高炉直吹管浇注料的损毁机理分析
发布日期： 2020-09-22 09:05:48 阅读量（867） 作者：随着高炉冶炼技术的发展以及高风温、高风压、高富氧和大喷煤的应用，高炉送风装置易出现开裂、烧塌或烧穿等事故，特别是直吹管，受风口小套等客观条件限制，管身较细，耐火材料层较薄，工况复杂，易出现发红、烧穿等事故，影响安全生产。直吹管发红和烧穿的主要原因是直吹管与接触面漏风、耐火材料质量差、煤枪磨损严重和炉墙脱落物等。柳钢曾对直吹管烧穿事故进行分析，认为直吹管浇注料质量差是导致直吹管烧损的主要原因，通过提高直吹管浇注料质量和改进直吹管制造工艺，高炉直吹管发红和烧穿的问题得到解决，直吹管的质量和使用寿命得到提高。首钢某高炉直吹管也发生烧穿事故，经查该直吹管使用时间较长，经历高炉休风次数较多，温度大幅变化，导致直吹管前端水套与直吹管母体之间耐火材料开裂，从而高富氧的热风从直吹管前部烧出。直吹管耐火材料除需具有耐高温和耐冲刷的特点外，还需具有保温和隔热的作用[4-7]。因此，为了考察直吹管耐火材料质量，进一步有效监督直吹管使用情况，对直吹管浇注料性能进行了分析。
1直吹管浇注料性能分析
针对直吹管烧穿问题，取直吹管浇注料的旧料(用后)和新料进行分析。直吹管浇注料的旧料和新料试样形貌分别如图1和图2所示。
1.1理化性能分析
直吹管浇注料旧料和新料的化学成分见表1。
图1浇注料旧料试样形貌
图2浇注料新料试样形貌
由表1可见，直吹管浇注料新料和旧料的化学成分主要是Al2O3和SiO2，两者差异不大，旧料Fe2O3的质量分数略高，怀疑与混入部分铁渣有关。
首钢和柳钢直吹管浇注料新料的理化性能见表2，首钢直吹管浇注料新料经1200℃×3h高温处理后的形貌如图3所示。可见，首钢直吹管浇注料新料与柳钢直吹管浇注料新料相比，体积密度和常温耐压强度均偏低，而首钢直吹管浇注料新料1200℃×3h高温处理后的常温耐压强度比110℃×24h处理后的低50%，1200℃×3h高温处理后的比110℃×24h处理后的气孔率明显增加，质地变得更为疏松，可能造成直吹管浇注料的耐压强度较差。而在实际使用过程中，在直吹管内高风速和高风温的条件下，由于耐压强度较低，可能会造成内衬浇注料磨损较大，甚至脱落。
1.2直吹管浇注料新料的抗渣试验
1.2.1抗渣试验分析采用静态坩埚法模拟高炉渣与直吹管浇注料新料在高温状态下的反应情况。抗渣试验的铁渣采用高炉渣，其成分见表3。
表1浇注料旧料和新料的化学成分(质量分数)
表2首钢和柳钢直吹管浇注料新料的理化性能
图3浇注料新料1200℃×3h高温处理后的形貌
取直吹管浇注料新料试样2块(编号为1、2)，
分别在试样中间钻成高度约为40mm、直径为42mm的孔洞，填入相同质量的高炉渣，放入高温炉内进行1500℃×3h处理后，从中间切开，测量抗渣试样数据。抗渣试样1、2的形貌分别如图4和图5所示，抗渣试样数据见表4。
由表4可见，试样1和试样2相比，试样1的孔深差和反应面直径差相差较大，试样2的孔底直径差和反应面直径差相差较大。从整体来看，高炉渣与直吹管浇注料新料反应程度较深，即直吹管用浇注料容易被高炉渣侵蚀，抗渣性能较差。
1.2.2SEM和XRD分析
选取抗渣试样1进行SEM(扫描电镜)和XRD(X射线衍射)分析。抗渣试样XRD分析的主要部位如图6所示，XRD分析结果见表5。
表3高炉渣的成分(质量分数)
图4抗渣试样1的形貌
图5抗渣试样2的形貌
表4抗渣试样数据mm
图6抗渣试样XRD分析的主要部位
由表5可见，直吹管浇注料的骨料(白色颗粒)基本保持了原物相成分，但黄色基质和黑色基质部分生成了较多的物质MgSiO3，显然受到渣侵蚀较严重。
对直吹管浇注料新料抗渣试验后的试样进行SEM分析，重点分析高炉渣和耐火材料的交界处。SEM试样和高炉渣与耐火材料交界处的形貌如图7所示，高炉渣与耐火材料交界部处的SEM分析结果如图8所示。
由图7和图8可见，由于高炉渣中含有较多的
表5抗渣试样的XRD分析结果(质量分数)%
图7SEM试样、高炉渣与耐火材料交界处的形貌
图8高炉渣与耐火材料交界部处的SEM分析结果
钙、硅、镁和铁等元素，与渣相接触的耐火材料一侧，钙和镁的元素浓度明显升高，这说明渣中的钙和镁渗透到了直吹管浇注料中，与浇注料中的Al2O3和SiO2等反应生成钙黄长石Ca2Al2SiO7和硅酸镁MgSiO3等物质，从而形成侵蚀。
综合抗渣试验的结果来看，直吹管浇注料的抗渣性能较差，易受高炉渣侵蚀。
2直吹管浇注料旧料的XRD和SEM分析
2.1XRD分析
对直吹管浇注料旧料的6个具有典型代表部位进行XRD分析，分析部位如图9所示，1～6为不同分析部位编号，分析结果见表6。
图9浇注料旧料的XRD分析部位示意图
由表6可见，直吹管浇注料旧料的分析部位3～6绝大部分组成都是Al6Si2O13(莫来石)和SiO2，在高炉渣和耐火材料的交界处(分析部位1)
表6浇注料旧料的XRD分析结果(质量分数)%
除外，还出现了部分Al2O3，在分析部位2还出现了部分Al2SiO5(蓝晶石)，Al2O3和Al2SiO5(蓝晶石)是常见的生成莫来石的耐火原料。
2.2SEM分析
SEM分析所用试样与XRD分析所用试样相同，从表面粘渣到耐火材料依次进行扫描。与渣面不同距离处直吹管浇注料旧料的微观形貌如图10所示，能谱分析结果见表7，其中渣面部分即样品的最上部，此位置设为0mm。
图10与渣面不同距离处浇注料旧料的微观形貌
由表7可见，距渣面0mm处钙、钛和铁等杂质质量分数较高，距渣面2mm处铁和钙等质量分数减小，距渣面5mm处杂质质量分数进一步减小;当距渣面19mm时，几乎只有组成耐火材料的基本元素铝、硅和氧。
通过直吹管浇注料旧料的XRD分析和SEM分析，可初步推断直吹管浇注料被侵蚀的机理大致为：高炉渣中的钙和铁渗透到了浇注料中，与浇注料中的Al2O3和SiO2等反应，生成低熔点化合物，从而使浇注料损毁速度加快。
3直吹管浇注料的损毁机理分析
根据直吹管浇注料的性能分析、XRD分析和SEM分析，判断其为铝酸盐水泥结合的莫来石质浇注料。铝酸盐水泥浇注料具有快速硬化和施工方便等特点，但在900～1200℃尚未形成陶瓷化和水化
表7与渣面不同距离处浇注料旧料的能谱分析结果(质量分数)%
矿物，化学反应形成疏松状结构导致体积收缩和气孔率升高，致使中温强度降低，易产生结构剥落。为此，提出以下建议：
(1)提高原材料的品质，降低杂质质量分数，尤其是碱金属对铝酸盐水泥的影响。
(2)添加红柱石或蓝晶石，增大铝酸盐水泥耐火材料的膨胀率，以弥补体积收缩造成的中温强度下降，形成“微膨胀耐火浇注料”。
(3)添加烧结剂，如软质黏土等(质量分数为3%～6%)，促使浇注料在较低温度下烧结，防止或改善其组织结构的剧烈变化，从而提高了中温强度。
直吹管的工作温度为1100～1200℃，恰处于铝酸盐水泥强度最低的中温范围，因此，只要提高了浇注料的中温强度，减少气孔率，抗渣性能也会随之增强，直吹管整体使用寿命也会随之大幅提高。
4结论
(1)直吹管浇注料为铝酸盐水泥结合的莫来石质浇注料。此类浇注料在900～1200℃尚未形成陶瓷化和水化矿物，化学反应形成疏松状结构导致体积收缩和气孔率升高，致使中温强度降低，易产生结构剥落。
(2)直吹管浇注料抗渣性能较差，易受高炉渣侵蚀，经1200℃×3h高温处理后的气孔率偏大，耐压强度偏低，是导致抗渣性差的重要原因。
(3)由直吹管浇注料旧料的XRD分析和SEM分析可知，此浇注料的部分骨料并未完全莫来石化，导致强度和抗渣性降低，易受高炉渣侵蚀。侵蚀的机理大致为渣中的钙和铁渗透到了浇注料中，钙和铁的氧化物与浇注料中的Al2O3和SiO2等反应，生成低熔点化合物，从而使浇注料损毁速度加快。
(4)提高浇注料的中温强度，减小气孔率，提高抗渣性能，直吹管使用寿命也会提高。
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