我國高爐用炭磚的發(fā)展大致經(jīng)歷了3個階段:1995年以前是以中溫電煅無煙煤和冶金焦為原料生產(chǎn)的普通炭磚,1995年開發(fā)出以電煅無煙煤為原料生產(chǎn)半石墨炭磚和微孔炭磚,2004年開發(fā)出以石墨化無煙煤為原料生產(chǎn)超微孔炭磚。這3個階段反映了我國高爐炭磚生產(chǎn)追求世界先進水平的發(fā)展過程,近年國產(chǎn)高爐炭磚的質(zhì)量已有了很大的進步。

近期出現(xiàn)應(yīng)用微孔炭磚、半石墨炭磚、美國熱壓炭磚的多座高爐,僅生產(chǎn)3~4年就發(fā)現(xiàn)爐缸侵蝕嚴重,不得不進行大修的問題。究其原因有冷卻設(shè)計、冷卻水質(zhì)、水量問題,而最重要的原因是炭磚質(zhì)量較差,如炭磚導(dǎo)熱率低、抗堿性差,微氣孔指標差、抗鐵水熔蝕性差等。此外,爐缸設(shè)計和結(jié)構(gòu)方面也暴露出一些問題,不適應(yīng)當前高冶煉強度操作的需要。

在炭磚產(chǎn)品檢測中經(jīng)常發(fā)現(xiàn),送檢炭磚產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)、微氣孔指標和抗堿性、抗鐵水熔蝕性等關(guān)鍵性能存在較大問題,往往是經(jīng)多次復(fù)驗才勉強過關(guān),表明這些炭磚產(chǎn)品質(zhì)量水平較低,性能指標較差,且不穩(wěn)定,有的炭磚產(chǎn)品甚至倒退到過去的普通炭磚水平。

生產(chǎn)炭磚用原料的選擇

1.1石墨電極不適宜做為生產(chǎn)炭磚用原料

1.1.1石墨電極結(jié)構(gòu)致密性差

有的高爐設(shè)計和炭磚使用廠,片面強調(diào)提高導(dǎo)熱系數(shù),以為導(dǎo)熱系數(shù)越高越好,對炭磚的其他性能則重視不夠。石墨電極和石墨磚導(dǎo)熱系數(shù)很高,石墨磚的導(dǎo)熱系數(shù)室溫可以達到110W/(m·K),用石墨電極為原料制成的炭磚導(dǎo)熱系數(shù)室溫可以達到30~60W/(m·K),但是這種石墨質(zhì)炭磚抗鐵水熔蝕性很差,抗K、Na、Zn和鐵水滲透性也很差。因為生產(chǎn)電極的原料———石油焦,是一種疏松多孔結(jié)構(gòu),類似冶金焦的結(jié)構(gòu),遠不如電煅無煙煤結(jié)構(gòu)致密。

1.1.2石墨電極為原料生產(chǎn)的炭磚使用性能較差

目前國內(nèi)不少高爐將石墨為原料生產(chǎn)的炭磚用于爐缸部位,如全部以石墨電極為原料的美國NMD炭磚;以部分電煅無煙煤和部分石墨電極為原料生產(chǎn)的炭磚用于高爐的則更多,如美國的NMA炭磚,國內(nèi)某些炭素廠生產(chǎn)的超微孔炭磚和微孔炭磚都是部分或大部分以石墨電極為原料。

石墨磚、含石墨較高的炭磚的相關(guān)性能

石墨磚和含石墨高的NMA、NMD炭磚和優(yōu)質(zhì)超微孔炭磚、微孔炭磚相比較,雖然導(dǎo)熱系數(shù)很高,但鐵水熔蝕率和氧化率指標較差,微氣孔指標更差。這是因為石墨電極和焦炭疏松結(jié)構(gòu)對炭磚性能有不利影響,這必然影響無石墨電極高爐使用效果,降低高爐壽命。國內(nèi)已有多座高爐因應(yīng)用這樣的炭磚導(dǎo)致高爐壽命較短,因此應(yīng)當引起高度重視。不贊成炭磚生產(chǎn)采用石墨電極為原料,提高導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)采用提高電煅無煙煤的石墨化度的方法,而不應(yīng)采用加入石墨電極的錯誤方法,更不應(yīng)采用石油焦、冶金焦、中溫電煅煤等落后方法。

2電煅無煙煤為原料適合目前高爐炭磚要求

武鋼4號高爐第3代是微孔炭磚和半石墨炭磚研制成功后第1批采用該產(chǎn)品的高爐,該高爐1996年10月投產(chǎn),生產(chǎn)9年9個月,其微孔炭磚和半石墨炭磚全部采用電煅無煙煤為原料。停爐大修時,觀測結(jié)果表明,爐缸炭磚侵蝕不嚴重,蘑菇侵蝕區(qū)侵蝕最多,從上到下11層炭磚,平均厚度1053mm,最薄處厚度為660mm。爐底的半石墨炭磚侵蝕更少,僅圓周有一深為540mm的環(huán)帶侵蝕坑,中間很大區(qū)域炭磚幾乎未被侵蝕,保持原厚度。從爐體侵蝕角度估計,該高爐爐缸炭磚爐襯還可以正常生產(chǎn)5年,即可以滿足15年高爐壽命的要求,只是因為考慮公司其他高爐大修改造才提前結(jié)束了第3代爐役。

武鋼5號高爐采用法國AM102型微孔炭磚,寶鋼1號、2號高爐采用日本BC-7SR型微孔炭磚,高爐壽命達到了10~16年。生產(chǎn)實踐證明,以電煅無煙煤為原料生產(chǎn)炭磚的技術(shù)路線是正確的,可以滿足目前高爐高冶煉強度下長壽高爐的需要。

二、爐缸冷卻能力的提高

1選擇合適的炭磚導(dǎo)熱系數(shù)

炭磚導(dǎo)熱系數(shù)是評價炭磚質(zhì)量的重要指標之一,也是提高爐缸冷卻能力、減緩爐缸侵蝕的重要措施,因為在足夠的冷卻條件下,熱量通過炭磚及時傳出爐外,才能保持炭磚在較低溫度下工作,保持炭磚內(nèi)表凝結(jié)渣壁。

目前以電煅無煙煤為原料生產(chǎn)的微孔炭磚和半石墨炭磚600℃的導(dǎo)熱系數(shù)只能達到12W/(m·K)左右,以石墨化無煙煤生產(chǎn)的超微孔炭磚導(dǎo)熱系數(shù)只能達到20~23W/(m·K)。設(shè)計者和使用者不必提出過高的要求,否則炭磚生產(chǎn)者就得采用非常手段,在炭磚原料中加入大量的電極石墨,以滿足這些用戶對導(dǎo)熱系數(shù)的要求,這樣雖然提高了導(dǎo)熱系數(shù),卻損害了炭磚其他使用性能,最終影響炭磚的使用效果,降低高爐壽命。為此,建議高爐設(shè)計者和使用廠家在訂貨中提出禁止加入石墨電極的要求。

2提高冷卻強度

近期有些采用微孔碳磚半石墨炭磚的高爐,還有采用熱壓小炭磚的高爐,爐缸壽命仍然很短,只有3~4年就被迫大修,冷卻強度太小是重要原因之一。

如某廠1000m3高爐爐缸冷卻壁水管直徑為Φ30mm,某3200m3高爐爐缸冷卻壁水管直徑為Φ50mm,水量為1200m3/h。武鋼3200m3高爐冷卻壁水管Φ70~80mm,水量4500~5500m3/h,2500m3高爐水量3500~4500m3/h,冷卻水量差距太大必然影響高爐的壽命。要實現(xiàn)高爐爐缸、爐底長壽,必須在采用優(yōu)質(zhì)炭磚、提高炭磚導(dǎo)熱系數(shù)的同時提高冷卻強度,采用軟水密閉循環(huán)冷卻技術(shù),甚至也有必要在爐缸關(guān)鍵部位采用鑄銅冷卻壁。

3提高炭素搗打料的導(dǎo)熱系數(shù)

2005年以前國內(nèi)新建的高爐對炭素搗打料的導(dǎo)熱系數(shù)一般都不夠重視,有的對炭搗料的導(dǎo)熱系數(shù)不提要求,不檢測;有的導(dǎo)熱系數(shù)檢測結(jié)果數(shù)值很低,只有3~5W/(m·K)。微孔炭磚600℃導(dǎo)熱系數(shù)提高到12W/(m·K)。炭搗料導(dǎo)熱系數(shù)仍為3~6W/(m·K)。炭搗料已成為阻礙熱量傳遞的絕熱層。不少高爐投產(chǎn)后2~3年,爐缸、爐底炭磚溫度超過警戒溫度(>500℃),出現(xiàn)炭磚嚴重侵蝕的假象,為此有的采用釩鈦護爐,有的以為炭磚或施工質(zhì)量差侵蝕嚴重,采取了減產(chǎn)措施。

炭磚溫度升高最大的隱患是炭磚爐襯內(nèi)800~1000℃的溫度區(qū)間向冷卻壁方向移近,即鉀、鈉、鋅高富集帶移向冷卻壁,加速了炭磚的化學(xué)侵蝕。

某廠1座1000m3高爐由于炭磚和炭搗料導(dǎo)熱系數(shù)很低(3~5W/(m·K)),冷卻壁冷卻水量很小,炭磚溫度升到700℃以上,爐缸嚴重開裂,僅生產(chǎn)3年多就被迫停爐大修,大修發(fā)現(xiàn)環(huán)形裂縫侵蝕帶靠近了冷卻壁,鋅已大量滲透到冷卻壁和爐底的炭磚和炭搗料內(nèi)。鋅大量生成氧化鋅產(chǎn)生體積膨脹使爐殼嚴重開裂,炭磚成為粉末。雖然這是一個特殊例子,炭搗料的導(dǎo)熱系數(shù)低不一定是出爐缸開裂事故的主要因素,但終究是缺陷之一。

三、高爐結(jié)構(gòu)的設(shè)計

1高爐爐缸死鐵層的合理深度

關(guān)于高爐爐缸死鐵層深度,一直流行的說法是加深死鐵層有利于減輕鐵水環(huán)流侵蝕,因此設(shè)計的死鐵層深度被不斷加深。2006—2007年武鋼4號、5號高爐大修破損調(diào)查時,在分析爐缸爐底磚襯侵蝕原因時,認識到過分加深死鐵層深度對延長高爐壽命有害,理由如下:

1)死鐵層過深,增加了爐缸下部和爐底形成渣壁保護層的難度。武鋼4號高爐破損調(diào)查結(jié)果表明,在強冷卻和采用高導(dǎo)熱系數(shù)炭磚的條件下,爐缸爐底炭磚爐襯內(nèi)表面能夠生成渣壁保護層。形成了渣壁保護層以后,爐缸爐底炭磚爐襯就不易受鐵水環(huán)流侵蝕,也能有效防止鐵水熔蝕和鐵水滲透侵蝕,炭磚爐襯成為永久性爐襯,類似煉鋼轉(zhuǎn)爐的濺渣護爐。由于爐渣密度遠小于鐵水,要使爐渣進入爐缸下部和爐底表面,顯然死鐵層越深,爐渣越難進入爐缸下部和爐底表面,增加了生成渣壁的難度。

2)死鐵層加深,滲透侵蝕加劇。鐵水滲透侵蝕隨鐵水壓力增加而增加,壓力越大,鐵水滲透越嚴重。鐵水滲入炭磚后,從炭磚內(nèi)部熔蝕炭磚,像樹根一樣向更深的部位擴展,這種破壞炭磚的作用,絕對不可忽視。爐缸的蘑菇形侵蝕,越往深處侵蝕量越大,爐缸燒穿都是發(fā)生在爐缸最下部,而不是中上部,這正是死鐵層越深鐵水壓力越大,導(dǎo)致滲透侵蝕越嚴重的表現(xiàn)。

3)加深死鐵層,加大了侵蝕面積。加深死鐵層使爐缸側(cè)墻被鐵水浸泡的面積大大增加,增加了被鐵水侵蝕的面積,同時增加炭磚的用量。根據(jù)武鋼5號高爐第1代和4號高爐第3代的長壽實踐,其死鐵層深度為爐缸直徑的0.15~0.18倍,認為高爐爐缸死鐵層深度可考慮小于爐缸直徑0.20倍。

2爐缸炭磚爐襯鐵口以下至爐底相交段不應(yīng)當加厚

過去設(shè)計的高爐考慮蘑菇侵蝕區(qū)炭磚侵蝕較快,往往將鐵口以下的爐缸炭磚爐襯逐漸加厚,設(shè)計成階梯形。下部最厚的炭磚爐襯厚度超過1500mm,從冷卻和傳熱計算表明,將爐缸炭磚爐襯內(nèi)800~1000℃的溫度面推入爐內(nèi),是防止環(huán)形裂縫侵蝕和炭磚內(nèi)表形成渣壁保護層的重要條件,是減緩炭磚侵蝕速度、延長爐缸壽命最有效的措施。加大炭磚厚度,將使800~1000℃的溫度區(qū)間進入炭磚內(nèi)部,即環(huán)形侵蝕縫進入炭磚內(nèi)部,同時影響渣壁的形成,可見爐缸下部炭磚爐襯加厚有害無益。根據(jù)計算,炭磚和炭素搗料的導(dǎo)熱系數(shù)達到20W/(m·K),冷卻強度充足的條件下,炭磚爐襯厚度不應(yīng)大于1000mm。

3鐵口磚材質(zhì)

過去的高爐鐵口區(qū)1~2m區(qū)域采用特制的較高檔的硅鋁質(zhì)磚,如剛玉莫來石、復(fù)合棕剛玉磚等,有的采用含電極石墨較高的炭磚,如日本BC-8SR炭磚、美國的NMD炭磚,使用效果都很差,鐵口區(qū)侵蝕很嚴重。2006年武鋼4號高爐大修發(fā)現(xiàn)鐵口區(qū)砌筑微孔炭磚,完全不用硅鋁質(zhì)耐火磚,高爐壽命10年,鐵口區(qū)炭磚保存非常完整,鐵口區(qū)寬約2m,從爐底侵蝕面到上層炭磚厚度方向完全未被侵蝕,磚襯厚度保持1.5m,而且磚襯內(nèi)沒有環(huán)形裂縫,僅靠爐內(nèi)端有2~3條裂紋,分析是滲鐵引起的斷裂,這是過去大修高爐從來未見過的情況,過去鐵口區(qū)炭磚或硅鋁質(zhì)磚都被嚴重侵蝕,所剩無幾。分析認為這是鐵口區(qū)炭磚導(dǎo)熱系數(shù)高,抗鐵水熔蝕性好,出鐵時炭磚溫度升高,沒有K、Na、Zn的富集,因此沒有環(huán)形裂縫侵蝕,微孔炭磚渣鐵滲透侵蝕較少,因而能長壽,可見這是一個很好的經(jīng)驗。

4模壓小炭磚和大塊炭磚的選擇

模壓小炭磚在20世紀80—90年代曾很盛行,很多高爐采用,也有較好的使用效果,但是到2000年以后高爐冶煉強度大幅度提高,利用系數(shù)大于3.0t/(m3·d),甚至4.0t/(m3·d),出現(xiàn)高爐壽命僅3~4年的情況。

從使用情況看,模壓小炭磚加工精度和砌筑都不可能保證磚縫小于1mm,大修拆爐時磚縫中的鐵片4~5mm厚的很多,甚至可達10mm,這些鐵片代表了磚縫的實際寬度,這樣大的磚縫,鐵水會很容易首先侵蝕掉砌筑泥漿,侵入磚襯很深的部位,從內(nèi)部侵蝕炭磚,因此爐缸壽命很短。

有人認為爐缸砌筑小炭磚可以消除熱應(yīng)力,防止環(huán)形裂縫侵蝕,但是高爐大修時發(fā)現(xiàn),砌筑小炭磚同樣存在環(huán)形裂縫,實踐證明環(huán)形裂縫不是熱應(yīng)力引起。

可見高爐爐缸砌筑大炭磚優(yōu)于砌筑小炭磚,磚縫很容易作到小于1mm,確保不會發(fā)生大量鐵水滲透侵蝕,有利于延長高爐壽命。

5爐缸陶瓷杯磚和風(fēng)口組合磚選擇

目前出現(xiàn)3~4年壽命的高爐都是采用了陶瓷杯結(jié)構(gòu)和風(fēng)口組合磚,曾認為陶瓷杯可以維持高爐正常生產(chǎn)4年左右,現(xiàn)在發(fā)生的情況是不到4年陶瓷杯和炭磚都燒穿了,可見陶瓷杯也存在嚴重問題。

在檢驗陶瓷杯磚性能時發(fā)現(xiàn),目前的陶瓷杯磚、風(fēng)口組合磚大都是采用復(fù)合棕剛玉磚、剛玉莫來石磚、還有澆注大塊磚,這些磚的抗爐渣侵蝕性、抗堿性很差,而且不是微氣孔磚。

爐缸是爐渣集聚的地方,也是K、Na、Zn高富集區(qū),抗渣性差的磚很快會被爐渣侵蝕掉,抗堿性差的磚很快會被侵蝕成碎片,甚至粉末。高爐風(fēng)口上翹、爐殼開裂主要是采用這種磚引起的。可見復(fù)合棕剛玉磚、剛玉莫來石磚、澆注大塊磚都不適合用作陶瓷杯磚。

復(fù)合棕剛玉磚和剛玉莫來石磚性能最差,不適合高爐使用;澆注大塊僅抗堿性好,其他性能都很差;塑性相結(jié)合剛玉磚抗堿性和抗爐渣侵蝕性較好,但不是微氣孔磚;微孔剛玉磚是這幾項性能都很好的一種新型產(chǎn)品。武鋼新建和大修高爐陶瓷杯都采用了微孔剛玉磚,風(fēng)口組合磚也有2座高爐開始采用,目前高爐使用情況良好,沒有發(fā)生風(fēng)口上翹事故。

4  高爐耐火材料檢測存在的問題

我國高爐耐火材料已有一套使用性能檢測方法標準,如抗堿性、導(dǎo)熱系數(shù)、抗鐵水溶蝕性、平均孔徑、小于1μm孔容積率、透氣度、抗氧化性、抗爐渣侵蝕性8項性能,它們較好地反映了高爐耐火材料工作條件下的性能。這為延長高爐壽命、設(shè)計選材提供了很好的依據(jù)。這些試驗方法,有的國外還沒有,有的優(yōu)于國外試驗方法,但目前應(yīng)用中還存在一些問題。

1)購買國外炭磚時合同中不用我國的檢驗方法,自己無法進行抽樣檢驗,往往是用國內(nèi)方法檢驗性能指標不好,國外廠家不認可,只有接受,因此合同中應(yīng)當提出采用國內(nèi)方法檢驗的要求。

2)設(shè)計者和使用單位對特殊性能不提要求,仍按過去的普通炭磚標準僅檢驗常規(guī)性能。

3)一座高爐的炭磚僅檢驗一個樣品,而不是按批量取多個樣品進行抽檢,這顯然不符合炭磚檢驗取樣標準,難以保證產(chǎn)品質(zhì)量。4)目前的炭素搗打料檢測方法標準中,導(dǎo)熱系數(shù)檢測結(jié)果存在假象。炭素搗打料檢測方法標準YB4038-1991規(guī)定,炭素搗打料檢測導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)當在1200℃焙燒2h后再檢測導(dǎo)熱系數(shù)。由于炭搗料用于靠近冷卻壁或爐底冷卻管處,工作溫度為100~200℃,不可能有1200℃。在檢測炭搗料導(dǎo)熱系數(shù)時發(fā)現(xiàn)同一個炭搗料試樣在120℃和1200℃燒后檢測的導(dǎo)熱系數(shù)相差近1倍。

同一炭搗料不同焙燒溫度導(dǎo)熱系數(shù)檢測結(jié)果可知,導(dǎo)熱系數(shù)看似很高,與炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)相當,但實際工作條件下,導(dǎo)熱系數(shù)要低1倍,仍然比炭磚導(dǎo)熱系數(shù)低很多,影響冷卻效果,因此炭搗料檢測導(dǎo)熱系數(shù)時,使用者應(yīng)當要求炭搗料檢測導(dǎo)熱系數(shù)在120℃燒后進行,這樣可避免這種假象,對此已向有關(guān)單位建議盡早修改炭素搗打料檢測標準。

4)目前炭磚的性能檢測方法,沒有檢測炭磚用原料的品種和質(zhì)量,如電煅煤、普煅煤、石墨化煤、電極石墨,制成炭磚后上述使用性能試驗方法也難以區(qū)分,僅根據(jù)炭磚生產(chǎn)廠的承諾是不夠的。可以考慮增加巖相分析檢驗項目,在顯微鏡下普煅煤、石墨電極很容易區(qū)分,用巖相分析方法可以檢驗是否加入普煅煤和電極石墨。

結(jié) 語

1)高爐設(shè)計和炭磚選材要從實際出發(fā),根據(jù)目前炭磚的生產(chǎn)技術(shù),用電煅無煙煤生產(chǎn)的微孔炭磚和半石墨炭磚,600℃的導(dǎo)熱系數(shù)只能達到12~13W/(m·K),用石墨化無煙煤生產(chǎn)的超微孔炭磚600℃的導(dǎo)熱系數(shù)只能達到20~23W/(m·K),如果要求更高的導(dǎo)熱系數(shù),就必須加電極石墨,這樣將影響炭磚的使用效果。

2)長壽高爐設(shè)計必須考慮采用軟水冷卻系統(tǒng),保證足夠的冷卻水量和冷卻強度,還要求有合理的磚襯結(jié)構(gòu),死鐵層過深、炭磚爐襯過分加厚都將不利于高爐長壽。高爐爐缸采用大炭磚優(yōu)于模壓小炭磚,爐缸陶瓷杯用磚應(yīng)著重要求有優(yōu)良的抗堿性、抗爐渣侵蝕性,并且應(yīng)當采用微氣孔磚。還必須注重炭磚使用性能檢驗,全面做好炭磚產(chǎn)品和炭素搗打料的性能檢驗,確保產(chǎn)品的質(zhì)量優(yōu)良。我國的高爐耐火材料使用性能檢測方法優(yōu)于國外的檢驗方法,應(yīng)當充分利用,建議增加巖相分析項目,防止炭磚生產(chǎn)采用普煅無煙煤和電極石墨為原料,做到這些,高爐壽命必然會有較大提高。

宋木森（武鋼研究院）

參考資料：

宋木森、鄒祖橋、于仲潔-我國高爐耐火材料發(fā)展現(xiàn)狀