混铁炉耐火材料炉衬蚀损的调查与分析徐国涛徐静波杜鹤桂摘要进行了600t混铁炉的耐火材料蚀损调查与分析,认为Al2O3-SiC-C砖的蚀损出铁口以亚铁渣氧化熔蚀为主,前墙以渣蚀渗透这主。
关键词混铁炉耐火材料蚀损INVESTIGATION AND ANALYSIS ON WRECKAGE OF REFRACTORY LINING IN HOT METAL MIXERXu Guotao XuJingboWuhan Iron & Steel Corp.Du HeguiNortheastern UniversitySynopsis Causes for wreckimg of the refractory lining in 600 ton hot metal mixer have been investigated and analyzed. Results show that the wrecckage of Al2O3-SiC-C bricks used in the lining of taphole is primarily due to oxidation-melting of FeO slag and wrecking of bricks in the front wall is out of the slag penetration reaction.Keywords Hot metal mixer refractroy wreck1 前言混铁炉的功能在于混匀铁水,均温提质。
目前,国内武钢、首钢、太钢、包钢、重钢等厂由于各种原因,仍然使用600t混铁炉,其使用寿命在1～2年,维修任务比较频繁,成本也较高。
由于不定时的高温回炉钢水的影响,以及KR法脱硫后铁水的温度变化难以控制,造成混铁炉的温度波动较大,炉衬的热应力破坏严重,加之高炉渣碱度为1.0～1.03左右,酸性渣对耐火材料的侵蚀较大,总体上讲混铁炉寿命较低。
实际操作中,常通过修补料修补出铁口及炉底,但因粘附能力差,砖衬变质层氧化而形成裂纹,造成粘附层易起拱上浮,效果差,材料消耗量大,生产成本增高。
为了弄清混铁炉内耐火材料的侵蚀状况,在武钢二炼钢厂600t混铁炉2号炉大修期间,对炉衬的蚀损进行了调查,分析了残砖的结构与性能,以探讨其侵蚀机理,改进耐火材料的品质及砌筑维护工艺水平,以提高混铁炉的使用寿命与工作效率。
2 混铁炉残砖状况及分析混铁炉内砌砖大致可分为工作层与保温层,蚀损取样主要在工作层。
炉顶为高铝砖干砌;出铁口使用了镁砖及Al2O3-SiC-C砖,湿砌;前墙使用了不烧铝碳化硅碳砖,湿砌;后墙用镁砖干砌;炉底用镁砖干砌。
干砌的砖缝一般不大于1.5～2mm,湿砌的砖缝一般不大于2mm。
1998年2月二炼钢厂2号混铁炉大修,拆出铁口时,发现使用的不烧铝碳化硅炭砖残砖砖质轻,砖中粗颗粒大,外观呈黑色,不耐磨不耐蚀,平砌砖345mm的长度蚀损掉1/3至2/3,表面挂铁渣层厚5～16mm。
工作层疏松、多孔,砖背热面有氧化现象,表层泛红白色、厚3～5mm,残砖气孔率19%,体积密度2.52g/cm3。
拱顶3环高铝砖仅热面一环有20～36mm的变质层,为铁系粘附物及少量的低熔点出物。
炉前墙铝碳化硅炭砖的渣反应层厚度约15～32mm,变质层厚达48～60mm,切割残砖,发现沿砖缝铁水渗入深度在50～140mm,并横向渗入砖中的孔隙内,形成0.2～1mm宽、长不等的铁相弥散状分布带,少量铁粒可达2×5mm,残砖的气孔率17%,体积密度为2.76g/cm3。
炉底镁砖侵蚀均匀,工作层及变质层的厚度约3～5mm,且结构致密。
对残砖进行了化学分析,C1为出铁口用铝碳化硅炭砖,Cq为前墙用铝碳化硅炭砖,以1号表示近热面30mm以内的样品成分,2号表示近热面30～60mm以内的样品成分,结果如表1示。
表1 混铁炉炉衬残砖的化学成分/%(wt)3 镁砖残砖3.1 镁砖残砖镁砖残砖显微镜下呈桔黄色,工作层厚度2～3mm。
从蚀损状况看可分成四个层带。
未变带:矿物以方镁石为主,其间有少量橄榄石与硅酸盐相充填,晶粒尺寸在0.02～0.26mm,一般为0.088mm；白色过渡带:(厚0.08～0.56mm)方镁石晶粒长大,橄榄石及玻璃相较少；棕褐色已变带:(厚0.08～0.4mm)方镁石晶间有大量铁酸镁生成，呈细小柱状、粒状,少量硅酸盐及零星气孔分布其间；灰黑色工作带:(厚1～2mm)矿物以橄榄石为主,呈板柱状、粒状,均匀密集分布,其次为RO相(FeO＞MgO)和氧化铁,氧化铁呈大块熔蚀状,弥散分布,局部富集,气孔变大。
3.2 铝碳化硅砖残砖3.2.1 原砖原砖含骨料和细粉。
骨料为板状,、粒状及桶状刚玉,含少量铝矾土及莫来石与玻璃相。
细粉以石墨为主,有少量细晶刚玉与碳化硅。
刚玉晶粒尺寸为0.008～0.08mm,一般为0.036mm,铝矾土呈半晶质、隐晶质。
莫来石呈细小针状、柱状,在玻璃相中析出,局部富集。
石墨呈板片状、条带状,均匀分布在细粉中,粒径在0.025～0.225mm,一般在0.0625mm，碳化硅呈板状、四方粒状,在细粉中零散分布,晶粒尺寸一般为0.0625～0.095mm(如图1示)。
图1 反光160×1.石墨(灰白色)2.刚玉(白色)3.碳化硅(亮白色)3.2.2 出铁口处残砖从蚀损样看残砖可分为未变带、过渡带与工作带。
未变带组成与原砖类似,不同之处在于刚玉颗粒中微气孔较多,细粉中碳化硅极少,局部见硅酸盐玻璃相零星分布,裂纹在颗粒边缘明显可见。
过渡带(厚1.5～2mm)呈棕黄色,矿物以长石为主,均匀密集分布;其次为少量橄榄石呈板柱状、圆粒状,少量RO相呈四方粒状,零星分布;局部见刚玉颗粒周围有微量尖晶石呈六边形、三角形、棱角状分布。
工作带(厚约2mm)呈褐黑色,矿物以橄榄石为主,呈板柱状、粒状均匀密集分布;其次为少量的黄长石呈针状、短柱状与树枝状;少量磁铁矿填充其间,呈自形半形晶零星分布,局部富集。
残留石英呈粒状,晶面有裂纹,局部较多,气孔多以黑色封闭气孔为主,不规则分布。
(图2～3示)图2 正交光25×长石呈聚片双晶(灰白色)图3 正交光100×残留石英(白色)图4 反光160×1.橄榄石(灰色)2.磁铁矿(白色)3.黄长石(深灰色)3.2.3 前墙处残砖侵蚀状况大致可分为两个层带,即原砖带与工作带。
原砖带矿物与出铁口处铝碳化硅砖类似,不同之处在于有微量黄铁矿在刚玉颗粒与细粉间零星分布,且局部残留石英。
工作带呈棕黄带褐色,矿物以黄长石为主,呈针状、细条状、粒状,形成梳状、编织席状结构,均匀密集分布;其次为少量玻璃相呈棕褐色在晶间充填;微量的赤铁矿呈粒状、半自形晶状局部富集,气孔比出铁口处残砖内要小,呈弥散分布。
(图5～图6)。
图5 透光100×1.黄长石(针状、细条状)2.玻璃相(黑色)3.气孔(白色)图6 反光160×注：局部赤铁矿富集(亮白色)4 蚀损的原因与讨论4.1 矿物的变化影响混铁炉内镁砖的蚀损比较均匀,从未变带。
到工作带,矿物变化主要因含铁相的渗透及与渣中SiO2、CaO、MgO等成分反应而来,镁砖本身抗碱性渣的能力较强。
但在渣碱度C/S=1.0左右时,工作层内MgO与渣铁相反应生成橄榄石,2FeO*SiO2熔点仅1205℃,而2FeO*SiO2熔点为1890℃,两者之间可以形成完全固熔体,共熔温度在上述两矿物熔点之间变化。
渣中FeO、SiO2含量越大,与镁砖反应生成的矿物熔点也越低,当其熔点低于铁水处理温度(1320～1400℃间变化)时,工作面出现熔损,低熔物进入渣中。
变质层中含铁酸镁,MgO与FeO可形成连续固熔体,且熔点较高,如砖结构致密,高粘滞的变质层矿物对耐蚀性有益。
铝碳化硅炭砖含有石墨,所用部位不同,氧化程度不一,出铁口与前墙处残砖的未变带含石墨各为9.32%及13.03%。
加入石墨,因其高温下不与铁水浸润可防止渣铁的渗透,耐蚀性好,且压砖易于结构致密,抗热震性好。
铁水预脱硫使用了CaO-CaF2系或CaC2系脱硫剂,增加了铁渣的CaO 含量,渣相仍以黄长石为主,进入混铁炉后,当铁水兑出时,渣粘挂于炉衬上。
前墙及出铁口部位的铝碳化硅炭中石墨氧化形成脱碳层,渣渗透入砖中,并与其中的Al2O3、SiO2反应,形成钙长石或橄榄石。
从过渡带到工作带,出铁口残砖内黄长石减少,橄榄石增多,与其工作状态有关,出铁后,金属铁及少量渣粘附于炉衬,铁相氧化生成氧化亚铁或氧化铁,化学分析表明铁渣中含铁系氧化物达84.74%,另外SiO2含量达7.22%,铁橄榄石熔点低,渗透力也强,FeO对石墨碳的氧化能力也强,石墨氧化,结构疏松,耐火材料的侵蚀也加快了。
有人［1］研究了铝炭砖及铝碳化硅炭砖在高FeO渣中的侵蚀性能,侵蚀速度前者可达5.88mm/h,后者可达0.78mm/h,这也验证了FeO对石墨有较强的侵蚀能力。
钙铁橄榄石与钙镁橄榄石、钙锰橄榄石可形成连续固熔体,黄长石也可形成固熔体,其熔点都较低,这就引起出铁口处的熔损较大。
前墙处铝碳化硅炭砖因使用中砖面被铁水覆盖,出铁水后,渣层均匀覆盖砖表面,石墨的被氧化脱碳能力弱一些,且渣相中FeO含量不高,矿物以黄长石为主,黄长石熔点为1550℃,相对而言,耐蚀能力要强些。
实际破损调查前墙铝碳化硅炭砖侵蚀较严重,主要可能还有两方面因素:砖自身抗氧化能力差,存在背热面脱碳层,热面及变质层结构疏松;砖缝泥浆质量差,与砖不配套,铁渣从砖缝渗入的深度可达140mm,并横向渗入砖中孔隙形成铁相的弥散分布。
4.2 铝碳化硅炭砖的抗氧化性不烧铝碳化硅炭砖性能优良,有一个前提:高温下石墨不被氧化,砖结构致密。
混铁炉内存在氧化气氛,如果砖的高温抗氧化性不好,使用性能也不佳。
对铝碳砖系列产品进行脱硫脱磷剂的侵蚀试验表明,抗氧化性好的不烧铝碳化硅炭砖耐侵蚀性好,表面存在釉状保护膜,内层石墨未氧化。
反之,即使砖常规性能好,耐侵蚀性也差。
从热力学角度看:碳、石墨、碳化硅、硅、氧化亚铁的氧化还原都各有一定的温度条件。
2C+O2=2CO ΔG°=-223426-175.31TC+CO2=2CO ΔG°=169452-172.69TT反≥708℃SiC+O2=SiO2+CΔG°=-818097+174.25TFeO+C=Fe+CO ΔG°=147904-150.2TT反≥712℃Si+O2=SiO2ΔG°=-871527+181.2T热力学数据［3］的计算表明:硅、碳化硅的氧化均优先于碳的氧化,当Si、SiC的氧化物对砖内变质层的石墨形成有效的保护膜时,砖衬热面氧化物才可能具备抗渣蚀的能力。