姜华，刘振均，傅思荣
(东北大学，宝山钢铁股份有限公司)
摘 要：通过采用保护性的调查手段，实测了高炉炉缸炭砖用后的侵蚀轮廓，获得了残砖结构的宏观和微观形态，分析了其中的残留物。同时，结合国内外部分高炉炭砖用后调查资料后指出，用后大炭砖不再是物性单一的均质体，而是转变为多段在传热方向上具有不同物性的特征。以出铁口标高为基准，其上下区域砖衬工作面上的附着物不同，残留砖衬脆化层中的外来异物不同。并据此推断脆化层的形成机理，为建立炉缸炭砖侵蚀模型提供依据。
关 键 词：高炉炉缸；用后炭砖；结构形态
高炉炉缸砖衬用炭砖，按单块体积大小主要分为两类：一类是大块炭砖(块)，厚度和宽度一般超过300mm，包括焙烧和自焙；另一类是厚度在100mm左右的小块炭砖。还有在此基础上增加陶瓷结构体，成为陶瓷杯加炭砖的组合结构体等。统计国内外高炉炉缸用后炭砖形态的案例[1-22]，发现无论采用何种结构，在一代炉役结束时，炉缸内衬炭砖热面的最终残存形态，基本可形象地归结为三类：①锅底状；②宽脸状；③象脚(蘑菇或蒜头)状。
尽管业界关于炉缸炭砖砖衬蚀损、最终所显现出的表观形态的原因，理解和观点不一，但是，所描述的用后炭砖残存结构形态和组成却具有一定的共性。研究这一共性，对客观分析炭砖砖衬蚀损的成因，指导高炉炉缸砖衬结构的设计，以及高炉在役期间的操作维护乃至长寿都具有良好的指导意义。
1 国内外高炉炉缸用后炭砖
国内外业者普遍重视对高炉炉缸砖衬用后状态的调查，调查结果和分析观点多有报道。
1．1 日本高炉用后炭砖
NSC君津厂3号高炉(第二代)(4063m3)[19]，在经过10年8个月多的安全运行、累计出铁3212万t后，按计划停炉。对炉缸侧壁砖衬的检查中发现：在风口以下，包括出铁口在内的整个炭砖衬中，都有脆化层存在。其中，第6～13层炭砖中脆化层粉化现象严重；即使是位于炉底的炭砖和残存的黏土砖结构中，也发现存在脆化层，其龟裂形态呈网状，裂纹穿过晶粒，基质出现粉化；在中部的脆化层与健全层之间，存在多条平行于工作面的裂缝；中上部脆化层中发现有ZnO和K2O沉积，下部及炉底的脆化层中没有发现；分析铁水对炭砖的侵入，渗铁层中铁含量20％～35％，脆化层中也有12％，健全层中没有。
NSC室兰厂3号高炉第六代[20]，在开炉1．5年后因故停炉，有机会调查了高炉投产初期的炉缸内衬炭砖状态：在出铁口及其上方的黏土砖保护层基本完好，其工作表面有外来物质(包括碱金属)的侵入；出铁口下部及底部侵蚀严重，最大侵蚀量500mm；在铁口标高以下的炭砖结构中，出现厚度分别为200mm的渗铁层、100mm的脆化层和700mm的健全层；铁水的侵入深度达脆化层，基质中的气孔被铁封堵；部分脆化层中也有铁的侵入，脆化层与渗铁层之间的裂纹与工作面平行。结果表明，炉缸砖衬中的渗铁和脆化在高炉炉役的初期就已经发生。
NKK福山厂5号高炉[21](4617m3，累计出铁3182万t)在使用10年后停炉大修。在役期间，炉缸侧壁温度按照最高280℃控制，停炉检查发现侧壁的炭砖残厚最小为500mm。
川铁鹿岛厂3号高炉(第一代)[22](5050m3，累计出铁4815万t)在使用13年5个月后停炉大修。检查发现：出铁口以上部位基本完好；出铁口以下侵蚀严重，最小残厚400mm；侧壁残厚中，分为健全层、脆化层和渗铁后的变质层。
1．2 我国高炉用后炭砖
我国学者关于高炉炉缸炭砖的用后状态也多有调查与研究分析。
在对鞍钢炼铁厂3号高炉炉缸残存的炭砖情况检查[1]时发现：在风口中心线以下2000mm，距冷却壁表面300～400mm处，炭砖存在断裂，并沿圆周方向形成环状。14~3号风口区域的炭砖裂缝距冷却壁300mm，3～14号风口区域的炭砖裂缝近距冷却壁约400mm。铁口附近几乎没有炭砖，也没有泥包。两侧的炭砖被侵蚀成弧状，弧内是渣铁混合物。
鞍钢11号高炉于1990年6月投产，1992年7月停炉中修时检查了炉缸侧壁砖衬[2]：铁口中心线以上的炭砖侵蚀较少，仅200～300mm，铁口标高以下3～4层范嗣的炭砖残厚薄而需要更换；未更换的用后炭砖(环裂至冷却壁之间的距离大于450mm)的热面侵蚀呈不规则状态，炭砖体内有多处环形断裂。东西铁口处砖衬侵蚀较严重，残厚为500～600mm，其他处砖衬残厚约700～900mm不等。
学者黄晓煜等，结合鞍钢、武钢的多座高炉调查结果，在分析我同高炉炉缸破损情况后指出[12]：在不同部位炭砖的破损不同，破损的程度亦不同。铁口区以上到渣口、风口以下的区域，炭砖工作面上有渣、铁、石墨碳和焦炭等混合黏结沉积物，在距离工作面300～800mm位置炭砖中出现环缝，一些环缝中有渣铁留存，环裂缝至冷却壁之间是300～500mm的炭砖。
学者许传智等，早在1983年对武钢的大型高炉进行用后调研中就发现[13]：炉缸砖衬中的环裂是沿风口大套口垂直下延伸的；同时，还发现，此环裂几乎平行于高炉炉壳，形成一条连绵不断的环形裂缝。此缝的宽度大约80～150mm，一直垂直向下延伸至炉底炭砖。在风口大套下沿砖衬中，环裂周围炭砖表现为疏松、发黑，并有大量炯灰沉积；环裂带炭砖表面呈白中带灰绿色，置于空气中易潮解且有滑腻感。作者由此认为，炉底炉缸环缝形成是碱金属循环富集的结果。
学者周有德，在“高炉炉缸形成蒜头状侵蚀的分析和对策”一文中认为[14]：由于死铁层没有渣皮覆盖，铁水长期直接接触炭砖。冈此，该部位炭砖热面温度高，内外温差大，热应力大，易出现炭砖环裂和破损。因此，铁水易渗入炭砖内部，铁水侵蚀炭砖的反应在该部位就更易进行。由此认为，没有渣皮覆盖而铁水直接接触炭砖和炭砖抗铁水侵蚀能力较差，是死铁层形成“蒜头状”侵蚀的根本原因。
学者孙永芳，在“结合鞍钢7号高炉炉缸破损情况调查浅谈炉缸长寿措施”一文中指出[15]：该高炉炉缸破损的主要表现为环裂和炉底环流侵蚀；炭砖的侵蚀是先从砖缝开始的。
纵观国内外业者关于高炉炉缸砖衬用后状态的调查报道，尽管状态描述近似，但对成因的观点差异很大。
2 某大型高炉用后炭砖的调查
笔者曾对几座使用大块炭砖的大型高炉炉缸侧壁砖衬，进行了用后状态的调查。这些高炉一代炉役均超过10年，且属于计划性停炉。
为了尽可能地减少大修工程对用后炭砖残存状态的影响，调查取样工作分为两部分：一部分是在高炉停炉后，采用从炉外钻孔的方式进行；另一部分是根据残铁凝同形态，间接判断炉缸铁口以下部分侧壁工作面的蚀损最终轮廓。
2．1 残厚炭砖的工作面轮廓及其内部构成
(1)用后炭砖的工作面轮廓。即使是在出铁口区域，不同标高的残砖厚度差异很大(如图1所示)。在图1(b)中，出铁口中心上沿炭砖(第14层)为早期断裂。第14层以下区域的炭砖，侵蚀呈象脚形，直至第9层蚀损达到最严重。
第9层炭砖以下区域的用后炭砖工作面轮廓，从三个代表性方位来观察，即两紧邻出铁口之间、出铁口正下方和两远距离出铁口之间的残铁形态(如图2所示)。
比较后可直观地发现，炉缸侧壁炭砖工作面在不同角度，侵蚀程度和形态存在明显的差异。其中，出铁口正下方最严重，两远距离出铁口之间区域最平缓(如图3所示)。
(2)用后炭砖的宏观结构。以出铁口标高为分界，观察不同标高的取样结果，发现其上下区域的用后炭砖工作面的附着物存在明显的差异：出铁口及其以上区域，附着物以渣或渣铁混合物为主，其厚度在70～120mm(如图4所示)。出铁口以下区域，尤其是在象脚区域，残铁与用后炭砖直接接触(冷却后存在缝隙)，其间未见渣状物黏结(如图5所示)。
沿传热(厚度)方向，观察侧壁用后炭砖的结构，呈多层结构形态：完好层、断裂缝、脆化层和渗铁层(图6所示)。
其中，出铁口以上区域，砖衬中的脆化层(多裂纹区域)较薄，脆化层与完好层之间多存在明显的裂缝或裂纹，这些裂缝(纹)基本平行于热面，裂缝宽度3～18mm，使部分炭砖呈断裂状；在调查中发现的炭砖早期断裂部位，有黏结物沉积；部分裂缝水平方向在圆周方向连续发展，呈环状；裂纹中存在明显的碱性沉积物，与国内外一些文献报道一致，在此不重复。
在出铁口以下区域，直至炉底，砖衬中脆化层的厚度增加，且表现为明显的网状结构，结构疏松，样品难以制成标准试样来做强度检测。
2．2 用后炭砖的微观结构
对用后炭砖样品做微观分析时发现：渗铁层、脆化层和完好层之间存在明显的界面；在渗铁层中，基质部分有明显的渗铁现象。在显微镜下，渗铁层沿炭砖的厚度方向上，从高温向低温侧渗铁量逐步减少，至脆化层渗铁结束；脆化层中基本没有铁。
2．3 用后炭砖的性能
对残砖的部分样品进行主要性能的检测，结果见表1～4。
3 关于用后炭砖
3．1 用后炭砖的工作面形态
综合国内外文献关于炉缸砖衬用后状态的描述，不同部位的侵蚀量和残存厚度不同，直观表现为工作面形态不规则。综合国内近年来发生的多起高炉炉缸侧壁烧穿事故调查的信息分析，炉缸砖衬工作面的形态主要有两个特点。
(1)在侧壁的高度方向上基本表现为：出铁口标高以上至风口之间的侵蚀量较少；出铁口标高以下的侵蚀严重，最大侵蚀量发生在出铁口中心以下1～2m之间(因死铁层深度和炉底形态不同而异)；计划性停炉的炉缸侧壁砖衬残存厚度多在300～500mm之间；出铁口部位的残存厚度最大(因铁口维护等原因，也有铁口残厚小于上部侧壁的个案)。基本形态如图7所示。
(2)在圆周方向上，不同标高位置砖衬工作面表现不一。①出铁口标高以上区域，越接近风口，侧壁的圆度越规则。②在出铁口标高，沿圆周方向，出铁口区域凹凸不一：凸起者炉缸状态稳定；凹陷者炉缸侧壁温度异常。③出铁口以下的象脚区域，不同角度的工作面轴向轮廓差异很大。出铁口正下方多表现为突变形凹陷，这种凹陷因炉底形态的不同而异。
3．2 用后炭砖的结构形态
在传热方向上，用后炭砖多由原始的单一物性结构，变化为不同物性的多层(变质、脆化、完好等)结构。此外，以出铁口标高为界，其上部和下部的炭砖结构形态差异也较大。
(1)出铁口上部的炭砖中裂缝(或环裂)更多，宽度更宽，而下部炭砖中多表现为裂纹；
(2)上部炭砖中的脆化层较薄不明显，而下部炭砖(包括炉底炭砖)中的脆化层更厚且更明显；
(3)上部砖衬工作面的蚀损多表现为化学性，裂缝(包括脆化层)中碱金属沉积较多，尤其是接近风口部位，而下部砖衬的热面蚀损则多表现为渗铁性，裂纹和脆化层中碱金属沉积不明显。
3．3 用后炭砖热面的黏结物
停炉后的检查结果表明：出铁口上部砖衬热面的黏结物多为渣或渣铁混合物；出铁口下部砖衬工作面无黏结物。
这与物料处于高炉不同区域的形态及物性是相符的：出铁口标高以下，炉缸内的铁水处于相对稳定的状态，炭砖工作面接触的基本就是铁水；只有出铁口及其以上区域的侧壁，受炉渣随铁水液面上下浮动变化的影响，处于与渣和铁的交变接触状态。由于渣的熔点更低，当砖衬受冷却而降温时，更容易黏结于其表面。
3．4 关于脆化层
国内外关于用后炉缸砖衬的调查资料显示：脆化层遍布炉缸侧壁整个砖衬结构之中，包括炭砖和黏土砖。脆化层的产生或许早于砖衬的大范围侵蚀[13]，在高炉早期停炉检查时，就发现砖衬尚未严重侵蚀，砖衬中脆化层已经出现[22]。
长期以来关于脆化层的形成机理多有报道，观点不一。这里仅依据上述形态调查和不同标高砖衬脆化层中的成份检测结果，参照实验室对一般炭砖做压应力试验后的破坏形态特征，以及炉缸炭砖运行过程中的受力状态(远低于炭砖的耐压强度)。初步分析认为：脆化层的形成，源于生产过程中作用于炭砖上的交变应力，而非超强度的稳态正压力或化学作用。正是这种低周波的交变应力作用，导致砖衬结构产生了疲劳性破坏。这种应力的来源和性质有待进一步研究确定。有文献根据在脆化层中发现存在以碱金属为主的化学物质，就认为化学侵蚀是炭砖中形成脆化的主因。笔者调查后推测：这类碱性化学物质源于高温煤气，当煤气透过砖衬中已经形成的裂纹(缝)，在从风口(高压端)向出铁口(低压端)流动过程中，其中夹带的碱金属受到冷却而沉积附着于裂缝中，煤气所流经区域都将存在碱金属，包括部分出铁口标高以下的区域。
有国外学者在对炉缸用后炭砖中脆化层的状态及其形成机理进行调查分析后，也提出了类似的观点[25，26]。
学者Tamura等，在研究炉缸炭砖的“脆化”现象时，详细地检测了其中的碱物质和Zn的分布；也分段测试了热导系数，试图探讨它们与脆化的关系[27]。研究发现，“脆化”与碱物质并不存在明确的相关性。首先，K2O的数量很少，约0．7％，本来是炭砖中本身的含量，在部分脆化区的个别点可达10％；ZnO的分布极也不均匀，个别断裂区域竞高达56％。这显然是先行断裂，而后有ZnO渗入之结果，属于物理状态的填充。
4 结语
根据对高炉炉缸用后炭砖的实际调查于研究，综合分析国内外一些调查案例和研究成果，就高炉炉缸炭砖衬的蚀损及其结果，提出以下观点：
(1)在一定的结构形态、材料物性、冷却条件等高炉原始条件，和稳定的炉燃料条件、操作维护环境下，用后炉缸炭砖的工作面最终将维持基本一定的形态。
(2)炉缸侧壁砖衬的受侵蚀程度，出铁口中心以上区域相对较轻；出铁口以下区域较重，尤其是在出铁口中心以下1～2m范围。
(3)炉缸侧壁砖衬工作面的附着物，以出铁口中心为界，上下差异明显：出铁口及其上部以渣或渣铁混合物为主，下部以凝铁为主。
(4)砖衬工作面受到的损伤，以出铁口标高为界：上部以化学性损伤为主，其下部以渗铁性损伤为主。
(5)在传热方向上，用后炭砖不再是原始的均质单一物性，而是变为由多种不同物性(包括变质层、脆化层和完好层等)组成的多层结构，不同物质的导热性能差异很大。因此，在炉缸砖衬的侵蚀模型计算中不能采用均质单一物性作为基础数据，否则计算结果将与实际产生严重偏差。
(6)根据在出铁口上下不同区域的脆化层中残存物质分析，脆化层的形成过程与碱物质并不存在明确的相关性。根据受力状态和内部残留物分析，推测脆化层(包括裂缝)的形成原因，是作用于炭砖的交变应力，其中的外来化学物质应该是裂纹形成后外来物以物理方式沉积填充形成的。关于这种交变应力的来源、性质及其对砖衬的影响，有待进一步研究。
5 参考文献
[1] 张忠武，付华．鞍钢炼铁厂3高炉炉体破损调查[J]．鞍钢技术，1996，(11)：55—57．
[2] 李安宁．鞍钢11号高炉炉体破损分析[J]炼铁，1996，(1)：25—28．
[3] 刘均会．包钢2#高炉炉体破损调查的研究[J]．包钢技术，1998，(1)：14—21．
[4] 刘均会，等．包钢1#高炉炉体破损调查报告[J]．包钢技术，1997，(3)：62—73
[5] 工亚枫，等．本钢5号高炉炉体破损原因浅析[J]．鞍钢技术，1998，(11)：50—53．
[6] 孙永芳．结合鞍钢7号高炉炉缸破损情况调查浅谈炉缸长寿措施[J]．鞍钢技术，1995，(7)：34—38．
[7] 畅志泉．武钢1号高炉大修破损调查及技术改造[J]．炼铁，2000，(6)：5—9．
[8] 刘竹林．湘钢1号高炉炉缸破损原因的调查分析[J]．钢铁研究，2000．(3)：11—13．
[9] 王泽霖．重钢四高炉炉体破损调查报告[J]．四川冶金，1996，(3)：10—17．
[10] 傅世敏．高炉炉缸铁水环流与内衬侵蚀[J]．炼铁，1995，(2)：8—11．
[11] 傅世敏，等．高炉炉缸结构与寿命[J]．炼铁，1997，(3)：32—34．
[12] 黄晓煜，薛向欣．我国高炉炉缸破损情况初步调查[J]．钢铁，1998，(3)：1—3．
[13] 许传智，郑烈．高炉炉缸环缝成因探讨[J]．武钢技术，2001，(1)：5—9．
[14] 周有德．高炉炉缸形成“蒜头状”侵蚀的分析和对策[J]．钢铁，1998，(2)：4—6．
[15] 孙永芳．结合鞍钢7号高炉炉缸破损情况调查浅谈炉缸长寿措施[J]．鞍钢技术，1995，(7)：34—38．
[16] 宋木森，等．武钢5号炉体破损调查研究[J]．炼铁，2008，(2)：1—10．
[17] 潘宏伟，等．高炉炉缸炭砖环裂机制初探[J]．钢铁，2011，(3)：13—17．
[18] 朱建伟，等．鞍钢4号高炉炉缸炉底破损调查[J]．炼铁，2001，(1)：11—15．
[19] 池田顺一，等．君津3高炉炉底耐火物解体调查(君津3高炉解体调查その2)[J]．铁と钢，1984—S740．
[20] 池田顺一，等．高炉炉底-ボンフロクの解体调查-Ⅱ(室兰第3高炉6次)[J]．铁そ钢，1982—S675：11．
[21] 新谷一宪，等．福山第5高炉炉底解体调查[J]．铁そ钢，1985—S55．
[22] 佐藤宪一，等．鹿岛第3高炉(1次)停炉操业およぴ解体调查结果[J]．材料とプロセス灭，1991，(4)：177．
[23] 王杰曾，金宗忻．耐火材料力学—热物理性能的评述[J]．硅酸盐通报，1996，(2)：41—46．
[24] 王杰曾，金宗哲．耐火材料损伤蚀变研究的进展[J]．耐火材料，1997，(1)：51—54．
[25] 饭山真人，等．高炉炉底部炭砖热应力疲劳损伤[J]．铁と钢，1987—S74．
[26] 湾本宪，等．高炉炉底炭砖脆化层的解析[J]．铁と钢，1982—S3673．
[27] Tamura S，FujiIlara S，lheda M．Wear of blast furnace heath refractories[J]．Bull Am Cer Soc，1986，(7)：1065—1072．