高爐耐火磚襯受損壞的原因解析
高爐的耐火磚襯圍砌成冶煉空間，所以它是生產(chǎn)操作時(shí)的工作表面，受到多種因素的破壞，歸納起來分為兩大類：一類是由高爐冶煉過程自身特點(diǎn)確定的且是連續(xù)作用的網(wǎng)素;另一類則是結(jié)構(gòu)生產(chǎn)因素。前者是第一位的，后者是第二位的。設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)者應(yīng)盡量克服第二類因素的作用，減輕第一類因素的作用。
屬于第一類的因素有溫度作用、機(jī)械沖刷與磨損、爐料帶入的堿金屬和其他元素與磚襯的化學(xué)作用以及析碳反應(yīng)和鋅的沉積等。屬于第二類的因素有設(shè)計(jì)的爐墻結(jié)構(gòu)不合理、所用耐火材料質(zhì)量差、筑爐質(zhì)量差和操作不當(dāng)(如邊緣氣流過分發(fā)展、結(jié)瘤、邊緣管道)等。
A、溫度作用
高爐煉鐵是高溫火法冶金，風(fēng)口燃燒帶形成的高溫煤氣上升時(shí)有相當(dāng)一部分是沿爐墻運(yùn)動(dòng)的，研究表明，耐火磚內(nèi)襯表面的溫度接近流過的煤氣溫度，相差20~50℃。高溫對(duì)耐火磚襯的破壞表現(xiàn)為：
(1)熔蝕。當(dāng)邊緣氣流過分發(fā)展而使用荷重軟化溫度低的劣質(zhì)耐火材料時(shí)，若高溫超過其允許溫度則會(huì)使耐火磚內(nèi)襯熔蝕。
(2)熱應(yīng)力。耐火磚工作熱面溫度接近邊緣煤氣流溫度，而另一端有冷卻器冷卻，溫度低，兩端的溫度差在400℃以上，而且陶瓷質(zhì)耐火磚的導(dǎo)熱性差。這樣就在磚襯內(nèi)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，高時(shí)可達(dá)40MPa;在與冷卻器接觸的地方，磚襯的徑向壓力(輻射狀)達(dá)15~16MPa。熱面部分的耐火磚襯在高溫作用下產(chǎn)生膨脹而傾向于移動(dòng)(相對(duì)于加熱較低的冷端)，結(jié)果在熱、冷邊界處產(chǎn)生很高的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力。當(dāng)這些力超過耐火磚的拉仲強(qiáng)度時(shí)，形成環(huán)形裂縫，在其他因素共同作刖下發(fā)生剝落。爐缸壁炭磚層的中部產(chǎn)生脆裂帶，從爐身下部耐火磚中沿工作熱而發(fā)生平行的裂紋就是典型的實(shí)例。
(3)熱震。熱震是耐火磚遭遇非穩(wěn)定的熱應(yīng)力而被破壞的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象頻繁發(fā)生在邊緣氣流劇烈波動(dòng)，特別是突發(fā)性和大幅度的波動(dòng)時(shí)。溫度高時(shí)，耐火磚體內(nèi)產(chǎn)生很高的熱應(yīng)力，隨著煤氣流的減小，耐火磚表面的溫度逐漸降低。這樣反復(fù)發(fā)生就在耐火磚內(nèi)產(chǎn)生龜裂，最終斷裂：影響熱震破壞的因素主要是溫度的波動(dòng)和耐火磚襯的抗熱震性能，一般來講，碳質(zhì)耐火磚的抗熱震性能好，而陶瓷質(zhì)耐材的抗熱震性能則差。
B、機(jī)械沖刷與磨損
機(jī)械沖刷與磨損是指爐缸內(nèi)渣鐵流動(dòng)對(duì)爐缸壁的沖刷、燃燒帶形成的煤氣帶著粉末向上運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)爐墻爐襯的磨損以及從爐頂裝入爐內(nèi)的爐料在下降過程中對(duì)爐襯的磨損。
(1)爐缸內(nèi)渣鐵流動(dòng)的沖刷。前已述及，焦炭柱(死料柱)浸埋在爐缸積存的渣鐵中，有兩種情況：一種是焦柱深埋在鐵口中心線以下的部分，更接近于爐底;另一種是爐缸鐵水浮力大，使焦柱漂浮在鐵口中心線以上。出鐵時(shí)，渣鐵流是有勢(shì)流，以出鐵口為中心點(diǎn)，渣鐵流朝向其流動(dòng)，由于浸埋的焦柱底部呈球狀突起，渣鐵流流動(dòng)時(shí)邊緣焦炭少、阻力小，因此渣鐵流沿爐缸壁做湍流運(yùn)動(dòng)。鐵水流對(duì)爐缸壁的沖刷，再加上碳未飽和的鐵水對(duì)炭磚的滲碳溶蝕，造成爐缸內(nèi)襯與爐底磚接觸的角部嚴(yán)重侵蝕(即所謂的象腳狀或蒜頭狀侵蝕)。近年來，在爐缸沒計(jì)中通過加大死鐵層厚度來增加鐵水的浮力，使焦柱盡可能漂浮到接近鐵口中心線或以上位置，增加鐵水從死料柱下面通過的量，以減輕鐵水環(huán)流量及其對(duì)爐缸壁的沖刷。另外，在出鐵作業(yè)中要適當(dāng)控制出鐵速度，因?yàn)槌鲨F后期出鐵口直徑變大，鐵水流速增加，而隨著出鐵過程的進(jìn)行，爐缸內(nèi)鐵水減少，焦柱下降，焦柱下通過的鐵水量減少，邊緣鐵水流量增大，沖刷程度加劇。
(2)爐身部位的磨損。裝入爐內(nèi)的爐料對(duì)爐墻的摩擦既增加了爐料下降的阻力，也對(duì)爐墻磚襯產(chǎn)生磨損破壞作用，嚴(yán)重的是上部，因?yàn)闋t型的變化減輕了這一作用。但與此同時(shí)，從燃燒帶上升的煤氣帶著粉末向上運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖刷和磨損破壞作用都有所增加。
機(jī)械沖刷與磨損的破壞作用占全部破壞的比例在10%左右。
C、化學(xué)侵蝕
化學(xué)侵蝕分為兩類：一類是FeO和MnO含量高的初渣的侵蝕;另一類是堿金屬氧化物和氟化物的侵蝕。前者主要發(fā)牛在爐身出現(xiàn)初渣的部位，而后者則殃及整個(gè)爐子的磚襯。后者的破壞作用超過前者數(shù)倍。
堿金屬氧化物的破壞作用表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：
(1)堿金屬氧化物與耐火磚中的SiO2反應(yīng)形成低熔化溫度的化合物，其結(jié)果或是將爐襯破壞，或是形成爐瘤的根，成為損壞爐襯的重要原因之一。
(2)堿金屬氧化物與耐火磚中莫來石(3A12O3·2SiO2)反應(yīng)形成鉀霞石(K2O·A12O3·2SiO2)白榴石(K2O·A12O3·4SiO2)，同時(shí)伴隨有30%～50%的體積膨脹，后果是造成爐襯剝落。
(3)堿金屬與炭磚中的碳反應(yīng)形成有機(jī)物(例如KnCm)，使炭磚變得疏松，在鐵水滲透作用和環(huán)流運(yùn)動(dòng)下炭磚被損壞。
堿金屬破壞作用是磚襯損壞的最主要原因，其占全部破壞的比例達(dá)40%左右。
D、析碳反應(yīng)及Zn、SiO等的作用
析碳反應(yīng)2CO=CO2+C在高爐內(nèi)開始于340～370℃，而在500～700℃范圍內(nèi)大量發(fā)生并伴隨著體積膨脹(6cm3/mol)，從而在耐火磚襯的空隙中產(chǎn)生很大壓力(最高可達(dá)，導(dǎo)致耐火磚襯破損。更為嚴(yán)重的是，還原出來的金屬Fe、Zn、Ni、Co和堿金屬及其氧化物等都是這個(gè)反應(yīng)的催化劑，加重了析碳反應(yīng)的破壞作用。
Zn和SiO的破壞作用是在爐襯及管道內(nèi)結(jié)瘤。
析碳反應(yīng)和Zn、SiO的破壞作用僅次于堿金屬氧化物，其占全部破壞的比例在20%左右。
E、結(jié)構(gòu)性因素的作用
磚襯損壞的重要因素之一是設(shè)計(jì)和建造的爐墻結(jié)構(gòu)不合理。典型的例子是爐底磚襯漂浮，爐身磚襯的支撐元件不好甚至無支撐元件，導(dǎo)致上部爐襯脫落，使這些爐襯還沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用就遭到破壞。
耐火材料質(zhì)量差和建爐質(zhì)量不好為第一類破壞因素的作用創(chuàng)造了條件，例如，耐火磚的孔隙率大、砌磚的縫隙大為堿金屬氧化物、析碳反應(yīng)等創(chuàng)造了反應(yīng)場(chǎng)所。
操作中邊緣氣流過分發(fā)展會(huì)使?fàn)t墻工作熱面溫度過高，為溫度作用創(chuàng)造了條件，使磚砌過早剝落。
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