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高炉炉缸炭砖环裂机制初探 潘宏伟程树森余松赵宏博 (北京科技大学冶金与生态工程学院北京 100083) 摘要：热力学计算表明，高炉炉缸仅存在纯的碱金属蒸气，不存在碱金属的氧 化物和碳酸盐，并且碱金属蒸气压很低，不是对炉缸炭砖进行侵蚀的直接原因， 而当前大多文献认为环裂是碱蒸气侵蚀的结果。炭砖传热性能较差时炭砖内部 热应力较大，诱发炭砖产生微裂纹，纯的碱金属蒸气通过炭砖的微裂纹不断向 炭砖低温区流动和扩散，微裂纹是环裂产生的诱因。在炉缸的高压环境下， 800～900℃时钾蒸气在微裂纹中液化，然后与炭砖的硅铝质灰分反应，造成灰 分体积膨胀30％～50％，加剧炭砖微裂纹扩展，形成裂纹，是环裂产生的必要 条件。计算表明，只有碱蒸气富集液化后才能与一氧化碳共同作用，在裂纹里 形成活性炭沉积，这种反应持续不断地进行，对炭砖裂纹进行持续的膨胀挤压， 炭砖裂纹不断扩展，最终割裂炭砖形成环裂。提高炭砖传热效果和阻止炉缸 Co窜气是避免炭砖产生环裂的根本措施。 关键词：环裂机制碱蒸气炭砖高炉 1．前言 长期以来，炭砖环裂缝的成因一直众说纷纭。长期的高炉生产实践表明，碱金属和 锌是破坏炭砖形成环裂缝的主要原因【lJ，但对其侵蚀机制并不十分明确。本文重点讨论碱 金属中危害最大的钾元素的情况。国内外文献在碱金属对高炉的危害方面有过报导【2-4J， 一部分报道侧重于碱金属循环富集理论的研究，一部分报道侧重于碱金属对高炉原燃料 性能的影响，另一部分侧重于碱金属对硅铝质耐火材料的侵蚀，也有文献对高炉炉缸环 裂缝内的成分进行检测和分析，但均没有从根本上揭示碱金属在炭砖环裂缝形成过程中 的机制。本文尝试对炭砖环裂的形成机制进行探讨。 2．炭砖环裂特征 某些高炉破损调查中发现，炭砖沿高炉炉缸圆周方向形成环形裂缝，炭砖被分割为 内外两部分，有的环缝中有凝固渣铁，环缝内炭砖变成炭粉或碎片，环裂缝可一直延伸 至炉底【¨。高炉炭砖环裂缝内试样的EDS能谱分析结果表明，炭砖环裂缝内有较多的碳、 钾、锌，证实了碱金属和锌是造成炭砖环裂的主要原因。本文主要讨论碱金属中的钾对 炭砖环裂的影响。 3．炉料中含钾化合物在炉缸中的变化 高炉炉缸是高压下的强烈还原气氛，不管钾以硅酸盐、碳酸盐或是其他形式进入高 炉炉缸后，钾的最终形态都将是单质钾蒸气，这一点可以从热力学角度得到说明。假设 质量分数分别为2、4、6、8 Pa。 一177— 3．1炉缸中的K2Si03 K2si03的熔点为976e，当炉料中I蚴03进入高炉后，在炉缸内可以发生以下反应pJ： K2Si03+C=2K-+Si02+CO (1) △Gl=298000一158．15T+8．314Tln(p2(K)·p(Co)) 式中：△Gl为反应(1)的吉布斯自由能：p㈣，p(C0)分别为钾蒸有附{鄞嗡鄯够涯，下同。 在1600～2000℃条件下，△Gl计算均为负值，见表l，这表明硅酸钾能在炉缸内被焦 炭还原。从式(1)可以看出，硅酸钾在炉缸内被焦炭还原为钾蒸气是吸热反应，炉缸高达 1600～2000℃的高温环境和较低的碱金属蒸气压非常利于硅酸钾的还原。而且温度越高 钾蒸气分压p(K)越低，吉布斯自由能越低，越有利于硅酸钾的还原，如图l所示。部分硅 酸钾被焦炭还原为钾蒸气进入煤气流，没来得及还原的硅酸钾将进入炉渣，随渣铁排出。 表1 不同温度和钾蒸气下K2si03还原过程的吉布斯自由能变化 p(K)／pa t／℃ 202 404 606 808 1600 —184445一162858 —150230 一141270 1700 一210203一187463 17