大型高炉出铁沟耐火材料损毁的因素及损毁形式分析

高炉出铁沟是引出高温铁水和熔渣的通道，是高炉生产不可缺少的重要组成部分，在生产过程中要经受好几种因素的破坏作用：

1.流动的高温铁水和熔渣的剧烈冲刷和侵蚀作用(距离铁口5米内最为剧烈)

2.高炉炉渣的化学侵蚀作用和铁水的渗透;

3.间歇出铁时剧烈的热震破坏作用;

4.不良操作对出铁沟的破坏(如不断打水等)。

高炉出铁沟的主要损毁是主沟，特别是主沟的前半段(落铁点)。

主沟典型的损毁情况如图1所示，从长度方向看，上流(前半段)熔损大，是因为靠近出铁口，铁水熔渣的冲刷严重，下流(后半段)熔损小。从截面看，上下有两处局部损毁，上部凹进去的部分叫渣线(空气-渣界面)，下部凹进去的部分叫铁线(铁水-渣界面)。

图1 受侵蚀主沟剖面图

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主沟上部的物理损毁

主沟在通铁和贮铁过程中，由于温度的变化引起贮铁式出铁主沟从上部到渣线之间部位产生龟裂、剥落，从加热面到40～50mm距离内温度在1100℃左右，从工作面开始材料渐渐烧结，同时收缩，而背面部分未烧结，体积变化小。在烧结层与未烧结层界面处出现拉应力，使工作面出现平行裂纹，主沟的反复加热冷却，使裂纹扩展，熔渣等侵入后使耐火材料剥落(见图2)。

图2 主沟上部损毁原理示意图

为了解决这种物理损毁问题，可以降低烧结层强度与中温强度(烧结层与未烧结层之间的强度)之差，还可增加SiC加入量。因为SiC耐蚀性好，可抑制烧结收缩，具有低热膨胀性，高导热性，对提高抗剥落性有很大帮助。

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渣线的损毁

渣线的损毁以化学熔损为主。

通铁时的渣表面和贮铁时的渣表面之间部位出现局部熔损，这部分沟料通铁时与熔渣接触，通铁后贮铁时通过表面形成一薄层渣膜与空气接触(空气-渣界面)，由于渣面的变动使熔损幅度变大，渣线的熔损与空气中的氧有关。如图3所示。

图3 主沟通铁时与贮铁时的液面高差示意图

通铁或贮铁时，熔渣由渣面自下沿沟料表面挂一层渣膜(90～120mm)这时沟料中的SiC被从渣膜中透过的氧气氧化成SiO₂，SiC+2O₂=SiO₂+CO₂，SiO₂在渣膜中溶解、扩散产生马栾哥尼流，它可引起成局部的快速熔损。如图4所示。

图4  渣线局部侵蚀过程及放大示意图

在铁沟渣线部位采集使用后的沟料试样，发现工作面数毫米以内有氧化层存在，由于氧化而使组织疏松，但在距渣线工作面40mm左右位置的沟料这种问题较小，所以通过渣膜提供的氧气产生的影响可波及渣线工作面数十毫米的范围内。

实际沟料渣线局部熔损的幅度(通铁时渣表面和贮铁时渣表面之间的部位)极大，表明渣面变动的影响。

有人还做过温度对沟料渣线的熔损速度影响的试验，并在实际生产中对使用的Al₂O₃-SiC-C浇注料的渣线熔损速度和温度之间的对应关系做过统计，出铁温度从1500～1545℃，浇注料的渣线熔损速度在全沟长度上每通铁1000t(熔渣约300t)，渣线熔损约4～7mm。实际生产中除温度以外，其它如熔渣中的CaO/SiO₂比、S的含量、主沟构造、施工条件等许多因素，都对渣线的熔损速度有影响。

熔损试验发现C、SiC几乎不被熔损，但Al₂O₃有熔损剥落。

渣线的物理损毁也是有的，它与主沟上部情况相同。为解决这种物理损伤的问题可以采用降低烧结层和未烧结层之间的强度(中间温度区强度)与烧结层强度之差的方法，还有增加SiC加入量提高抗剥落性的方法。SiC提高耐火材料对铁渣的耐侵蚀性效果最佳的比例是在20～40%左右。SiC所具有的抑制烧结收缩、低热膨胀性、高导热性对提高抗剥落性有很大帮助。有实验证明，在特别容易发生龟裂、剥落的部位使用SiC含量为80%左左的浇注料取得了很好的效果。值得指出的是：由于国内SiC的质量存在气孔率高、容重小、颗粒形状差等缺陷，当SiC加入量增大时，浇注料的流动度降低，加水量增大，气孔率增高，导致其抗渣侵蚀性能降低。在宝钢的实际使用中也明确地证实了这一点。

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渣线与铁线两个凹陷之间部位的损毁

这个部位(通铁时铁水上表面和贮铁时熔渣上表面之间)的沟料，在使用中仅与熔渣接触，不与空气接触，熔损明显要小的多，故多数会形成一个明显的凸台。

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铁线的损毁

铁线的损毁，其特点是在渣-铁水交界面附近出现局部凹陷，位置在上从通铁时渣-铁水交界面最高处，下至贮铁时渣-铁水交界面最低处(铁水-渣界面)。如图5所示。

图5  铁线局部侵蚀带的示意图

铁线的损毁以化学熔损为主。

在实验室用高频炉再现铁水-渣界面情况，将Al₂O₃-SiC-C材料放在高频炉内做侵入试验，铁水-渣界面处出现凹陷，看出Al₂O₃质材料比SiC质材料损毁少，而且SiC含量高的材料损毁明显大的多，与实际沟料使用情况相符。所以为了提高铁线区材料的寿命采用低SiC质材料，将SiC含量控制在20%以下，在试验时见到试样与铁水之间形成一层渣膜，渣膜与试样、铁水反应，生成的SiO₂在渣膜中扩散(马栾哥尼效应)，而C与渣膜中SiO₂发生化学反应生成CO气泡加速了渣膜的运动：另一方面，由于铁线部位为强还原气氛，渣膜中FeO与SiC反应，SiC+2(FeO)=SiO₂+2Fe+C，使SiC氧化，加速了从沟料中的流失，渣膜的运动又促进了从上部渣层中吸入新渣和SiC的熔解流失，渣膜长时间保持在液相状态，渣中SiO₂与铁反应生成FeO，SiO₂+2Fe=2(FeO)+Si，不断提供FeO，使铁线的局部损毁长时间进行。

从主沟全长看，铁线从出铁口到铁水落入沟内的位置损毁最严重，这是由于铁水落下部位由铁水-渣界面的搅拌作用而使损毁加大。

铁线损毁的高度和深度随铁水沟构造、出铁量及沟料材质的不同而不一样，最深部位的损毁速度约为3～7mm/1000tp。

熔损试验发现Al₂O₃比SiC熔损少。

最近使用含MgO的材料增多，因为MgO比Al₂O₃耐FeO侵蚀。另外，与铁水接触的沟料由于内部氧气分压低，有SiC+2CO=SiO2+3C的反应，使SiC继续氧化减少，造成铁线沟料损毁减小。有人在研究铁线区用耐火材料时，就考虑了耐火材料内部的氧化还原反应。当然，影响铁线区沟料损毁的原因还有铁水温度以及铁渣、铁水的成分等。