高炉耐火砖衬损坏的原因分析

高炉的耐火砖衬围砌成冶炼空问，所以它是生产操作时的工作表面，受到多种因素的破坏，归纳起来分为两大类：一类是由高炉冶炼过程自身特点确定的且是连续作用的网素；另一类则是结构生产因素。前者是第一位的，后者是第二位的。设计者和生产者应尽量克服第二类因素的作用，减轻第一类因素的作用。

属于第一类的因素有温度作用、机械冲刷与磨损、炉料带入的碱金属和其他元素与砖衬的化学作用以及析碳反应和锌的沉积等。属于第二类的因素有设计的炉墙结构不合理、所用耐火材料质量差、筑炉质量差和操作不当(如边缘气流过分发展、结瘤、边缘管道)等。

A  温度作用

高炉炼铁是高温火法冶金，风口燃烧带形成的高温煤气上升时有相当一部分是沿炉墙运动的，研究表明，耐火砖内衬表面的温度接近流过的煤气温度，相差20～50℃。高温对耐火砖衬的破坏表现为：

（1）熔蚀。当边缘气流过分发展而使用荷重软化温度低的劣质耐火材料时，若高温超过其允许温度则会使耐火砖内衬熔蚀。

（2）热应力。耐火砖工作热面温度接近边缘煤气流温度，而另一端有冷却器冷却，温度低，两端的温度差在400℃以上，而且陶瓷质耐火砖的导热性差。这样就在砖衬内产生很大的热应力，高时可达40MPa；在与冷却器接触的地方，砖衬的径向压力(辐射状)达15～16MPa。热面部分的耐火砖衬在高温作用下产生膨胀而倾向于移动(相对于加热较低的冷端)，结果在热、冷边界处产生很高的弯曲应力和剪应力。当这些力超过耐火砖的拉仲强度时，形成环形裂缝，在其他因素共同作刖下发生剥落。炉缸壁炭砖层的中部产生脆裂带，从炉身下部耐火砖中沿工作热而发生平行的裂纹就是典型的实例。

（3）热震。热震是耐火砖遭遇非稳定的热应力而被破坏的现象。这种现象频繁发生在边缘气流剧烈波动，特别是突发性和大幅度的波动时。温度高时，耐火砖体内产生很高的热应力，随着煤气流的减小，耐火砖表面的温度逐渐降低。这样反复发生就在耐火砖内产生龟裂，最终断裂：影响热震破坏的因素主要是温度的波动和耐火砖衬的抗热震性能，一般来讲，碳质耐火砖的抗热震性能好，而陶瓷质耐材的抗热震性能则差。

B  机械冲刷与磨损

机械冲刷与磨损是指炉缸内渣铁流动对炉缸壁的冲刷、燃烧带形成的煤气带着粉末向上运动时对炉墙炉衬的磨损以及从炉顶装入炉内的炉料在下降过程中对炉衬的磨损。

（1）炉缸内渣铁流动的冲刷。前已述及，焦炭柱(死料柱)浸埋在炉缸积存的渣铁中，有两种情况：一种是焦柱深埋在铁口中心线以下的部分，更接近于炉底；另一种是炉缸铁水浮力大，使焦柱漂浮在铁口中心线以上。出铁时，渣铁流是有势流，以出铁口为中心点，渣铁流朝向其流动，由于浸埋的焦柱底部呈球状突起，渣铁流流动时边缘焦炭少、阻力小，因此渣铁流沿炉缸壁做湍流运动。铁水流对炉缸壁的冲刷，再加上碳未饱和的铁水对炭砖的渗碳溶蚀，造成炉缸内衬与炉底砖接触的角部严重侵蚀(即所谓的象脚状或蒜头状侵蚀)。近年来，在炉缸没计中通过加大死铁层厚度来增加铁水的浮力，使焦柱尽可能漂浮到接近铁口中心线或以上位置，增加铁水从死料柱下面通过的量，以减轻铁水环流量及其对炉缸壁的冲刷。另外，在出铁作业中要适当控制出铁速度，因为出铁后期出铁口直径变大，铁水流速增加，而随着出铁过程的进行，炉缸内铁水减少，焦柱下降，焦柱下通过的铁水量减少，边缘铁水流量增大，冲刷程度加剧。

（2）炉身部位的磨损。装入炉内的炉料对炉墙的摩擦既增加了炉料下降的阻力，也对炉墙砖衬产生磨损破坏作用，严重的是上部，因为炉型的变化减轻了这一作用。但与此同时，从燃烧带上升的煤气带着粉末向上运动时产生的冲刷和磨损破坏作用都有所增加。

机械冲刷与磨损的破坏作用占全部破坏的比例在10％左右。

C  化学侵蚀

化学侵蚀分为两类：一类是FeO和MnO含量高的初渣的侵蚀；另一类是碱金属氧化物和氟化物的侵蚀。前者主要发牛在炉身出现初渣的部位，而后者则殃及整个炉子的砖衬。后者的破坏作用超过前者数倍。

碱金属氧化物的破坏作用表现在以下三个方面：

（1）碱金属氧化物与耐火砖中的SiO2反应形成低熔化温度的化合物，其结果或是将炉衬破坏，或是形成炉瘤的根，成为损坏炉衬的重要原因之一。

（2）碱金属氧化物与耐火砖中莫来石(3A12O3·2SiO2)反应形成钾霞石(K2O·A12O3·2SiO2)白榴石 (K2O·A12O3·4SiO2)，同时伴随有30％～50％的体积膨胀，后果是造成炉衬剥落。

（3）碱金属与炭砖中的碳反应形成有机物(例如K_nC_m)，使炭砖变得疏松，在铁水渗透作用和环流运动下炭砖被损坏。

碱金属破坏作用是砖衬损坏的最主要原因，其占全部破坏的比例达40％左右。

D  析碳反应及Zn、SiO等的作用

析碳反应2CO=CO2+C在高炉内开始于340～370℃，而在500～700℃范围内大量发生并伴随着体积膨胀(6cm3／mol)，从而在耐火砖衬的空隙中产生很大压力(最高可达，导致耐火砖衬破损。更为严重的是，还原出来的金属Fe、Zn、Ni、Co和碱金属及其氧化物等都是这个反应的催化剂，加重了析碳反应的破坏作用。

Zn和SiO的破坏作用是在炉衬及管道内结瘤。

析碳反应和Zn、SiO的破坏作用仅次于碱金属氧化物，其占全部破坏的比例在20％左右。

E  结构性因素的作用

砖衬损坏的重要因素之一是设计和建造的炉墙结构不合理。典型的例子是炉底砖衬漂浮，炉身砖衬的支撑元件不好甚至无支撑元件，导致上部炉衬脱落，使这些炉衬还没有发挥应有的作用就遭到破坏。

耐火材料质量差和建炉质量不好为第一类破坏因素的作用创造了条件，例如，耐火砖的孔隙率大、砌砖的缝隙大为碱金属氧化物、析碳反应等创造了反应场所。

操作中边缘气流过分发展会使炉墙工作热面温度过高，为温度作用创造了条件，使砖砌过早剥落。

总的来讲，正常砖衬在上述各因素的作用下，开炉初期侵蚀较快，在厚壁高炉上达到20～40mm／月；2～4个月后逐步放慢，在冷却的作用下热工作面开始结渣皮，侵蚀速度降为5～20mm／月；经过3年左右，渣皮成为主要炉衬，形成操作炉型。在薄壁高炉上，由于砌筑的砖衬仪厚150mm，或不砌砖而只喷涂不定型耐火材料，因此较早地进入以渣皮为炉衬的时期。

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