UCAR炭磚在鞍鋼高爐應用分析

郭天永，車玉滿，謝明輝，孫鵬，姚碩，姜喆

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧鞍山114021）

研究與開發

UCAR炭磚在鞍鋼高爐應用分析

郭天永1，車玉滿1，謝明輝2，孫鵬1，姚碩1，姜喆1

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧鞍山114021）

介紹了UCAR炭磚在鞍鋼高爐爐缸的應用狀況，根據爐缸結構、冷卻系統，結合炭磚理化檢驗結果，分析討論了鞍鋼UCAR炭磚爐缸異常侵蝕原因，認為爐缸炭磚必須使用電煅無煙煤生產工藝，不能使用過量填加石墨的生產工藝，爐缸炭磚不能片面追求導熱系數指標，必須綜合考慮平均孔徑、小于1 μm容積比、抗氧化性、抗堿性、抗渣侵蝕和鐵水溶蝕率。

高爐；爐缸；UCAR炭磚；侵蝕

隨著高爐長壽技術的發展，高爐壽命不斷提高，國外已有超過20年［1］壽命的高爐，國內也有超過15年［2-3］壽命的高爐。為了實現一代爐役無中修15年長壽目標，鞍鋼部分大型高爐自2005年開始采用美國UCAR優質炭磚作為爐缸內襯。但是高爐壽命與預期目標相差甚遠，生產不到6年［4］，有的高爐發生爐缸滲鐵事故被迫停爐更換爐缸內襯，有的高爐因爐缸側壁耐材溫度異常升高，而被迫采用釩鈦礦護爐或低強度冶煉維持生產，給公司安全生產和正常經營帶來巨大困難，引起煉鐵工作者對于爐缸長壽問題的高度關注。本文根據鞍鋼高爐爐缸破損調查情況，結合炭磚理化指標檢測和巖相結構分析，討論UCAR炭磚發生異常侵蝕原因，為搞好高爐長壽管理和改進高爐設計優化獲取重要技術數據。

1　UCAR炭磚在鞍鋼高爐使用狀況

1.1爐缸側壁內襯結構

鞍鋼股份有限公司采用UCAR炭磚作為爐缸內襯始于2005年建成投產的西區3200 m3高爐，后來陸續建成的鞍鋼鲅魚圈4038 m3高爐、鞍凌2600 m3高爐均在爐缸側壁使用了UCAR小塊炭磚，爐缸內襯結構基本相同。鞍鋼西區3200 m3高爐爐缸內襯結構如圖1所示。

爐底炭磚第3～5層邊緣環砌12層NMA小塊炭磚，徑向厚度為400～420 mm。鐵口周圍全部砌筑高導熱性的NMD炭磚,鐵口以下外側同樣砌筑NMD炭磚，砌筑厚度大約為全部炭磚厚度的一半；非鐵口區域外側容易產生象腳侵蝕位置也砌筑一部分NMD炭磚，其余部位砌筑NMA炭磚,鐵口側炭磚總厚度為1 914 mm,非鐵口側炭磚總厚度為998 mm，炭磚內側砌筑了陶瓷杯，杯壁厚度為360 mm，杯墊厚度為800 mm。

1.2高爐爐缸側壁侵蝕狀況

鞍鋼UCAR炭磚高爐爐缸壽命與期望值相差甚遠，特別是新2號、新3號高爐和鞍凌1號高爐，如表1所示，。

表1　鞍鋼UCAR炭磚高爐一代爐役爐缸問題

破損調查發現，3座高爐爐缸鐵口上部炭磚都有渣皮保護，幾乎沒有侵蝕痕跡,侵蝕主要發生在鐵口下部2段冷卻壁位置，嚴重侵蝕范圍距鐵口中心線1.7～2.7 m。高爐侵蝕最嚴重的區域見圖2所示。

新2號高爐生產5.9年，3#鐵口下方局部位置炭磚最薄剩余厚度僅150 mm，年均侵蝕量接近300 mm；新3號高爐生產4.3年，4#鐵口下方局部炭磚剩余厚度460 mm，年均侵蝕量340 mm；鞍凌高爐生產1.75年，侵蝕最嚴重的1#鐵口下方局部位置炭磚剩余厚度710 mm，年均侵蝕量540 mm，侵蝕速度之快實在難以想象。

2　UCAR炭磚異常侵蝕原因分析

鞍鋼3座高爐爐缸局部位置發生異常侵蝕，通過破損炭磚理化指標檢測、巖相結構分析結合高爐自身結構及冷卻系統，分析討論炭磚發生異常侵蝕主要原因。

2.1UCAR炭磚微氣孔性能差

高爐爐缸破損調查期間，曾對爐缸炭磚進行取樣并檢測炭磚理化性能，檢測結果見表2。

表2　鞍鋼高爐UCAR炭磚與國產炭磚理化指標對比

從表2可以看出，NMD炭磚平均孔徑為0.798～1.769 μm，小于1 μm孔容積為39.53%～52.09%，NMA炭磚平均孔徑為1.594～2.122 μm，小于1 μm孔容積為40.35%～41.38%，與國產微孔炭磚相差較大，均未達到一般微孔炭磚標準要求水平。NMA、NMD炭磚生產采用電極石墨為主要原料，添加6%～8%的SiO2在900℃下熱壓成型，UCAR炭磚與微孔炭磚顯微結構對比見圖3。

巖相結構分析表明，電極石墨呈多孔、疏松結構，所加的添加劑SiO2沒有發生化學反應形成SiC，孔隙中無任何添加物充填，而以電煅無煙煤為主要原料生產的微孔炭磚是在1 400℃下生成β-SiC，充填微氣孔和裂紋［4］，因而結構比UCAR炭磚致密。由于電極以石油瀝青焦或針狀瀝青焦為原料生產的，雖經石墨化煅燒，其結構仍然保持焦炭疏松多孔的結構特征，因而微氣孔性能很差，一旦爐缸側壁局部位置失去陶瓷杯或渣皮保護，高壓鐵水就會侵入到炭磚的氣孔孔道和裂紋中。經過鐵水長期浸泡和化學侵蝕，炭磚結構就會遭到破壞，類似形成無數小炭塊，處于鐵水包圍之中。加之大高爐鐵水［C］的不飽和狀態，促使小炭塊逐漸溶解在鐵水中，產生微觀“漂浮”侵蝕現象［5-6］。破損調查發現，靠近爐內端炭磚呈疏松粉化粉碎狀并含有一定量的Fe，這就是鐵水滲透侵蝕表現形式之一。此外，NMA炭磚抗鐵水溶蝕率指標較差（大于30%），也是該磚抗鐵水沖刷侵蝕差的原因之一。

NMA炭磚進入中國初期是以電煅無煙煤為主要原料，在國內得到廣泛應用，并且高爐使用效果也不錯，可以達到10年甚至15年以上壽命。隨著用戶對炭磚的導熱系數要求越來越高，炭磚生產廠家為了提高炭磚的導熱系數，采取增加高導熱率電極石墨含量的措施而不是采取提高無煙煤的石墨化度的方法來提高炭磚的導熱系數。最終，炭磚的導熱系數增加了，但是微氣孔指標下降了，造成抗渣鐵侵蝕能力下降，不適合應用在爐缸關鍵部位，特別是鐵口下部區域。因此，爐缸炭磚特別是鐵口下部區域炭磚不能片面追求導熱系數指標，必須綜合考慮平均孔徑、小于1 μm容積比、抗氧化性、抗堿性、抗渣侵蝕和鐵水溶蝕率。

2.2炭磚選擇與冷卻系統不相匹配

為了強化冷卻效果和降低冷卻系統動力消耗，在保持同樣冷卻水量條件下，一般要求冷卻壁有效比冷卻面積大于1.0［6］。鞍鋼高爐爐缸冷卻壁水管直徑偏小，有效比冷卻面積偏小，爐缸冷卻水量偏少（表3所示），冷卻壁內單管水速不足2.0 m/s，而鐵口區域NMD炭磚導熱系數很大，達到100 W/（m·K），造成高導熱性炭磚與冷卻強度嚴重不匹配，冷卻壁與炭磚之間沒有形成暢通的傳熱通道，冷卻壁表面積聚的熱量不能通過冷卻水高效傳導出去，炭磚熱面得不到有效冷卻，熱面溫度很難低于1 150℃，因此，與其接觸的渣鐵很難凝結下來而形成保護層，在鐵水靜壓力和環流的雙重作用下爐缸的薄弱環節“象腳”侵蝕加劇。

表3　UCAR炭磚高爐一代爐役爐缸冷卻系統參數

2.3炭素膠泥(C34)固化不良

炭素膠泥（C34）固化不良，炭磚之間松散沒有形成一體。一旦陶瓷杯局部出現裂紋，高壓鐵水穿過陶瓷杯裂紋滲入炭磚磚縫，造成膠泥粉化和揮發，造成磚縫進一步擴大甚至發生鉆鐵。破損調查中發現，爐缸局部位置小塊炭磚之間并沒有形成整體（見圖4），有的位置不少炭磚可以徒手掀起，磚縫之間部分炭素膠泥已經流失，并有鉆鐵現象，最大寬度達60 mm。按照爐缸耐火材料砌筑要求，小塊炭磚之間縫隙為1.5 mm［7］，磚縫之間填充炭磚生產廠家配套的特制炭素膠泥（C34），并要求高爐開爐初期爐缸快速升溫，促使炭素膠泥與小塊炭磚固化在一起，形成整體。

2.4鋅的化學侵蝕

根據爐缸破損調查和炭磚前端粉化層檢測結果分析，炭磚粉化層Zn最高含量達到10.13%，碳素含量降低到28.28%，說明鋅的化學侵蝕也是環炭侵蝕原因之一。由于爐缸冷卻能力不足，炭磚徑向厚度接近2 m，使得炭磚前端得不到有效冷卻，無法保證炭磚熱面溫度低于800℃，再加上爐內Zn的循環富積，構成與炭磚發生化學侵蝕的條件，滲入炭磚氣孔或裂紋中的Zn在煤氣中CO2和水蒸汽催化作用下生成ZnO，體積發生異常膨脹，降低炭磚強度，導致炭磚疏松、開裂、剝落［6］。

3　結論

（1）鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠3座高爐爐缸鐵口上部炭磚都有渣皮保護，幾乎沒有侵蝕痕跡,侵蝕主要發生在鐵口下部2段冷卻壁位置，嚴重侵蝕范圍距鐵口中心線1.7～2.7 m；

（2）鞍鋼UCAR炭磚發生異常侵蝕的主要原因在于炭磚微氣孔性能差，爐缸冷卻強度不足，碳素膠泥（C34）固化不好以及鋅的化學侵蝕；

（3）爐缸炭磚不能片面追求導熱系數指標，必須綜合考慮平均孔徑、小于1 μm容積比、抗氧化性、抗堿性、抗渣侵蝕和鐵水溶蝕率。

［1］王再義,張立國,張偉，等.高爐的大型化與長壽化［J］.煉鐵, 2012（2）:17-19.

［2］林成城，項鐘庸.寶鋼3號高爐長壽設計與操作技術［J］.寶鋼技術，2012（6）:1-2.

［3］胡正剛.提高武鋼5號高爐煤氣利用率的實踐［J］.武鋼技術, 2012（2）:8-10.

［4］張壽榮，于仲潔.武鋼高爐長壽技術［M］.北京:冶金工業出版社，2009.

［5］周有德.高爐爐缸形成“蒜頭狀”侵蝕的分析和對策［J］.鋼鐵, 1998（2）:2-4.

［6］車玉滿,郭天永,孫鵬，等.高爐爐缸永久性內襯作用與形成技術［J］.鞍鋼技術,2013（1）:16-18.

［7］王寶海,車玉滿,謝明輝.鞍鋼新3號高爐爐缸爐底破損調查［J］.煉鐵,2012（6）:23-24.

（編輯 賀英群）

Analysis on Application of UCAR Carbon Bricks in Blast Furnace of Angang

Guo Tianyong1，Che Yuman1，Xie Minghui2，Sun Peng1，Yao Shuo1，Jiang Zhe1
（1.Iron&Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation,Anshan 114009,Liaoning，China；2.General Ironmaking Plant of Angang Steel Co.,Ltd.,Anshan 114021,Liaoning,China）

The current situation of application of UCAR carbon bricks in building the BF hearth of Angang is introduced.The causes leading to the abnormal erosion of UCAR carbon bricks in Angang are analyzed and discussed with regard to the structure of the hearth,the cooling system and inspection results by physical and chemical means.According to the analytical results it is believed that carbon bricks for building the hearth have to be made of electrically calcined anthracite coal,but not made of those with adding excessive graphite,for the excessive pursuit of the thermal conductivity index of carbon bricks for building the BF hearth should not be done, instead all these factors such as average pore size,volumetric ratio less than 1 μm,oxidation resistance,alkalinity resistance,rate of resistance to slag erosion and dissolution rate of hot metal must be considered comprehensively.

blast furnace;hearth;UCAR carbon bricks;erosion

TQ175

A

1006-4613（2015）02-0015-05

郭天永，工程碩士，工程師，2010年畢業于北京科技大學冶金工程專業。

E-mail：gty77@126.com

2014-09-15