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高爐用耐材長壽化的研發(fā)與實踐探討

發(fā)布時間：

2020-09-17

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

作者：孫志紅  黃忠濤  李長寧  石宏鵬

隨著煉鐵工藝的進步，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高爐煉鐵的安全順利運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?，F(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 萬噸~20 萬噸左右。出鐵溝工作襯材料面臨以下問題，一是不但要經(jīng)受高溫渣鐵的侵蝕，還會受到渣鐵流的熱沖擊，損耗較快、維修周期長，影響高爐正常安全生產(chǎn)；二是要滿足 25 萬噸以上的大中型高爐出鐵溝一次通鐵量。這種情況下，急需開發(fā)系列高溫燒結(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)，通過優(yōu)化材料及結(jié)合劑復(fù)配工藝流程、精細化各環(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：配方組合優(yōu)化合理，材料成本降低，制備方法流程化，可實現(xiàn)降低鐵溝料項目綜合運行成本，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 萬噸以上，有效延長了出鐵場的使用壽命，對高爐煉鐵高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及現(xiàn)場安全等具有顯著的經(jīng)濟效益和重要意義。大中型高爐出鐵場用鐵溝料典型指標值如表 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的周期使用壽命，從而決定高爐的運行效率的高低，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)用實踐分析
在高爐的出鐵場中，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，其流速較低，流量較小，溫度也較低。因此，對溝襯耐火材料侵蝕也就較慢。大型高爐出鐵場主溝分為渣區(qū)和鐵區(qū)。實際上在出鐵穩(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)致的擴散侵蝕加快。因此，落鐵點成為最重要的區(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。現(xiàn)在先詳細介紹不同區(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。落鐵點情況復(fù)雜，它除了受到鐵水和渣的侵蝕外，還受到強烈的沖刷作用，并且這些侵蝕介質(zhì)是交替進行的。因此，應(yīng)該采用既抗渣侵蝕又抗鐵水侵蝕，同時又抗沖刷的耐火材料。與鐵液侵蝕比較起來，渣侵蝕更重要，處于支配地位。因此，建議采用適當高碳化硅含量的高致密度和高強的 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)的運動，也有因出鐵不同時間而導(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建議
根據(jù)熱力學(xué)原理，抗鐵水熔蝕好壞的次序為：CaO、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耐磨材料更適合于落鐵點。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。
加強鐵溝現(xiàn)場修補維護工作。在正常使用過程中，侵蝕最快的是主溝的落鐵點，其次是渣區(qū)。應(yīng)該對該處薄弱環(huán)節(jié)進行熱態(tài)修補或冷補，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。
國內(nèi)維護基本上采用了套澆造襯修補。這種方式是一種好方式，但是帶來下列問題：對于小高爐只有一條溝，給出的時間受到很大限制。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)致了浪費較多，影響了成本，同時冷卻下來也降低了鐵液溫度，對節(jié)能也是不利的。熱態(tài)修補既不影響使用，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)噴補有濕式噴射修補和半干法噴補兩種方法。無論哪一種方法，國內(nèi)做得較少，現(xiàn)在有幾家采用半干法噴補這種方法，取得了很好的效果，一般噴補一次渣線，可以延長通鐵量 2 萬噸~3 萬噸作用。這樣可以不停地維護下去，保證使用壽命達到延長。在熱態(tài)噴補方法中，濕式噴補更好。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，噴補施工過程中沒有粉塵，對環(huán)境產(chǎn)生少的影響。
鐵溝料的回收再生循環(huán)利用
大中型高爐下來的主溝料，經(jīng)過揀選、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。這對降低成本和資源再生是非常有意義的。