高爐直吹管澆注料的損毀機理分析

2020-12-03 找耐火材料網

隨著高爐冶煉技術的發展以及高風溫、高風壓、高富氧和大噴煤的應用，高爐送風裝置易出現開裂、燒塌或燒穿等事故，特別是直吹管，受風口小套等客觀條件限制，管身較細，耐火材料層較薄，工況複雜，易出現發紅、燒穿等事故，影響安全生產。直吹管發紅和燒穿的主要原因是直吹管與接觸面漏風、耐火材料質量差、煤槍磨損嚴重和爐牆脫落物等。柳鋼曾對直吹管燒穿事故進行分析，認為直吹管澆注料質量差是導致直吹管燒損的主要原因，通過提高直吹管澆注料質量和改進直吹管制造工藝，高爐直吹管發紅和燒穿的問題得到解決，直吹管的質量和使用壽命得到提高。首鋼某高爐直吹管也發生燒穿事故，經查該直吹管使用時間較長，經歷高爐休風次數較多，溫度大幅變化，導致直吹管前端水套與直吹管母體之間耐火材料開裂，從而高富氧的熱風從直吹管前部燒出。直吹管耐火材料除需具有耐高溫和耐衝刷的特點外，還需具有保溫和隔熱的作用。因此，為了考察直吹管耐火材料質量，進一步有效監督直吹管使用情況，對直吹管澆注料性能進行了分析。

1直吹管澆注料性能分析

針對直吹管燒穿問題，取直吹管澆注料的舊料(用後)和新料進行分析。直吹管澆注料的舊料和新料試樣形貌分別如圖1和圖2所示。

1.1理化性能分析

直吹管澆注料舊料和新料的化學成分見表1。

圖1澆注料舊料試樣形貌
圖2澆注料新料試樣形貌

由表1可見，直吹管澆注料新料和舊料的化學成分主要是Al2O3和SiO2，兩者差異不大，舊料Fe2O3的質量分數略高，懷疑與混入部分鐵渣有關。

首鋼和柳鋼直吹管澆注料新料的理化性能見表2，首鋼直吹管澆注料新料經1200℃×3h高溫處理後的形貌如圖3所示。可見，首鋼直吹管澆注料新料與柳鋼直吹管澆注料新料相比，體積密度和常溫耐壓強度均偏低，而首鋼直吹管澆注料新料1200℃×3h高溫處理後的常溫耐壓強度比110℃×24h處理後的低50%，1200℃×3h高溫處理後的比110℃×24h處理後的氣孔率明顯增加，質地變得更為疏鬆，可能造成直吹管澆注料的耐壓強度較差。而在實際使用過程中，在直吹管內高風速和高風溫的條件下，由於耐壓強度較低，可能會造成內襯澆注料磨損較大，甚至脫落。

1.2直吹管澆注料新料的抗渣試驗

1.2.1抗渣試驗分析採用靜態坩堝法模擬高爐渣與直吹管澆注料新料在高溫狀態下的反應情況。抗渣試驗的鐵渣採用高爐渣，其成分見表3。

表1澆注料舊料和新料的化學成分(質量分

表2首鋼和柳鋼直吹管澆注料新料的理化性能

圖3澆注料新料1200℃×3h高溫處理後的形

取直吹管澆注料新料試樣2塊(編號為1、2)，分別在試樣中間鑽成高度約為40mm、直徑為42mm的孔洞，填入相同質量的高爐渣，放入高溫爐內進行1500℃×3h處理後，從中間切開，測量抗渣試樣數據。抗渣試樣1、2的形貌分別如圖4和圖5所示，抗渣試樣數據見表4。

由表4可見，試樣1和試樣2相比，試樣1的孔深差和反應面直徑差相差較大，試樣2的孔底直徑差和反應面直徑差相差較大。從整體來看，高爐渣與直吹管澆注料新料反應程度較深，即直吹管用澆注料容易被高爐渣侵蝕，抗渣性能較差。

1.2.2SEM和XRD分析

選取抗渣試樣1進行SEM(掃描電鏡)和XRD(X射線衍射)分析。抗渣試樣XRD分析的主要部位如圖6所示，XRD分析結果見表5。

表3高爐渣的成分(質量分數) 圖4抗渣試
圖5抗渣試樣2的形貌
表4抗渣試樣數據mm
圖6抗渣試樣XRD分析的主要部位

由表5可見，直吹管澆注料的骨料(白色顆粒)基本保持了原物相成分，但黃色基質和黑色基質部分生成了較多的物質MgSiO3，顯然受到渣侵蝕較嚴重。

對直吹管澆注料新料抗渣試驗後的試樣進行SEM分析，重點分析高爐渣和耐火材料的交界處。SEM試樣和高爐渣與耐火材料交界處的形貌如圖7所示，高爐渣與耐火材料交界部處的SEM分析結果如圖8所示。

由圖7和圖8可見，由於高爐渣中含有較多的

表5抗渣試樣的XRD分析結果(質量分數)%

圖7SEM試樣、高爐渣與耐火材料交界處的形貌

圖8高爐渣與耐火材料交界部處的SEM分析結果

鈣、矽、鎂和鐵等元素，與渣相接觸的耐火材料一側，鈣和鎂的元素濃度明顯升高，這說明渣中的鈣和鎂滲透到了直吹管澆注料中，與澆注料中的Al2O3和SiO2等反應生成鈣黃長石Ca2Al2SiO7和矽酸鎂MgSiO3等物質，從而形成侵蝕。

綜合抗渣試驗的結果來看，直吹管澆注料的抗渣性能較差，易受高爐渣侵蝕。

2直吹管澆注料舊料的XRD和SEM分析

2.1XRD分析

對直吹管澆注料舊料的6個具有典型代表部位進行XRD分析，分析部位如圖9所示，1～6為不同分析部位編號，分析結果見表6。

圖9澆注料舊料的XRD分析部位示意圖

由表6可見，直吹管澆注料舊料的分析部位3～6絕大部分組成都是Al6Si2O13(莫來石)和SiO2，在高爐渣和耐火材料的交界處(分析部位1)

表6澆注料舊料的XRD分析結果(質量分數)%

除外，還出現了部分Al2O3，在分析部位2還出現了部分Al2SiO5(藍晶石)，Al2O3和Al2SiO5(藍晶石)是常見的生成莫來石的耐火原料。

2.2SEM分析

SEM分析所用試樣與XRD分析所用試樣相同，從表面粘渣到耐火材料依次進行掃描。與渣面不同距離處直吹管澆注料舊料的微觀形貌如圖10所示，能譜分析結果見表7，其中渣面部分即樣品的最上部，此位置設為0mm。

圖10與渣面不同距離處澆注料舊料的微觀形貌

由表7可見，距渣面0mm處鈣、鈦和鐵等雜質質量分數較高，距渣面2mm處鐵和鈣等質量分數減小，距渣面5mm處雜質質量分數進一步減小;當距渣面19mm時，幾乎只有組成耐火材料的基本元素鋁、矽和氧。

通過直吹管澆注料舊料的XRD分析和SEM分析，可初步推斷直吹管澆注料被侵蝕的機理大致為：高爐渣中的鈣和鐵滲透到了澆注料中，與澆注料中的Al2O3和SiO2等反應，生成低熔點化合物，從而使澆注料損毀速度加快。

3直吹管澆注料的損毀機理分析

根據直吹管澆注料的性能分析、XRD分析和SEM分析，判斷其為鋁酸鹽水泥結合的莫來石質澆注料。鋁酸鹽水泥澆注料具有快速硬化和施工方便等特點，但在900～1200℃尚未形成陶瓷化和水化礦物，化學反應形成疏鬆狀結構導致體積收縮和氣孔率升高，致使中溫強度降低，易產生結構剝落。為此，提出以下建議：

表7與渣面不同距離處澆注料舊料的能譜分析結果(質量分數)%

(1)提高原材料的品質，降低雜質質量分數，尤其是鹼金屬對鋁酸鹽水泥的影響。

(2)添加紅柱石或藍晶石，增大鋁酸鹽水泥耐火材料的膨脹率，以彌補體積收縮造成的中溫強度下降，形成「微膨脹耐火澆注料」。

(3)添加燒結劑，如軟質黏土等(質量分數為3%～6%)，促使澆注料在較低溫度下燒結，防止或改善其組織結構的劇烈變化，從而提高了中溫強度。

直吹管的工作溫度為1100～1200℃，恰處於鋁酸鹽水泥強度最低的中溫範圍，因此，只要提高了澆注料的中溫強度，減少氣孔率，抗渣性能也會隨之增強，直吹管整體使用壽命也會隨之大幅提高。

4結論

(1)直吹管澆注料為鋁酸鹽水泥結合的莫來石質澆注料。此類澆注料在900～1200℃尚未形成陶瓷化和水化礦物，化學反應形成疏鬆狀結構導致體積收縮和氣孔率升高，致使中溫強度降低，易產生結構剝落。

(2)直吹管澆注料抗渣性能較差，易受高爐渣侵蝕，經1200℃×3h高溫處理後的氣孔率偏大，耐壓強度偏低，是導致抗渣性差的重要原因。

(3)由直吹管澆注料舊料的XRD分析和SEM分析可知，此澆注料的部分骨料並未完全莫來石化，導致強度和抗渣性降低，易受高爐渣侵蝕。侵蝕的機理大致為渣中的鈣和鐵滲透到了澆注料中，鈣和鐵的氧化物與澆注料中的Al2O3和SiO2等反應，生成低熔點化合物，從而使澆注料損毀速度加快。

(4)提高澆注料的中溫強度，減小氣孔率，提高抗渣性能，直吹管使用壽命也會提高。

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