高炉出铁沟会用(yòng)到哪些耐火材料？
2023-09-15 17:15:42 点击：
高炉里的铁水，从出铁口出来流经的通道，即是铁水沟，其中又(yòu)分(fēn)主沟、渣沟和铁沟，主沟的功能(néng)是将铁水与渣分(fēn)离，主沟中的渣从撇渣器过梁顶部进入出渣沟，即渣沟，铁水从撇渣器的过梁底部铁水通道，即铁沟流过，实现渣铁分(fēn)离。沟中铺设的耐火材料，通常称為(wèi)铁沟料。也就是高炉出铁沟造衬及修补时使用(yòng)的耐火材料。出铁沟使用(yòng)过程中受到铁水的冲刷、铁渣的化學(xué)侵蚀、空气的氧化作用(yòng)、温度波动产生的热震应力等影响。主沟重要，铁水流速快、温度高、承受渣铁的共同作用(yòng)，渣沟和铁沟分(fēn)别流过渣和铁，流速较慢，流量较小(xiǎo)，温度也较低，对沟衬耐火材料的侵蚀也较慢。
随着高炉大型化和强化冶炼，渣铁流量增加及渣铁温度提高，出铁沟用(yòng)耐火材料的使用(yòng)条件越来越恶劣。据统计，在铁水对耐火材料的单位消耗中，出铁场（铁沟料和炮泥）约占71%，高炉一代炉役期间出铁沟构筑和维修费用(yòng)及炮泥价格总合，比新(xīn)修一座高炉及其附属设备花(huā)费还高。為(wèi)此，各单位对出铁沟用(yòng)耐火材料的材质及性能(néng)、结构设计、筑衬方法等，进行广泛深入的研究。越来越多(duō)的使用(yòng)浇注料或捣打料，大型高炉一般有(yǒu)2—3个出铁口，基本上都使用(yòng)浇注料，中小(xiǎo)高炉一般為(wèi)单铁口，都使用(yòng)捣打料或快干浇注料，由于耐火材料技术进步，现在有(yǒu)的小(xiǎo)高炉也用(yòng)上浇注料。但无论是浇注料还是捣打料，高炉用(yòng)的铁沟料基本上都是Al2O3—SiC—C质不定形耐火材料，即属于低水泥或超低水泥浇注料，以及捣打料和修补料。
一、高炉出铁沟用(yòng)Al2O3—SiC—C质浇注料：
自20世纪70年代开始研制Al2O3—SiC—C质浇注料，随着不定形耐火材料技术进步，开发了粘土结合、铝酸钙水泥结合、硅溶胶结合、ρ-Al2O3结合、磷酸二氢铝结合等Al2O3—SiC—C质浇注料。加上施工及维修等的技术进步，又(yòu)开发了免烘烤浇注料、快干型浇注料、自流型浇注料、环保型浇注料等。但始终都是属于Al2O3—SiC—C质浇注料。代表性的配料见表1。
表1 铁沟料的代表性配料（W）%
在浇注料中须掺加快干剂或防爆剂，主要有(yǒu)铝粉、乳酸铝、聚苯乙烯纤维和碳钎维等，以适应快速烘烤。
出铁沟浇注料有(yǒu)高品质、中品质及低品之分(fēn)。高品质主要由電(diàn)熔致密刚玉、板状刚玉配制，供大中型高炉使用(yòng)。中挡用(yòng)棕刚玉配制，供中小(xiǎo)高炉使用(yòng)。低挡品用(yòng)高铝矾土熟料配制。
近年来，围绕Al2O3—SiC—C系铁沟浇注料有(yǒu)很(hěn)多(duō)研究，用(yòng)烧结法生产的板状刚玉代替電(diàn)熔法的致密刚玉配制的铁沟浇注料，在出铁主沟渣線(xiàn)部位使用(yòng)，对于原来的开裂剥落现象有(yǒu)明显改善，具有(yǒu)良好的抗冲击性能(néng)，消除了浇注料工作衬内的拉应力，解决了浇注料的开裂问题。以天然原料電(diàn)熔的亚白刚玉代替以工业氧化铝電(diàn)熔的致密刚玉的超低水泥铁沟浇注料在大型高炉铁水沟使用(yòng)，取得相同的使用(yòng)效果，节约了成本。為(wèi)了降低浇注料的生产成本，有(yǒu)人采用(yòng)特种铝矾土均化料替代棕刚玉作骨料，在基质相同的情况下，与棕刚玉骨料的铁沟料性能(néng)对比，其抗侵蚀略差，抗渗透性较好，并具有(yǒu)较好的综合性能(néng)，能(néng)部分(fēn)代替棕刚玉。还有(yǒu)的研究采用(yòng)铝铬渣替代棕刚玉制备Al2O3—SiC—C铁沟浇注料，结果是：当铝铬渣替代棕刚玉骨料0-34%时，浇注料的常温、高温性能(néng)好，当200目细粉被铝铬渣替代时，體(tǐ)积密度，高温抗折强度等性能(néng)提高，并略微提高抗渣侵蚀性。铁沟料引入铝铬渣不仅降低成本，还节约了资源，减少了环境污染。还有(yǒu)的采用(yòng)价格较低的叶蜡石、金红石和焦炭合成的Sialon—TiNC复相粉體(tǐ)代替传统Al2O3—SiC—C质浇注料中30%的高成本的刚玉、碳化硅、氧化铝微粉，热处理(lǐ)后的强度提高，主沟一次通铁料达15—17万t，二次套浇时，由于变质层较薄，可(kě)节省Al2O3—SiC—C浇注料用(yòng)量。
為(wèi)了提高铁沟料的抗热震性，有(yǒu)人引入不同粒度的红柱石，随着红柱石粒度减小(xiǎo)，显气孔率逐渐减小(xiǎo)，體(tǐ)积密度先减小(xiǎo)后转大，抗热震性提高。
為(wèi)了提高抗氧化性，先后有(yǒu)人研究添加NiO或ZrB2或氮化硅铁等，其中氮化硅铁在高温氧化气氛中，浇注料表面的氧化硅铁中的Si3N4首先氧化生成SiO2，构成氧化层的主體(tǐ)，随着铁相材料的氧化，形成氧化铁，降低了氧化层的熔点，而且降低了熔體(tǐ)粘度，形成覆盖于材料表面的氧化层，而阻止碳素氧化。由于氮化硅铁加入量少，材料内部的铁是以氧化铁形式存在，对材料高温使用(yòng)性能(néng)影响不大。出铁沟分(fēn)為(wèi)渣線(xiàn)和铁線(xiàn)，渣線(xiàn)要求有(yǒu)较好的抗渣性，而铁線(xiàn)要求对氧化铁有(yǒu)较高的抗侵蚀能(néng)力。
渣線(xiàn)SiC含量高于铁線(xiàn)，因為(wèi)SiC可(kě)以提高抗渣能(néng)力。SiC含量问题引起广泛关注，欧美一些的Al2O3—SiC—C质浇注料含SiC 20%左右，日本的浇注料中SiC含量70%左右，我國(guó)一些研究认為(wèi)SiC含量35%為(wèi)宜。进一步增加SiC含量，流动性变差，體(tǐ)积密度下降，残余膨胀量增加，抗渣性变差。因此提高SiC含量须选择好的分(fēn)散剂，调整好颗粒组成，以改善施工性能(néng)。铁線(xiàn)中应增加MgO含量，以抵抗FeO的侵蚀，因為(wèi)尖晶石抗FeO侵蚀能(néng)力较强。铁液和渣界面，应该采用(yòng)兼顾抗渣和铁侵蚀的耐火材料，即高SiC、较高石墨含量的刚玉—碳化硅—炭质浇注料。在渣与空气的交界線(xiàn)，受到空气的强烈氧化，要选择抗渣及抗氧化的耐火材料等。
与水泥结合的铁沟料相比，ρ-Al2O3结合的浇注料具有(yǒu)较高的强度和较好的抗渣性。由于ρ-Al2O3具有(yǒu)强烈的水解特性，水解太快，使浇注料在短时间内失去流动性，造成浇注料无法正常施工。因此选择合适的分(fēn)散剂及加入缓凝剂硼酸或采用(yòng)缓凝型ρ-Al2O3显得很(hěn)重要。分(fēn)散剂种类有(yǒu)聚羧酸盐、六偏磷酸钠+萘磺酸盐甲醛缩合物(wù)、聚丙烯酸钠、三聚氰胺甲醛缩合物(wù)等。其中聚羧酸盐较好，但价格昂贵，其次是六偏磷酸钠+萘磺酸盐甲醛缩合物(wù)的流动值大。而加入硼酸可(kě)使ρ-Al2O3结合浇注料在90min后仍有(yǒu)良好的流动性，能(néng)满足施工要求。
ρ-Al2O3结合浇注料，其集料可(kě)用(yòng)天然原料，也可(kě)用(yòng)合成原料，对酸、碱或中性原料都适用(yòng)。与硅石原料结合存在低共熔点（1595℃），若在不高的温度下使用(yòng)，可(kě)制备具有(yǒu)高强度、體(tǐ)积稳定的浇注料。与碱性原料，如镁砂等反应生成尖晶石，提高浇注料的性能(néng)。而与中性耐火原料配合效果更好。
大型高炉使用(yòng)的Al2O3—SiC—C质浇注料所用(yòng)的碳源、结合剂、添加物(wù)等对其性能(néng)和环保有(yǒu)较大影响。目前Al2O3—SiC—C质铁沟浇注料使用(yòng)的碳源普遍是球状沥青或焦炭，加入量通常為(wèi)1—3wt%，然而球状沥青含有(yǒu)苯并芘组分(fēn)，高温使用(yòng)时产生致癌物(wù)质的黄烟。焦炭含有(yǒu)硫和挥发分(fēn)，对人體(tǐ)健康产生威胁。
為(wèi)此，对長(cháng)寿、环保型铁沟浇注料的开发，引起人们的重视，首先是对碳源进行深入细致研究。如有(yǒu)人采用(yòng)加入造粒炭黑，因為(wèi)造粒炭黑含碳量高（＞98%），比表面积小(xiǎo)（＜12m2/g），不污染环境，使浇注料结构致密，热态强度大，抗渣侵蚀性优良。还有(yǒu)人在铁沟料中加入一种含碳树脂粉CarboresP，其苯并芘含量只有(yǒu)0.03%（W）左右，而残碳量高达85%（W）以上，并且采用(yòng)硅溶胶结合，不但不污染环境，而且还具有(yǒu)施工时间短，抗热震性好，化學(xué)稳定性强，抗氧化性更好等优点。其原因在于中低温度下，硅溶胶脱水形成—Si—O—Si—凝胶网络结构，保证了中低温强度，在高温下生成大量纤维状莫来石，為(wèi)浇注料提供了较高的常温和高温强度。并且在添加有(yǒu)机防爆纤维、发泡剂AC，硅溶胶结合不影响浇注料的抗暴裂性能(néng)，而ρ—Al2O3结合的浇注料不利于抗暴裂性能(néng)，是提高强度的有(yǒu)效措施。
还有(yǒu)人通过添加Sialon先驱體(tǐ)物(wù)质Si3N4代替碳，研究出Sialon结合的性能(néng)优良，环境友好的自流浇注料。在配料中，当加入Al2O3微粉13%、硅微粉4%、纯铝酸钙水泥3%、Si3N4 6%、碳化硼0、4%、六偏磷酸钠為(wèi)减水剂，可(kě)获得流动值185mm左右的自流浇注料。加入Si3N4是由于Si3N4和渣铁不易润湿，使材料抗渣性增强，在使用(yòng)过程中生成Sialon不易被氧化，改变了材料基质结合形式，提高了基质的固—固相直接结合率，提高了抗渣性。加入碳化硼后，在升温过程中氧化為(wèi)氧化硼，在中温下熔融為(wèi)液相，促进材料烧结，使其强度增加。形成的含硼玻璃相，在材料表面形成致密的氧化膜，降低了材料的进一步氧化，达到抗氧化的目的。还有(yǒu)的采用(yòng)炭黑N990作為(wèi)碳源，也有(yǒu)人采用(yòng)新(xīn)型碳源HY—1，即是经过造粒的碳粒子，具有(yǒu)非常低的硫含量，属于环境友好型材料，用(yòng)它為(wèi)碳源配制的铁沟浇注料，在某铁厂2580m3高炉现场使用(yòng)，不冒烟，抗氧化、抗渣性非常好。
二、中小(xiǎo)高炉用(yòng)Al2O3—SiC—C质捣打料及快干浇注料
2.1、捣打料：
由于中小(xiǎo)高炉一般為(wèi)单个出铁口，出铁间隔时间短，无法保证一般浇注料施工所需要的养护、烘烤时间，所以出铁沟一般都是采用(yòng)不烘烤直接使用(yòng)的捣打料，也就是采用(yòng)一种在使用(yòng)过程中不产生水蒸气的结合系统的捣打料，从而达到施工后无需烘烤即可(kě)直接出铁的目的。
中小(xiǎo)高炉出铁沟捣打料的主要成分(fēn)為(wèi)：
w(Al2O3)=15%---69%，w(SiC+C)=10%---25%；
渣沟料的主要成分(fēn)為(wèi)：
w(Al2O3)=35%---45%，w(SiC+c)=15%---30%。
要求高铝矾土熟料杂质含量低，烧结好（吸水率＜4.5%）。颗粒组成為(wèi)：8—2mm40%---60%，2---0.074mm30%---40%，黑色碳化硅小(xiǎo)于100目，炭素材料可(kě)采用(yòng)石墨或冶金焦。
為(wèi)了提高捣打料的作业性和使用(yòng)中的烧结性能(néng)，可(kě)以加入软质粘土或膨润土。用(yòng)焦油（或蒽油）+沥青作结合剂，无需加水，捣打后无需烘烤可(kě)直接通铁水。但使用(yòng)中烟气较大，会污染环境。用(yòng)液态酚醛树脂作结合剂也无需烘烤，可(kě)直接通铁水，也是免烘烤捣打料，对环境污染较轻。有(yǒu)人研究碳化硅和酚醛树脂加入量对Al2O3—SiC—C质捣打料性能(néng)的影响，认為(wèi)W(SiC)15%时，捣打料强度高，體(tǐ)积密度较大，随着SiC加入量增加，捣打料抗热震性提高，耐磨性增强，但W(SiC)超过15%时，耐磨性降低。当酚醛树脂5%（W）时，捣打料强度较高，超过5%，捣打料的性能(néng)降低，耐磨性也降低，超过6%时，抗热震性明显降低。还有(yǒu)酚醛树脂结合的捣打料保存期短，建议是现场调配直接使用(yòng)。為(wèi)了防止炭素材料氧化，通常加入金属Al粉、Si粉及浸润剂，使碳化硅、炭素材料与铝矾土熟料很(hěn)好地混合在一起，加硅石细粉作防缩剂。
也有(yǒu)用(yòng)硅溶胶做结合剂的铁沟捣打料，其主要原料為(wèi)特中铝矾土熟料、棕刚玉、碳化硅和球状沥青，金属硅粉和碳化硼為(wèi)抗氧化剂及促烧剂，同时添加SiO2和α-Al2O3超微粉和粘土及防爆纤维。加入2%（W）硅微粉、3%（W）粘土或0、05%有(yǒu)机防爆纤维对硅溶胶结合Al2O3—SiC—C质捣打料的體(tǐ)积密度影响不大，但对其强度有(yǒu)一定影响；含有(yǒu)6%（W）α—Al2O3微粉、3%（W）粘土有(yǒu)很(hěn)高的强度，并且抗侵蚀能(néng)力好。添加有(yǒu)机防爆纤维提高了捣打料烘烤后的强度，而抗渣性有(yǒu)所降低。硅溶胶结合Al2O3—SiC—C捣打料，在1450C煅烧后均显示一定的质量增加，有(yǒu)利于體(tǐ)积稳定性和抗渣性。但捣打料使用(yòng)寿命太短，特别是落渣点，一般3—7天就要修补。因為(wèi)捣打出铁沟内衬一般只是底部表面相对比较密实，而表面层以下及沟帮部位都很(hěn)疏松，不耐冲刷。而对于相同材质的浇注料，體(tǐ)积密度较高，各部位比较均匀，更耐冲刷，使用(yòng)寿命较長(cháng)，施工维修方便，并且出铁场环境整洁。可(kě)是小(xiǎo)高炉用(yòng)捣打料，一般炉前都是乌烟瘴气、混乱不堪。
应该采用(yòng)环保型免烘烤捣打料，如有(yǒu)人采用(yòng)含碳树脂+植物(wù)油脂+密胺脲醛树脂+碳粉做Al2O3—SiC—C质捣打料的结合剂，这种捣打料不但免烘烤，而且有(yǒu)害物(wù)质含量少，对人體(tǐ)无害，无烟尘，对环境影响小(xiǎo)。如果使用(yòng)浇注料，须是快干浇注料，即浇注后1h即可(kě)脱模，并可(kě)立即大火烘烤1—2h后马上通过铁水。
2.2、快干浇注料：
近年来，针对中小(xiǎo)高炉单铁口出铁的铁沟浇注料进行了大量研究。如河北联合大學(xué)采用(yòng)各种的棕刚玉、碳化硅、325目白刚玉、球状沥青、硅粉等為(wèi)主要原料，AC发泡剂為(wèi)防爆剂，分(fēn)别以Secar71水泥、硅灰和硅溶胶為(wèi)结合剂。研究得出：加入AC发泡剂能(néng)降低浇注料脱水温度，而且脱水温度范围很(hěn)宽，提高了浇注料的抗暴裂性。其原理(lǐ)是：在水泥结合剂中，AC发泡剂与水泥及水反应生成气體(tǐ)，气體(tǐ)逸出时形成微小(xiǎo)开口气孔，有(yǒu)利水分(fēn)排出，提高抗暴裂性；在硅灰结合系统中加入電(diàn)熔镁砂粉，形成M—S—H凝胶，不但提高了强度，而且在加热过程中缓慢脱水，有(yǒu)利于浇注料的快速烘烤，提高抗暴裂性；硅溶胶结合浇注料在100C左右脱水，脱水平缓，有(yǒu)利浇注料的抗暴裂性。加入0.05%三聚磷酸钠（STP）作减水剂，浇注料的流动性和抗暴裂性好。硅溶胶结合浇注料中低温强度较好，高温生成莫来石，进一步增加强度，但體(tǐ)积膨胀比较大，抗渣侵蚀性较差。
储铁式铁水沟采用(yòng)以致密刚玉、棕刚玉、碳化硅、硅微粉，氧化铝微粉為(wèi)主要原料，加入复合防爆剂，纯磷铝酸钙水泥结合的快烘烤浇注料。在580m3高炉上无修补连续使用(yòng)3个月，一次通铁量18万t以上。
三、高炉出铁沟修补料：
出铁沟局部损坏进行修补是延長(cháng)出铁沟使用(yòng)寿命的重要途经。并且能(néng)减少耐火材料用(yòng)量，降低生产成本，减少废弃物(wù)排放对环境的污染等。
3.1、喷补料：
主要解决大型高炉铁沟使用(yòng)过程的局部快速热态修补，温度為(wèi)100—1450℃，有(yǒu)人研究用(yòng)磷酸二氢铝结合的Al2O3—SiC—C质喷补料具有(yǒu)良好的性能(néng)。同时选择中挡镁砂為(wèi)固化剂（1—2%），与磷酸二氢铝在喷枪口喷出混合喷到修补面上不流淌，可(kě)快速固化烧结。当喷补层厚度180—250mm，喷完10min即可(kě)出铁，连续使用(yòng)12d，过铁总量4.8万t，喷补层还有(yǒu)少量残衬。一般用(yòng)水泥结合的同类喷涂料使用(yòng)5d左右，过铁量2万t左右。热喷补有(yǒu)湿式和半干法两种。
3.2、高温自流修补料：
采用(yòng)与大型高炉铁沟料同材质的Al2O3—SiC—C质自流修补料，沥青与树脂复合结合剂。由于复合结合剂的合理(lǐ)搭配及悬浮剂的使用(yòng)，自流料具有(yǒu)好的高温流动性，施工方便。摆动流嘴经熔铁、熔渣的侵蚀与冲刷，形成贯穿性裂缝，造成整个摆动流嘴内衬耐火材料报废，采用(yòng)自流料修补后，使用(yòng)寿命提高10—20%，主沟、铁沟、渣沟的连接部位易产生裂纹，沟底局部熔损大，采用(yòng)自流料修补，提高了使用(yòng)寿命。
3.3、自流浇注料：
出铁沟，特别是主沟前端侵蚀比较严重，损毁较快，除采用(yòng)局部喷补外，也可(kě)用(yòng)自流浇注料修补。由于模具与残余铁沟料间缝隙较小(xiǎo)，形状不规整，采用(yòng)流动性较好的自流浇注料进行修补，能(néng)很(hěn)好的解决问题。自流浇注料是依靠本身自重和位能(néng)差产生自流而达到脱气、摊平和密实的效果。自流浇注料所用(yòng)的原料与原来铁沟料基本相同，但要注意颗粒级配，以粗：中：细颗粒為(wèi)20：45：35，其超细粉与细粉之比為(wèi)0.35—0.5时流动性好。并且还要达到（1）高温强度高，耐冲刷、抗侵蚀、抗氧化、热震稳定性好；（2）快速烘烤不炸裂；（3）与残存内衬结合牢固，不粘渣铁。某科(kē)研单位将自流浇注料在2000m3高炉铁沟损坏严重部位使用(yòng)，支好模具后，用(yòng)自流浇注料进行修补，通铁量达10万t以上。
3.4、套浇：
所谓套浇，即是在铁水沟损坏到一定程度后，清除铁皮残渣，保留残存内衬，然后支上模具浇上与残衬同材质的新(xīn)内衬。这样不仅减少了耐火材料消耗，反复套浇下去可(kě)以做到残存耐火材料零排放，达到保护环境的目的。我國(guó)大多(duō)数采用(yòng)冷法套浇，因為(wèi)剥掉铁皮残渣，同时降低温度，所以只能(néng)冷套浇。特别提出的是宝钢不锈钢2500m3高炉出铁沟采用(yòng)热套浇，根据调查是冲击區(qū)渣、铁線(xiàn)过渡區(qū)及以上熔损比较严重，而主沟渣、铁線(xiàn)位分(fēn)别采用(yòng)不同的浇注料，渣線(xiàn)位浇注料SiC含量高，铁線(xiàn)位SiC含量较低。如果套浇采用(yòng)两种浇注料，给施工过程带来复杂，而交界面容易产生裂纹。為(wèi)此，宝钢研制出一种SiC含量18%（W）的Al2O3—SiC—C质浇注料，在渣、铁線(xiàn)位熔损基本一致，平均熔损率為(wèi)24mm/万t铁，通过连续热套浇一次中修通铁量可(kě)达39万t。
以上几种修补方法，可(kě)以灵活机动使用(yòng)，一次可(kě)以用(yòng)一种方法，也可(kě)以几种方法联合使用(yòng)，
四、结束语
铁沟料是高炉用(yòng)耐火材料的重要组成部分(fēn)，所用(yòng)的原料大多(duō)是人工合成的高挡材料，价格昂贵。具有(yǒu)2—3个出铁口的大型高炉主要用(yòng)Al2O3—SiC—C质耐火浇注料；只有(yǒu)一个出铁口的中小(xiǎo)高炉主要用(yòng)Al2O3—SiC—C质捣打料或免烘烤防爆裂的快干浇注料。根据使用(yòng)条件，两种类型的铁沟料都须具有(yǒu)抗铁水冲刷、抗炉渣侵蚀、抗热震稳定性、抗氧化等性能(néng)好的优点。
為(wèi)了延長(cháng)铁沟料的使用(yòng)寿命，降低耐火材料消耗，在使用(yòng)过程中要随时对铁沟料的损毁部分(fēn)进行修补，根据损毁情况，灵活机动的采用(yòng)喷补，或套浇、或自流浇注、或几种方法同时联合进行，达到要求。
