiàn)環(huán)流是必然現(xiàn)象。但在什么部位出現(xiàn)環(huán)流最嚴(yán)重，環(huán)流達(dá)到什么程度，對“蒜頭狀”侵蝕有多大影響，這些問題需要進(jìn)一步研究和探討。筆者認(rèn)為，出鐵過程中，鐵水環(huán)流主要發(fā)生于鐵口中心線以上，而不應(yīng)該發(fā)生于死鐵層出現(xiàn)“蒜頭狀”侵蝕的部位。也就是說，鐵水環(huán)流不應(yīng)該是死鐵層形成“蒜頭狀”侵蝕的主要原因。

綜上所述，由于死鐵層沒有渣皮覆蓋，鐵水長期直接接觸碳磚，因此，該部位碳磚熱面溫度高，內(nèi)外溫差大，熱應(yīng)力大，易出現(xiàn)碳磚環(huán)裂和破損;因此，鐵水易滲入碳磚內(nèi)部，鐵水侵蝕碳磚的反應(yīng)在該部位就更易進(jìn)行。由此可見，沒有渣皮覆蓋而鐵水直接接觸碳磚和碳磚抗鐵水侵蝕能力較差，是死鐵層形成“蒜頭狀”侵蝕的根本原因。

  解決侵蝕的對策  

1　提高碳磚本身抗鐵水侵蝕的能力

(1) 碳磚實現(xiàn)微孔或超微孔

鐵水主要是沿著碳磚大孔徑孔道和裂紋向碳磚內(nèi)部滲透的。因此，碳磚實現(xiàn)微孔或超微孔，減少孔徑大于1 μm的氣孔，是阻止鐵水向碳磚內(nèi)滲透的有效措施，從而減緩鐵水對碳磚的侵蝕。實踐證明，此措施是有效的。

(2) 碳磚實現(xiàn)氣孔封閉

鐵水向碳磚內(nèi)部滲透的主要渠道是碳磚的氣孔孔道。美國UCAR公司的熱壓碳塊其碳磚氣孔為封閉氣孔，消除或減少了鐵水向碳磚內(nèi)的滲透，使鐵水對碳磚的侵蝕只能在碳磚表面進(jìn)行，緩解了對碳磚的侵蝕速度。使用UCAR公司熱壓小碳塊的實踐也證明此措施有效。

(3) 提高碳磚的導(dǎo)熱系數(shù)

提高碳磚的導(dǎo)熱系數(shù)是改善碳磚冷卻效果，降低碳磚溫度，減緩碳磚侵蝕速度的有效措施。

(4) 提高工作層碳磚的抗鐵水侵蝕能力

碳磚采用電煅燒無煙煤，降低其石墨化程度，增加某些添加劑，提高其抗鐵水侵蝕能力。

2　采用“碳磚+陶瓷杯”結(jié)構(gòu)

“碳磚+陶瓷杯”結(jié)構(gòu)是一種理想的消除“蒜頭狀”侵蝕的結(jié)構(gòu)。因致密的、荷重軟化開始溫度高的陶瓷杯，其本身抗鐵水侵蝕能力比碳磚高得多，這樣，不僅使鐵水不能直接接觸碳磚，消除了對碳磚的侵蝕，而且由于其導(dǎo)熱系數(shù)低，可以有效地降低碳磚熱面溫度，緩解碳磚環(huán)裂。另外，死鐵層部位的陶瓷杯厚度適當(dāng)加厚效果會更好。

3　強(qiáng)化對爐缸的冷卻

強(qiáng)化對爐缸的冷卻是緩解鐵水對砌體侵蝕的有效辦法。冷卻效果的關(guān)鍵是較高的水速和消除水垢。

4　鈦化合物護(hù)爐

高爐生產(chǎn)一個時期后，若死鐵層“蒜頭狀”侵蝕逐漸形成，采用鈦化物護(hù)爐，可以在爐缸下部，尤其是在“蒜頭狀”侵蝕部位有效地(在碳磚熱面)形成鈦化合物保護(hù)層，制止對碳磚的進(jìn)一步侵蝕。要達(dá)到鈦化物護(hù)爐的效果，關(guān)鍵是[Ti]要達(dá)到0.13 %以上和連續(xù)護(hù)爐。

5 加強(qiáng)對爐缸及死鐵層狀態(tài)的檢測

(1) 檢測冷卻設(shè)備的水溫差和水量，計算熱流強(qiáng)度。

(2) 測定砌體的徑向溫差，計算熱流強(qiáng)度。

檢測熱流強(qiáng)度最好同時采用上述兩種方法，以便相互對照，消除測量誤差，準(zhǔn)確掌握砌體侵蝕狀況。

6　建立爐缸狀態(tài)的管理制度

冷卻水管理制度、酸洗制度、水溫差檢測制度、檢測參數(shù)的分析處理制度等都是必要的。

高爐碳磚爐缸“蒜頭狀”侵蝕的總結(jié)：

(1) 爐缸死鐵層部位形成“蒜頭狀”侵蝕的根本原因是該部位沒有持久的渣皮覆蓋。因此，鐵水直接接觸并侵蝕碳磚，碳磚熱面溫度高，內(nèi)外溫差大，因而熱應(yīng)力也大。

(2) 對爐缸死鐵層形成“蒜頭狀”侵蝕的主要對策是在碳磚熱面增設(shè)陶瓷杯保護(hù)層或采用鈦化物護(hù)爐形成保護(hù)層。另外，提高碳磚的有關(guān)性能、加強(qiáng)爐缸的冷卻和強(qiáng)化對爐缸狀態(tài)的檢測和管理也是有效措施。