专业技术 带您探讨炭砖在高炉炉底是怎样被损毁的？
发布日期： 2019-05-05 14:50:49 阅读量（675） 作者：刘梓明众所周知，炭砖在高炉炉底的侵蚀损耗主要来自于金属的渗透、炭砖溶解、锌碱熔融产物的流动以及热应力。这些影响的因素并不是单一出现的，而是综合作用并互相强化的，结果则导致炭砖损毁。下面，我们只就铁水对炭砖的渗透和熔解问题作些简单说明。
由于碳质耐火材料易被铁水所润湿，所以铁水容易渗透进入炭砖内部的气孔中。用于高炉炉缸部位的炭砖一般都由疏松的结合基质及其中的粗大颗粒碳组分构成。显然，其结合基质有可能被铁水渗透而加速碳质内衬的蚀损过程。通常认为，铁水渗透进入炭砖内部气孔中是图1所示的三种力相互作用的结果。
图1铁水渗透开口气孔中时力的分布
图1表明，由于铁水熔池的重量形成并将铁水往炭砖气孔中挤压的压力为：
(式1)
毛细管吸力为：
(式2)
摩擦力为：
(式3)
式中，P(Fe)为铁水熔池的压力;d为炭砖内部气孔的直径;η为铁水黏度;ξ为迷宫系数;φ为铁水/碳的边缘或浸润角;χ为气孔个标轴。
三者合力为：
(式4)
当F>0,即F(Fe)+Fx>Fr时，将发生铁水向炭砖内部气孔中的渗透(发质渗透)：
当F=0,即F(Fe)+Fk=Fr时，铁水向炭砖内部气孔中的渗透达到平衡(渗透停止)。
当Fr=0,相当于炭砖内部气孔正好尚未被铁水渗透的临界状态，此时：
(式5)
因而:
(式6)
也就是:
(式7)
式7表明铁水渗透的必要压力与炭砖内部气孔有直接的又系在特定的温度条件下，铁水/碳界面能σ以及碳与铁水的浸润角φ均可从文献中查到，因而P(Fe)与d的关系即可由式(2-5)确定。实际观测的结果则表明：当过压为0.1MPa(1bar)时，1个直径约65μm的气孔在1500℃的铁水温度下正好被渗透;而在10μm的气孔中，在有效压力(渗透压)为0.66MPa(6.6bar)日寸，可能有铁水渗入。这就说明，在这种条件可减少大于10μm的气孔比例，就可以有效地防止铁水渗透。
由于铁水柱的铁静压及高炉(炉顶)高压运行操作，从而决定了铁水向炭砖内部气孔中的渗透是可能的。实际也观察到，高炉停风时拆除的衬砖中，炉缸和炉底的残砖中的铁成分比例达到50%，渗透深度达到1m这种渗透现象虽然可以应用上述理论进行评价，但在实际评价时还应考虑铁水渗透时所导致气孔扩张的影响。
铁水渗透进入炭砖内部气孔中的一个直接后果是加剧了炭砖成分向铁水中的纯熔解过程。
高炉炉缸范围接受由风口平面滴下的铁水，因而直接受到铁水的侵蚀。如果铁水滴下后尚未被饱和(此种铁水称为次饱和铁水)，那么就可能从炉缸范围的炭砖中再吸收碳，直至达到饱和为止。炭砖成分熔解速度取决于铁水中碳的饱和量、铁水的成分和温度图2-5~图2-7示出的是采用“旋转圆柱体”的试验方法所进行的抗铁水熔解的试验结果。
图2非晶质炭砖的熔解性状
A—无烟煤+冶金焦;B，D—无烟煤;C一无烟煤+石油焦
图3有添加剂非晶质炭砖的熔解性状
E—无烟煤+Si+Al2O3;F—无烟煤+石油焦+Si
图2是以无添加剂无烟煤为原料的非晶质炭砖试样抗铁水侵蚀的结果。它表明在试验的最初阶段，铁水熔解碳的速度相当快，此后则逐渐接近最大值(接近铁水饱和度)。而且添加或不添加焦炭的炭砖试样的熔解曲线都非常类似，表明它们的熔解机理是相同的。
图3表明，当向上述非晶质炭砖试样中添加Si或Si+Al2O3时能改善炭砖试样抗铁水的侵蚀性，其中Al2O3效果比Si大(由E1JI''对比看出),，原因在于添加A^O3时，试样表面上形成了保护层，"f防止炭砖试样进-步的侵蚀。
图4石墨含量增加炭砖的熔解性状
G，K—无烟煤+石墨+Si+A2O3;H—无烟煤+石墨+Si;I—石墨+Si;L—无烟煤+石墨+Si;M—石墨+Si+Al2O3
图4是含添加剂的高导热性炭砖试样的试验结果。由于试样中含有较高的石墨，因而其熔解性状非常明显，而且图中也表明，当往基质中添加Al2O3时还能明显改善炭砖试样抗铁水的侵蚀性能，但仅添加Si的炭砖试样却没有表现出很高的抗铁水侵蚀的性能。
由以上分析可以得出下述结论：
(1)铁水渗透进入炭砖组织中的数量取决于其气孔大小，因而认为在开发新型碳质耐火材料品种时，应通过配入添加剂的方法将气孔调整到较小的平均气孔大小范围之内。通过研究得出：添加Al2O3对改进孔大小及其分布的作用很小，而添加Si时的作用大，如图5所示。
图5表明，不加Si的平均气孔直径为5μm,而加Si的平均气孔直径则降低到0.1μm。根据这一事实，便开发了微孔炭砖和超微孔炭砖，如表1所示，从而大大改善了抗铁水的渗透性、抗碱性和抗氧化性。表2-5表明，微孔炭砖是将普通炭砖气孔直径从4〜5μm减小到0.5μm，而超微孔炭砖则是将普通炭砖气孔直杼从4~5μm减小到0.2μm。
图5含不同添加剂的炭砖中气孔大小分布
1一标准的炭砖A;2—炭砖A+Al2O3;3一炭砖A+Si;4—炭砖A+Al2O3+Si
表1 高炉炉缸用微孔和超微孔炭砖的性能
(2)铁水侵蚀炭砖的情况主要发生在低硅和低碳含量的场合,熔解主要位于对铁水抵抗性最小的部位(基质)。研究结果表明，加有Al2O3的炭砖可明显提高抵抗铁水的熔解性，而只加Si的炭砖对提高抗铁水的熔解性的作用是相当有限的。
(3)实际观察发现，减小气孔直径大于10μm的气孔比例即可有效防止铁水的渗透。同时还观察到，无烟煤基质的传统炭砖抗铁水的熔解性优于配加石墨的炭砖。在任何情况下，往基质中添加Al2O3等物质都能大大改善炭砖抗铁水的熔解性。
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