鐵水溫度對炭磚坩堝動態侵蝕的影響研究

劉福軍，寧曉鈞，張建良，焦克新

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.北京科技大學冶金與生態學院，北京100083）

熔融的鐵水流動侵蝕是高爐爐缸爐底內襯侵蝕的重要原因［1-3］。為了提高傳熱性能，炭磚中增加了石墨的添加比率［4］，但石墨的增加在提高炭磚導熱系數的同時，也加劇了鐵水對其的侵蝕。普遍認為，鐵水的流動沖刷侵蝕是爐缸異常侵蝕的主要原因，同時也是限制高爐長壽的根本原因［5-6］。

目前，基于傳熱學和流體力學，通過假設死料柱的形狀建立三維模型模擬爐缸內鐵水流動的研究較多［7-10］，但由于模擬條件受限，不能完全代表高爐爐缸的真實情況。同時也有學者［11-12］通過指棒實驗研究高溫熔體對耐火材料的侵蝕，但這并不能反映爐缸整體的侵蝕狀況。因此，本實驗將耐火材料制成坩堝，并攪拌坩堝內的鐵水，同時加入一定量焦炭，模擬爐缸真實生產條件，研究鐵水溫度對炭磚坩堝動態侵蝕的影響，為實現高爐長壽提供參考。

1 實驗設備及實驗方法

1.1 實驗設備

實驗所用的設備為BLMT-1700℃高溫反應熔分爐，加熱元件為硅鉬棒，最高溫度可達1 700℃，恒溫區長度是100 mm。在其基礎上加以改進，高溫爐上部固定攪拌機，攪拌機下部連接攪拌棒，攪拌棒主要為實心剛玉棒，在剛玉棒的一端接有剛玉磚棒，實現攪拌功能。所用的炭磚為國內高爐普遍使用的模壓燒成小炭塊。實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置圖

1.2 實驗樣品

實驗所用的鐵樣由還原鐵粉、石墨碳粉、硅粉、硫粉和錳粉配置而成。配置鐵樣總質量300 g，一方面可以用于抽鐵，另一方面可以使坩堝和鐵液充分接觸。根據各種組分所占的百分含量進行稱量，然后將稱量好的樣品放入研缽內進行研磨，使其混合均勻。

實驗所用的坩堝為炭磚坩堝，內徑44 mm、壁厚10 mm、高70 mm、底厚14 mm。其XRD圖譜如圖2所示， 主要成分為C、SiO2、Al2O3以及SiO2和Al2O3之間形成的Al2SiO5。對炭磚進行化學分析，其中 C、Al2O3和 SiO2的含量分別為 61.79%、9.31%和11.72%。模壓燒成小炭塊理化性能指標見表1。

圖2 炭磚XRD圖譜

表1 模壓燒成小炭塊理化性能指標

此外，將焦炭磨成質量為0.7 g/個的球體，放在鐵樣的上部。實驗所用的焦炭取自國內某鋼廠，其工業分析結果如表2所示，焦炭中的固定碳高達86.61%。

表2 焦炭工業分析結果 %

1.3 實驗方法

不同鐵水溫度下實驗方案如表3所示。將混合后的鐵樣放入炭磚坩堝內，并在鐵樣上部放一定量的焦炭；待高溫爐升到指定溫度時，用石英管抽取鐵液，分析到達目標溫度，未攪拌時鐵液的含碳量；啟動攪拌機開始攪拌鐵水，到達攪拌時間后，再次抽鐵，對比分析攪拌前后鐵液中含碳量的變化。

表3 具體實驗方案

2 數據處理與分析

2.1 炭磚坩堝宏觀侵蝕形貌及侵蝕速率

2.1.1 炭磚坩堝宏觀侵蝕形貌

實驗后坩堝的宏觀侵蝕形貌如圖3所示。取坩堝內鐵塊的直徑為實驗后坩堝的內徑，其實驗前后內徑的變化如表4所示。

圖3 炭磚坩堝宏觀侵蝕形貌

表4 實驗前后坩堝內徑的變化

從圖3中可以看出，當鐵水溫度為1 450℃時，坩堝側壁的孔洞小而密集；隨著鐵水溫度升高，碳基質在鐵水中的溶解加劇，孔洞相互連接成片。結合表4可以發現，隨著鐵水溫度升高，鐵水侵蝕加劇，坩堝內徑的變化值，即損失層逐漸增大。

2.1.2 炭磚坩堝侵蝕速率

侵蝕速率表示單位時間、單位面積內，碳向鐵液中溶解的質量。由炭磚坩堝反應前后內徑推算出坩堝侵蝕速率，計算公式如下：

式中，ν為侵蝕速率，g/（h·cm2）；h為炭磚坩堝內側高度，cm；r2為反應后炭磚坩堝內徑，cm；r1為反應前炭磚坩堝內徑，cm；ρ為炭磚密度，g/cm3；ωC為炭磚含碳量，%；t為反應時間，h；S為炭磚坩堝與鐵水接觸的表面積，cm2。

由式（1）算得不同鐵水溫度下炭磚坩堝侵蝕速率如表5所示。隨著鐵水溫度升高，碳向鐵液中的溶解速率加快，說明升高溫度可促進碳向鐵液的溶解。

表5 不同鐵水溫度下炭磚坩堝侵蝕速率

通過計算可知在不同鐵水溫度下炭磚坩堝的侵蝕速率。現假設高爐爐缸側壁厚度為1 500 mm，炭磚橫截面為800 mm×800 mm，鐵液溫度為1 550℃，則爐缸炭磚侵蝕完全時約需要157天，而目前高爐壽命可達十幾年，甚至二十幾年，如國內寶鋼3#高爐一代爐役19年［13］，首鋼1、3、4 號高爐均超過 15 年［14］等，如果僅僅依靠炭磚實現高爐長壽幾乎不可能。由此可見，在改善高爐耐火材料質量的同時，優化高爐操作，使之形成穩定堅固的保護層也顯得尤為重要。保護層的形成可防止炭磚與鐵液的直接接觸，防止鐵液對炭磚進行溶蝕、滲透等，進而達到高爐長壽的目的。

2.2 實驗前后焦炭對比分析及溶解速率

2.2.1 實驗前后焦炭對比分析

不同鐵水溫度下焦炭實驗前后的體積變化如圖4所示。焦炭由實驗前的球體變成了實驗后不規則的形狀，并伴隨著質量下降。

圖4 不同鐵水溫度下實驗前后焦炭體積變化

焦炭的質量變化如表6所示。隨著鐵水溫度升高，鐵水所能溶解的碳含量升高，焦炭的失重量增大，其失重比例也增大。通過計算可知，攪拌之后，焦炭中的固定碳并未全部溶解到鐵液中，焦炭本身還殘存一部分碳。

表6 不同鐵水溫度下實驗前后焦炭質量變化

2.2.2 焦炭的溶解速率

焦炭的溶解速率指單位時間、單位面積內，焦炭中的碳溶解在鐵液中的質量。根據表6中的失重量可求出溶解速率，計算如下：

式中，ρ鐵液為鐵液密度，kg/m3；［C］為鐵液中 C 含量，%；T為開氏溫度，K。計算過程中，［C］為初始含碳量，變化部分忽略不計。

式中,g為重力加速度，N/kg；V排為排出鐵液的體積，cm3；m為焦炭總質量，g。

式中，μ為焦炭的溶解速率，g/（h·cm2）；Δm為反應前后焦炭失重量，g；ωC為焦炭含碳量，%；r為焦炭平均粒徑，mm；t為反應時間，h。

由式（2）、（3）、（4）計算各溫度下焦炭的溶解速率如表7所示。隨著鐵水溫度升高，焦炭的溶解速率加快。

表7 不同鐵水溫度下焦炭的溶解速率

不同鐵水溫度下炭磚坩堝的侵蝕速率與焦炭的溶解速率對比圖如圖5所示。從圖5中可以看出，在相同條件下，焦炭的溶解速率遠大于炭磚的侵蝕速率。說明當高爐爐缸內有焦炭存在時，鐵水更易于與焦炭反應滲碳，進而減弱鐵水對炭磚的侵蝕，說明在爐缸內，滲碳性能好的焦炭以及焦炭的定期更新可在一定程度上緩解鐵液對爐缸炭磚的侵蝕。

圖5 不同鐵水溫度下坩堝侵蝕速率與焦炭溶解速率對比分析

2.3 實驗前后鐵水含碳量分析

攪拌前和攪拌后分別對鐵水進行抽樣檢測，結果如圖6所示。攪拌前和攪拌后鐵水中的碳含量均隨著鐵水溫度的升高而增大，當鐵水溫度為1 450℃、1 500℃和1 550℃時，攪拌前后的含碳量分別增加了37.9%、41.9%和45.7%。在相同攪拌的條件下，鐵水中含碳量隨著溫度升高而增加，碳含量增加的速率也隨著溫度的升高而增大。

圖6 攪拌前后鐵水含碳量變化

2.4 炭磚坩堝微觀侵蝕形貌

以1 500℃實驗下的試樣為例，觀察炭磚侵蝕后的微觀形貌，如圖7所示。鐵水沖刷之后，原始的炭磚基質遭到破壞，侵蝕后的炭磚從內到外依次為損失層、滲鐵層和原始基質層。并且，滲鐵層和炭磚原始基質層分層明顯，可以清晰的看見鐵液的滲透通道。熔融的鐵顆粒在通道內不斷聚集長大，對炭磚基質進行溶解和擠壓，割裂基質碳顆粒，破壞炭磚的內部結構。

圖7 1 500℃下炭磚微觀侵蝕形貌圖

3 結論

通過實驗研究，分析不同鐵水溫度條件下炭磚坩堝的侵蝕狀態，并分別從炭磚坩堝侵蝕速率、焦炭溶解速率、實驗前后鐵水含碳量分析、微觀侵蝕形貌四個方面進行表征，主要結論如下：

（1）通過計算可知，當鐵水溫度在1 450～1 550℃范圍內時，炭磚坩堝的平均侵蝕速率為 0.056 g/（h·cm2）， 焦 炭的平 均溶解 速率為1.514 g/（h·cm2）。 由于微觀結構的不同，使得焦炭的溶解速率遠大于炭磚坩堝的侵蝕速率。因此，在實際操作中，添加滲碳性能好的焦炭及死料柱的定期更新可有效緩解鐵液對爐缸炭磚的侵蝕。

（2）通過對攪拌前后的鐵水含碳量進行化學分析：在實驗范圍內，升高溫度可促進鐵水對碳的吸收，因此，在實際高爐操作中，應保證爐缸溫度恒定。

（3）通過微觀形貌觀察，可以看出炭磚原質層和滲鐵層界面清晰，并且有明顯的“鐵流通道”。