况百梁 黄峥嵘
(新余钢铁有限责任公司)
摘 要 对新钢6号高炉炉壳频繁开裂的原冈进行了分析。根据破损调查结果,认为炉壳开裂的主要原因是,由于炭砖体积的异常膨胀,使炉底炭砖产生裂缝,造成含有高锌的煤气串入,生成大量ZnO和沉积碳,进而产生体积膨胀,进一步破坏炭砖,胀开炉壳。
关键词 高炉 炭砖 炉壳 开裂
新钢6号高炉(1050m3)为板壁结合型高炉,炉底、炉缸采用大块炭砖加陶瓷杯的结构。炉底采用5层炭砖,从下到上分别为4层半石墨炭砖、1层微孔炭砖。陶瓷杯底部陶瓷垫采用2层刚玉莫来石砖,陶瓷杯杯壁采用1层复合棕刚玉砖,陶瓷杯杯壁外的炉缸大墙采用微孔炭砖。水冷炉底,水冷管位于封板下。6号高炉于2005年11月25日投产,到2009年2月19日停炉大修,期间炉壳共有51条裂缝。停炉大修时,我们对炉壳开裂原因进行了破损调杏。
1炉壳开裂情况
2006年3月,炉底中心温度七升较快,由开炉时的50℃上到250℃。炉底中心温度的变化如图l所示。炉底炭砖温度最高上升到1 040℃,我们认为这主要是陶瓷杯局部损坏后有铁水渗漏所造成。为此,从6月开始,采取降顶压、加钒钛矿、提高炉温操作等护炉措施后,炉底炭砖温度呈下降趋势,目前稳定在600℃。
2007年2月5日,6号高炉炉壳出现第1条裂缝,到停炉大修时共有5l条裂缝,最长的有7m,宽度最宽的有10 mm。主要有以下特点:
(1)两次开裂时间间隔短,平均在17天左右,短则1天,最长110天。
(2)开裂部位主要在风口以下,以2、3段冷却壁炉壳为主,集中在南北风口下方和西铁口下方。
2 炉壳开裂的原因
(1)炉壳钢板材质选择的影响。6号高炉选择的是60 mm厚的Q235C钢板,根据设计规范,1000m3级高炉一般选择Q345C钢板,钢板强度相差一个级别。2008年6月,将6号高炉炉壳钢板取样送武钢研究院检验,结果为:①化学成分中S、P含量低,远优于武钢炉壳钢。②力学性能中屈服强度和拉力强度均低于武钢炉壳钢。延伸率明显大于武钢炉壳钢,该钢板有较好的韧性和良好的冷弯性能。③金相组织检验表明,夹杂物少,金相组织为铁素体加珠光体,组织正常,铁素体晶粒度7.5级,大小正常。总的来说,炉壳钢板从力学性能、金相组织分析,质量应为较好,屈服强度、拉力强度偏低,炉壳质量不是开裂的主要原因。
(2)Zn的渗透侵蚀和大量沉积碳产生体积膨胀是炉壳开裂的主要原因。表l是6号高炉炉缸炭砖取样成分分析结果。炉底最下层炭砖样(第一层)就含有很高的Zn含量,高达42%,以上的各层炭砖靠冷却壁部位和环缝带的炭砖都含有很高的Zn含量,折合ZnO最高的超过60%,如第7层炭砖样,含ZnO 64.79%。Zn的熔点419℃,沸点907℃,ZnO的还原温度1030oC。1030℃以下ZnO以化合物状态存在炭砖中,低于419℃Zn则以固态存在,Zn可以进入炭砖高于419℃以上的砖缝、裂纹、气孔中。6号高炉开炉后3个月炉缸和炉底温度达到700℃以上,因此Zn能进入炉底最下层炭砖和炉缸靠冷却壁的炭砖。
表1 新钢6号高炉炉缸炭砖取样成分分析结果,%
项 目 |
灰粉 |
K2O |
Na2O |
Zn |
ZnO |
TFe |
Pb |
Ti |
1层炭砖北面 |
49.04 |
0.047 |
0.062 |
42.38 |
52.81 |
0.42 |
0.6 |
0.039 |
2层炭砖(炉底) |
26.8 |
0.11 |
0.08 |
8.68 |
10.82 |
1.07 |
0.03 |
0.05 |
3层炭砖中心 |
57.8 |
0.091 |
0.11 |
35.92 |
44.76 |
0.48 |
0.086 |
0.048 |
4层炭砖粉化层 |
58.15 |
0.017 |
0.073 |
15.4 |
19.19 |
18.01 |
0.19 |
0.077 |
5层炭砖内端 |
62.46 |
0.066 |
0.051 |
35.7 |
44.48 |
0.51 |
0.093 |
0.016 |
6层炭砖粉化层 |
51.47 |
0.16 |
0.086 |
38.8 |
44.61 |
0.52 |
0.43 |
0.091 |
7层炭砖砖 |
81.94 |
0.041 |
0.033 |
52 |
64.79 |
0.25 |
0.17 |
0.013 |
8层炭砖粉化层 |
55.45 |
0.12 |
0.052 |
26 |
32.4 |
0.91 |
1.55 |
0.052 |
Zn对炭砖的侵蚀,主要是Zn生成ZnO过程中产生50%的体积膨胀,破坏炭砖。Zn生成ZnO的同时产生大量的沉积碳,也发牛体积膨胀破坏炭砖。渗入炭砖的ZnO在高于1030℃时,可以和炭砖中的碳反应生成Zn,Zn立即汽化消耗炭砖,因此Zn比K、Na破坏作用更大。由于炭砖环缝带靠近冷却壁,而且ZnO含量很高,炭砖粉化严重,产生很大的膨胀力,以至将炉壳胀开。其他钢厂高炉炉缸炭砖环缝一般发生在炭砖靠冷却壁500~700 mm区间,炭砖膨胀力有向炉内释放的机会,向炉壳的膨胀力也有缓冲的机会,加之炭砖微气孔指标较好,K、Na、Zn渗透较少,因此对炉壳产生的膨胀力较小,不致引起炉壳开裂【1】。
(3)6号高炉用的微孔炭砖抗碱性很差,为Zn的渗透侵蚀提供了方便。从开炉不久炉底中心温度上升较快可说明炉底炭砖开始产生裂缝,造成含Zn量很高的煤气串入,生成大量ZnO和沉积碳产牛体积膨胀,进一步破坏炭砖,胀开炉壳。因此,微孔炭砖质量差是炉壳频繁开裂的重要原因之一。
(4)6号高炉用的炭素捣打料导热系数和炭砖一样也很小(见表2),也是炉壳开裂的原因之一。
表2 新钢6号高炉炭素捣打料性能检验结果
项 目 |
显气孔率 |
体积密度 |
耐压强度 |
灰分 |
导热系数,W/(m·K) |
% |
g/cm3 |
MPa |
% |
室温 |
300℃ |
600℃ |
4层炭砖 |
14.2 |
1.42 |
58.52 |
28.65 |
1.64 |
1.8 |
2.3 |
炉底 |
9 |
1.66 |
48.24 |
14.91 |
2.68 |
3.87 |
5.56 |
炉底密封板下 |
|
1.51 |
8.42 |
4.35 |
4.16 |
4.71 |
5.62 |
炉缸炉底冷却必须通过炭捣料层将炭砖的热量传出来,然后通过冷却水将热量带走,才能使炭砖保持在较低温度下工作。过去高炉设计和建设没有注意这一点的重要性,往往是炭砖导热系数提高很多,而炭捣料导热系数仍然很小,由此造成国内很多高炉开炉不久,炉缸炉底炭砖温度升高很多,超过炉缸炭砖温度的警戒线(500℃),形成严重侵蚀的假象,如太钢、长治等高炉。这种现象必须纠正,应当使炭捣料和炭砖的导热系数基本相等。
6号高炉炉缸炭捣料的导热系数仅1.64~2.3W/(m·K)。破损调查时发现炭捣料未捣实,拆除炉衬时有些是松散状,这更影响导热系数。显然这种炭捣料是用普通无烟煤制造的,不是电煅煤,更不是石墨。这样的炭捣料不可能实现强化高炉冷却,是环形侵蚀缝靠近冷却壁,Zn渗透直到最下层炭砖的重要原因。因为环形裂缝产生的条件是800~1000℃范围内,即K、Na、Zn高富集的温度范围,低于或高于此温度范围,K、Na、Zn均不会对炭砖形成侵蚀,因此一般环缝内外的炭砖均能保持较高的强度,侵蚀较少。如果能将炭砖炉衬内800~
1 000℃温度区间通过冷却推入炉内,炭砖环形裂缝侵蚀现象就可以消除。
(5)6号高炉冷却壁内的水管为Φ35mm无缝钢管,设计的冷却强度太小。根据武钢的情况,对1 000 m3以上的高炉冷却水管应采用Φ50~60 mm的水管,水速达到1.5~2m/s,水量达到2500m3以上,并且采用软水密闭循环冷却,才能保持醒够的冷却强度。因此,新钢6号高炉冷却壁设计不合理,冷却强度太小,是环形裂缝靠近冷却壁,炭砖温度过高,炉壳开裂的重要原因之一。
3炭砖膨胀机理
K、Na、Zn的来源由原料带入高炉,K、Na、Zn在原料中以硅酸盐、铁酸盐等化合物存在。随原料进入高炉,在高炉下部高温区,1000~1200℃,K、Na、Zn被还原。Na的沸点890℃、K的沸点766℃、Zn的沸点907℃,1000~1 200℃被还原的K、Na、Zn立即气化,随煤气上升,一部分遇到低温炉料冷却后凝固在炉料上,与煤气中的CO2、CO和炉料中的水分相遇又生成K2CO3、Na2CO3、ZnO,随炉料下降,至高温区又被还原为K、Na、Zn,又随煤气上升,就这样形成循环富集,使煤气中K、Na、Zn含量逐渐增高。因此高炉炉料、砖衬和黏结物中富集有很高的K2CO3、Na2CO3、ZnO。
另一部分K、Na、Zn则随煤气带出炉外进入炉尘和洗涤水中沉积,还有一部分K、Na、Zn渗入砖衬的砖缝、裂纹和气孔中,在适宜的温度(800~1000 ℃)下沉积下来,在砖缝中与CO2、CO和水反应生成K2CO3、Na2CO3、ZnO,生成过程中产生50%~70%的体积膨胀,破坏砖衬,砖衬中的环形裂缝就是这样产生的。
6号高炉环缝物中没有K2CO3、Na2CO3,但有很高的ZnO,因此6号高炉炭砖炉衬环缝产生的主要原因是锌的富集和渗透。Zn在800~1030℃下生成ZnO产生体积膨胀破坏炭砖形成环形裂缝,反应式如下:
Zn+CO2→ZnO+CO↑
该反应可以产生54%的体积膨胀。
400~600℃时CO又可以生成沉积碳,即析碳反应,反应式如下:
2CO→C↓+CO2↑
在有锌作为催化剂条件下,800~1 000℃都能产生沉积碳,反应式如下:
Zn+CO→ZnO+C↓
因此,有ZnO生成都有大量沉积碳生成。6号高炉炭砖试样的岩相分析结果也证明这一点。
4 结语
6号高炉炉壳开裂的主要原因为砖体积的异常膨胀,使炉底炭砖产生裂缝,造成含有高Zn的煤气串入,生成大量ZnO和沉积碳产生体积膨胀,进一步破坏炭砖,胀开炉壳。而炉壳频繁开裂的主要原因是膨胀始终未能消除或减轻炉缸部位ZnO产生的条件。所以,高炉在设计和选材时要进行系统考虑如何提高冷却强度、选用导热性能优良的耐材、提高筑炉质量,使900~1000℃温度区间尽可能向炉内推移。此外,应从源头上减轻有害元素的危害。
5 参考文献
[1]刘国军.天铁2号高炉炉缸炉壳开裂原因分析[J].天津冶金,2008(6):11—12.