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高爐用耐材長(zhǎng)壽化的研發(fā)與實(shí)踐探討

發(fā)布時(shí)間：

2020-09-17

本文由我司技術(shù)總監(jiān)孫志紅等撰寫(xiě)并已在中國(guó)冶金報(bào)上發(fā)表。

作者：孫志紅  黃忠濤  李長(zhǎng)寧  石宏鵬

隨著煉鐵工藝的進(jìn)步，高爐向大型化發(fā)展，高爐出鐵溝是高爐渣鐵分離通道的關(guān)鍵部位，出鐵溝系列澆注料對(duì)高爐煉鐵的安全順利運(yùn)行起著非常重要的作用，出鐵溝澆注料要求具有良好的耐侵蝕沖刷性能和優(yōu)越的抗剝落性能。現(xiàn)有技術(shù)大中型高爐出鐵溝工作襯一般采用Al2O3-SiC-C 質(zhì)低水泥澆注料，使用壽命一次通鐵量一般為 15 萬(wàn)噸~20 萬(wàn)噸左右。出鐵溝工作襯材料面臨以下問(wèn)題，一是不但要經(jīng)受高溫渣鐵的侵蝕，還會(huì)受到渣鐵流的熱沖擊，損耗較快、維修周期長(zhǎng)，影響高爐正常安全生產(chǎn)；二是要滿足 25 萬(wàn)噸以上的大中型高爐出鐵溝一次通鐵量。這種情況下，急需開(kāi)發(fā)系列高溫?zé)Y(jié)性能、抗侵蝕性能、抗氧化性能、耐高溫渣鐵沖刷性能優(yōu)良的出鐵溝材料。

昊興公司與武科大聯(lián)合攻關(guān)，通過(guò)優(yōu)化材料及結(jié)合劑復(fù)配工藝流程、精細(xì)化各環(huán)節(jié)制作管理等，提升綜合大數(shù)據(jù)化分析水平；與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：配方組合優(yōu)化合理，材料成本降低，制備方法流程化，可實(shí)現(xiàn)降低鐵溝料項(xiàng)目綜合運(yùn)行成本，節(jié)約優(yōu)質(zhì)耐火原料資源，提升高爐出鐵溝耐材一次通鐵量至25 萬(wàn)噸以上，有效延長(zhǎng)了出鐵場(chǎng)的使用壽命，對(duì)高爐煉鐵高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)安全等具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和重要意義。大中型高爐出鐵場(chǎng)用鐵溝料典型指標(biāo)值如表 2 所示。

出鐵溝工作襯層的不定形耐火材料，其使用壽命的高低直接決定出鐵場(chǎng)的周期使用壽命，從而決定高爐的運(yùn)行效率的高低，因此高爐出鐵溝系列耐材是影響高爐連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。高爐出鐵渣主要成份如表 1 所示，影響高爐鐵溝料使用壽命的因素如圖 2 所示。


高爐鐵溝料系列產(chǎn)品及應(yīng)用實(shí)踐分析
在高爐的出鐵場(chǎng)中，一般分為主溝、鐵溝和渣溝。主溝是最重要的，鐵水流速快、溫度高，并且承受
渣鐵的共同作用。而渣溝和鐵溝分別讓渣和鐵液通過(guò)，其流速較低，流量較小，溫度也較低。因此，對(duì)溝襯耐火材料侵蝕也就較慢。大型高爐出鐵場(chǎng)主溝分為渣區(qū)和鐵區(qū)。實(shí)際上在出鐵穩(wěn)定階段，渣區(qū)和鐵區(qū)是固定的。但是在出鐵中后期，渣鐵混出，隨著渣鐵比例的不同，導(dǎo)致了渣鐵界面變化。特別是落鐵點(diǎn)周圍，渣鐵共同作用于該區(qū)域，不但受到渣鐵的共同作用，還承受很大的沖擊力和快流速所導(dǎo)致的擴(kuò)散侵蝕加快。因此，落鐵點(diǎn)成為最重要的區(qū)域。即在主溝應(yīng)該分為：渣區(qū)、鐵區(qū)、渣鐵線、渣空氣交界區(qū)和落鐵點(diǎn)區(qū)。不同區(qū)域所處環(huán)境不一樣，承受不同介質(zhì)的侵蝕，導(dǎo)致?lián)p耗速度也不一樣?，F(xiàn)在先詳細(xì)介紹不同區(qū)域的侵蝕情況：渣區(qū)或渣線主要受到高爐渣的侵蝕。應(yīng)該選用更抗渣侵蝕的材料。該區(qū)域應(yīng)該選用高碳化硅、較高石墨含量的剛玉-碳化硅-碳質(zhì)致密澆注料。
鐵線區(qū)主要受到鐵水的侵蝕和沖刷，應(yīng)該選用更抗鐵水侵蝕和沖刷的材料，即應(yīng)該選用高氧化鋁含量和低碳化硅的剛玉碳化硅碳質(zhì)致密澆注料。落鐵點(diǎn)情況復(fù)雜，它除了受到鐵水和渣的侵蝕外，還受到強(qiáng)烈的沖刷作用，并且這些侵蝕介質(zhì)是交替進(jìn)行的。因此，應(yīng)該采用既抗渣侵蝕又抗鐵水侵蝕，同時(shí)又抗沖刷的耐火材料。與鐵液侵蝕比較起來(lái)，渣侵蝕更重要，處于支配地位。因此，建議采用適當(dāng)高碳化硅含量的高致密度和高強(qiáng)的 ASC 澆注料。
在鐵液和渣界面上，也存在復(fù)雜情況。它們受到鐵液和渣的物理化學(xué)作用，有電解質(zhì)的電池作用而導(dǎo)致的侵蝕介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，也有因出鐵不同時(shí)間而導(dǎo)致流量和渣鐵比例的變化（鐵→鐵渣→渣），導(dǎo)致了界面的變化，即受到渣鐵的共同作用。因此，該區(qū)域采用的耐火材料既不同于渣線，也不同于鐵線，而應(yīng)采用兼顧鐵和渣侵蝕的耐火材料。
渣區(qū)與空氣的交界線處受到了強(qiáng)烈的空氣氧化，能把 SiC 氧化成 SiO2而再被渣侵蝕。因此，該交界線處用的耐火材料除了抗渣侵蝕外，還應(yīng)該更抗氧化，這是防止該處成溝槽的重要方法。
綜合不同區(qū)域所處的侵蝕介質(zhì)環(huán)境不同，應(yīng)該選用不同材質(zhì)的耐火材料。大中型高爐出鐵主溝耐材侵蝕情況分析示意圖如圖 1 所示。

提高出鐵溝耐火材料的幾點(diǎn)建議
根據(jù)熱力學(xué)原理，抗鐵水熔蝕好壞的次序?yàn)椋篊aO、Al2O2、SiO2、C、Si2N4、SiC。為了提高鐵線耐火材料的抗侵蝕性和使用壽命，應(yīng)該降低 SiC 和 SiO2含量，提高致密度和耐磨性為好。綜合鐵線和渣線料的配料，選用非氧化物和致密剛玉的合適配比的高強(qiáng)耐磨材料更適合于落鐵點(diǎn)。含有硅灰的澆注料，就不能用SM 減水劑，SM 只適用于不含硅灰的澆注料；聚丙烯酸鈉只適合于含硅灰或低水泥的澆注料，水泥稍高就不合適。
加強(qiáng)鐵溝現(xiàn)場(chǎng)修補(bǔ)維護(hù)工作。在正常使用過(guò)程中，侵蝕最快的是主溝的落鐵點(diǎn)，其次是渣區(qū)。應(yīng)該對(duì)該處薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行熱態(tài)修補(bǔ)或冷補(bǔ)，而不是扒掉。這樣就可以均衡溝襯，大大提高使用壽命和降低耐火材料消耗。
國(guó)內(nèi)維護(hù)基本上采用了套澆造襯修補(bǔ)。這種方式是一種好方式，但是帶來(lái)下列問(wèn)題：對(duì)于小高爐只有一條溝，給出的時(shí)間受到很大限制。這樣快速澆注施工和投入使用，顯著影響了施工質(zhì)量和耐用性；套澆往往剝皮導(dǎo)致了浪費(fèi)較多，影響了成本，同時(shí)冷卻下來(lái)也降低了鐵液溫度，對(duì)節(jié)能也是不利的。熱態(tài)修補(bǔ)既不影響使用，又有利于節(jié)能和提高鐵液溫度，是更好的選擇方法。熱態(tài)噴補(bǔ)有濕式噴射修補(bǔ)和半干法噴補(bǔ)兩種方法。無(wú)論哪一種方法，國(guó)內(nèi)做得較少，現(xiàn)在有幾家采用半干法噴補(bǔ)這種方法，取得了很好的效果，一般噴補(bǔ)一次渣線，可以延長(zhǎng)通鐵量 2 萬(wàn)噸~3 萬(wàn)噸作用。這樣可以不停地維護(hù)下去，保證使用壽命達(dá)到延長(zhǎng)。在熱態(tài)噴補(bǔ)方法中，濕式噴補(bǔ)更好。其主要表現(xiàn)在產(chǎn)品加水量很低，產(chǎn)品的耐侵蝕性更好，單耗更低，有利于降低成本，噴補(bǔ)施工過(guò)程中沒(méi)有粉塵，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生少的影響。
鐵溝料的回收再生循環(huán)利用
大中型高爐下來(lái)的主溝料，經(jīng)過(guò)揀選、破粉碎加工、顆粒整形、除鐵和干燥等工藝后，以此為原料，制備鋁碳化硅碳磚和澆注料。用再生料完全可以再生出較好的出鐵溝搗打料和澆注料，并且可以制造出性能較好的鋁碳化硅碳磚，這些產(chǎn)品有的得到了很好的應(yīng)用。由此可知，用后鐵溝料完全可以再生出優(yōu)質(zhì)的搗打料、澆注料和 ASC 磚，并能取得良好的結(jié)果。這對(duì)降低成本和資源再生是非常有意義的。