高炉炉缸炭砖保护层形成的影响因素
发布日期： 2019-10-24 13:58:21 阅读量（497） 作者：张红高炉炉缸寿命是影响高炉大修的决定性因素。为延长炉缸寿命，从设计、炭砖材质、施工质量、冶炼强度及出铁过程中铁水环流等多方面进行研究，得到的共识是建立稳定的炉缸炭砖保护层，以隔离铁水，保护炭质内衬，避免炭砖快速溶损。
保护层的影响因素：
1、炉缸侧壁的冷却
炉缸炭砖保护层能否形成和稳定地保护砖衬的关键是砖衬热面温度。现代高炉炉缸侧壁冷却系统功能之一就是将高温铁水传给砖衬的热流导出，热面温度达到形成保护层的温度。图1较好地描述了炉缸侧壁的冷却传热过程，并对影响因素作了深入地探讨，很有参考价值。这里笔者只强调，为使冷却达到形成稳定的保护层，需做好有关冷却系统的设计、建安、护炉及生产维护等方面的工作。
图1 高炉炉缸侧壁的冷却传热过程示意
2、冶炼强度
长期以来，中国高炉炼铁是以提高冶炼强度来追求高产，并从中取得效益。这给高炉生产的能耗和寿命带来很大的负面影响:高利用系数造成沿炉缸侧壁铁水流量增加;沿炉缸侧壁流动的铁水温度升高;铁水对侧壁的传热增加，热流增大。国外对冶强与高炉寿命的关系进行了研究，得出规律是高炉—代的平均利用系数提高时，高炉寿命缩短。我国高炉也是这样，在20世纪50~80年代，高利用系数下中国高炉寿命短的3~5年，长的也不超过8年。
研究者就高炉利用系数对炉缸铁水流动的影响进行了模拟研究，对于4300m3高炉(炉缸直径13.8m)，在利用系数分别为1.6、2.0、2.4时，炉缸内铁水流速分别为1.60、2.01、2.41mm/s，传热系数分别为298、334、366W/(m2·K)，靠近炉缸侧铁水温度分别为1378、1401、1416℃。这样造成炉缸铁水停滞层减薄，炭砖剩余厚度和保护层厚度也发生变化，炉缸象脚部位的铁水流速和温度都有不同程度的上升。
近10余年来，笔者一直提倡要维持与冶炼强度相适应的炉腹煤气量来组织生产，以求炉缸形成稳定的保护层来延长高炉寿命。当高炉出现警戒状态时，要降低冶炼强度20%，以维持高炉生产直至大修。
3、生铁成分
高炉内铁水和渣的形成和滴落过程影响着铁水成分，也就影响着保护层的形成及其稳定性。生铁成分对保护层有影响的主要是[C]、[Si]，在采用加钛矿护炉时还有[Ti]。
(1)[C]。现在的共识是，未达到碳100%饱和度的铁水在炭砖的溶蚀是造成炉缸侧壁损坏的原因之一，生铁的饱和含碳量与铁水温度(t铁水)、生铁中贪冇的少量元素冇关，普通生铁含碳量的经验公式为⑵：
%[C]=1.34+2.54x10-3t铁水-0.35[P]-0.30[Si]-0.54[S]+0.04[Mn]+0.17[Ti] (1)
按式(1)计算出的铁水碳饱和度为100%，而实际高炉中生铁含碳达不到此值，也就是说，高炉炉缸内铁水的碳是欠饱和的。研究表明，国外高炉铁水碳饱和度多在93%~95%(见表1)，而国内高炉铁水碳饱和度则在90%~92%，个别达到93%(如宝钢3号高炉)。
表1 国外部分高炉的铁水成分
高炉铁水实际含碳量与金属铁滴在滴落过程，如通过强还原性气氛的风口燃烧带，或通过死料堆，以及在炉缸内弓焦炭接触的时间有关。接触时间越短，碳饱和度越低。我国高炉冶炼强度较高形成的铁水在炉内停留时间较短，这是我国高炉铁水碳饱和度低的原因。而且含碳量低的铁水密度大，容易滴落进入炉缸下部象脚区域，如果与炭砖热面接触将溶蚀炭砖;如果与炭砖保护层接触，将保护层内的石墨碳溶解而渗碳，因此碳欠饱和的铁水也是造成炉缸寿命短的原因之一。
在高炉开炉阶段保护层没有完全形成时，裸露的炭砖与碳欠饱和的铁水接触，造成局部溶蚀，再往后的生产中很难弥补，因此，建议在高炉开炉后不要急于快速达产，以便于在开炉阶段就形成稳定保护层。
(2)[Si]。如前所述，炉缸炭砖保护层的形成是通过冷却将靠近炉墙的铁水温度降低，随之铁水黏度增加，析出石墨碳等，铁水含[Si]的影响表现在含[Si]高的铁水易于析出石墨，这从冶炼铸造生铁的实践中得出和证实。因此，在护炉时要保持稍高的铁水含硅量，例如，在采用钛矿护炉时就要求铁水中的[Si]达到0.5%以上，以提高钛矿护炉的效果。
在这里还要再强调的是高炉开炉投产阶段，应冶炼铸造生铁一个月以上。铸造生铁含[Si]高，大量碳以石墨存在于铁水中，这样开炉阶段炭砖保护层还没有形成或没有稳定地存在吋，炉墙附近铁水温度下降，析出石墨，黏裯的铁水可以填满砖缝，并逐步形成保护层来保护炉缸炭砖。
另一个要注意的是，冶炼低硅生铁以降低燃料比时，要根据具体条件控制一个度，并从长寿角度来考虑这个度。笔者认为铁水[Si]应控制在0.3%左右，过低的[Si]和偏高的[s]这类生铁，黏度小在炉缸内析不出石墨，不何不能生成保护层，而且还消蚀已形成的保护层和炉墙炭砖。我国有几座高炉出现这种情况，高炉投产1~2年就出现侧壁(象脚侵蚀处)砖衬减薄，温度升高，被迫加钛矿护炉。
(3)[Ti]。利用钛及其化合物TiC、TiN和Ti(C，N)护炉，其目的是使它们形成古铜色的钛团沉积在砖缝和与其他石墨等形成保护由于钛是难还原元素，是高温下用碳直接还原出来的，而钛在铁水中的溶解度极低，高炉正常生产时钛的回收率仅在1%以下。铁水中的[Ti]也极少，对护炉是不起任何作用的，护炉时铁水中的[Ti]实质上是溶解的Ti和悬浮于铁水中的TiC、TiN和Ti(C，N)的总和。真正起护炉作用的是悬浮于铁水中的高熔点TiC、TiN和Ti(C，N)，山这些化合物形成钛团。这样要求铁水中总[Ti]达到0.08%~0.15%，在高炉处于瀕危状态时，短时间内还应将其提高到0.20%~0.25%。
按冶金热力学理论，钛比硅难还原，因此要获得起护炉作用的钛含量，需要铁水中有一定的硅含量。理论分析和生产实践总结的规律是[Si]应控制在0.5%以上，这样[Si]+[Ti]应达到0.6%~0.7%。含钛化合物渗入被碳饱和度大的铁水溶蚀的炭砖空隙中，阻止炭砖进一步被侵蚀。这些钛化合物与石墨等形成黏稠保护层，停炉冷却后凝结成为富钛保护层。
4、炉缸状态
高炉冶炼正常进行时，要求有活跃的炉缸状态，其标志是有充沛的高温热量、死料堆有良好的透气性和透液性。充沛的高温热量表现为理论燃烧温度t理控制在2200±50℃，焦炭进入燃烧带时的温度tc达到0.75t理，炉缸具有最低热贮量630KJ/kg。与之相适应的铁水和炉温在合适范围，即t铁=tc-200±50℃，t渣=tc-150±50℃。死料堆良好的透气性和透液性是由死料堆焦炭的空隙度和炉渣在死料堆中滞留率决定的。生产中通过上下部调剂，将大块性能好的焦炭装到中心，并减少中心部位的负荷，减轻中心部位焦炭的劣化，使到达炉缸死料堆的焦炭保持有良好的粒度和空隙度。
通过精料工作和造渣制度的优化，减少渣量和改善滴落炉渣的性能，减少滞留时间和滞留率。这样炉缸煤气可穿透死料堆，给死料堆带来高温热量，能减少滴落的铁水流向风口燃烧带，加强炉缸内不同区域的渣铁的相互流动，并在出铁过程中铁水能通过死料堆流向铁口，减少死料堆周边铁水环流。这样对炭砖保护层的形成创造条件，也使已形成的保护层处于稳定状态。
5、炉前出铁操作
搞好出铁工作和维护好合理的铁口是稳定炭砖保护层的重要内容，因为高炉炉缸象脚型侵蚀与出铁有密切关系。出铁过程中，铁水在炉缸内环流是造成象脚侵蚀的一个重要因素。特别要重视炉缸内铁口通道周边形成的铁水环流区域，即圆周上铁口两侧第二个风口中心线两侧，铁口中心线以下1.0〜1.5m区域是炉缸漏铁和烧穿事故的频发部位。
为维护好保护层，需要做好以下几个方面的工作。
(1)转变出铁操作理念。传统的出铁操作是在保证高冶炼强度生产下制订的，当时认为炉缸内贮存渣铁过多会影响鼓风量，也就影响冶强，所以就以出铁次数多为特点。不仅如此，出铁之间还要放渣。现在绝大部分高炉已不再放上渣，但出铁次数在一些中型高炉上多则18次/d，少则15次/d，仍然很频繁，而且每次出铁，速度很快，见风堵口，认为不见风就堵口，会在铁口中夹带铁液，造成铁口不正常，难开。
现代高炉，维持炉缸砖衬尽可能少被铁水环流侵蚀，以延长高炉寿命，尽可能减少出铁次数。维持炉缸内稳定铁水液面，保持出铁速度与冶炼过程形成的铁水量相适应，在出铁过程中出现铁水流缓慢到一定程度即堵口。现代大型高炉出铁次数在6~8次/d，中型高炉在8~10次/d，这就大幅减小了铁水环流速度和铁口维护工作。
(2)维持与炉容相适应的铁口深度。过浅的铁口易出现跑大流事故，造成铁口区砖衬和冷却器损坏。但过深的铁口，则造成铁口中心线两侧和中心线以下的涡流区扩大，对炉缸与炉底交界处侵蚀加重，造成象脚侵蚀。对铁口深度调研结果表明:合理的深度控制砖衬前的泥包在600~800mm为好，特大型高炉也不宜超过1000mm。
(3)控制好出铁速度。为维持稳定的铁水液面，减少环流速度和涡流程度，就要遵循出铁速度=铁水生成速度。出铁速度与高炉容积的关系如图2所示，可以得出，1000m3级高炉出铁速度为4~5t/min;2000m3级高炉为5~6t/min;3000m3级高炉为6~7t/min。
图2 高炉出铁速度与容积的关系
(4) 选择好炮泥。炮泥的功能在于堵塞出铁口、保持出铁平稳、维护出铁口深度和保护炉缸。从堵住铁口的功能来看，要求炮泥应具有良好的可塑性和黏附性，以便打泥量稳定。炮泥还应具有良好的烧结特性。烧结时间短、烧结后结构变化小。从平稳出铁的功能来看，要求炮泥应具有开孔稳定、易钻、不开裂、抗炉渣侵蚀、出铁过程孔径变化小等性能，中小高炉炮泥应能保证120min出铁稳定，而大型高炉至少保证180min出铁稳定。从维护铁口深度和保护炉缸功能来看，对炮泥的要求是能很好黏度附于高温泥包、快速加热时不开裂、抗侵蚀性好等。
在选购炮泥时，应很好地了解炮泥的组分性能，特别要注意炮泥性能与所使用的开口机的能力和泥炮的推力相适应，不致山现开口困难或打泥遇阻等现象。
此外，还应避免冷却设备漏水情况发生，风口烧穿后要及时更换。
结语
(1)高炉炉缸炭砖保护层的形成和消蚀炭砖表面温度密切相关，为形成稳定的保护层，必须有完善的炉缸冷却系统。
(2〉生产中应保持与冶炼条件相适应的高炉产量，过高的产量不仅使炉缸内铁水环流增强，而且使渣铁滴落时间缩短，导致铁水含碳量低，碳饱和度降低，不利于石墨碳的析出，也不利于保护层的形成。碳饱和度低的铁水还会将保护层中的石墨碳溶解而渗碳，破坏保护层，甚至使其消蚀。
(3)生铁含硅对保护层的形成有明显的影响，特别在铁水[Si]低于0.3%，而[S]又偏高的情况下，保护层很容易消蚀，而使碳饱和度低的铁水与炭砖直接接触而侵蚀炭砖。
(4)提高炉缸死料堆的透气性和透液性，以防止局部死料堆阻碍铁水流过，导致边沿气流和铁水流速过高，不利于保护层的形成和稳定存在。
(5)在使用含钛矿护炉时，还原生成的Ti及其高熔点的TiC，TiN，Ti(C，N)化合物，有利于形成黏稠保护层，为充分发挥其护炉作用，仍需要有较高的铁水含硅量，例如[Si]≥0.5%，冋时[Si]+[Ti]≥0.6%。
(6)做好炉前出铁工作是形成稳定保护层的有效保证，为此，应采纳新的出铁操作理念。保持出铁速度与冶炼过程形成的铁水量相适应，保持稳定的铁水液面，减少铁水环流及涡流区铁水对炭砖的侵蚀作用。
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