摘要  針對漢鋼公司2280m3高爐降料面檢修期間發(fā)現(xiàn)的風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)襯、冷卻壁侵蝕現(xiàn)狀的觀察的分析觀察，分析認(rèn)為，焦炭質(zhì)量差、設(shè)計缺陷、富氧率偏高、及含鐵料中K、Na、zn等有害元素在爐內(nèi)的富集是造成風(fēng)口區(qū)侵蝕及冷卻壁損壞的主要原因；最終對風(fēng)口區(qū)采用了比較先進的整體澆注技術(shù)，保證了其操作爐型基本維持不變，為后期的高爐安全、高效生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞  高爐  風(fēng)口回旋區(qū)  侵蝕  澆注技術(shù)

1  引言

漢鋼2#高爐（2280m³）于2012年8月15日建成投產(chǎn)，高爐本體采用最新的磚壁合一技術(shù)，薄壁內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，陶瓷杯爐缸，冷卻系統(tǒng)采用聯(lián)合軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)。投產(chǎn)三年以來，高爐基本穩(wěn)定順行，2015年決定降料面停爐檢修，更換部分損壞冷卻壁及高爐本體噴涂造襯，在清理風(fēng)口區(qū)爐墻粘結(jié)物時發(fā)現(xiàn)該部位侵蝕嚴(yán)重，并對風(fēng)口區(qū)被氧化形成的白色粉末進行了化驗，分析認(rèn)為，焦炭質(zhì)量差、設(shè)計缺陷、富氧率偏高、及含鐵料中K、Na、zn等有害元素在爐內(nèi)的富集是造成風(fēng)口區(qū)侵蝕及冷卻壁損壞的主要原因。

2高爐風(fēng)口回旋區(qū)的形成及高爐本體構(gòu)造設(shè)計特點

2.1高爐風(fēng)口回旋區(qū)的形成^［1］

高爐風(fēng)口回旋區(qū)是整個高爐生產(chǎn)的熱量和能量之源，是高爐穩(wěn)定操作的重要反應(yīng)區(qū)，高爐風(fēng)口回旋區(qū)的形成和反應(yīng)情況，將直接影響著高爐下部煤氣的分布、上部爐料的均衡下降以及整個高爐內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程，隨著技術(shù)的進步和高爐大型化，鼓風(fēng)速度一提高到100~200m/s，這時風(fēng)口前的焦炭受到強烈的流體動力作用，在風(fēng)口前的焦炭受到強烈的流體動力作用。

在高爐風(fēng)口前緣的整個回旋區(qū)內(nèi)存在著一個物理環(huán)境和一個化學(xué)環(huán)境。焦炭顆粒與煤氣流之間的動量傳遞、二者之間運動過程以及相互作用構(gòu)成了回旋區(qū)內(nèi)的物理環(huán)境。同時，焦炭在運動中還進行著質(zhì)量、熱量的傳遞。在此整個燃燒以及傳質(zhì)傳熱過程就構(gòu)成了回旋區(qū)內(nèi)的化學(xué)環(huán)境。風(fēng)口回旋區(qū)正是在物理過程和化學(xué)過程相互作用下產(chǎn)生的。

2.2高爐本體構(gòu)造^［3］

爐底第1層滿鋪國產(chǎn)超高導(dǎo)石墨磚，第2、3層滿鋪國產(chǎn)微孔碳磚，第4、5層中心砌筑國產(chǎn)微孔碳磚外側(cè)砌國產(chǎn)超微孔碳磚；第6、7層立砌楔形剛玉莫來石磚；整個爐底砌體高度2800mm；風(fēng)口區(qū)至大套上沿全部采用大塊組合磚砌筑，以加強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；同時采取措施，增加風(fēng)口冷卻壁與爐腹銅冷卻壁交接處組合磚厚度。風(fēng)口及鐵口組合磚材質(zhì)均為剛玉莫來石，（見圖1）以提高其抗渣鐵侵蝕及沖刷能力。

圖1 漢鋼2280m3高爐爐缸構(gòu)造圖

3風(fēng)口區(qū)的侵蝕現(xiàn)狀

3.1風(fēng)口區(qū)組合磚侵蝕現(xiàn)狀：

高爐停爐扒焦炭至風(fēng)口中心線以下約0.6米（見圖1），在做噴涂前準(zhǔn)備清理爐墻粘結(jié)物時，發(fā)現(xiàn)第五段銅冷卻壁以下至風(fēng)口中套下沿以上的風(fēng)口區(qū)域爐襯粘侵蝕嚴(yán)重，并有縫隙、裂紋（見圖2）、部分組合磚出現(xiàn)松動脫落，并發(fā)現(xiàn)組合磚內(nèi)部有滲鐵現(xiàn)象（見圖3），鑒于以上對該區(qū)域進行了徹底清理，一直清理至風(fēng)口中套下沿，高爐度約600mm（見附圖1），清理完后冷卻壁上的粘結(jié)物被氧化后生成白色粉末，化驗后成份如下表一。

表二：風(fēng)口區(qū)粘結(jié)物化驗結(jié)果

        圖1風(fēng)口侵蝕區(qū)清理后 圖2風(fēng)口上部爐襯裂縫

圖3清理完后冷卻壁上的粘結(jié)物

4風(fēng)口區(qū)侵蝕原因分析

4.1焦炭質(zhì)量的影響：

該高爐使用焦炭品種為搗固焦，焦炭常溫的M25和M10尚屬正常，但高溫性能較差，（如表二）焦炭是決定爐缸狀態(tài)的重要因素，熱性能差會影響爐缸內(nèi)焦炭透氣透液性，，當(dāng)?shù)温鋷貏e是爐缸中的死料柱（焦炭柱）透氣性、透液性差時，就要出現(xiàn)爐缸不活躍堆積，爐缸內(nèi)鐵水環(huán)流嚴(yán)重。

表二：焦炭成份

4.2含鐵料中有害元素的影響：

該高爐開爐以來，爐料結(jié)構(gòu)一直以高堿度燒結(jié)礦加酸性球團礦為主，近年來受通過使用廉價礦達到降低生鐵成本的思想影響，自開爐以來就配加的部分含鐵料中有害元素超標(biāo)，加之長期配加重力煤氣除塵灰（成份見表三），歷年來燒結(jié)礦、球團礦部分元素成份（見表四、五），導(dǎo)致如爐料中堿負(fù)荷、鋅負(fù)荷等有害元素負(fù)荷持續(xù)偏高，其中2013年、2014年堿負(fù)荷持續(xù)穩(wěn)定在3.1-3.5 kg/t之間，2015年逐步下降至2.0 kg/t左右；2013年、2014年鋅負(fù)荷長期＞1.0 kg/t，2015年基本穩(wěn)定在0.6-0.8 kg/t之間；

  表三 重力灰部分元素成分表

表四 燒結(jié)礦部分元素成份表

表五 球團礦部分元素成份表

結(jié)合冷卻壁表面生成的白色粉末成份（如表一）可以看出堿金屬（KO₂+ Na₂O）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51%，可以說明侵蝕以 堿金屬的化合物為主，堿金屬主要是以復(fù)雜的硅酸鹽、硅鋁酸鹽等形式被原料帶入高爐，相當(dāng)穩(wěn)定的堿金屬硅酸鹽但在高溫下會被還原放出堿金屬蒸汽，體積膨脹30% ～50%， 這是造成風(fēng)口區(qū)內(nèi)襯侵蝕的主要原因；在高溫區(qū)的 堿金屬（以K為例） 的侵蝕機理為^［2］:

2K(S) +SiO₂ (S) +CO(G) = K₂SiO₃ (S) +C(S)   

ΔG₁ =－149000 +79.07T

通過上表可以看出ZnO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.8%,ZnO 在 952 ℃ 被 C 還 原，Zn 的 氣 化 溫 度1030 ℃， 高爐內(nèi)部高于這個溫度， 在還原劑允許的情況下會發(fā)生還原， 大于 952 ℃會發(fā)生破壞作用．Zn 的侵蝕機理為:

C(S) + ZnO(S) = Zn( G) + CO( G)     

ΔG₂ =344347. 5 －281. 1T

4.3富氧鼓風(fēng)的影響：

圖5    歷月富氧量波動圖

富氧量偏高，導(dǎo)致風(fēng)口前富余氧形成氧化氣氛，風(fēng)口區(qū)內(nèi)襯中含有的SiC和鋼纖維在風(fēng)口前端富氧條件下會發(fā)生氧化反應(yīng)，即：

SiC+0₂→Si0₂+C0₂

Fe+0₂→FeO或Fe+0₂→Fe20₃

鐵的氧化物和Si0₂再與材料中的Al₂O₃，等其它氧化物生成低熔點物質(zhì)，應(yīng)生成新的物相多數(shù)是低熔點化合物，如(Ca，Na)(Si，A1)₄O₈約為1250℃，K_1.25Al_1.25 Si_0.75O₄約為1700℃，Ca₂A1₂Si0₇的熔點為1596℃，Ca_0.54SiO₄的熔點約為1200℃。在風(fēng)口前端燃燒區(qū)溫度高達2000℃以上，加上高爐內(nèi)的富氧環(huán)境，內(nèi)襯在高溫輻射和富氧的條件下，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了上述的低熔點物質(zhì)，導(dǎo)致風(fēng)口襯套前端的熔損。

5結(jié) 論

（1）K、Na、zn等有害元素在爐內(nèi)的富集是風(fēng)口回旋區(qū)及爐缸侵蝕的主要原因，制定嚴(yán)恪的原燃料采購標(biāo)準(zhǔn)，在配料過程中杜絕使用瓦斯灰，避免有害元素的循環(huán)富集，嚴(yán)格控制入爐原料有害元素；增加燒結(jié)礦中Mgo含量，考慮到堿金屬對高爐帶來許多不利因素，通過提渣中Mgo含量可降低渣中K，0、Na的活度，提高爐渣排堿能力。

(2)富氧量鼓風(fēng)導(dǎo)致邊緣氣流發(fā)展及風(fēng)口前富余氧形成氧化氣氛，使材料受到熔蝕，氧化反應(yīng)生成的氣體不斷從材料內(nèi)部放出來，致使材料氣孔率增加，材料變得疏松，加速了材料的侵蝕，在后期的生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格杜絕氧量大幅波動的同時，還應(yīng)將富氧率控制在一個合理區(qū)間。

（3）高爐爐型上的設(shè)計缺陷要積極應(yīng)對，在現(xiàn)有的焦炭基礎(chǔ)上要合理調(diào)配，加強入爐原燃料管理，在操作方面盡量縮小風(fēng)口面積，提高鼓風(fēng)動能，穩(wěn)定中心氣流；加強外圍管理，及時出凈渣鐵，盡量避免渣鐵面上升；穩(wěn)定冷卻參數(shù)的同時嚴(yán)格控制進水溫度，盡量提高該部位的冷卻強度。

參考文獻：

［1］趙欣   高爐風(fēng)口回旋區(qū)特征的研究現(xiàn)狀，甘肅冶金，2015年2月，第37卷第1期

［2］祁成林 有害元素對高爐爐缸側(cè)壁碳磚的侵蝕，北京科技大學(xué)學(xué)報，2011 年 4 月，第 33 卷 第 4 期

［3］中冶南方2280高爐《技術(shù)說明書》 02煉鐵部分