高爐內襯出現這些蝕損現象的原因分析

高爐內襯，受機械、化學和熱應力等環境因素的長期影響而蝕損，在使用一定時間后需要進行必要的維修或更換。因設計、材料配置和操作水平等條件的不同，高爐內襯一代爐役的使用壽命短則2?3年，國際上最長的大型高爐連續使用一代爐齡已經超過20年。

        為了提高高爐的內襯壽命，國內外的專業技術人員從調查高爐內襯用后蝕損情況的角度出發，分析蝕損原因，提出改善和提高內襯耐火材料和結構的技術水平和使用效果的方案，使高爐的內襯壽命得到逐步提高。

        表1列舉的是國內外部分高爐，經過一代爐役后耐火材料的蝕損情況。

1、蝕損的特征

高爐內襯耐火材料的工作條件是十分苛刻的，其蝕損機理因部位不同而異，耐火材料的材質選用、生產原料和操作方式等因素對髙爐內襯的蝕損程度也有很大的影響。

高爐內襯耐火材料的蝕損原因是多方面的，見表2。根據國內外一些高爐內襯的蝕損調査結果表明：蝕損的原因主要集中在熱應力、化學性和機械性三方面。也有研究結果指出，就高爐內襯耐火材料的蝕損規模而言，熱應力造成的結構性蝕損，比化學性和機械性蝕損更為重要。圖1為髙爐內襯受蝕損作用圖。

圖1高爐內襯蝕損作用圖

表2高爐爐襯的蝕損原因

總體來講，高爐各個部位受多種因素的影響，而導致內襯出現不同形式的蝕損，其特征大致可以歸納為以下幾點：

(1)爐體大部分的磚襯內部產生龜裂，龜裂的特征是：裂紋方向基本都與工作面相平行，即使在沒有堿金屬侵蝕的內襯深部也有同樣的龜裂特征。龜裂嚴重的部位，導致冷卻壁長期裸露而破損;

(2)爐體內襯蝕損的主要部位在爐身中部以下，這部分內襯的蝕損早期速度快，多發生在開爐頭3年。如寶鋼1高爐、日本君津3高爐、澳大利亞堪培拉鋼廠2高爐等。而爐腰和爐腹內襯的蝕損則沒有其上部突出;

(3)使用大塊炭磚作為內襯的爐缸，集中的蝕損問題是“象腳”狀蝕損和磚襯內部的環裂，嚴重的情況是在冷態調查時發現裂縫中有凝固狀鐵水;

(4)對具有良好導熱性能的爐底磚襯結構，基本沒有導致高爐停爐的嚴重蝕損情況。

圖2?圖5為國內一些高爐內襯的蝕損情況。

圖2   某4063m3高爐爐身內襯蝕損趨勢圖

(1-爐腰部位蝕損趨勢;2-爐身下部蝕損趨勢;3-爐身中部蝕損趨勢;4-爐身上部蝕損趨勢)

圖 3  某1513m3高爐沿高爐高度方向上堿金屬的分布情況

(1-K2O;2-Na2O;3-Zn;4-F)

2、蝕損原因

根據國內外對大量高爐的停爐后的解體調查結果，以及對生產過程中對高爐狀態的檢測數據分析，可以得出高爐內襯蝕損的主要原因是：在高爐使用過程中，高爐內襯長期受到熱負荷沖擊、機械蝕損和化學介質等因素的影響，以及高爐原料和操作因素變化的影響。

對于內襯的蝕損，化學方面的主要因素有：堿金屬、鋅蒸氣，在CO存在的條件下，K2O或ZnO,包括C顆粒在磚襯內的沉積;O2、H2O、CO2等介質的氧化和渣蝕等。高爐內堿的來源包括焦炭、鐵礦石、石灰石等爐料帶入的堿成分。堿金屬對爐襯的蝕損，是以其與耐火材料在高溫條件下發生化學反應,并生成新的化合物，形成脆化層，致使磚襯從熱面向冷面逐漸蝕損;而在有含堿蒸氣的條件下，堿蒸氣穿過爐襯的各種縫隙，從熱面向冷面不斷蝕損。例如：某高爐調查時，發現在爐缸附近有的鉀蒸氣，隨氣流上升，在爐內形成k2CO3和K2SiO3，它們與爐襯中的高嶺石、莫來石、黏土等發生反應，生成鉀霞石、白榴石或β-Al203。鉀霞石的體積膨脹約50%,白榴石的體積膨脹約30%，β-剛玉的體積膨脹約30%。在發生反應的變質層與未變質層之間發生差異膨脹，從而在磚襯內部產生巨大的膨脹應力，當膨脹應力超過磚襯的強度時，使磚襯因破損而變得疏松，出現片狀脫落現象。在高爐的爐身下部以下區域，沒有一種耐火材料可以不受鉀的蝕損的。鈉的量比較少，但其作用和鉀一樣;鋅主要是附著在爐襯的表面，透過磚襯的微裂紋或氣孔，形成ZnO·A1203和2ZnO·Si02等導致爐襯的崩解效應。

圖4   某2580m3髙爐使用5年后爐缸內襯的蝕損情況

圖5   某2503m3高爐使用4年5個月后爐缸內襯的蝕損情況

總之，高爐中的堿蝕損和鋅炭沉積，引起爐襯的體積異常膨脹，使爐襯耐火材料變質剝落，是爐襯蝕損的根本原因。

另外，爐襯內部產生的熱應力，以及磚襯結構的約束應力，也是爐襯破壞、脫落的主要原因。就其規模來說，這種破壞比化學性質的蝕損更為重要。這種內部應力，除了與爐襯的材質有關外，還與爐襯整體結構的設計，包括耐火磚與磚縫的尺寸大小、膨脹吸收帶的設置、冷卻設備和冷卻強度，以及爐襯支撐結構等方面的因素，與高爐開爐方式、開爐后的起始條件、氣流的分布、粘著物的脫落、崩料等操作方面涉及熱量的因素有關。經驗表明，對高溫高壓操作的大型高爐而言，這種熱應力對爐襯的破壞作用更為明顯。

曰本鋼管公司福山廠，在高爐停爐后對殘磚進行檢査后發現，爐襯磚內部的裂紋形狀，多數是與工作面平行的。進一步檢查還發現，在靠近這些裂縫的地方，耐火材料的組織并沒有產生變質。這表明，爐身下部內襯的蝕損，主要是由于平行于工作面的裂縫所引起的幾厘米范圍內的反復脫落造成的。堿金屬和爐氣中的其他成分與這種蝕損無關。實驗的結果進一步證明，這些與工作面平行的裂縫，是由熱應力引起的。

對大部分使用大塊炭磚砌筑的高爐來講，爐缸部分內襯的蝕損形式主要表現為熱面的脆化層和磚襯內部的環裂問題，嚴重的情況會在環裂縫隙內出現凝鐵。表面脆化層的形成主要是由于磚襯與堿金屬、鋅反應而產生膨脹;表面受熱應力或機械應力的作用，使磚體組織破壞，同時加速了渣鐵對磚體的蝕損。這種情況尤其出現在爐缸側壁與爐底的轉角處，加上一些高爐的死鐵層比較淺，鐵水的環流作用更為明顯，從而形成“象腳”狀的蝕損外形。

從20世紀90年代起，在我國的一些高爐上，使用了熱壓小塊炭磚作為爐缸側壁內襯材料，使這種象腳形蝕損和環裂問題得到改善或基本解決。有文獻報道，在我國某鋼鐵公司的5號第四代高爐(2000m3)的爐缸側壁，在使用了熱壓小塊炭磚后，使用壽命從上一代的2.9年提高到11年，因其他設備問題而停爐。停爐后對爐缸內襯耐火材料的解體調查結果表明，爐缸內襯側壁內無環裂和凝鐵現象。按其他設備可正常使用推算，這種材料結構的爐缸內襯使用壽命，預計可達15年以上。

下面是我國某煉鐵廠對高爐爐缸蝕損情況的調査分析報告，報告比較詳盡描述了爐缸內襯的蝕損狀態，其原因分析僅供讀者參考。

在對爐缸的凋查過程中發現，風口與爐腹的變徑處、渣口水平區域、鐵口及爐缸與爐底交接處的磚襯蝕損嚴重。因蝕損程度不一而在爐缸側壁形成了“凸肚”形和“平底象腳”形。

(1)爐缸上部。由于風口回旋區的存在，上面的爐料在下降過程中產生摩擦力，加上爐料重力及崩料時產生的巨大沖擊力，特別是髙爐后期邊緣發展，焦比升高，大量高溫高速煤氣流的向上沖刷力等各力的綜合作用，使得該部位的磚襯在后期不斷減薄，蝕損到一定程度后，在冷卻壁高強度冷卻下形成一層穩定的保護性渣皮而使爐體的狀態得到緩和。

(2)渣口中心水平面。高爐放渣時，渣口中心水平面周邊磚襯還受到渣環流沖刷，在渣口周圍更加劇烈，同時當渣口燒壞時，由于漏入水的作用，使得磚襯表面溫度驟變，產生變形開裂，從而加劇了蝕損速度。殘留的磚襯與中修時差不多。這是由于中修時在磚襯內表面搗固了一層800mm厚的炭素料，開爐后由于炭素料具有良好的導熱性，當磚襯減薄到一定程度時形成了穩定的渣皮保護磚襯，故在拆爐時發現磚襯內炭搗層完好，磚襯工作面緊黏著渣皮。

(3)爐缸下部及爐底。爐缸鐵口周邊磚襯非常薄，只剩下0?140mm。有資料分析認為，這是由于鐵水、爐渣的環流洗刷，出鐵結束時的煤氣流動，再加上開口機、泥炮的外力作用的結果。在此處的炭搗層由于鐵水的漂浮作用和出鐵時的環流效應，基本被沖刷,往上才逐步增厚。爐缸與爐底相連處，由于爐役后期邊緣發展，中心不夠活躍，環流效應加強，從而加速了磚襯的侵蝕，所剩磚襯只有160?800mm。由于爐役后期加了鈦礦護爐，對爐底起到了保護作用。爐底中間一層20mm厚的略帶金黃色的沉積物，經分析鈦高達1.00%,使得等溫線不再下移，爐底最后蝕損成“平底象腳”形。

(4)環縫的形成。調査還發現，在爐缸側壁磚襯內部存在明顯的環裂。環裂位置基本上位于形成渣、鐵環流的部位。這是由于爐缸磚襯的溫度分布從里到外呈遞減分布。由于溫度分布的不均勻性，造成磚襯的膨脹量不一致，靠近渣鐵面膨脹大，而遠處則小。根據應力分析，得出熱端面受到壓應力，而冷端面受到拉應力。在這兩種應力交界處極易斷裂。當受到環流的高溫沖擊時，加劇了斷裂而形成環形裂縫。

出鐵場渣鐵溝和鐵蓋蝕損

(1)主鐵溝內襯的蝕損主要有以下原因：主溝內同盛有渣和鐵，并且渣鐵在主溝內分離，渣鐵界面與撇渣器容易受到渣和鐵的侵蝕;主溝前段3?5m受鐵水從鐵口噴出的沖擊，容易形成小坑;鐵水流動對內襯底面的沖刷蝕損等。

(2)鐵溝主要受到鐵水流動沖刷，主要是溝襯底部受侵蝕。

(3)渣溝容易在內襯上結殼，相對侵蝕較小。殘鐵溝通常只是檢修時才用，蝕損量較小。實際使用中，渣線部位由于受熔渣的蝕損，同時受到經常性環境溫度突變的影響，蝕損情況比其他部位更為嚴重，在各溝頭連接部位容易產生裂縫，在溝底容易產生局部熔損大的現象，影響整體使用壽命。目前，在高爐鐵水溝內襯使用的耐火材料主要有搗打料和澆注料兩種。由于無物性上的差異，蝕損速率也有差異。圖9-6所示的是某廠高爐使用兩種材料后實測的蝕損速率。

除了鐵水溝內襯材料的技術性能，內襯的砌筑方式、鐵水溝的結構形式、高爐的操作和維護水平等都對鐵水溝的使用壽命產生影響。其影響程度如圖9-7所示。

鐵水溝上的溝蓋內襯，在使用過程中除了受到鐵水噴濺和沖刷作用、鐵水和熔渣的蝕損影響外，環境溫度的反復變化也是一個不可忽視的因素。

圖9-6搗打料與澆注料的蝕損速率比較

圖9-7影響高爐鐵水溝使用壽命的主要因素和權重

混鐵車內襯的蝕損

根據混鐵車的內襯結構及其功能特點，可以把內襯分為七部分：受鐵口、頂部、直筒部、錐體部、渣線區、鐵水沖擊區和端墻，見圖9-8。在實際使用過程中，這七部分的耐火材料受蝕損的主要因素存在差異：

(1)受鐵口。鐵水和熔渣的侵蝕，同時受到溫度急劇變化的影響。這是一個容易忽視的影響因素，在材料選用時需要特別注意;

(2)頂部。高溫氧化、熔渣侵蝕，當混鐵車用作鐵水預處理容器時，還受到鐵水的沖刷和強堿的侵蝕;

(3)直筒部。同時承受鐵水、熔渣和高溫氧化的影響;

(4)錐體部。同時承受鐵水、熔渣和高溫氧化的影響;

(5)渣線區。熔渣和鐵水交替侵蝕;

(6)鐵水沖擊區。鐵水的沖擊和長期侵蝕;

(7)端墻。鐵水的侵蝕以及鐵水的側向壓力。這是整個混鐵車內襯中最容易發生漏鐵的部位。

圖9-8 混鐵車內襯結構示意圖

此外，混鐵車內襯的烘烤制度、運行過程中的內襯溫度控制以及混鐵車的運行調度安排等都對混鐵車內襯的蝕損產生較大的影響。在我國一些鋼鐵企業實際使用混鐵車過程中，耐火材料內襯的一代壽命短的只有400爐左右，長的可以達到1500爐以上。

混鐵車與僅用作鐵水運輸的設備不同，當混鐵車同時作為鐵水預處理設備時，內襯所受到的蝕損程度大大高于前者，壽命將大大縮短。所以，在內襯材料的配置時需要特別注意，針對不同的鐵水預處理介質以及形成的鐵水渣的特點，在不同的部位配靑適當的耐火材料。目前，我國最早采用混鐵車作為鐵水運輸和預處理設備的寶鋼，通過采用綜合內襯結構配置，即針對不同部位的蝕損特點，選用不同特性的耐火材料構筑內襯，壽命比傳統結構大幅度提高，維修量大幅下降，效果十分明顯，三脫條件下，一代內襯壽命穩定在1200爐左右。

鐵水罐內襯的蝕損

鐵水罐與混鐵車相似，鐵水罐的主要功能是把高爐鐵水從煉鐵工序運送到煉鋼工序，所不同的是在結構上，鐵水罐是完全敞開著的。

鐵水罐內襯的蝕損形式主要包括：

(1)高爐出鐵時鐵水直接對包底的沖擊;

(2)由于鐵水流和攪動作用，對內襯不斷沖刷和磨損;

(3)當鐵水脫硫時，噴吹的脫硫劑攪動鐵水，對內襯耐火材料造成沖刷，有些煉鋼廠工藝，把脫硫槍直接插入鐵水罐底部進行深脫硫，噴吹脫硫加大了鐵水對底部耐火材料沖刷，加快了對耐火材料的蝕損速度;同時，強堿性脫硫材料，使鐵水中造出的渣堿度増加，從而加劇了對鐵水罐內襯材料的蝕損。

此外，鐵水罐在周轉過程中內襯環境的溫度變化非常大，作為鐵水運轉的工具，鐵水罐一般每天周轉3?6次，內襯表面的溫度從高爐受鐵時的1550?1650°C,中途運行過程中的1400?1500°C，到煉鋼倒出鐵水后空罐時的800?1200°C，如果空罐時間延長則罐襯表面的溫度將更低，到煉鐵工序后再次接受高溫鐵水的沖擊，內襯耐火材料長期經受溫度變化的作用，尤其是在罐口沿，蝕損非常嚴重。