鐵水溫度對(duì)炭磚坩堝動(dòng)態(tài)侵蝕的影響研究

劉福軍，寧曉鈞，張建良，焦克新

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)學(xué)院，北京100083）

熔融的鐵水流動(dòng)侵蝕是高爐爐缸爐底內(nèi)襯侵蝕的重要原因［1-3］。為了提高傳熱性能，炭磚中增加了石墨的添加比率［4］，但石墨的增加在提高炭磚導(dǎo)熱系數(shù)的同時(shí)，也加劇了鐵水對(duì)其的侵蝕。普遍認(rèn)為，鐵水的流動(dòng)沖刷侵蝕是爐缸異常侵蝕的主要原因，同時(shí)也是限制高爐長(zhǎng)壽的根本原因［5-6］。

目前，基于傳熱學(xué)和流體力學(xué)，通過(guò)假設(shè)死料柱的形狀建立三維模型模擬爐缸內(nèi)鐵水流動(dòng)的研究較多［7-10］，但由于模擬條件受限，不能完全代表高爐爐缸的真實(shí)情況。同時(shí)也有學(xué)者［11-12］通過(guò)指棒實(shí)驗(yàn)研究高溫熔體對(duì)耐火材料的侵蝕，但這并不能反映爐缸整體的侵蝕狀況。因此，本實(shí)驗(yàn)將耐火材料制成坩堝，并攪拌坩堝內(nèi)的鐵水，同時(shí)加入一定量焦炭，模擬爐缸真實(shí)生產(chǎn)條件，研究鐵水溫度對(duì)炭磚坩堝動(dòng)態(tài)侵蝕的影響，為實(shí)現(xiàn)高爐長(zhǎng)壽提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備為BLMT-1700℃高溫反應(yīng)熔分爐，加熱元件為硅鉬棒，最高溫度可達(dá)1 700℃，恒溫區(qū)長(zhǎng)度是100 mm。在其基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，高溫爐上部固定攪拌機(jī)，攪拌機(jī)下部連接攪拌棒，攪拌棒主要為實(shí)心剛玉棒，在剛玉棒的一端接有剛玉磚棒，實(shí)現(xiàn)攪拌功能。所用的炭磚為國(guó)內(nèi)高爐普遍使用的模壓燒成小炭塊。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)所用的鐵樣由還原鐵粉、石墨碳粉、硅粉、硫粉和錳粉配置而成。配置鐵樣總質(zhì)量300 g，一方面可以用于抽鐵，另一方面可以使坩堝和鐵液充分接觸。根據(jù)各種組分所占的百分含量進(jìn)行稱量，然后將稱量好的樣品放入研缽內(nèi)進(jìn)行研磨，使其混合均勻。

實(shí)驗(yàn)所用的坩堝為炭磚坩堝，內(nèi)徑44 mm、壁厚10 mm、高70 mm、底厚14 mm。其XRD圖譜如圖2所示， 主要成分為C、SiO2、Al2O3以及SiO2和Al2O3之間形成的Al2SiO5。對(duì)炭磚進(jìn)行化學(xué)分析，其中 C、Al2O3和 SiO2的含量分別為 61.79%、9.31%和11.72%。模壓燒成小炭塊理化性能指標(biāo)見表1。

圖2 炭磚XRD圖譜

表1 模壓燒成小炭塊理化性能指標(biāo)

此外，將焦炭磨成質(zhì)量為0.7 g/個(gè)的球體，放在鐵樣的上部。實(shí)驗(yàn)所用的焦炭取自國(guó)內(nèi)某鋼廠，其工業(yè)分析結(jié)果如表2所示，焦炭中的固定碳高達(dá)86.61%。

表2 焦炭工業(yè)分析結(jié)果 %

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

不同鐵水溫度下實(shí)驗(yàn)方案如表3所示。將混合后的鐵樣放入炭磚坩堝內(nèi)，并在鐵樣上部放一定量的焦炭；待高溫爐升到指定溫度時(shí)，用石英管抽取鐵液，分析到達(dá)目標(biāo)溫度，未攪拌時(shí)鐵液的含碳量；啟動(dòng)攪拌機(jī)開始攪拌鐵水，到達(dá)攪拌時(shí)間后，再次抽鐵，對(duì)比分析攪拌前后鐵液中含碳量的變化。

表3 具體實(shí)驗(yàn)方案

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 炭磚坩堝宏觀侵蝕形貌及侵蝕速率

2.1.1 炭磚坩堝宏觀侵蝕形貌

實(shí)驗(yàn)后坩堝的宏觀侵蝕形貌如圖3所示。取坩堝內(nèi)鐵塊的直徑為實(shí)驗(yàn)后坩堝的內(nèi)徑，其實(shí)驗(yàn)前后內(nèi)徑的變化如表4所示。

圖3 炭磚坩堝宏觀侵蝕形貌

表4 實(shí)驗(yàn)前后坩堝內(nèi)徑的變化

從圖3中可以看出，當(dāng)鐵水溫度為1 450℃時(shí)，坩堝側(cè)壁的孔洞小而密集；隨著鐵水溫度升高，碳基質(zhì)在鐵水中的溶解加劇，孔洞相互連接成片。結(jié)合表4可以發(fā)現(xiàn)，隨著鐵水溫度升高，鐵水侵蝕加劇，坩堝內(nèi)徑的變化值，即損失層逐漸增大。

2.1.2 炭磚坩堝侵蝕速率

侵蝕速率表示單位時(shí)間、單位面積內(nèi)，碳向鐵液中溶解的質(zhì)量。由炭磚坩堝反應(yīng)前后內(nèi)徑推算出坩堝侵蝕速率，計(jì)算公式如下：

式中，ν為侵蝕速率，g/（h·cm2）；h為炭磚坩堝內(nèi)側(cè)高度，cm；r2為反應(yīng)后炭磚坩堝內(nèi)徑，cm；r1為反應(yīng)前炭磚坩堝內(nèi)徑，cm；ρ為炭磚密度，g/cm3；ωC為炭磚含碳量，%；t為反應(yīng)時(shí)間，h；S為炭磚坩堝與鐵水接觸的表面積，cm2。

由式（1）算得不同鐵水溫度下炭磚坩堝侵蝕速率如表5所示。隨著鐵水溫度升高，碳向鐵液中的溶解速率加快，說(shuō)明升高溫度可促進(jìn)碳向鐵液的溶解。

表5 不同鐵水溫度下炭磚坩堝侵蝕速率

通過(guò)計(jì)算可知在不同鐵水溫度下炭磚坩堝的侵蝕速率?，F(xiàn)假設(shè)高爐爐缸側(cè)壁厚度為1 500 mm，炭磚橫截面為800 mm×800 mm，鐵液溫度為1 550℃，則爐缸炭磚侵蝕完全時(shí)約需要157天，而目前高爐壽命可達(dá)十幾年，甚至二十幾年，如國(guó)內(nèi)寶鋼3#高爐一代爐役19年［13］，首鋼1、3、4 號(hào)高爐均超過(guò) 15 年［14］等，如果僅僅依靠炭磚實(shí)現(xiàn)高爐長(zhǎng)壽幾乎不可能。由此可見，在改善高爐耐火材料質(zhì)量的同時(shí)，優(yōu)化高爐操作，使之形成穩(wěn)定堅(jiān)固的保護(hù)層也顯得尤為重要。保護(hù)層的形成可防止炭磚與鐵液的直接接觸，防止鐵液對(duì)炭磚進(jìn)行溶蝕、滲透等，進(jìn)而達(dá)到高爐長(zhǎng)壽的目的。

2.2 實(shí)驗(yàn)前后焦炭對(duì)比分析及溶解速率

2.2.1 實(shí)驗(yàn)前后焦炭對(duì)比分析

不同鐵水溫度下焦炭實(shí)驗(yàn)前后的體積變化如圖4所示。焦炭由實(shí)驗(yàn)前的球體變成了實(shí)驗(yàn)后不規(guī)則的形狀，并伴隨著質(zhì)量下降。

圖4 不同鐵水溫度下實(shí)驗(yàn)前后焦炭體積變化

焦炭的質(zhì)量變化如表6所示。隨著鐵水溫度升高，鐵水所能溶解的碳含量升高，焦炭的失重量增大，其失重比例也增大。通過(guò)計(jì)算可知，攪拌之后，焦炭中的固定碳并未全部溶解到鐵液中，焦炭本身還殘存一部分碳。

表6 不同鐵水溫度下實(shí)驗(yàn)前后焦炭質(zhì)量變化

2.2.2 焦炭的溶解速率

焦炭的溶解速率指單位時(shí)間、單位面積內(nèi)，焦炭中的碳溶解在鐵液中的質(zhì)量。根據(jù)表6中的失重量可求出溶解速率，計(jì)算如下：

式中，ρ鐵液為鐵液密度，kg/m3；［C］為鐵液中 C 含量，%；T為開氏溫度，K。計(jì)算過(guò)程中，［C］為初始含碳量，變化部分忽略不計(jì)。

式中,g為重力加速度，N/kg；V排為排出鐵液的體積，cm3；m為焦炭總質(zhì)量，g。

式中，μ為焦炭的溶解速率，g/（h·cm2）；Δm為反應(yīng)前后焦炭失重量，g；ωC為焦炭含碳量，%；r為焦炭平均粒徑，mm；t為反應(yīng)時(shí)間，h。

由式（2）、（3）、（4）計(jì)算各溫度下焦炭的溶解速率如表7所示。隨著鐵水溫度升高，焦炭的溶解速率加快。

表7 不同鐵水溫度下焦炭的溶解速率

不同鐵水溫度下炭磚坩堝的侵蝕速率與焦炭的溶解速率對(duì)比圖如圖5所示。從圖5中可以看出，在相同條件下，焦炭的溶解速率遠(yuǎn)大于炭磚的侵蝕速率。說(shuō)明當(dāng)高爐爐缸內(nèi)有焦炭存在時(shí)，鐵水更易于與焦炭反應(yīng)滲碳，進(jìn)而減弱鐵水對(duì)炭磚的侵蝕，說(shuō)明在爐缸內(nèi)，滲碳性能好的焦炭以及焦炭的定期更新可在一定程度上緩解鐵液對(duì)爐缸炭磚的侵蝕。

圖5 不同鐵水溫度下坩堝侵蝕速率與焦炭溶解速率對(duì)比分析

2.3 實(shí)驗(yàn)前后鐵水含碳量分析

攪拌前和攪拌后分別對(duì)鐵水進(jìn)行抽樣檢測(cè)，結(jié)果如圖6所示。攪拌前和攪拌后鐵水中的碳含量均隨著鐵水溫度的升高而增大，當(dāng)鐵水溫度為1 450℃、1 500℃和1 550℃時(shí)，攪拌前后的含碳量分別增加了37.9%、41.9%和45.7%。在相同攪拌的條件下，鐵水中含碳量隨著溫度升高而增加，碳含量增加的速率也隨著溫度的升高而增大。

圖6 攪拌前后鐵水含碳量變化

2.4 炭磚坩堝微觀侵蝕形貌

以1 500℃實(shí)驗(yàn)下的試樣為例，觀察炭磚侵蝕后的微觀形貌，如圖7所示。鐵水沖刷之后，原始的炭磚基質(zhì)遭到破壞，侵蝕后的炭磚從內(nèi)到外依次為損失層、滲鐵層和原始基質(zhì)層。并且，滲鐵層和炭磚原始基質(zhì)層分層明顯，可以清晰的看見鐵液的滲透通道。熔融的鐵顆粒在通道內(nèi)不斷聚集長(zhǎng)大，對(duì)炭磚基質(zhì)進(jìn)行溶解和擠壓，割裂基質(zhì)碳顆粒，破壞炭磚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖7 1 500℃下炭磚微觀侵蝕形貌圖

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，分析不同鐵水溫度條件下炭磚坩堝的侵蝕狀態(tài)，并分別從炭磚坩堝侵蝕速率、焦炭溶解速率、實(shí)驗(yàn)前后鐵水含碳量分析、微觀侵蝕形貌四個(gè)方面進(jìn)行表征，主要結(jié)論如下：

（1）通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)鐵水溫度在1 450～1 550℃范圍內(nèi)時(shí)，炭磚坩堝的平均侵蝕速率為 0.056 g/（h·cm2）， 焦 炭的平 均溶解 速率為1.514 g/（h·cm2）。 由于微觀結(jié)構(gòu)的不同，使得焦炭的溶解速率遠(yuǎn)大于炭磚坩堝的侵蝕速率。因此，在實(shí)際操作中，添加滲碳性能好的焦炭及死料柱的定期更新可有效緩解鐵液對(duì)爐缸炭磚的侵蝕。

（2）通過(guò)對(duì)攪拌前后的鐵水含碳量進(jìn)行化學(xué)分析：在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，升高溫度可促進(jìn)鐵水對(duì)碳的吸收，因此，在實(shí)際高爐操作中，應(yīng)保證爐缸溫度恒定。

（3）通過(guò)微觀形貌觀察，可以看出炭磚原質(zhì)層和滲鐵層界面清晰，并且有明顯的“鐵流通道”。