煤氣中HCl對高爐耐火材料侵蝕過程的研究

胡賓生，滕艾均，貴永亮，韓曉光，秦榮環(huán)

(河北聯(lián)合大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009)

煤氣中HCl對高爐耐火材料侵蝕過程的研究

胡賓生，滕艾均，貴永亮，韓曉光，秦榮環(huán)

(河北聯(lián)合大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009)

通過對HCl氣體侵蝕高爐耐火材料的研究發(fā)現(xiàn):HCl氣體可以促使高鋁磚中硅酸鹽玻璃質(zhì)和隱晶質(zhì)鋁硅酸鹽轉(zhuǎn)變成莫來石和方英石，導(dǎo)致氣孔率提高;HCl氣體與碳磚中非碳元素發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生鹽酸鹽，導(dǎo)致碳磚質(zhì)地變得疏松，氣孔率增加，加速碳磚在高爐內(nèi)的熔損反應(yīng).

HCl氣體;耐火材料;侵蝕機(jī)理

近幾年來，氯元素對高爐冶煉過程的影響逐漸顯現(xiàn)出來，主要表現(xiàn)為在高爐風(fēng)口結(jié)渣物、布袋除塵箱內(nèi)壁粘結(jié)物、TRT葉片粘結(jié)物中分別檢測到大量的氯元素，已經(jīng)對高爐冶煉過程造成了嚴(yán)重影響［1，2］.人們對氯在高爐冶煉過程中的行為和氯對高爐冶煉過程的影響［3～5］進(jìn)行了大量研究工作，但氯對高爐耐火材料侵蝕的研究還未見報(bào)道.因此，有必要系統(tǒng)地研究氯元素對高爐耐火材料侵蝕過程的影響.

1 實(shí)驗(yàn)過程

試驗(yàn)選擇高鋁磚(CRN－155)和碳磚(C－219)，將選用的 2種耐火材料切成 15 mm× 75 mm×78 mm的小塊.將耐火材料試樣稱重后裝入如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置中，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下升溫至設(shè)定溫度后模擬高爐耐火材料的侵蝕過程，根據(jù)高爐爐缸煤氣化學(xué)成分，將試驗(yàn)用煤氣化學(xué)成分控制為CO/N2=40/60，煤氣中HCl的濃度分別控制為:0%、0.6%和1.2%，煤氣流量控制為5L/min.考慮到高鋁磚在高爐內(nèi)的使用溫度、碳磚耐火度高和在高爐內(nèi)只能氧化侵蝕的特點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)條件，將耐火材料侵蝕時(shí)間控制為300 h，高鋁磚和碳磚的侵蝕溫度分別控制為1 100℃和1 200℃.

2 煤氣中HCl對高鋁磚侵蝕過程的影響

2.1 高鋁磚的質(zhì)量變化

從圖2中可以看出:在侵蝕溫度和時(shí)間相同的條件下，隨著煤氣中HCl氣體濃度的增加，侵蝕后高鋁磚的失重率提高.當(dāng)煤氣中HCl氣體濃度為0%時(shí)，高鋁磚的失重率只有0.63%;當(dāng)煤氣中HCl氣體濃度為0.6%時(shí)，高鋁磚的失重率提高到1.73%;當(dāng)煤氣中HCl氣體濃度為1.2%時(shí)，高鋁磚的失重率進(jìn)一步提高到2.23%.

圖1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖1 Sketch of the reactor structure心熱電偶套管;2—進(jìn)氣管;3—排氣管

2.2 高鋁磚礦物組成及礦物結(jié)構(gòu)的變化

通過礦相顯微鏡下觀察，高鋁磚在不同HCl濃度煤氣侵蝕后礦物組成的變化見表1所示，從表1中可以看出:當(dāng)煤氣中HCl濃度由0%升高到1.2%時(shí)，侵蝕后高鋁磚中剛玉(Al2O3)的含量沒有發(fā)生明顯的變化，但硅酸鹽玻璃質(zhì)和隱晶質(zhì)鋁硅酸鹽的含量略有降低，莫來石(3Al2O3·2SiO2)和方英石(SiO2)的含量卻有所升高，部分硅酸鹽玻璃質(zhì)和隱晶質(zhì)鋁硅酸鹽轉(zhuǎn)變成莫來石(3Al2O3·2SiO2)和方英石(SiO2)，高鋁磚表層剛玉和莫來石的顆粒結(jié)晶度明顯變差，試樣侵蝕層的厚度約為2 mm～4 mm，高鋁磚中的氣孔率由15%～17%升高到16%～18%.Al2O3是典型的兩性氧化物，在高鋁磚中可以顯弱堿性，鋁硅酸鹽和莫來石固溶體中沒有結(jié)晶的Al2O3有可能與 HCl發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(1)，生成 AlCl3(g)和H2O(g)，AlCl3(g)和H2O(g)的揮發(fā)將會(huì)促使高鋁磚中的氣孔率升高;另一方面根據(jù)SiO2－Al2O3相圖，Al2O3在高溫下被侵蝕也會(huì)促進(jìn)鋁硅酸鹽和莫來石固溶體向莫來石晶體和方英石轉(zhuǎn)化，提高莫來石晶體(3Al2O3·2SiO2)和方英石(SiO2)的含量.

圖2 煤氣中HCl濃度對高鋁磚失重率的影響Fig.2 Effect of HCl concentration in the gas on weight loss of the high alumina brick

2.3 高鋁磚的X射線衍射分析

從圖3與圖4的對比中可以看出:在侵蝕溫度和時(shí)間相同的條件下，當(dāng)煤氣中HCl氣體濃度為由0%提高到1.2%時(shí)，高鋁磚表面侵蝕層的X射線衍射曲線沒有發(fā)生明顯的變化，這說明經(jīng)過HCl濃度為1.2%的煤氣侵蝕后的高鋁磚與經(jīng)過HCl濃度為0%的煤氣侵蝕后的高鋁磚所含的主要礦物種類基本相同.

3 煤氣中HCl對碳磚侵蝕過程的影響

3.1 碳磚的質(zhì)量變化

從圖5中可以看出:在侵蝕溫度和時(shí)間完全相同的條件下，隨著煤氣中HCl氣體濃度的增加，侵蝕后碳磚的失重率提高.當(dāng)煤氣中HCl氣體濃度由0%升高到1.2%時(shí)，碳磚的失重率由19.93%提高到33.83%.

圖3 煤氣(HCl濃度為0%)侵蝕后高鋁磚表面侵蝕層的X射線衍射曲線Fig.3 XRD pattern of surface corroded layer of the high alumina brick eroded by the gas(0%HCl)

圖4 煤氣(HCl濃度為1.2%)侵蝕后高鋁磚表面侵蝕層的X射線衍射曲線Fig.4 XRD pattern of surface corroded layer of the high alumina brick eroded by the gas(1.2%HCl)

圖5 煤氣中HCl濃度對碳磚失重率的影響Fig.5 Effect of HCl concentration in the gas on weight loss of the carbon brick

3.2 碳磚顯微結(jié)構(gòu)的變化

碳磚主要由無煙煤、焦炭和不定形碳構(gòu)成，無煙煤為骨料，不定形碳為基質(zhì).在礦相顯微鏡下可以觀察到:碳磚中氣孔的形態(tài)不規(guī)則，而且這些氣孔主要分布于基質(zhì)不定形碳之間.碳磚在1 200℃經(jīng)300 h煤氣(HCl濃度為0%)侵蝕后，碳磚所含礦物種類及含量沒有明顯的區(qū)別，但氣孔率卻從20%～22%增加到23%～25%.碳磚在1 200℃經(jīng)300 h HCl濃度為1.2%的煤氣侵蝕后，碳磚所含的物質(zhì)種類及含量沒有明顯區(qū)別，但氣孔率卻提高到24%～26%，碳層表層呈顯疏松現(xiàn)象，試樣侵蝕層的厚度約為2～3 mm.

圖6 煤氣(HCl濃度為0%)侵蝕后碳磚表面侵蝕層的X射線衍射曲線Fig.6 XRD pattern of surface corroded layer of the carbon brick eroded by the gas(0%HCl)

圖7 煤氣(HCl濃度為1.2%)侵蝕后碳磚表面侵蝕層的X射線衍射曲線Fig.7 XRD pattern of surface corroded layer of the carbon brick eroded by the gas(1.2%HCl)

3.3 碳磚的X射線衍射分析

從圖6與圖7的對比中可以發(fā)現(xiàn):在侵蝕溫度和時(shí)間相同的條件下，當(dāng)煤氣中HCl氣體濃度由0%升高到1.2%時(shí)，碳磚表面侵蝕層X射線衍射曲線中增加了新物質(zhì)鹽酸鹽(C9H11NO3·HCl)的衍射峰，碳磚表面有HCl氣體與碳磚中非碳元素形成的鹽酸鹽(C9H11NO3·HCl)存在，新產(chǎn)物的出現(xiàn)打亂了碳磚原有物質(zhì)之間的結(jié)合方式，嚴(yán)重地破壞碳磚原有的結(jié)構(gòu)，使碳磚的質(zhì)地變得疏松，加速碳磚在高爐內(nèi)的熔損反應(yīng).

4 結(jié)論

通過對不同HCl濃度煤氣侵蝕后高鋁磚和碳磚的分析和檢測可以得出以下兩條結(jié)論:

(1)煤氣中的HCl氣體會(huì)促進(jìn)部分硅酸鹽玻璃質(zhì)和隱晶質(zhì)鋁硅酸鹽轉(zhuǎn)變成莫來石(3Al2O3·2SiO2)和方英石(SiO2)，高鋁磚表層剛玉和莫來石的顆粒結(jié)晶度明顯變差，氣孔率增大.

(2)經(jīng)過含有HCl氣體的煤氣侵蝕后，碳磚表面有HCl與碳磚中非碳元素形成的鹽酸鹽出現(xiàn)，新產(chǎn)物的生成會(huì)導(dǎo)致碳磚質(zhì)地變得疏松，氣孔率增加，加速碳磚在高爐內(nèi)的熔損反應(yīng).

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(Xu Meng.Li Zengpu，Ma Zejun，et al.Study on chlorine corrosion control of dry dedusting system for No.2 BF in qianan iron and steel Co.，Ltd.［J］.Ironmaking，2009，28(5):36－41.)

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(Hu Binsheng，Gui Yongliang，Han Xiaoguang，et al.Influence of HCl in gas on the metallurgical property of material and fuel used in blast furnace［J］.China metallurgy，2011，21 (10):15－17.)

Research on blast furnace refractory erosion mechanism caused by HCl in gas

Hu Binsheng，Teng Aijun，Gui Yongliang，Han Xiaoguang，Qin Ronghuan

(College of Metallurgy and Energy，Hebei United University，Tangshan 063009，China)

According to the study on blast furnace refractory erosion caused by HCl gas，it was found that HCl gas can promote for the silicate glass phase and the recessive aluminum silicate to transform into mullite and cristobalite in the alumina brick，so that it can increase the porosity in the alumina brick.HCl gas reacts with non－carbon elements to form the chloride which causes the brick to be loose and porous in the carbon brick.Thus the brick loss is accelerated.

HCl gas;refractory;erosion mechanism

TF 534.1

A

1671-6620(2014)01-0020-04

2013-09-01.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51074209).

胡賓生 (1958—)，男，博士，教授，E－mail:hubinsheng1@163.com.