防治k、na、zn元素侵蚀高炉炉缸炭砖的隔热夹层型炉缸内衬-何汝生

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1、2014年全国炼铁生产技术会议暨炼铁学术年会防治K、Na、Zn元素侵蚀高炉炉缸炭砖的隔热夹层型炉缸内衬徐瑞图张建来何汝生曹永国（北京瑞尔非金属材料有限公司北京100086）摘要：以气态形式存在于高炉炉缸中的K、Na、Zn元素，对炉缸炭砖有强烈的破坏作用，明显影响高炉寿命。隔热夹层型炉缸内衬通过增加炭砖、陶瓷杯的界面热阻，使炉缸炭砖的热面温度远离K、Na、Zn的沸点温度，降低了炉缸炭砖的温差应力，抑制了K、Na、Zn元素对炭砖的接触和渗透破坏，降低了陶瓷杯的温差应力，延长了高炉炉缸炭砖、陶瓷杯的使用寿命。关键词：高炉碱金属锌陶瓷杯炭砖侵蚀1.前言

2、原燃料带入高炉的K、Na和Zn有害于高炉冶炼过程，明显危害高炉内衬的使用寿命，几乎所有的炼铁厂均根据自身情况确定了K、Na和Zn的入炉负荷标准。高炉炼铁工艺设计规范明确提出入炉原料和燃料应控制有害杂质量，其中：K2O+Na2O的控制值宜≤3.0kg/t、Zn的控制值宜≤0.15kg/t[1]。然而，随着优质原燃料资源的逐渐减少、除尘灰泥的再处理入炉利用等，常见高炉冶炼生产中的实际K2O、Na2O和Zn负荷远超上述指标，有的高炉的碱金属、锌的实际负荷甚至成倍于上述指标。毋容置疑，这种情况已经影响到我国高炉寿命实绩。能够预计，高炉炼铁工艺不可避免地

3、将面对越来越高的碱、锌负荷，它们对高炉寿命的影响将更加明显。过去，对碱金属、锌对高炉内衬的影响研究、防治措施主要集中在影响机理、降低入炉量、炉渣排碱等方面，鲜见关于炉缸内衬结构形式对碱金属、Zn侵蚀炉缸炭砖影响的研究。降低碱金属、锌化合物的入炉量能从源头上降低它们对炉缸炭砖的侵蚀，但在优质原燃料逐渐减少的资源压力下，始终将它们控制在前述指标下是困难的，碱金属、锌化合物的入炉量必然不断上升。高炉冶炼生产中，可采用较低的炉渣碱度甚至酸性渣，较低的铁水温度、甚至较高的生铁含S、加大渣量等操作手段通过炉渣排碱，减轻碱害。但是，炉渣排碱只能间断进行，资源

4、压力下排碱和脱硫的矛盾会日益尖锐，碱金属在炉内的富集和对冶炼过程及高炉寿命的影响程度会进一步趋于严重。可见，从炉缸内衬结构方面研究K、Na、锌对炉缸炭砖的侵蚀影响、开发对K、Na、锌侵蚀具有防治效果的炉缸内衬结构，可丰富高炉碱害、锌害的防治技术，降低它们对高炉寿命的影响。-6-1.碱金属、锌对炉缸砖衬的侵蚀机理原燃料带入的K2O、Na2O、K2CO3、Na2CO3在进入炉缸之前即被CO还原为K、Na，它们的沸点分别为758℃和883℃，因而还原产物为钾蒸气和钠蒸气，钾蒸气、钠蒸气的一部分随煤气流上升，一部分进入炉缸。在高温、高压的炉缸环境下，较

5、难还原的碱金属硅酸盐也会被C直接还原为钾蒸气和钠蒸气。由铁矿石带入高炉的铁酸盐（ZnO·Fe2O3）、硫酸盐（ZnSO4）、硅酸盐（2ZnO·SiO2），在高炉下部的高温区被C还原为Zn，其沸点为907℃，还原产物均为气态锌。铁矿石带入高炉的硫化锌（ZnS）也将先转化为复杂的氧化物，然后在大于1000℃的高温区域被CO还原为气态锌[2]。一部分气态锌随煤气流上升，一部分气态锌进入炉缸。炉缸内的上述碱蒸气、锌蒸气接触到炉缸炭砖时，在压差作用下不断地渗透入炭砖内部，并在沸点对应的温度区间内凝结、富集。富集的碱金属与碳反应生成的层状化合物使炭砖出现体

6、积膨胀、组织疏松、强度下降等。另外，碱金属对C+CO2=2CO反应具有明显的催化作用，这也会加速炭砖的化学侵蚀。锌在炉缸炭砖中沉积，易产生“鼠洞”状侵蚀，甚至导致炉缸烧穿事故[3]。在锌沉积最多的地方也往往产生大量的烟碳沉积，烟碳沉积也有明显的体积膨胀[4]。文献[5]报道了炉缸侧壁不同部位炭砖的侵蚀机理不同，其中与碱金属、Zn有关的主要有：①第一层炭砖侵蚀，K在碳素熔损反应中起催化作用，并且生成白榴石，砖体膨胀。②上部炭砖主要以K渗透到砖内为主。③风口炭砖的侵蚀，在炭砖表面以Zn为主，在炭砖内部，是以K渗透的形式侵蚀，K在炭砖内部渗透，使炭砖

7、变脆，并且Zn有结晶生长。④铁口炭砖含有K、Zn和Pb元素，K元素含量较多。有些元素在炉缸侧壁不同位置的炭砖侵蚀过程中所起的作用会发生变化，如：元素K对炭砖的改性及反应始终起催化作用；元素Zn在某些部位出现块状结晶，在风口炭砖是平铺在炭砖表层。文献[6]认为，钾蒸气不是侵蚀炉缸炭砖的直接原因，液态碱金属是侵蚀炉缸炭砖的直接原因；钾蒸气通过炭砖的微裂纹流动和扩散，在低于沸点后的一段温度区间内不断液化富集，与炭砖的灰分反应，造成灰分体积膨胀，加剧微裂纹扩展形成为有利于钾蒸气的流动和扩散以及液态钾富集的裂纹；液态钾与串入炉缸的CO在炭砖裂纹处不断地反

8、应，形成的石墨不断地挤压炭砖，促使裂纹不断扩展而形成环裂。碱金属、Zn以气态存在于炉缸中为业界共识。上述关于碱金属、Zn对炉缸炭砖的侵蚀机理虽有不同，