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炉衬损坏的机理分析与优化

时间:2023-06-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:沉积在炉衬上的这部分碱金属和锌的氧化物与炉衬中的A12O3、SiO2反应生成低熔点的硅铝酸盐,使炉衬软熔并被冲刷而损坏。

炉衬损坏的机理分析与优化

3.2.1.1 炉底

根据高炉停炉大修前炉底破损状况和生产中炉底温度等检测结果知道,炉底破损分两个阶段,初期是铁水渗入将砖漂浮而形成锅底形深坑,第二阶段是熔结层形成后的化学侵蚀。

铁水渗入的条件:一是炉底砌砖承受着液体渣铁、煤气压力、料柱重量的10%~12%;二是砌砖存在砖缝和裂缝。当铁水在高压下渗入砖衬缝隙时,会缓慢冷却,在1150℃时凝固,在冷凝过程中体积膨胀,从而又扩大了缝隙,如此互为因果,铁水可以渗入很深,由于铁水密度大于黏土砖、高铝砖和炭砖密度,因此在铁水的静压力作用下砖会漂浮起来。炉底坑下的砖衬在长期的高温高压下,部分软化重新结晶,形成熔结层。熔结层和下部未熔结的砖衬相比较,熔结层的砖被压缩,气孔率显著降低,体积密度显著提高,同时砖中氧化铁和碳的含量增加。

熔结层中砖与砖已烧结成一个整体,能抵抗铁水的渗入,并且坑底面的铁水温度也较低,砖缝已不再是铁水渗入的薄弱环节了,这时炉衬损坏的主要原因转化为铁水中的碳将砖中二氧化硅还原成硅,并被铁水所吸收的化学侵蚀。

SiO2(砖)+2[C]+[Fe]=[FeSi]+2CO

因此熔结层表面的二氧化硅含量降低,而残铁和炉内凝铁中的硅含量增加,这时炉底的侵蚀速度大大减慢了,可见关键在于熔结层在哪里形成,生产实践表明:采用炉底冷却的大高炉,炉底侵蚀深度约1~2m,而没有炉底冷却的高炉侵蚀深度可达4~5m。

从上述炉底破损机理看出,影响炉底寿命的因素:首先是它承受的高压,其次是高温,再次是铁水和渣水在出铁时的流动对炉底的冲刷,炉底的砖衬在加热过程中产生温度应力引起砖层开裂,此外在高温下渣铁也对砖衬有化学侵蚀作用,特别是渣液的侵蚀更为严重。

3.2.1.2 炉缸

炉缸下部是盛渣铁液的地方,而且周期地进行聚积和排出,所以渣铁的流动、炉内渣铁液面的升降,大量的煤气流等高温流体对炉衬的冲刷是主要的破坏因素,特别是渣口、铁口附近的炉衬是冲刷最厉害的部位。高炉炉渣偏碱性而常用的耐火砖偏酸性,故在高温下化学性渣化,对炉缸砖衬是一个重要的破坏因素。整个高炉的最高温度区域是炉缸上部的风口带,此处炉衬内表面温度高达1300~1900℃,所以砖衬的耐高温性能和相应的冷却措施都是非常重要的。

炉缸部位受的压力虽不算很大,但它是难以对付的侧向压力,故仍然不可忽视。

3.2.1.3 炉腹

此处距风口带近,故高温热应力作用很大。由于炉腹倾斜故受着料柱压力和崩料、坐料时冲击力的影响。另外还承受初渣的化学侵蚀。由于初渣中FeO、MnO以及自由CaO含量较高,初渣中FeO、MnO、CaO与砖衬中的SiO2反应,生产低熔点化合物,使砖衬表面软熔,在液态渣铁和煤气流的冲刷下而脱落。在实际生产中,往往开炉不久这部分炉衬便被完全侵蚀掉,增加炉衬厚度也无济于事,而是靠冷却壁上的渣皮维持生产。

3.2.1.4 炉身(www.xing528.com)

炉身中下部温度较高,故热应力的影响较大,同时也受到初渣的化学侵蚀以及碱金属和锌的化学侵蚀。炉料中的碱金属和锌,一般以盐类存在,进入高炉后在高温下分解为氧化物,在高炉下部被还原为金属钾、钠、锌,并挥发随煤气上升,在上升过程中又被氧化为K2O、Na2O、ZnO,部分氧化物沉积到炉料上再循环,部分沉积在炉衬上,还有一部分随煤气排出炉外,这就是碱循环。沉积在炉衬上的这部分碱金属和锌的氧化物与炉衬中的A12O3、SiO2反应生成低熔点的硅铝酸盐,使炉衬软熔并被冲刷而损坏。

另外,碳素沉积也是该部位炉衬损坏的一个原因。碳素沉积反应(2CO=CO2+C↓)在400~700℃之间进行最快,而整个炉身的炉衬却正好都有处于这一温度范围的地方,这是由于炉身下部炉墙内表面温度虽然高于700℃,但在炉衬内部却有着碳素沉积的适当温度点,因此碳素就会在炉衬中进行沉积,炉身上部沉积点位置靠近炉墙内表面。当碳素沉积在砖缝和裂缝中时,它在长期的高温影响下,会改变结晶状态,体积增大,胀坏砖衬,这对强度较差的耐火砖和泥浆不饱满的炉衬来说,作用更为明显。

在炉身上部,炉料比较坚硬,具有棱角,下降炉料的磨损和夹带着大量炉尘的高速煤气流的冲刷是这部位炉衬损坏的主要原因。

3.2.1.5 炉喉

炉喉受到炉料落下时的撞击作用,故都用金属保护板加以保护,又称炉喉钢砖,即使如此,它仍会在高温下失去强度和由于温度分布不均匀而产生热变形,炉内煤气流频繁变化时损坏更为严重。

对于大中型高炉来说,炉身部位是整个高炉的薄弱环节,这里的工作条件虽然比下部好,但由于没有渣皮的保护,寿命反而较短。对于小型高炉,炉缸是薄弱环节,常因炉缸冷却不良、堵铁口泥炮能力小而发生炉缸烧穿事故。

最终决定炉衬寿命的因素有:

(1)炉衬质量,是决定炉衬寿命的关键因素,如耐火砖的化学成分、物理性质、外形公差等。

(2)砌筑质量,砌缝大小及是否均匀,膨胀缝是否合理,填料是否填实等。

(3)操作因素,如开炉时的烘炉质量,正常操作时各项操作制度是否稳定、合理。

(4)炉型结构尺寸是否合理,如炉身角、炉腹角等。

另一方面高炉内也存在着保护炉衬的因素,如合理的冷却设备、渣皮的形成、炉壳的存在,都有助于炉衬的保护,减弱了高温热应力的破坏。

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