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高炉耐火材料磨损机理及应对策略
发布时间: 2018-05-15 10:37:02
    高炉耐火材料的磨损对高炉炉龄有决定性作用。高炉炉役期间,可以在生产时,对炉衬材料进行几次维修。然而,炉膛区的修理工作需要停止生产。因此,高炉炉膛是非常关键的部分。
 
    高炉炉龄不仅取决于耐火材料及其性能,还取决于设计标准(冷却设备设计,电气机械设计)和操作标准。所以,规定了碳块的要求。
 
    耐火材料的磨损决定高炉炉龄。由于在高炉上部区已制定了现代修补技术,只有风口以下接触炉渣和铁水的下炉膛和炉底区在中间不能进行修补。因此,这个区的炉衬需要高质量炉衬材料。最重要的磨损参数之一是铁水阻力,本文解释了标准和微气孔碳的测量。另外,比较了微气孔族中的不同材料。
 
    一、热化学磨损
 
    所有磨损机理都是联合起作用的。为更好地理解,下面分别说明不同的磨损机理——
 
    (1)铁水中碳溶解造成的磨损
 
    这是难熔碳的溶解,在高炉下部不同温度和流动条件下碳块中的碳溶解在铁水中,类似于炉料中焦炭溶解。
 
    (2)铁水渗透造成的磨损
 
    这个渗透过程更适宜在高炉下部铁水池的高铁水静压力下进行。由于碳块的多孔性,最初溶解后开始渗透,同时材料性能开始变化。在铁渗透后,织构破裂,线裂纹形成。连同铁水的永久侵蚀和温度变化,导致碳块碎裂。在有碱金属和锌的情况下,它促使脆层形成。
 
    (3)碱金属循环造成的磨损
 
    碱金属以氧化物和硫酸盐形式与炉料、焦炭一起进入高炉,并发生反应。它们在三个可能的反应中产生碳料:
 
    渗透的碱金属氧化;
 
    把碱金属蒸汽添入碳结构,导致局部容积增加;
 
    碱金属与添加剂或杂质在炉衬中产生反应。
 
    (4)氧化造成的磨损
 
    立式冷却壁漏水或有缺陷的风口会出现碳衬氧化。来自冷却系统的热鼓风或水蒸汽能导致多孔粘结基体加速磨损。因此,碳的耐磨组分将溶解,并受到铁水冲洗。
 
    (5)CO分解造成的磨损
 
    按照布氏反应,另一个磨损因素与CO分解有关。在一定的温度条件下,将出现碳沉积,并由此造成裂纹。
 
    二、热机械磨损
 
    (1)热应力造成的磨损
 
    热面处的炉衬暴露于高温之下,温度达到1150℃。这个区的磨损受到温度分布和合成压缩应力控制,它取决于炉衬的机械物理性能。要是达到临界压缩应力值,可能出现裂纹和漏出。
 
    (2)侵蚀造成的磨损
 
    循环铁水侵蚀炉膛侧壁。此时,出铁方法对循环有很大影响。不同的磨损外形是从“死铁”的不同状态中生成的。
 
    由热应力和侵蚀造成的磨损是借助数学摸型使用计算机进行研究的领域。这些模型按铁水温度和流动,确定在不同条件下炉衬厚度的实际状况。
 
    三、对高炉炉膛炉衬的要求
  
    如果考虑高炉下部所有的影响和相互作用,那么铁水阻力是最重要的条件。
    
    按照试验结果,导热性,>15W/mK时,适合于减少碱侵蚀,并改善耐热冲击性。通过对炉膛的充分冷却,绝热“结壳”可以冻结在一般有低导热性的侧壁炉衬上。碳块生产者的挑战是平衡与石墨含量紧密有关的导热性和铁水阻力之间的矛盾。自然界的石墨在铁水中容易溶解。根据试验标准ISO12987可以对导热性进行测量,生产结束时,碳块生产者可以直接测量导热性、相应的性能,还可以测试铁水阻力,但试验方法不是标准化的。
 
    四、铁水阻力试验
    
    不同等级碳(标准和微气孔)的试验将提供相关等级碳的性能信息。
 
    铁水阻力试验模拟条件:
    
    a)接近2%的碳造成的碳溶解;
 
    b)旋转铁水试样造成的侵蚀。
 
    RDN是标准碳,是确定所有试验基础的“校准”等级。确定了所有试验条件后,RDN的理论预期数值是接近20min后,铁水溶解碳为4.5%,达到饱和度。
 
    试样的外观与溶解直到饱和极限为止的曲线有关。微气孔碳的溶解较少,20min后溶解速率是不可测量的。
 
    约2%碳时,初始含碳量扩大,是试验方法的弱点,它与金属和碳粉的困难组成有关。
 
    在液态金属边界处观察惰性气体气氛下鹅颈管短截效应。这个效应并不能完全解释清楚。据推测,机械作用以及某一局部氧化是材料强制磨损的原因。
 
    9RDN的3个试样表明铁水中的状态非常一致,大约5min后可观察到没有进一步溶解。这是改进耐铁陶瓷添加剂的结果。
 
    铁水试验后,试样上出现同样的结果:没有磨损,可观察到只有一点鹅颈管短截效应。
 
    为了比较市场上可买到的其它材料,使用一致的试验条件是非常重要。用同样的设备处理所有等级材料,对于各个试验只有铁水的初始含碳量有变化。
 
    A微气孔样品与9RDN的趋势相同,可观察到2min后接近没有溶解。
 
    有一点不同的是鹅颈管短截效应的状态。鹅颈管短截显现更强。
 
    当7RDN在整个30min期间有溶解作用时,9RDN和试样A在30min内显示接近没有溶解作用。
 
    五、结论
 
    (1)通过铁水试验,在标准碳RDN基础上进行了一系列的校准,使用陶瓷添加剂进一步改进了碳块材料,例证了微孔性。
 
    (2)微气孔7RDN,作为下一代的里程碑产品,有力地改进了铁水阻力。
 
    (3)与7RDN相比,微气孔9RDN已经改进了铁水阻力
 
    (4)微气孔9RDN达到和试样A微气孔碳材料同样的标准(甚至更好一点)。
 
    (5)用该试验方法得出在理论上期望的标准碳等级的结果。
 
    (6)微气孔9RDN已经控制了导热性和铁水阻力之间的平衡,能够同时改进两种性能,对另一个性能无负作用。
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