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高爐炮泥研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展新方向 | 技術(shù)前沿
01.前沿概述
高爐出鐵口是高爐最重要的部分之一，是高爐排出鐵水和爐渣的通道，一般設(shè)置為1-4個(gè)。出鐵口是否通暢以及鐵通量大小都是影響高爐運(yùn)行的重要因素。而高爐炮泥是用于封堵出鐵口的可塑性耐火材料，同時(shí)也是煉鋼過程中成本占比最大的日常消耗耐材，達(dá)到消耗耐材總成本的80%。因此，對(duì)于高爐炮泥的研究至關(guān)重要，直接關(guān)系著高爐的壽命以及煉鐵煉鋼的成本。
由于近年來高爐大型化和強(qiáng)化冶煉技術(shù)的應(yīng)用，導(dǎo)致出鐵時(shí)間的延長，出鐵次數(shù)的增加，使得對(duì)出鐵口的要求更高，工作環(huán)境更苛刻，亦是對(duì)炮泥提出了更高的要求。至2019年，我國4000m3以上的大型高爐達(dá)到了22座，最大高爐體積達(dá)到了5800m3，出鐵口有4個(gè)，平均每天出鐵次數(shù)10～13次。如寶鋼的兩座4063m3的高爐最大日出鐵量達(dá)到了10000t，出渣量達(dá)3200t，出鐵速度在5.8～7.5t·min?1，出鐵時(shí)間可達(dá)120min以上。這對(duì)炮泥的可塑性、耐火度、抗鐵渣侵蝕能力、燒結(jié)強(qiáng)度和開口性能均提出了極大的要求與挑戰(zhàn)。炮泥性能的優(yōu)劣關(guān)系到高爐的生產(chǎn)與運(yùn)行，如果炮泥質(zhì)量不佳，就會(huì)產(chǎn)生各種問題，如斷鐵口、潮鐵口、淺鐵口等，甚至造成危害人身安全的事故。反之，炮泥質(zhì)量良好、孔徑穩(wěn)定、出鐵均勻、鐵口維持一定的深度，能優(yōu)化高爐的生產(chǎn)，減少耐火材料的消耗。
本文中，介紹了炮泥的種類以及不同種類炮泥的特性和應(yīng)用，主要從炮泥原料(化學(xué)成分、顆粒組成、含水量)、添加劑和結(jié)合劑三個(gè)方面概述了其最新研究進(jìn)展，并且對(duì)炮泥的研究思路和發(fā)展方向做了展望。
真空振動(dòng)澆注裝置示意圖見圖1，將混合漿料(加水量8%(w))放于裝置的漏斗中，抽真空至-0.09MPa后保壓30min，打開振動(dòng)臺(tái)使其振動(dòng)頻率為60Hz，待漿料完全流進(jìn)模具后再振動(dòng)1min，停止振動(dòng)后放入空氣。機(jī)壓成型過程：將坯料(含水量8%(w))放入壓磚機(jī)模具內(nèi)，在200MPa壓力下保壓90s。兩種工藝的坯體成型后均于100℃干燥72h，于1400℃氮化燒結(jié)8h。
02.炮泥種類
炮泥是一種不定形的功能性耐火材料，用于煉鐵高爐的封堵鐵口過程。炮泥的組成可以分成兩個(gè)部分：耐火骨料和結(jié)合劑。耐火骨料是指剛玉、莫來石、焦寶石等耐火原料和焦炭、云母等改性材料，用于提高炮泥的耐火度、高溫性能以及抗渣性;結(jié)合劑為水、焦油瀝青或酚醛樹脂等有機(jī)材料，還可配合摻加SiC、Si?N?，膨脹劑和外加劑等用于提高炮泥的物理性能和產(chǎn)品質(zhì)量。
炮泥一般按結(jié)合劑的不同可以分為有水炮泥和無水炮泥兩大類。就國內(nèi)來說，一般頂壓較低、強(qiáng)化冶煉程度不高的中小型高爐(<2000m3)使用有水炮泥;而頂壓較高、強(qiáng)化冶煉程度高的大中型高爐(>2000m3)一般使用無水炮泥。國外以日本高爐為代表的眾多高爐普遍采用高質(zhì)量的無水炮泥，同時(shí)配以特殊的開口方法和開口機(jī)。
1.1 有水炮泥
有水炮泥通常以黏土、焦粉、釩土熟料和焦油瀝青為主料，再以水為結(jié)合劑混合攪拌所得。有水炮泥是早期大量使用的一種炮泥，但由于其體積密度比較小，抵抗鐵渣溶液的沖刷能力較弱，在大中型高爐上使用時(shí)容易造成鐵口深度不夠、出鐵期間跑焦炭、出鐵放風(fēng)以及出不凈鐵渣等現(xiàn)象，影響高爐的正常生產(chǎn)。至今，由于有水炮泥成本低的特點(diǎn)，許多中小型高爐(<2000m3)仍在改進(jìn)其成分，為適應(yīng)冶煉環(huán)境而努力，其單耗在1.2kg·t?1以上。
有水炮泥的成分組成波動(dòng)較大，可根據(jù)使用條件和要求的不同進(jìn)行改造。其中，焦炭和軟質(zhì)黏土對(duì)有水炮泥的性質(zhì)影響巨大。炮泥中軟質(zhì)黏土含量較高，其可塑性強(qiáng)，能使炮泥更快形成泥包，但軟質(zhì)黏土也會(huì)使炮泥的透氣性變差，減緩干燥速度。炮泥中焦炭能增加炮泥的透氣性，使其易于干燥，但會(huì)降低炮泥的可塑性。表1為有水炮泥的成分組成。
1.2 無水炮泥
無水炮泥一般以剛玉、高鋁礬土、黏土、絹云母、瀝青、碳化硅、焦粉等為原料，采用焦油、樹脂等作為結(jié)合劑。剛玉和高鋁礬土的體積密度較大，在炮泥中起到支撐骨架的作用，是構(gòu)成炮泥強(qiáng)度的基礎(chǔ)，大大提高了炮泥抵抗鐵渣溶液沖刷的能力;焦粉具有良好的還原性，可保護(hù)其他炭素成分、維持高爐鐵口的還原性氛圍，而且導(dǎo)熱性良好，能夠迅速燒結(jié)并具有一定的燒結(jié)強(qiáng)度;碳化硅熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好、抗熱震性優(yōu)異，可提高炮泥的耐火度、體積穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度以及抗沖刷能力;黏土和瀝青提高了炮泥的可塑性;絹云母提高了炮泥的燒結(jié)強(qiáng)度以及可塑性。無水炮泥在出鐵孔道內(nèi)具有無潮濕現(xiàn)象、強(qiáng)度高、鐵口深度穩(wěn)定、出鐵過程鐵口變化小等優(yōu)點(diǎn)，且不會(huì)造成跑大流。
相對(duì)于傳統(tǒng)的有水炮泥，無水炮泥由于其優(yōu)異的性能以及環(huán)保的優(yōu)勢，受到越來越多的鋼鐵企業(yè)青睞。無水炮泥的成分組成見表2。
03.高爐炮泥的研究現(xiàn)狀
影響高爐炮泥性能和品質(zhì)的因素主要有炮泥原料、結(jié)合劑、添加劑和生產(chǎn)工藝等。表3為我國部分鋼廠的炮泥使用情況。
2.1 原料的改善與研究
炮泥原料直接影響炮泥的性質(zhì)，優(yōu)質(zhì)的炮泥主成分含量多，雜質(zhì)少，性能優(yōu)越。其進(jìn)展主要從三方面展開：原料的化學(xué)成分、粒度以及含水量。
①化學(xué)成分
由于炮泥中各種化合物性質(zhì)的不同，對(duì)炮泥特性和質(zhì)量的影響也就不同。因此，可以改善炮泥原料化學(xué)成分來增強(qiáng)其性能，亦可以改變不同成分的配比，選擇性地獲得更適合生產(chǎn)需求的炮泥性能。如寶鋼的炮泥采用高純剛玉為原料，提高體系中的Al?O?含量來提高炮泥的抗侵蝕性能。改善原料配比及提高其純度是炮泥研究的一個(gè)重要方向。
另一方面，添加化合物也可以改善炮泥的性質(zhì)。
北京科技大學(xué)自主研發(fā)了氮化硅鐵無水炮泥，大大提高了炮泥的高溫抗折性能、燒結(jié)速度與開孔能力，但氮化硅鐵的成本較高，限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)之上，陳博、張健等添加高鋁粉煤灰以提高無水炮泥的鐵渣溶液侵蝕性能，并且進(jìn)行了以高鋁粉煤灰還原氮化獲得的含鐵SiAlON替代氮化硅鐵的研究，最大限度地降低了成本并獲得具有優(yōu)異性能的炮泥。另外有研究發(fā)現(xiàn)，添加鐵氮復(fù)合材料(Fe-Si?N?、Fe-SiAlON和Fe-Si?N?/TiN)也可以提高炮泥的抗渣侵蝕性，且節(jié)約成本。
王淇等以棕剛玉、SiC粉、黏土、藍(lán)晶石粉、焦炭粉、瀝青粉和Fe-Si?N?為原料，以焦油為結(jié)合劑，添加自制的Al?O?-SiC復(fù)相粉體制備無水炮泥，研究了Al?O?-SiC復(fù)相粉體的加入量對(duì)炮泥的體積密度、顯氣孔率、抗折強(qiáng)度和抗渣性能的影響。結(jié)果表明，添加Al?O?-SiC復(fù)相粉體在一定程度上可以增強(qiáng)炮泥的抗渣性和抗折強(qiáng)度，同時(shí)降低其氣孔率;當(dāng)添加10%(w)Al?O?-SiC復(fù)相粉體時(shí)，制備的炮泥試樣抗折強(qiáng)度最好;在還原氣氛下，添加Al?O?-SiC復(fù)相粉體的炮泥具有良好的抗渣性能。
綜上可知，在原料化學(xué)成分上的改善是基于兩方面的需求來努力的。一方面是炮泥所需求性能和質(zhì)量上的優(yōu)化;另一方面結(jié)合實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)，考慮成本的影響，使用價(jià)格更低廉的礦物或者固廢所得的產(chǎn)物來代替某些昂貴的人工合成化合物。
②粒度
炮泥原料的粒度組成也是影響炮泥質(zhì)量的重要因素之一。粗顆粒的比例增加，有利于降低炮泥的擠出壓力和燒結(jié)后的氣孔率。但是粗顆粒比例過大，會(huì)造成炮泥粗糙松散和強(qiáng)度降低。因此，炮泥使用粒度的配比就十分重要。當(dāng)前的研究和實(shí)際生產(chǎn)表明，炮泥原料的最大臨界粒度為3mm，3～1mm的粗顆粒組成(w)在30%～35%時(shí)的效果最佳。當(dāng)然，對(duì)于功能細(xì)粉來說，粒度越小，越能促進(jìn)炮泥的燒結(jié)，提高炮泥的性能。
③含水量
無水炮泥原料中的水分是影響炮泥質(zhì)量的重要因素。在高爐鐵口作業(yè)中，炮泥的燒結(jié)溫度達(dá)到1500℃時(shí)，其中的水分蒸發(fā)為水蒸氣。水蒸氣越多，炮泥的組織越疏松，氣孔率也越高，造成抗渣鐵侵蝕能力大幅下降。如果原料中的水分未在高爐出鐵之前完全排出，在開口過程易出現(xiàn)鐵口潮“放火箭”，危害人身安全。因此，在炮泥制備前要對(duì)焦炭和耐火泥進(jìn)行烘干，在原料的選取上也應(yīng)嚴(yán)格控制其含水量，避免含水量過高造成質(zhì)量下降、安全危害以及其他不良影響。
2.2 結(jié)合劑的改善與研究
結(jié)合劑對(duì)炮泥的低溫和高溫強(qiáng)度都有非常大的影響。傳統(tǒng)炮泥以水為結(jié)合劑，炮泥的高溫性能較差。隨著近些年的發(fā)展，無水炮泥的結(jié)合劑主要有焦油、樹脂和樹脂-焦油復(fù)合結(jié)合劑，或者以適當(dāng)?shù)呐浔燃尤霝r青、蒽油等改善結(jié)合劑。結(jié)合劑含量越高，揮發(fā)分逸出越多，會(huì)導(dǎo)致炮泥的結(jié)構(gòu)疏松、氣孔大、強(qiáng)度下降，并且伴隨較大的收縮;而且在打泥早期軟化比較嚴(yán)重。因此，結(jié)合劑的用量以及配比對(duì)炮泥有至關(guān)重要的作用。
①焦油-瀝青結(jié)合劑
焦油-瀝青結(jié)合劑是最傳統(tǒng)的無水炮泥結(jié)合劑。焦油中含有較多的酚、甲酚、二甲酚與高級(jí)酚等活性化合物，因此具有良好的黏合性能。瀝青是由多種高分子化合物組成的混合物，是一種高黏度的有機(jī)液體。瀝青中含有較多的游離碳和殘存碳，有利于提高炮泥抗渣侵蝕性。焦油-瀝青結(jié)合炮泥的優(yōu)點(diǎn)是抗渣性較好且造價(jià)低廉，使用過程中水蒸氣產(chǎn)生少，有利于保護(hù)高爐爐缸碳磚。同時(shí)，焦油的潤滑性能優(yōu)良，為炮泥提供了良好的流動(dòng)性以及塑性。但也有其局限性，焦油在高溫環(huán)境中揮發(fā)出有害氣體會(huì)污染環(huán)境，而且在性能上也不如樹脂結(jié)合劑。因此，焦油結(jié)合劑在早期時(shí)大量使用，后來逐漸被樹脂結(jié)合劑和復(fù)合環(huán)保型結(jié)合劑所取代，目前只有部分鋼廠為降低成本而使用。
②樹脂結(jié)合劑
樹脂結(jié)合劑是一種環(huán)保結(jié)合劑。與傳統(tǒng)的焦油-瀝青結(jié)合炮泥相比，樹脂結(jié)合炮泥具有以下優(yōu)點(diǎn)：使用時(shí)只揮發(fā)出很少量的有害氣體，可改善作業(yè)環(huán)境;硬化速度快，強(qiáng)度好，可大大縮短壓炮時(shí)間。研究表明，使用焦油-瀝青結(jié)合炮泥時(shí)，泥槍壓炮時(shí)間在20min左右;而改用樹脂結(jié)合炮泥后，泥槍壓炮時(shí)間可以縮短到5～7min，與此同時(shí)，還可以保證穩(wěn)定的出鐵口深度和出鐵操作，顯著提升了打泥效率。但樹脂結(jié)合炮泥也存在一些缺點(diǎn)，如混煉好的炮泥保存期短，硬化時(shí)間難以控制，對(duì)擠壓充填出鐵口作業(yè)有一定影響。另外，樹脂結(jié)合劑的成本相對(duì)較高。因此樹脂結(jié)合無水炮泥仍在不斷研究和改進(jìn)中。日本是比較早發(fā)展樹脂結(jié)合無水炮泥的國家，技術(shù)比較成熟，應(yīng)用也較為廣泛，對(duì)樹脂結(jié)合劑的研究也處于前列。
日本新日鐵研究開發(fā)的堿性無水炮泥，其原料組成(w)如下：焦炭12%～15%，氧化鎂25%～60%，輕燒氧化鎂8%～15%，酚醛樹脂結(jié)合劑15%～20%，以及少量的電熔氧化鋁和碳化硅。經(jīng)測試，其顯氣孔率可達(dá)到25%～32%，1450℃的高溫抗折強(qiáng)度為3.2～4.5MPa，在3800m3的高爐上(頂壓達(dá)到0.15MPa)試用獲得了很好的效果。日本噸鐵的樹脂結(jié)合無水炮泥消耗約0.3～0.4kg·t?1，其中千葉4500m3的高爐用炮泥單耗可低至0.25kg·t?1。另外，法國TRB公司(布洛涅耐火泥料公司)的樹脂結(jié)合無水炮泥能在35℃下保存1年，解決了樹脂結(jié)合無水炮泥保存時(shí)間短的缺陷，并且在性能上也處于世界前列。
③ 樹脂-焦油復(fù)合結(jié)合劑
樹脂-焦油復(fù)合結(jié)合劑是將普通焦油進(jìn)行高溫處理，脫去輕油和萘等揮發(fā)物，并混合一定比例的樹脂，形成的一種具有焦油和樹脂兩者優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合結(jié)合劑。該復(fù)合結(jié)合劑具有碳含量高、揮發(fā)分少的特點(diǎn)，同時(shí)比較環(huán)保，其成本相對(duì)于樹脂結(jié)合劑也大大降低。而且，使用焦油-樹脂復(fù)合結(jié)合劑，在高溫條件下可以形成連續(xù)碳狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低炮泥的氣孔率，并提高產(chǎn)品的耐壓強(qiáng)度。同時(shí)，結(jié)合劑中的焦油具有良好的潤滑性能，可以增強(qiáng)炮泥的塑性。因此，對(duì)于樹脂-焦油復(fù)合結(jié)合劑以及其他復(fù)合環(huán)保型結(jié)合劑的研究已成為當(dāng)前炮泥研究的一個(gè)重要方向。
2.3 細(xì)粉添加劑的研究
添加功能細(xì)粉、微粉甚至超微粉可以大大提高炮泥的致密度、強(qiáng)度等物理性能以及抗渣性等使用性能，如添加炭黑和Si粉。這是由于炭黑的粒度小于一般細(xì)粉，其填充在無水炮泥細(xì)粉之間的空隙中，提高了炮泥的致密度以及強(qiáng)度。同時(shí)，又利于形成更多的碳鍵，提高了炮泥的高溫強(qiáng)度及穩(wěn)定性。以Si粉作為超微粉添加到炮泥中提高其致密度;同時(shí)，作為抗氧化劑，防止了焦粉、炭黑等被氧化;另外，在出鐵過程中，可以與碳源反應(yīng)生成碳化硅，提高炮泥抗渣侵蝕性能。陸曉鋒等研究了添加不同配比的炭黑和Si粉對(duì)炮泥性能的影響。結(jié)果表明，在使用焦油-樹脂復(fù)合結(jié)合劑的情況下，添加3%(w)的炭黑和5%(w)的Si粉可獲得相對(duì)更好的炮泥性能，更耐渣鐵沖刷，出鐵時(shí)間更長。近年來，學(xué)者們對(duì)功能細(xì)粉的關(guān)注越來越多，用微粉和超微粉提高炮泥的體積穩(wěn)定性和體積密度已成為了熱點(diǎn)研究方向。
2.4 其他方面的研究與進(jìn)步
除了炮泥原料、結(jié)合劑和添加劑等方面的研究之外，仍有許多關(guān)于炮泥研究很有價(jià)值的方向。如炮泥生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，炮泥混煉時(shí)間以及均勻性，炮泥的儲(chǔ)存等技術(shù)的進(jìn)步。同時(shí)，炮泥打泥系統(tǒng)的進(jìn)步也值得關(guān)注。中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司設(shè)計(jì)了高爐泥炮恒溫系統(tǒng)，在打泥前進(jìn)行保溫或加熱的操作，在打泥后保壓時(shí)進(jìn)行降溫，從而改善了炮泥應(yīng)用時(shí)的臨場特性。余堰峰等關(guān)于泥炮液壓系統(tǒng)的改進(jìn)也極具意義，將自動(dòng)化和電氣化與打泥進(jìn)行結(jié)合，從而改善高爐打泥的效率，以達(dá)到保護(hù)鐵口的作用。
04.炮泥未來發(fā)展方向
高爐炮泥是鋼鐵冶金生產(chǎn)中必不可少的消耗型耐火材料，其性能的好壞、環(huán)保性以及成本都直接影響著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展。面對(duì)現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)綠色化、大型化、自動(dòng)化的發(fā)展趨勢，炮泥的研究也應(yīng)該站在新起點(diǎn)，提出新要求，為今后鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展提供合格的、優(yōu)越的高質(zhì)量炮泥。綜合近年來國內(nèi)外關(guān)于炮泥的研究進(jìn)展，展望其未來的發(fā)展方向，可以從以下幾方面入手：
(1)改變炮泥原料的化學(xué)成分或者不同的配比，同時(shí)輔以合適的粒度和盡可能低的含水量;同時(shí)，與生產(chǎn)環(huán)境和實(shí)際情況相結(jié)合，做出調(diào)整和相關(guān)的研發(fā)，制備性能更優(yōu)越的炮泥產(chǎn)品。
(2)面對(duì)國家環(huán)保管控日趨嚴(yán)厲的形勢，研發(fā)環(huán)保型結(jié)合劑。
(3)引入不同的功能細(xì)粉以及研究不同的細(xì)粉配比對(duì)炮泥性能的影響。
(4)改善和研究打泥系統(tǒng)、打泥裝置以及打泥環(huán)境。
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