姜華，劉振均，傅思榮

(東北大學(xué)，寶山鋼鐵股份有限公司)

摘 要：通過(guò)采用保護(hù)性的調(diào)查手段，實(shí)測(cè)了高爐爐缸炭磚用后的侵蝕輪廓，獲得了殘磚結(jié)構(gòu)的宏觀和微觀形態(tài)，分析了其中的殘留物。同時(shí)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外部分高爐炭磚用后調(diào)查資料后指出，用后大炭磚不再是物性單一的均質(zhì)體，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槎喽卧趥鳠岱较蛏暇哂胁煌镄缘奶卣鳌Ｒ猿鲨F口標(biāo)高為基準(zhǔn)，其上下區(qū)域磚襯工作面上的附著物不同，殘留磚襯脆化層中的外來(lái)異物不同。并據(jù)此推斷脆化層的形成機(jī)理，為建立爐缸炭磚侵蝕模型提供依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：高爐爐缸；用后炭磚；結(jié)構(gòu)形態(tài)

高爐爐缸磚襯用炭磚，按單塊體積大小主要分為兩類：一類是大塊炭磚(塊)，厚度和寬度一般超過(guò)300mm，包括焙燒和自焙；另一類是厚度在100mm左右的小塊炭磚。還有在此基礎(chǔ)上增加陶瓷結(jié)構(gòu)體，成為陶瓷杯加炭磚的組合結(jié)構(gòu)體等。統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外高爐爐缸用后炭磚形態(tài)的案例[1-22]，發(fā)現(xiàn)無(wú)論采用何種結(jié)構(gòu)，在一代爐役結(jié)束時(shí)，爐缸內(nèi)襯炭磚熱面的最終殘存形態(tài)，基本可形象地歸結(jié)為三類：①鍋底狀；②寬臉狀；③象腳(蘑菇或蒜頭)狀。

盡管業(yè)界關(guān)于爐缸炭磚磚襯蝕損、最終所顯現(xiàn)出的表觀形態(tài)的原因，理解和觀點(diǎn)不一，但是，所描述的用后炭磚殘存結(jié)構(gòu)形態(tài)和組成卻具有一定的共性。研究這一共性，對(duì)客觀分析炭磚磚襯蝕損的成因，指導(dǎo)高爐爐缸磚襯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及高爐在役期間的操作維護(hù)乃至長(zhǎng)壽都具有良好的指導(dǎo)意義。

1 國(guó)內(nèi)外高爐爐缸用后炭磚

國(guó)內(nèi)外業(yè)者普遍重視對(duì)高爐爐缸磚襯用后狀態(tài)的調(diào)查，調(diào)查結(jié)果和分析觀點(diǎn)多有報(bào)道。

1．1  日本高爐用后炭磚

NSC君津廠3號(hào)高爐(第二代)(4063m3)[19]，在經(jīng)過(guò)10年8個(gè)月多的安全運(yùn)行、累計(jì)出鐵3212萬(wàn)t后，按計(jì)劃停爐。對(duì)爐缸側(cè)壁磚襯的檢查中發(fā)現(xiàn)：在風(fēng)口以下，包括出鐵口在內(nèi)的整個(gè)炭磚襯中，都有脆化層存在。其中，第6～13層炭磚中脆化層粉化現(xiàn)象嚴(yán)重；即使是位于爐底的炭磚和殘存的黏土磚結(jié)構(gòu)中，也發(fā)現(xiàn)存在脆化層，其龜裂形態(tài)呈網(wǎng)狀，裂紋穿過(guò)晶粒，基質(zhì)出現(xiàn)粉化；在中部的脆化層與健全層之間，存在多條平行于工作面的裂縫；中上部脆化層中發(fā)現(xiàn)有ZnO和K2O沉積，下部及爐底的脆化層中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)；分析鐵水對(duì)炭磚的侵入，滲鐵層中鐵含量20％～35％，脆化層中也有12％，健全層中沒(méi)有。

NSC室蘭廠3號(hào)高爐第六代[20]，在開(kāi)爐1．5年后因故停爐，有機(jī)會(huì)調(diào)查了高爐投產(chǎn)初期的爐缸內(nèi)襯炭磚狀態(tài)：在出鐵口及其上方的黏土磚保護(hù)層基本完好，其工作表面有外來(lái)物質(zhì)(包括堿金屬)的侵入；出鐵口下部及底部侵蝕嚴(yán)重，最大侵蝕量500mm；在鐵口標(biāo)高以下的炭磚結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)厚度分別為200mm的滲鐵層、100mm的脆化層和700mm的健全層；鐵水的侵入深度達(dá)脆化層，基質(zhì)中的氣孔被鐵封堵；部分脆化層中也有鐵的侵入，脆化層與滲鐵層之間的裂紋與工作面平行。結(jié)果表明，爐缸磚襯中的滲鐵和脆化在高爐爐役的初期就已經(jīng)發(fā)生。

NKK福山廠5號(hào)高爐[21](4617m3，累計(jì)出鐵3182萬(wàn)t)在使用10年后停爐大修。在役期間，爐缸側(cè)壁溫度按照最高280℃控制，停爐檢查發(fā)現(xiàn)側(cè)壁的炭磚殘厚最小為500mm。

川鐵鹿島廠3號(hào)高爐(第一代)[22](5050m3，累計(jì)出鐵4815萬(wàn)t)在使用13年5個(gè)月后停爐大修。檢查發(fā)現(xiàn)：出鐵口以上部位基本完好；出鐵口以下侵蝕嚴(yán)重，最小殘厚400mm；側(cè)壁殘厚中，分為健全層、脆化層和滲鐵后的變質(zhì)層。

1．2 我國(guó)高爐用后炭磚

我國(guó)學(xué)者關(guān)于高爐爐缸炭磚的用后狀態(tài)也多有調(diào)查與研究分析。

在對(duì)鞍鋼煉鐵廠3號(hào)高爐爐缸殘存的炭磚情況檢查[1]時(shí)發(fā)現(xiàn)：在風(fēng)口中心線以下2000mm，距冷卻壁表面300～400mm處，炭磚存在斷裂，并沿圓周方向形成環(huán)狀。14~3號(hào)風(fēng)口區(qū)域的炭磚裂縫距冷卻壁300mm，3～14號(hào)風(fēng)口區(qū)域的炭磚裂縫近距冷卻壁約400mm。鐵口附近幾乎沒(méi)有炭磚，也沒(méi)有泥包。兩側(cè)的炭磚被侵蝕成弧狀，弧內(nèi)是渣鐵混合物。

鞍鋼11號(hào)高爐于1990年6月投產(chǎn)，1992年7月停爐中修時(shí)檢查了爐缸側(cè)壁磚襯[2]：鐵口中心線以上的炭磚侵蝕較少，僅200～300mm，鐵口標(biāo)高以下3～4層范嗣的炭磚殘厚薄而需要更換；未更換的用后炭磚(環(huán)裂至冷卻壁之間的距離大于450mm)的熱面侵蝕呈不規(guī)則狀態(tài)，炭磚體內(nèi)有多處環(huán)形斷裂。東西鐵口處磚襯侵蝕較嚴(yán)重，殘厚為500～600mm，其他處磚襯殘厚約700～900mm不等。

學(xué)者黃曉煜等，結(jié)合鞍鋼、武鋼的多座高爐調(diào)查結(jié)果，在分析我同高爐爐缸破損情況后指出[12]：在不同部位炭磚的破損不同，破損的程度亦不同。鐵口區(qū)以上到渣口、風(fēng)口以下的區(qū)域，炭磚工作面上有渣、鐵、石墨碳和焦炭等混合黏結(jié)沉積物，在距離工作面300～800mm位置炭磚中出現(xiàn)環(huán)縫，一些環(huán)縫中有渣鐵留存，環(huán)裂縫至冷卻壁之間是300～500mm的炭磚。

學(xué)者許傳智等，早在1983年對(duì)武鋼的大型高爐進(jìn)行用后調(diào)研中就發(fā)現(xiàn)[13]：爐缸磚襯中的環(huán)裂是沿風(fēng)口大套口垂直下延伸的；同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)，此環(huán)裂幾乎平行于高爐爐殼，形成一條連綿不斷的環(huán)形裂縫。此縫的寬度大約80～150mm，一直垂直向下延伸至爐底炭磚。在風(fēng)口大套下沿磚襯中，環(huán)裂周圍炭磚表現(xiàn)為疏松、發(fā)黑，并有大量炯灰沉積；環(huán)裂帶炭磚表面呈白中帶灰綠色，置于空氣中易潮解且有滑膩感。作者由此認(rèn)為，爐底爐缸環(huán)縫形成是堿金屬循環(huán)富集的結(jié)果。

學(xué)者周有德，在“高爐爐缸形成蒜頭狀侵蝕的分析和對(duì)策”一文中認(rèn)為[14]：由于死鐵層沒(méi)有渣皮覆蓋，鐵水長(zhǎng)期直接接觸炭磚。岡此，該部位炭磚熱面溫度高，內(nèi)外溫差大，熱應(yīng)力大，易出現(xiàn)炭磚環(huán)裂和破損。因此，鐵水易滲入炭磚內(nèi)部，鐵水侵蝕炭磚的反應(yīng)在該部位就更易進(jìn)行。由此認(rèn)為，沒(méi)有渣皮覆蓋而鐵水直接接觸炭磚和炭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。

學(xué)者孫永芳，在“結(jié)合鞍鋼7號(hào)高爐爐缸破損情況調(diào)查淺談爐缸長(zhǎng)壽措施”一文中指出[15]：該高爐爐缸破損的主要表現(xiàn)為環(huán)裂和爐底環(huán)流侵蝕；炭磚的侵蝕是先從磚縫開(kāi)始的。

縱觀國(guó)內(nèi)外業(yè)者關(guān)于高爐爐缸磚襯用后狀態(tài)的調(diào)查報(bào)道，盡管狀態(tài)描述近似，但對(duì)成因的觀點(diǎn)差異很大。

2 某大型高爐用后炭磚的調(diào)查

筆者曾對(duì)幾座使用大塊炭磚的大型高爐爐缸側(cè)壁磚襯，進(jìn)行了用后狀態(tài)的調(diào)查。這些高爐一代爐役均超過(guò)10年，且屬于計(jì)劃性停爐。

為了盡可能地減少大修工程對(duì)用后炭磚殘存狀態(tài)的影響，調(diào)查取樣工作分為兩部分：一部分是在高爐停爐后，采用從爐外鉆孔的方式進(jìn)行；另一部分是根據(jù)殘鐵凝同形態(tài)，間接判斷爐缸鐵口以下部分側(cè)壁工作面的蝕損最終輪廓。

2．1 殘厚炭磚的工作面輪廓及其內(nèi)部構(gòu)成

(1)用后炭磚的工作面輪廓。即使是在出鐵口區(qū)域，不同標(biāo)高的殘磚厚度差異很大(如圖1所示)。在圖1(b)中，出鐵口中心上沿炭磚(第14層)為早期斷裂。第14層以下區(qū)域的炭磚，侵蝕呈象腳形，直至第9層蝕損達(dá)到最嚴(yán)重。

第9層炭磚以下區(qū)域的用后炭磚工作面輪廓，從三個(gè)代表性方位來(lái)觀察，即兩緊鄰出鐵口之間、出鐵口正下方和兩遠(yuǎn)距離出鐵口之間的殘鐵形態(tài)(如圖2所示)。

比較后可直觀地發(fā)現(xiàn)，爐缸側(cè)壁炭磚工作面在不同角度，侵蝕程度和形態(tài)存在明顯的差異。其中，出鐵口正下方最嚴(yán)重，兩遠(yuǎn)距離出鐵口之間區(qū)域最平緩(如圖3所示)。

(2)用后炭磚的宏觀結(jié)構(gòu)。以出鐵口標(biāo)高為分界，觀察不同標(biāo)高的取樣結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其上下區(qū)域的用后炭磚工作面的附著物存在明顯的差異：出鐵口及其以上區(qū)域，附著物以渣或渣鐵混合物為主，其厚度在70～120mm(如圖4所示)。出鐵口以下區(qū)域，尤其是在象腳區(qū)域，殘鐵與用后炭磚直接接觸(冷卻后存在縫隙)，其間未見(jiàn)渣狀物黏結(jié)(如圖5所示)。

沿傳熱(厚度)方向，觀察側(cè)壁用后炭磚的結(jié)構(gòu)，呈多層結(jié)構(gòu)形態(tài)：完好層、斷裂縫、脆化層和滲鐵層(圖6所示)。

其中，出鐵口以上區(qū)域，磚襯中的脆化層(多裂紋區(qū)域)較薄，脆化層與完好層之間多存在明顯的裂縫或裂紋，這些裂縫(紋)基本平行于熱面，裂縫寬度3～18mm，使部分炭磚呈斷裂狀；在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的炭磚早期斷裂部位，有黏結(jié)物沉積；部分裂縫水平方向在圓周方向連續(xù)發(fā)展，呈環(huán)狀；裂紋中存在明顯的堿性沉積物，與國(guó)內(nèi)外一些文獻(xiàn)報(bào)道一致，在此不重復(fù)。

在出鐵口以下區(qū)域，直至爐底，磚襯中脆化層的厚度增加，且表現(xiàn)為明顯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)疏松，樣品難以制成標(biāo)準(zhǔn)試樣來(lái)做強(qiáng)度檢測(cè)。

2．2 用后炭磚的微觀結(jié)構(gòu)

對(duì)用后炭磚樣品做微觀分析時(shí)發(fā)現(xiàn)：滲鐵層、脆化層和完好層之間存在明顯的界面；在滲鐵層中，基質(zhì)部分有明顯的滲鐵現(xiàn)象。在顯微鏡下，滲鐵層沿炭磚的厚度方向上，從高溫向低溫側(cè)滲鐵量逐步減少，至脆化層滲鐵結(jié)束；脆化層中基本沒(méi)有鐵。

2．3 用后炭磚的性能

對(duì)殘磚的部分樣品進(jìn)行主要性能的檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1～4。

3 關(guān)于用后炭磚

3．1 用后炭磚的工作面形態(tài)

綜合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)關(guān)于爐缸磚襯用后狀態(tài)的描述，不同部位的侵蝕量和殘存厚度不同，直觀表現(xiàn)為工作面形態(tài)不規(guī)則。綜合國(guó)內(nèi)近年來(lái)發(fā)生的多起高爐爐缸側(cè)壁燒穿事故調(diào)查的信息分析，爐缸磚襯工作面的形態(tài)主要有兩個(gè)特點(diǎn)。

(1)在側(cè)壁的高度方向上基本表現(xiàn)為：出鐵口標(biāo)高以上至風(fēng)口之間的侵蝕量較少；出鐵口標(biāo)高以下的侵蝕嚴(yán)重，最大侵蝕量發(fā)生在出鐵口中心以下1～2m之間(因死鐵層深度和爐底形態(tài)不同而異)；計(jì)劃性停爐的爐缸側(cè)壁磚襯殘存厚度多在300～500mm之間；出鐵口部位的殘存厚度最大(因鐵口維護(hù)等原因，也有鐵口殘厚小于上部側(cè)壁的個(gè)案)。基本形態(tài)如圖7所示。

(2)在圓周方向上，不同標(biāo)高位置磚襯工作面表現(xiàn)不一。①出鐵口標(biāo)高以上區(qū)域，越接近風(fēng)口，側(cè)壁的圓度越規(guī)則。②在出鐵口標(biāo)高，沿圓周方向，出鐵口區(qū)域凹凸不一：凸起者爐缸狀態(tài)穩(wěn)定；凹陷者爐缸側(cè)壁溫度異常。③出鐵口以下的象腳區(qū)域，不同角度的工作面軸向輪廓差異很大。出鐵口正下方多表現(xiàn)為突變形凹陷，這種凹陷因爐底形態(tài)的不同而異。

3．2 用后炭磚的結(jié)構(gòu)形態(tài)

在傳熱方向上，用后炭磚多由原始的單一物性結(jié)構(gòu)，變化為不同物性的多層(變質(zhì)、脆化、完好等)結(jié)構(gòu)。此外，以出鐵口標(biāo)高為界，其上部和下部的炭磚結(jié)構(gòu)形態(tài)差異也較大。

(1)出鐵口上部的炭磚中裂縫(或環(huán)裂)更多，寬度更寬，而下部炭磚中多表現(xiàn)為裂紋；

(2)上部炭磚中的脆化層較薄不明顯，而下部炭磚(包括爐底炭磚)中的脆化層更厚且更明顯；

(3)上部磚襯工作面的蝕損多表現(xiàn)為化學(xué)性，裂縫(包括脆化層)中堿金屬沉積較多，尤其是接近風(fēng)口部位，而下部磚襯的熱面蝕損則多表現(xiàn)為滲鐵性，裂紋和脆化層中堿金屬沉積不明顯。

3．3 用后炭磚熱面的黏結(jié)物

停爐后的檢查結(jié)果表明：出鐵口上部磚襯熱面的黏結(jié)物多為渣或渣鐵混合物；出鐵口下部磚襯工作面無(wú)黏結(jié)物。

這與物料處于高爐不同區(qū)域的形態(tài)及物性是相符的：出鐵口標(biāo)高以下，爐缸內(nèi)的鐵水處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，炭磚工作面接觸的基本就是鐵水；只有出鐵口及其以上區(qū)域的側(cè)壁，受爐渣隨鐵水液面上下浮動(dòng)變化的影響，處于與渣和鐵的交變接觸狀態(tài)。由于渣的熔點(diǎn)更低，當(dāng)磚襯受冷卻而降溫時(shí)，更容易黏結(jié)于其表面。

3．4 關(guān)于脆化層

國(guó)內(nèi)外關(guān)于用后爐缸磚襯的調(diào)查資料顯示：脆化層遍布爐缸側(cè)壁整個(gè)磚襯結(jié)構(gòu)之中，包括炭磚和黏土磚。脆化層的產(chǎn)生或許早于磚襯的大范圍侵蝕[13]，在高爐早期停爐檢查時(shí)，就發(fā)現(xiàn)磚襯尚未嚴(yán)重侵蝕，磚襯中脆化層已經(jīng)出現(xiàn)[22]。

長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于脆化層的形成機(jī)理多有報(bào)道，觀點(diǎn)不一。這里僅依據(jù)上述形態(tài)調(diào)查和不同標(biāo)高磚襯脆化層中的成份檢測(cè)結(jié)果，參照實(shí)驗(yàn)室對(duì)一般炭磚做壓應(yīng)力試驗(yàn)后的破壞形態(tài)特征，以及爐缸炭磚運(yùn)行過(guò)程中的受力狀態(tài)(遠(yuǎn)低于炭磚的耐壓強(qiáng)度)。初步分析認(rèn)為：脆化層的形成，源于生產(chǎn)過(guò)程中作用于炭磚上的交變應(yīng)力，而非超強(qiáng)度的穩(wěn)態(tài)正壓力或化學(xué)作用。正是這種低周波的交變應(yīng)力作用，導(dǎo)致磚襯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了疲勞性破壞。這種應(yīng)力的來(lái)源和性質(zhì)有待進(jìn)一步研究確定。有文獻(xiàn)根據(jù)在脆化層中發(fā)現(xiàn)存在以堿金屬為主的化學(xué)物質(zhì)，就認(rèn)為化學(xué)侵蝕是炭磚中形成脆化的主因。筆者調(diào)查后推測(cè)：這類堿性化學(xué)物質(zhì)源于高溫煤氣，當(dāng)煤氣透過(guò)磚襯中已經(jīng)形成的裂紋(縫)，在從風(fēng)口(高壓端)向出鐵口(低壓端)流動(dòng)過(guò)程中，其中夾帶的堿金屬受到冷卻而沉積附著于裂縫中，煤氣所流經(jīng)區(qū)域都將存在堿金屬，包括部分出鐵口標(biāo)高以下的區(qū)域。

有國(guó)外學(xué)者在對(duì)爐缸用后炭磚中脆化層的狀態(tài)及其形成機(jī)理進(jìn)行調(diào)查分析后，也提出了類似的觀點(diǎn)[25，26]。

學(xué)者Tamura等，在研究爐缸炭磚的“脆化”現(xiàn)象時(shí)，詳細(xì)地檢測(cè)了其中的堿物質(zhì)和Zn的分布；也分段測(cè)試了熱導(dǎo)系數(shù)，試圖探討它們與脆化的關(guān)系[27]。研究發(fā)現(xiàn)，“脆化”與堿物質(zhì)并不存在明確的相關(guān)性。首先，K2O的數(shù)量很少，約0．7％，本來(lái)是炭磚中本身的含量，在部分脆化區(qū)的個(gè)別點(diǎn)可達(dá)10％；ZnO的分布極也不均勻，個(gè)別斷裂區(qū)域競(jìng)高達(dá)56％。這顯然是先行斷裂，而后有ZnO滲入之結(jié)果，屬于物理狀態(tài)的填充。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)高爐爐缸用后炭磚的實(shí)際調(diào)查于研究，綜合分析國(guó)內(nèi)外一些調(diào)查案例和研究成果，就高爐爐缸炭磚襯的蝕損及其結(jié)果，提出以下觀點(diǎn)：

(1)在一定的結(jié)構(gòu)形態(tài)、材料物性、冷卻條件等高爐原始條件，和穩(wěn)定的爐燃料條件、操作維護(hù)環(huán)境下，用后爐缸炭磚的工作面最終將維持基本一定的形態(tài)。

(2)爐缸側(cè)壁磚襯的受侵蝕程度，出鐵口中心以上區(qū)域相對(duì)較輕；出鐵口以下區(qū)域較重，尤其是在出鐵口中心以下1～2m范圍。

(3)爐缸側(cè)壁磚襯工作面的附著物，以出鐵口中心為界，上下差異明顯：出鐵口及其上部以渣或渣鐵混合物為主，下部以凝鐵為主。

(4)磚襯工作面受到的損傷，以出鐵口標(biāo)高為界：上部以化學(xué)性損傷為主，其下部以滲鐵性損傷為主。

(5)在傳熱方向上，用后炭磚不再是原始的均質(zhì)單一物性，而是變?yōu)橛啥喾N不同物性(包括變質(zhì)層、脆化層和完好層等)組成的多層結(jié)構(gòu)，不同物質(zhì)的導(dǎo)熱性能差異很大。因此，在爐缸磚襯的侵蝕模型計(jì)算中不能采用均質(zhì)單一物性作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，否則計(jì)算結(jié)果將與實(shí)際產(chǎn)生嚴(yán)重偏差。

(6)根據(jù)在出鐵口上下不同區(qū)域的脆化層中殘存物質(zhì)分析，脆化層的形成過(guò)程與堿物質(zhì)并不存在明確的相關(guān)性。根據(jù)受力狀態(tài)和內(nèi)部殘留物分析，推測(cè)脆化層(包括裂縫)的形成原因，是作用于炭磚的交變應(yīng)力，其中的外來(lái)化學(xué)物質(zhì)應(yīng)該是裂紋形成后外來(lái)物以物理方式沉積填充形成的。關(guān)于這種交變應(yīng)力的來(lái)源、性質(zhì)及其對(duì)磚襯的影響，有待進(jìn)一步研究。

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