高爐襯蝕損顯微剖析

前言

國外諸多文獻(xiàn)曾報道過許多高爐解剖的研究結(jié)果，主要是研究爐料反應(yīng)行為；本書內(nèi)容則是探討爐料反應(yīng)產(chǎn)物對耐火材料的蝕損機(jī)制，兩者相輔相成。高爐煉鐵理論與實踐的充實與提高，是與以現(xiàn)代科學(xué)研究手段所進(jìn)行的實驗室模擬試驗和高爐解剖研究工作密不可分的，其中高爐解剖研究被公認(rèn)是提高煉鐵工藝以及理論水平的最直接、最有效的研究方法。煉鐵工藝學(xué)家所謂的高爐解剖是將正常作業(yè)的爐體停風(fēng)、淋水（或通氮氣）冷卻，然后縱向切割開來（The quenched and dissected blast furnace），認(rèn)為這樣可以保存冶煉狀態(tài)下的爐料（礦石、燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和添加劑）、石灰和焦炭之間的分布狀態(tài)。通過觀察料層的形態(tài)和對采樣做化學(xué)分析、顯微結(jié)構(gòu)分析，建立高爐反應(yīng)理論模型。進(jìn)行高爐解剖的研究手段，如拆爐方法和分析儀器的功能決定了掌握信息的準(zhǔn)確性和深度。近百年來，國外不乏對試驗和生產(chǎn)高爐進(jìn)行解剖的實踐：據(jù)資料報道，自1916年始便開展了高爐解剖研究，可查到的文獻(xiàn)如1948年、1957年，美國對試驗高爐的解剖；1964年，蘇聯(lián)對一座426m3生產(chǎn)高爐實施解剖；1968～1978年間，日本對11座生產(chǎn)高爐進(jìn)行解剖；1984年，德國解剖過生產(chǎn)高爐。直至21世紀(jì)的這幾年（2003年，2004年，2005年，2007年），仍有一些研究者做拆爐和鉆孔取樣進(jìn)行爐料反應(yīng)和爐襯損毀的剖析。所有這些都表明了煉鐵界學(xué)者對高爐解剖工作的重視。高爐解剖不僅要投入大量的人力和物力，還體現(xiàn)了科研部門和企業(yè)的求實精神。既往的研究工作都為推進(jìn)現(xiàn)代煉鐵工藝的發(fā)展起了重大作用，極大地豐富了高爐反應(yīng)理論的內(nèi)涵。煉鐵界學(xué)者的高爐解剖通常不涉及爐襯蝕損機(jī)制的研究，而耐火材料工作者專門對拆除爐襯做系統(tǒng)剖析的也不多，因為此項工作同樣艱巨且機(jī)會難得，沒有煉鐵廠的支持和協(xié)助是無法實施的。爐料反應(yīng)和爐渣的生成常在高爐襯磚中留下痕跡，甚至彼此間還會發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)。賦存于耐火磚的表面和內(nèi)部的各類新生相的性質(zhì)和狀態(tài)，表征著耐火磚侵蝕的不同作用。耐火襯里的蝕損狀態(tài)會在很大程度上決定著高爐冶煉作業(yè)和爐體壽命，是煉鐵學(xué)家所要關(guān)心的問題。同理，耐火材料工作者也應(yīng)了解爐料反應(yīng)機(jī)制及其對耐火磚侵蝕反應(yīng)的影響。研究高爐爐料反應(yīng)不應(yīng)忽略其對耐火磚的侵蝕作用。

內(nèi)容概要

《高爐襯蝕損顯微剖析》以顯微結(jié)構(gòu)剖析為研究手段，解析高爐、熱風(fēng)爐和焦?fàn)t用后耐火材料的顯微結(jié)構(gòu)變化，借其探討高爐內(nèi)爐料反應(yīng)行為及其與耐火材料的相互作用；熱風(fēng)爐各部位砌體蝕變現(xiàn)象和延長使用周期的可能性以及焦?fàn)t炭化室硅磚相變、反應(yīng)產(chǎn)物、還原性氣體的裂解反應(yīng)、碳沉積和石墨化行為。對鋅和鉀在高爐內(nèi)的循環(huán)行為及其與耐火材料侵蝕反應(yīng)的相互關(guān)系，爐底炭磚和陶瓷杯碎裂帶(brittle zone)形成機(jī)制，提出了新見解。在綜述國際歷年耐火材料用后的顯微結(jié)構(gòu)變化的重點研究成果的基礎(chǔ)上，論述了理論與實踐的相關(guān)性和多元性。
顯微結(jié)構(gòu)剖析以圖像表征為主，它起到數(shù)據(jù)的作用。書中附有大量顯微照片用以表征組分的反應(yīng)過程，許多圖像不僅反映豐富的科學(xué)信息，還有相當(dāng)?shù)乃囆g(shù)欣賞價值，可謂科學(xué)與藝術(shù)的融合。
《高爐襯蝕損顯微剖析》可供冶金工業(yè)、耐火材料號業(yè)工程技術(shù)、科學(xué)研究人員閱讀，也可供相關(guān)專業(yè)的師生參考。

書籍目錄

第1篇 高爐1 高爐理論與實踐文獻(xiàn)綜述1.1 高爐現(xiàn)代化1.2 高爐解剖1.2.1 小型試驗高爐解剖1.2.2 小型生產(chǎn)高爐解剖1.2.3 大型高爐解剖1.3 爐料反應(yīng)的模擬試驗1.3.1 簡單的荷軟儀、蠕變儀和高溫力學(xué)試驗法1.3.2 復(fù)合式的荷重反應(yīng)器1.3.3 X射線輻射直接觀察宏觀變形1.3.4 高溫反應(yīng)的顯微結(jié)構(gòu)研究1.4 高爐內(nèi)的鉀、鋅循環(huán)1.4.1 鉀循環(huán)1.4.2 鋅的氣一固循環(huán)1.5 高爐襯里蝕損的預(yù)示性1.5.1 Konig平衡理論1.5.2 有關(guān)理論計算模型的討論1.5.3 耐火材料襯里的侵蝕附件 Boudouard平衡參考文獻(xiàn)2 國外高爐耐火材料2.1 碳化硅磚2.2 炭磚和石墨磚2.2.1 爐底2.2.2 爐腹2.2.3 爐缸的損毀2.3 陶瓷杯2.3.1 Fourier熱傳輸公式氣體自動補償因子2.3.2 陶瓷杯的功能與蝕損機(jī)制2.3.3 陶瓷杯的組合材料參考文獻(xiàn)3 Al2O3-SiO2系襯磚顯微結(jié)構(gòu)剖析3.1 莫來石結(jié)合剛玉磚3.1.1 不接觸爐渣的磚3.1.2 接觸爐渣的磚3.2 紅柱石一黏土磚3.2.1 試樣CP-32填充料3.2.2 試樣CP-413.2.3 試樣CP-423.2.4 試樣CP-453.2.5試樣CP-463.3 蝕損機(jī)制3.3.1 鋅蒸氣氧化沉積3.3.2 鉀蒸氣侵蝕3.3.3 CO侵蝕3.3.4 與爐渣的反應(yīng)3.3.5 剝片3.3.6 磨蝕3.3.7 紅柱石黏土磚殘磚化學(xué)侵蝕反應(yīng)參考文獻(xiàn)第1章 引用文獻(xiàn)4 風(fēng)口和出鐵口區(qū)的反應(yīng)產(chǎn)物4.1 風(fēng)口區(qū)SiC磚黏附物4.1.1 SiC磚斷裂面的結(jié)構(gòu)4.1.2 黏結(jié)物的結(jié)構(gòu)4.2 出鐵口部位試樣4.2.1 殘磚結(jié)構(gòu)4.2.2 鐵口黏結(jié)物參考文獻(xiàn)5 炭磚蝕損機(jī)制5.1 爐缸側(cè)壁炭磚5.1.1 炭磚表面的ZnO黏附及表層反應(yīng)5.1.2 爐渣侵入5.1.3 炭磚中的液相析晶5.2 爐底炭磚5.2.1 炭磚顯微結(jié)構(gòu)5.2.2 滲鐵炭磚5.2.3 爐底炭磚碎裂帶5.2.4 爐底炭磚侵入物5.3 蝕損機(jī)制分析5.3.1 文獻(xiàn)簡摘5.3.2 多元蝕損機(jī)制參考文獻(xiàn)6 陶瓷杯蝕損機(jī)制6.1 原磚結(jié)構(gòu)試探6.2 殘磚樣品的宏觀結(jié)構(gòu)6.3 侵蝕反應(yīng)6.3.1 鐵的滲透行為6.3.2 鋅蒸氣的侵蝕行為6.4 討論6.4.1 關(guān)于MS4R牌號陶瓷墊的原料組成問題6.4.2 陶瓷杯的碎裂現(xiàn)象6.4.3 化學(xué)侵蝕機(jī)制與相平衡參考文獻(xiàn)7 爐料微區(qū)反應(yīng)和成渣7.1 原料的顯微結(jié)構(gòu)7.1.1 赤鐵礦7.1.2 燒結(jié)礦的顯微結(jié)構(gòu)7.1.3 球團(tuán)礦的顯微結(jié)構(gòu)7.2 爐料的還原反應(yīng)7.2.1 赤鐵礦的還原反應(yīng)7.2.2 燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的還原反應(yīng)7.2.3 碳的氧化行為7.3 成渣過程7.3.1 附著渣層7.3.2 焦炭與爐渣界面7.3.3 Fe-C界面7.3.4 Fe-FeO-C共存區(qū)7.3.5 Fe-Fe3C共生結(jié)構(gòu)7.4 爐渣的組成和顯微結(jié)構(gòu)7.4.1 近終渣7.4.2 空氣冷卻渣7.4.3 淬水渣7.5 黏附物參考文獻(xiàn)8 總結(jié)8.1 相的性質(zhì)攀定8.2 Al2O3-SiO2系襯磚蝕損機(jī)制8.2.1 莫來石結(jié)合剛玉磚8.2.2 黏土磚8.3 SiC系襯磚蝕損機(jī)制8.4 炭磚蝕損機(jī)制8.5 陶瓷杯第2篇 熱風(fēng)爐耐火材料蝕變機(jī)制9 概論9.1 熱風(fēng)爐作業(yè)概況9.2 爐襯蝕變的宏觀結(jié)構(gòu)9.2.1 球頇9.2.2 上部爐墻9.2.3 蝕變硅磚的性能參考文獻(xiàn)10 硅磚的顯微結(jié)構(gòu)剖析10.1 原磚顯微結(jié)構(gòu)特征10.2 用后七孔硅磚10.2.1 低倍結(jié)構(gòu)10.2.2 顯微結(jié)構(gòu)10.3 用后上部墻磚10.4 關(guān)于SiO2相變10.4.1 經(jīng)典理論辨析10.4.2 鱗石英-方石英相界10.4.3 固溶度問題10.5 結(jié)論參考文獻(xiàn)11 陶瓷燃燒器11.1 褐色薄膜11.2 縱切面結(jié)構(gòu)11.3 殘磚結(jié)構(gòu)11.4 結(jié)論參考文獻(xiàn)12 低蠕變高鋁磚(H-21)12.1 蠕變的定義12.2 顯微結(jié)構(gòu)分析12.3 關(guān)于溫度和侵蝕作用參考文獻(xiàn)13 熔渣結(jié)晶作用13.1 熔渣的化學(xué)組成13.2 結(jié)晶作用參考文獻(xiàn)14 結(jié)論14.1 侵蝕介質(zhì)14.2 環(huán)境對SiO2相變的影響14.3 抗蠕變高鋁磚14.4 陶瓷燃燒器質(zhì)量欠佳第3篇 焦?fàn)t硅磚顯微結(jié)構(gòu)演變15 焦?fàn)t硅磚的性質(zhì)與顯微結(jié)構(gòu)15.1 原料類型15.2 焦?fàn)t硅磚的顯微結(jié)構(gòu)16 化學(xué)-相組成和氣孔結(jié)構(gòu)變化16.1 分帶化學(xué)相組成16.2 氣孔形態(tài)的變化17 表面附生的反應(yīng)產(chǎn)物17.1 炭化側(cè)17.2 燃燒側(cè)18 硅酸鹽組成的不均態(tài)特征18.1 72孔樣品18.1.1 燃燒側(cè)18.1.2 炭化側(cè)18.2 2孔樣品18.2.1 燃燒側(cè)18.2.2 炭化側(cè)19 結(jié)論參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：燒結(jié)礦的生產(chǎn)工藝包括原料混合干燥、預(yù)熱、燃料燃燒、局部熔融和冷凝過程，由于原料組成的復(fù)雜性和不均性以及普遍的不平衡反應(yīng)，致使燒結(jié)礦的相組成波動范圍廣泛。隨機(jī)取幾塊樣品分析，很難保證其代表性和準(zhǔn)確性。與一般概念的理論不同，實際上廣泛存在的是不平衡局部反應(yīng)。燒結(jié)礦粉料和焦炭分布的不均性、溫度分布的不均性是其形成不均態(tài)顯微結(jié)構(gòu)的根本原因，而按相平衡方法推導(dǎo)平衡相組合、甚至給出計量的化學(xué)式（甚至分子式）的作法，顯然是不適宜的。所以，不能簡單地依化學(xué)組成來判斷燒結(jié)礦的相組合和冶金性能。寶鋼自己生產(chǎn)的燒結(jié)礦質(zhì)量被認(rèn)為是最好的之一（在《高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊》中有許多寶鋼的資料）。據(jù)資料記載，宅鋼3號燒結(jié)機(jī)1998年曾燒結(jié)出品位達(dá)Fe2O3含量59.02％，SiO24.54％的燒結(jié)礦。本研究所取燒結(jié)礦是以巴西礦粉，寶鋼自己燒結(jié)的。測得燒結(jié)礦和球團(tuán)礦及其含有相的化學(xué)組成如表7-2所示。經(jīng)筆者分析后發(fā)現(xiàn)，寶鋼燒結(jié)礦相組合受局部反應(yīng)控制，生成相的分布異常不均，竟出現(xiàn)異常的、高熔點初晶相（M，F(xiàn)）F型尖晶石固溶體。還不曾見有文獻(xiàn)報道過燒結(jié)礦中有此結(jié)晶，可能是鑒定工作不夠精密，囚為過去礦相分析以光學(xué)顯微鏡為主，而在光學(xué)顯微鏡下欲分辨出（M，F(xiàn)）F尖晶石和磁鐵礦之間的差別，需采用超薄光薄片觀察始可奏效。按照一般概念，常將組成中的MgO劃入形成黃長石固溶體的分量中去了，許多書上都是這樣算的。燒結(jié)礦呈泡沫狀團(tuán)塊，組成分布極不均勻，斷口的多孔結(jié)構(gòu)如圖7-6所示。XRD分析證實豐相為赤鐵礦和少量磁鐵礦固溶體。其他含鐵相和硅酸鹽不宜確認(rèn)。這里的赤鐵礦并非如礦石那樣的針狀晶體；而具粒狀形貌，如圖7-7所示。燒結(jié)礦不同部位會呈現(xiàn)各種各樣的相組合。如圖7-8所示為從硅酸鹽基質(zhì)中析出的自形鎂磁鐵礦固溶體（MF’）F，晶體尺寸多小丁10 um。

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國外諸多文獻(xiàn)曾報道過許多高爐解剖的研究結(jié)果，主要是研究爐料反應(yīng)行為；《高爐襯蝕損顯微剖析》內(nèi)容則是探討爐料反應(yīng)產(chǎn)物對耐火材料的蝕損機(jī)制，兩者相輔相成。

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