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                長壽高爐必須要考慮到的設計因素及耐火材料選擇要點

                發布時間:2021/01/30 行業新聞 標簽:耐火磚瀏覽次數:156

                我國高爐用炭磚的發展大致經歷了3個階段:1995年以前是以中溫電煅無煙煤和冶金焦為原料生產的普通炭磚,1995年開發出以電煅無煙煤為原料生產半石墨炭磚和微孔炭磚,2004年開發出以石墨化無煙煤為原料生產超微孔炭磚。這3個階段反映了我國高爐炭磚生產追求世界先進水平的發展過程,近年國產高爐炭磚的質量已有了很大的進步。

                近期出現應用微孔炭磚、半石墨炭磚、美國熱壓炭磚的多座高爐,僅生產3~4年就發現爐缸侵蝕嚴重,不得不進行大修的問題。究其原因有冷卻設計、冷卻水質、水量問題,而最重要的原因是炭磚質量較差,如炭磚導熱率低、抗堿性差,微氣孔指標差、抗鐵水熔蝕性差等。此外,爐缸設計和結構方面也暴露出一些問題,不適應當前高冶煉強度操作的需要。

                在炭磚產品檢測中經常發現,送檢炭磚產品的導熱系數、微氣孔指標和抗堿性、抗鐵水熔蝕性等關鍵性能存在較大問題,往往是經多次復驗才勉強過關,表明這些炭磚產品質量水平較低,性能指標較差,且不穩定,有的炭磚產品甚至倒退到過去的普通炭磚水平。

                生產炭磚用原料的選擇

                1.1石墨電極不適宜做為生產炭磚用原料

                1.1.1石墨電極結構致密性差

                有的高爐設計和炭磚使用廠,片面強調提高導熱系數,以為導熱系數越高越好,對炭磚的其他性能則重視不夠。石墨電極和石墨磚導熱系數很高,石墨磚的導熱系數室溫可以達到110W/(m·K),用石墨電極為原料制成的炭磚導熱系數室溫可以達到30~60W/(m·K),但是這種石墨質炭磚抗鐵水熔蝕性很差,抗K、Na、Zn和鐵水滲透性也很差。因為生產電極的原料———石油焦,是一種疏松多孔結構,類似冶金焦的結構,遠不如電煅無煙煤結構致密。

                1.1.2石墨電極為原料生產的炭磚使用性能較差

                目前國內不少高爐將石墨為原料生產的炭磚用于爐缸部位,如全部以石墨電極為原料的美國NMD炭磚;以部分電煅無煙煤和部分石墨電極為原料生產的炭磚用于高爐的則更多,如美國的NMA炭磚,國內某些炭素廠生產的超微孔炭磚和微孔炭磚都是部分或大部分以石墨電極為原料。

                石墨磚、含石墨較高的炭磚的相關性能

                石墨磚和含石墨高的NMA、NMD炭磚和優質超微孔炭磚、微孔炭磚相比較,雖然導熱系數很高,但鐵水熔蝕率和氧化率指標較差,微氣孔指標更差。這是因為石墨電極和焦炭疏松結構對炭磚性能有不利影響,這必然影響無石墨電極高爐使用效果,降低高爐壽命。國內已有多座高爐因應用這樣的炭磚導致高爐壽命較短,因此應當引起高度重視。不贊成炭磚生產采用石墨電極為原料,提高導熱系數應采用提高電煅無煙煤的石墨化度的方法,而不應采用加入石墨電極的錯誤方法,更不應采用石油焦、冶金焦、中溫電煅煤等落后方法。

                2電煅無煙煤為原料適合目前高爐炭磚要求

                武鋼4號高爐第3代是微孔炭磚和半石墨炭磚研制成功后第1批采用該產品的高爐,該高爐1996年10月投產,生產9年9個月,其微孔炭磚和半石墨炭磚全部采用電煅無煙煤為原料。停爐大修時,觀測結果表明,爐缸炭磚侵蝕不嚴重,蘑菇侵蝕區侵蝕最多,從上到下11層炭磚,平均厚度1053mm,最薄處厚度為660mm。爐底的半石墨炭磚侵蝕更少,僅圓周有一深為540mm的環帶侵蝕坑,中間很大區域炭磚幾乎未被侵蝕,保持原厚度。從爐體侵蝕角度估計,該高爐爐缸炭磚爐襯還可以正常生產5年,即可以滿足15年高爐壽命的要求,只是因為考慮公司其他高爐大修改造才提前結束了第3代爐役。

                武鋼5號高爐采用法國AM102型微孔炭磚,寶鋼1號、2號高爐采用日本BC-7SR型微孔炭磚,高爐壽命達到了10~16年。生產實踐證明,以電煅無煙煤為原料生產炭磚的技術路線是正確的,可以滿足目前高爐高冶煉強度下長壽高爐的需要。

                二、爐缸冷卻能力的提高

                1選擇合適的炭磚導熱系數

                炭磚導熱系數是評價炭磚質量的重要指標之一,也是提高爐缸冷卻能力、減緩爐缸侵蝕的重要措施,因為在足夠的冷卻條件下,熱量通過炭磚及時傳出爐外,才能保持炭磚在較低溫度下工作,保持炭磚內表凝結渣壁。

                目前以電煅無煙煤為原料生產的微孔炭磚和半石墨炭磚600℃的導熱系數只能達到12W/(m·K)左右,以石墨化無煙煤生產的超微孔炭磚導熱系數只能達到20~23W/(m·K)。設計者和使用者不必提出過高的要求,否則炭磚生產者就得采用非常手段,在炭磚原料中加入大量的電極石墨,以滿足這些用戶對導熱系數的要求,這樣雖然提高了導熱系數,卻損害了炭磚其他使用性能,最終影響炭磚的使用效果,降低高爐壽命。為此,建議高爐設計者和使用廠家在訂貨中提出禁止加入石墨電極的要求。

                2提高冷卻強度

                近期有些采用微孔碳磚半石墨炭磚的高爐,還有采用熱壓小炭磚的高爐,爐缸壽命仍然很短,只有3~4年就被迫大修,冷卻強度太小是重要原因之一。

                如某廠1000m3高爐爐缸冷卻壁水管直徑為Φ30mm,某3200m3高爐爐缸冷卻壁水管直徑為Φ50mm,水量為1200m3/h。武鋼3200m3高爐冷卻壁水管Φ70~80mm,水量4500~5500m3/h,2500m3高爐水量3500~4500m3/h,冷卻水量差距太大必然影響高爐的壽命。要實現高爐爐缸、爐底長壽,必須在采用優質炭磚、提高炭磚導熱系數的同時提高冷卻強度,采用軟水密閉循環冷卻技術,甚至也有必要在爐缸關鍵部位采用鑄銅冷卻壁。

                3提高炭素搗打料的導熱系數

                2005年以前國內新建的高爐對炭素搗打料的導熱系數一般都不夠重視,有的對炭搗料的導熱系數不提要求,不檢測;有的導熱系數檢測結果數值很低,只有3~5W/(m·K)。微孔炭磚600℃導熱系數提高到12W/(m·K)。炭搗料導熱系數仍為3~6W/(m·K)。炭搗料已成為阻礙熱量傳遞的絕熱層。不少高爐投產后2~3年,爐缸、爐底炭磚溫度超過警戒溫度(>500℃),出現炭磚嚴重侵蝕的假象,為此有的采用釩鈦護爐,有的以為炭磚或施工質量差侵蝕嚴重,采取了減產措施。

                炭磚溫度升高最大的隱患是炭磚爐襯內800~1000℃的溫度區間向冷卻壁方向移近,即鉀、鈉、鋅高富集帶移向冷卻壁,加速了炭磚的化學侵蝕。

                某廠1座1000m3高爐由于炭磚和炭搗料導熱系數很低(3~5W/(m·K)),冷卻壁冷卻水量很小,炭磚溫度升到700℃以上,爐缸嚴重開裂,僅生產3年多就被迫停爐大修,大修發現環形裂縫侵蝕帶靠近了冷卻壁,鋅已大量滲透到冷卻壁和爐底的炭磚和炭搗料內。鋅大量生成氧化鋅產生體積膨脹使爐殼嚴重開裂,炭磚成為粉末。雖然這是一個特殊例子,炭搗料的導熱系數低不一定是出爐缸開裂事故的主要因素,但終究是缺陷之一。

                三、高爐結構的設計

                1高爐爐缸死鐵層的合理深度

                關于高爐爐缸死鐵層深度,一直流行的說法是加深死鐵層有利于減輕鐵水環流侵蝕,因此設計的死鐵層深度被不斷加深。2006—2007年武鋼4號、5號高爐大修破損調查時,在分析爐缸爐底磚襯侵蝕原因時,認識到過分加深死鐵層深度對延長高爐壽命有害,理由如下:

                1)死鐵層過深,增加了爐缸下部和爐底形成渣壁保護層的難度。武鋼4號高爐破損調查結果表明,在強冷卻和采用高導熱系數炭磚的條件下,爐缸爐底炭磚爐襯內表面能夠生成渣壁保護層。形成了渣壁保護層以后,爐缸爐底炭磚爐襯就不易受鐵水環流侵蝕,也能有效防止鐵水熔蝕和鐵水滲透侵蝕,炭磚爐襯成為永久性爐襯,類似煉鋼轉爐的濺渣護爐。由于爐渣密度遠小于鐵水,要使爐渣進入爐缸下部和爐底表面,顯然死鐵層越深,爐渣越難進入爐缸下部和爐底表面,增加了生成渣壁的難度。

                2)死鐵層加深,滲透侵蝕加劇。鐵水滲透侵蝕隨鐵水壓力增加而增加,壓力越大,鐵水滲透越嚴重。鐵水滲入炭磚后,從炭磚內部熔蝕炭磚,像樹根一樣向更深的部位擴展,這種破壞炭磚的作用,絕對不可忽視。爐缸的蘑菇形侵蝕,越往深處侵蝕量越大,爐缸燒穿都是發生在爐缸最下部,而不是中上部,這正是死鐵層越深鐵水壓力越大,導致滲透侵蝕越嚴重的表現。

                3)加深死鐵層,加大了侵蝕面積。加深死鐵層使爐缸側墻被鐵水浸泡的面積大大增加,增加了被鐵水侵蝕的面積,同時增加炭磚的用量。根據武鋼5號高爐第1代和4號高爐第3代的長壽實踐,其死鐵層深度為爐缸直徑的0.15~0.18倍,認為高爐爐缸死鐵層深度可考慮小于爐缸直徑0.20倍。

                2爐缸炭磚爐襯鐵口以下至爐底相交段不應當加厚

                過去設計的高爐考慮蘑菇侵蝕區炭磚侵蝕較快,往往將鐵口以下的爐缸炭磚爐襯逐漸加厚,設計成階梯形。下部最厚的炭磚爐襯厚度超過1500mm,從冷卻和傳熱計算表明,將爐缸炭磚爐襯內800~1000℃的溫度面推入爐內,是防止環形裂縫侵蝕和炭磚內表形成渣壁保護層的重要條件,是減緩炭磚侵蝕速度、延長爐缸壽命最有效的措施。加大炭磚厚度,將使800~1000℃的溫度區間進入炭磚內部,即環形侵蝕縫進入炭磚內部,同時影響渣壁的形成,可見爐缸下部炭磚爐襯加厚有害無益。根據計算,炭磚和炭素搗料的導熱系數達到20W/(m·K),冷卻強度充足的條件下,炭磚爐襯厚度不應大于1000mm。

                3鐵口磚材質

                過去的高爐鐵口區1~2m區域采用特制的較高檔的硅鋁質磚,如剛玉莫來石、復合棕剛玉磚等,有的采用含電極石墨較高的炭磚,如日本BC-8SR炭磚、美國的NMD炭磚,使用效果都很差,鐵口區侵蝕很嚴重。2006年武鋼4號高爐大修發現鐵口區砌筑微孔炭磚,完全不用硅鋁質耐火磚,高爐壽命10年,鐵口區炭磚保存非常完整,鐵口區寬約2m,從爐底侵蝕面到上層炭磚厚度方向完全未被侵蝕,磚襯厚度保持1.5m,而且磚襯內沒有環形裂縫,僅靠爐內端有2~3條裂紋,分析是滲鐵引起的斷裂,這是過去大修高爐從來未見過的情況,過去鐵口區炭磚或硅鋁質磚都被嚴重侵蝕,所剩無幾。分析認為這是鐵口區炭磚導熱系數高,抗鐵水熔蝕性好,出鐵時炭磚溫度升高,沒有K、Na、Zn的富集,因此沒有環形裂縫侵蝕,微孔炭磚渣鐵滲透侵蝕較少,因而能長壽,可見這是一個很好的經驗。

                4模壓小炭磚和大塊炭磚的選擇

                模壓小炭磚在20世紀80—90年代曾很盛行,很多高爐采用,也有較好的使用效果,但是到2000年以后高爐冶煉強度大幅度提高,利用系數大于3.0t/(m3·d),甚至4.0t/(m3·d),出現高爐壽命僅3~4年的情況。

                從使用情況看,模壓小炭磚加工精度和砌筑都不可能保證磚縫小于1mm,大修拆爐時磚縫中的鐵片4~5mm厚的很多,甚至可達10mm,這些鐵片代表了磚縫的實際寬度,這樣大的磚縫,鐵水會很容易首先侵蝕掉砌筑泥漿,侵入磚襯很深的部位,從內部侵蝕炭磚,因此爐缸壽命很短。

                有人認為爐缸砌筑小炭磚可以消除熱應力,防止環形裂縫侵蝕,但是高爐大修時發現,砌筑小炭磚同樣存在環形裂縫,實踐證明環形裂縫不是熱應力引起。

                可見高爐爐缸砌筑大炭磚優于砌筑小炭磚,磚縫很容易作到小于1mm,確保不會發生大量鐵水滲透侵蝕,有利于延長高爐壽命。

                5爐缸陶瓷杯磚和風口組合磚選擇

                目前出現3~4年壽命的高爐都是采用了陶瓷杯結構和風口組合磚,曾認為陶瓷杯可以維持高爐正常生產4年左右,現在發生的情況是不到4年陶瓷杯和炭磚都燒穿了,可見陶瓷杯也存在嚴重問題。

                在檢驗陶瓷杯磚性能時發現,目前的陶瓷杯磚、風口組合磚大都是采用復合棕剛玉磚、剛玉莫來石磚、還有澆注大塊磚,這些磚的抗爐渣侵蝕性、抗堿性很差,而且不是微氣孔磚。

                爐缸是爐渣集聚的地方,也是K、Na、Zn高富集區,抗渣性差的磚很快會被爐渣侵蝕掉,抗堿性差的磚很快會被侵蝕成碎片,甚至粉末。高爐風口上翹、爐殼開裂主要是采用這種磚引起的。可見復合棕剛玉磚、剛玉莫來石磚、澆注大塊磚都不適合用作陶瓷杯磚。

                復合棕剛玉磚和剛玉莫來石磚性能最差,不適合高爐使用;澆注大塊僅抗堿性好,其他性能都很差;塑性相結合剛玉磚抗堿性和抗爐渣侵蝕性較好,但不是微氣孔磚;微孔剛玉磚是這幾項性能都很好的一種新型產品。武鋼新建和大修高爐陶瓷杯都采用了微孔剛玉磚,風口組合磚也有2座高爐開始采用,目前高爐使用情況良好,沒有發生風口上翹事故。

                4  高爐耐火材料檢測存在的問題

                我國高爐耐火材料已有一套使用性能檢測方法標準,如抗堿性、導熱系數、抗鐵水溶蝕性、平均孔徑、小于1μm孔容積率、透氣度、抗氧化性、抗爐渣侵蝕性8項性能,它們較好地反映了高爐耐火材料工作條件下的性能。這為延長高爐壽命、設計選材提供了很好的依據。這些試驗方法,有的國外還沒有,有的優于國外試驗方法,但目前應用中還存在一些問題。

                1)購買國外炭磚時合同中不用我國的檢驗方法,自己無法進行抽樣檢驗,往往是用國內方法檢驗性能指標不好,國外廠家不認可,只有接受,因此合同中應當提出采用國內方法檢驗的要求。

                2)設計者和使用單位對特殊性能不提要求,仍按過去的普通炭磚標準僅檢驗常規性能。

                3)一座高爐的炭磚僅檢驗一個樣品,而不是按批量取多個樣品進行抽檢,這顯然不符合炭磚檢驗取樣標準,難以保證產品質量。4)目前的炭素搗打料檢測方法標準中,導熱系數檢測結果存在假象。炭素搗打料檢測方法標準YB4038-1991規定,炭素搗打料檢測導熱系數應當在1200℃焙燒2h后再檢測導熱系數。由于炭搗料用于靠近冷卻壁或爐底冷卻管處,工作溫度為100~200℃,不可能有1200℃。在檢測炭搗料導熱系數時發現同一個炭搗料試樣在120℃和1200℃燒后檢測的導熱系數相差近1倍。

                同一炭搗料不同焙燒溫度導熱系數檢測結果可知,導熱系數看似很高,與炭磚的導熱系數相當,但實際工作條件下,導熱系數要低1倍,仍然比炭磚導熱系數低很多,影響冷卻效果,因此炭搗料檢測導熱系數時,使用者應當要求炭搗料檢測導熱系數在120℃燒后進行,這樣可避免這種假象,對此已向有關單位建議盡早修改炭素搗打料檢測標準。

                 

                4)目前炭磚的性能檢測方法,沒有檢測炭磚用原料的品種和質量,如電煅煤、普煅煤、石墨化煤、電極石墨,制成炭磚后上述使用性能試驗方法也難以區分,僅根據炭磚生產廠的承諾是不夠的。可以考慮增加巖相分析檢驗項目,在顯微鏡下普煅煤、石墨電極很容易區分,用巖相分析方法可以檢驗是否加入普煅煤和電極石墨。

                結 語

                1)高爐設計和炭磚選材要從實際出發,根據目前炭磚的生產技術,用電煅無煙煤生產的微孔炭磚和半石墨炭磚,600℃的導熱系數只能達到12~13W/(m·K),用石墨化無煙煤生產的超微孔炭磚600℃的導熱系數只能達到20~23W/(m·K),如果要求更高的導熱系數,就必須加電極石墨,這樣將影響炭磚的使用效果。

                 

                2)長壽高爐設計必須考慮采用軟水冷卻系統,保證足夠的冷卻水量和冷卻強度,還要求有合理的磚襯結構,死鐵層過深、炭磚爐襯過分加厚都將不利于高爐長壽。高爐爐缸采用大炭磚優于模壓小炭磚,爐缸陶瓷杯用磚應著重要求有優良的抗堿性、抗爐渣侵蝕性,并且應當采用微氣孔磚。還必須注重炭磚使用性能檢驗,全面做好炭磚產品和炭素搗打料的性能檢驗,確保產品的質量優良。我國的高爐耐火材料使用性能檢測方法優于國外的檢驗方法,應當充分利用,建議增加巖相分析項目,防止炭磚生產采用普煅無煙煤和電極石墨為原料,做到這些,高爐壽命必然會有較大提高。

                宋木森(武鋼研究院)

                參考資料:

                宋木森、鄒祖橋、于仲潔-我國高爐耐火材料發展現狀

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