112-paper-铅在高炉内渗透机理的研究

铅在高炉内渗透机理的研究杨雪峰1，3张竹明1沈峰满3杨光景2李轶1（1昆明钢铁股份有限公司技术中心云南昆明6503022昆明钢铁股份有限公司炼铁厂云南昆明6503023东北大学材料与冶金学院辽宁沈阳110004）摘要针对铅在高炉内的渗透行为进行了系统地研究，提出了新的渗透机理，认为铅很难通过砖衬的原始气孔进行渗透，主要是通过高炉内各种缝隙进行渗透。基于新的铅渗透机理，对高炉排铅孔设计理念进行了探讨。关键词高炉铅渗透机理ResearchonPermeatingMechanismofLeadintheBlastFurnaceYANGXue-feng1，3ZHANGZhu-ming1SHENFeng-man3YANGGuan-gjing2LIYi1(1TechnicalCenter,KunmingIron&SteelCompanyLimited,Kunming,Yunnan,6503022IronmakingFactory,KunmingIron&SteelCompanyLimited,Kunming,Yunnan,6503023SchoolofMaterialsandMetallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang,Liaoning,110004)AbstractThetexthasrestudiedthepermeatingbehavioroftheleadinblastfurnaceandputforwardthenewpermeatingmechanism.Butitisverydifficultthattheleadhasbeenonpermeatingthroughtheinitialporosity.Whileitismainlythroughvariousgapsintheblastfurnace.Yetthemethodofdischargingleadanddesignconceptionrelativetoblastfurnacehavebeenexploredanddiscussedbasedonthenewpermeatingmechanismoflead.Keywordsblastfurnace,lead,permeatingmechanism1.前言昆明钢铁股份有限公司（以下简称昆钢）高炉入炉铅负荷曾经一度达到1～3kg/t，超出了行业标准的5～10倍[1]。昆钢中小高炉对铅害的治理一般采用炉底设置排铅孔排铅的方式，而对于6号2000m3大高炉则采用控制铅的入炉量来抑制“铅害”，因此6号高炉没有设置炉底排铅孔。2001年以来，6号高炉每次更换风口均会发生液态金属铅从风口砖缝流出现象，加之此期间高炉还伴生炉底砖衬上涨和风口上翘现象，因此有必要解明铅在高炉内的渗透机理，考察铅对高炉操作的影响，为入炉铅负荷较高的高炉进行合理炉型设计、安全稳定生产和提高高炉寿命提供参考依据。2．铅在高炉内的渗透机理2.1传统认识的不足上世纪60～70年代高炉“铅害”比较严重的时期，炉底砖均不同程度发生了膨胀和增重现象，炉底、甚至炉基砖中发现了大量铅的存在，虽然当初缺乏考证铅是否真正进入了砖衬气孔内，但关于铅在高炉内渗透机理的传统理论却由此而形成。传统理论认为铅比重大（11.34t/m3），熔点低(327℃)，气相分压高，渗透性极强，铅在耐火材料的气孔中的自由通行是无法制止的，因此多数高炉采取定期炉底排铅工艺减轻“铅害”[2]。然而昆钢生产实践中却发现高炉在冷却壁损坏后高炉的自然排铅能力下降，尤其炉役后期高炉排铅能力几乎为零，还发现常年自然排铅的高炉，炉底最下层自焙碳砖一般都完好如初，另外，国内某钢铁厂曾把受“铅害”高炉炉底砖进行EPMA分析，发现侵入其内的“金属”并非是Pb，而主要是Fe和P[3]，由此暗示传统的对铅渗透行为的认识存在一定片面性，有关高炉内铅渗透机理有待于进一步解明，应当对高炉内铅的渗透机理进行系统地研究。2.2模拟Pb渗透试验为了重新认识铅在高炉砖衬内的渗透机理，考虑到昆钢6号高炉风口组合砖及炉缸炉底内侧陶瓷砌体均采用复合棕刚玉砖，因此实验室条件下对未使用新复合棕刚玉砖进行了模拟K、Na、Zn、Pb渗透试验，由此比较各元素对砖衬的渗透能力。试验重点考察砖衬在渗透前后的体积变化。渗透时间6h，渗透温度与渗透介质种类有关，分别为铅的渗透试验温度1500℃，Zn、Na、K的渗透试验温度均为900℃。具体试验条件和渗透后砖衬的体积变化率示于表1。表1未使用新棕刚玉砖模拟侵蚀试验条件及结果Table1.Thesimulatederodingtestofbrowncorundumbricksthatarenotused试样号渗透试验前指标渗透介质及试验温度渗透试验后指标体积变化率（±）%体积密度g/cm3显气孔率%体积cm3体积密度g/cm3显气孔率%体积cm31＃3.0219.011.60铅1500℃,6h2.9918.011.80+1.722＃3.0019.012.20锌900℃,6h3.0319.012.10-0.823＃2.9919.013.60K2CO325%焦末,900℃,6h3.1210.014.20+4.414＃2.9919.015.40Na2CO320%焦末,900℃,6h2.9316.016.50+7.14经铅等元素模拟渗透试验后的棕刚玉砖试样EPMA分析结果见图1。根据EPMA分析可知，6h模拟渗透试验过程中，棕刚玉砖内部没有发现铅侵入的迹象，铅只是附着在试样的表层，形成银白色附着层，厚度为约100μm。而K、Na、Zn的渗透试验表明：K、Na、Zn已侵入到试样中心，按含量排序，K最高，9.10%；Na次之，8.28%；Zn最少，1.38%。图1受渗透试验的棕刚玉砖形貌和EPMA分析Figure1.SEMoutcomeofbrowncorundumbricksaftersimulatedPberodingtest针对图1砖样表面约0.1mm的银白色金属附着物，应用EPMA进行进一步分析，结果示于图2。图2棕刚玉砖边缘砖白色附着物形貌和EPMA分析结果Figure2.SEMoutcomeofthemetalstickingattheedgeofthebrick从图2所示的EPMA结果看出，棕刚玉砖表面凹陷部位附着的银白色金属附着物主要是铅，厚约100μm。因此，根据实验室的模拟渗透试验可得出铅不能简单地进入新砖内部的结论。2.3风口组合砖样铅的侵入行为分别取受中度侵蚀（图3a））和重度侵蚀的风口组合砖样（图3b））进行EPMA分析，结果分别示于图3a-1）和图3b-1）。1mm300μma-1a)a-1a)图3受中度侵蚀的风口砖样电镜分析结果Figure3.TheSEMoutcomeoftheintermediateerodingbricks从图3中可见，受中度侵蚀的砖样中K、Na和Zn等有害元素已经进入砖体内部，并形成了许多条纹状和沟槽状的侵蚀通道，但砖内却没有发现Pb的存在。对于受重度侵蚀的砖样，砖样中形成肿瘤状的侵蚀体，并检测到有Pb的存在，尤其肿瘤状侵蚀体周围银白色的金属均为Pb。综上可知，Pb不能直接进入新砖内部，而且也不能进入受中等侵蚀程度的砖样，只有当砖样受侵蚀较严重时，Pb才能进入到砖体内部。进而，选择风口组合砖受侵蚀程度十分严重的A、B两砖样，其外观形貌及化学成分分别见图4和表2。a)a-1b)b-11mm1mm图4受侵蚀程度较严重砖样的外观形貌Figure4.Theappearanceoftheseriouserodingbricks表2受侵蚀程度较严重砖样的化学成份，wt%Table2.Compositionoftheseriouserodingbricksamples，wt%试样FeSiO2ZnK2ONa2OTiAl2O3CPbA0.716.4513.3819.441.200.3838.322.855.52B2.4917.507.962.340.160.7663.433.442.61风口组合砖A、B两试样外观形貌表明，砖和锌、铅已混为一体，锌、铅渗透和贯穿整个砖样，将其分割得四分五裂，并已严重膨胀和变形。由表2知，受严重侵蚀的试样中Pb已达到2.61%和5.52%。应当指出：Pb大量进入砖衬内部，对砖衬上涨和风口上翘均起到一定的作用，但并不是元凶[4]。2.4新渗透机理的提出根据以上研究，并结合昆钢实际生产过程中发生的现象，认为Pb很难通过砖衬的原始微气孔进行渗透，Pb的渗透主要是通过高炉内的各种缝隙，特别炉壳与砖衬之间的间隙进行渗透。尤其在砌炉过程中，砖缝的控制对防止铅渗透是非常重要的。高炉炉役末期之所以很难自然排Pb，就是因为砖衬和冷却壁的损坏，阻断了炉壳和砖衬之间的Pb渗透通道，使得Pb难以持续向下渗透并从炉底排除。2.5基于新渗透机理的排铅孔设计基于新的铅渗透机理，对于高炉排铅工艺提出如下建议：1）由于Pb不能无孔不入，所以只要高炉内滞留的铅量不足以把砖衬浮起，就不必单独排铅，并可以减少不必要的损失[5]；2）若设置排铅孔，排铅孔无需贯穿整个炉底，只达到炉缸炉底交界处的正下方即可；3）A)B)排铅孔应设置在炉底冷却系统的下面，由于在冷却系统上方设置贯穿型的排铅孔将形成较大的热阻，降低了炉底耐火材料的导热系数，不利于传热和高炉长寿，而炉底冷却系统则可以使铅尽快凝固，阻止其进一步向下渗透。2.6铅对高炉寿命影响的展望传统的观点认为铅对高炉寿命百害而无一利，事实上若充分利用铅可以填塞砖缝及修补砖衬缺陷的特性，将有望对高炉长寿起到一定的推进作用。昆钢在进行4号高炉破损调查时发现，Pb、Fe、Ti等与碳砖形成了“碳与金属的复合物”，使自焙碳砖本身的一些缺陷得到了一定的修复[6]。因此，随着高炉入炉铅负荷的逐步降低以及长寿技术的发展，铅对高炉长寿的影响有待于进一步探讨。3．结论高炉内铅的渗透机理对于高炉设计及高炉操作至关重要。本文结合昆钢实际，在系统深入研究的基础上，得出如下结论。1）高炉内的铅不能简单地进入砖衬内部，铅在高炉内是通过各种缝隙、特别是炉壳与砖衬之间的间隙进行渗透。2）耐火砖受到较大侵蚀后，铅才能进入砖内部，并发生膨胀和变形，进一步破坏耐火材料的组织结构。3）基于新的铅渗透机理，提出了新的高炉排铅孔设计理念。参考文献[1]汤茂新，王旭.昆明钢铁总公司四高炉第四代炉役炉体破损调查.昆钢科技,1994,1,3～12[2]韩奕和.255米3高炉炉底排铅实践.柳钢科技,1982,2,1～7[3]试验研究所.二号高炉八Ο年破损调查.柳钢科技,1981,1,21～34[4]杨雪峰，储满生，王涛.昆钢2000m3缸炉风口上翘原因分析及治理［J］.炼铁,2005,(24)4,1～4[5]吴福云.2号高炉第二代炉底破损原因分析及长寿对策.水钢科技,1999,1,8～17[6]张锦帆.昆钢4高炉自焙碳砖炉底及粘土质内衬侵蚀状况探讨.昆钢科技,1994,2,25～31联系人：杨雪峰（1970-），男，硕士，高级工程师，昆明钢铁股份有限公司技术中心，电话[phone]，邮编650302