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．
技术推荐
