高炉用耐材长寿化的研发与实践探讨

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发布时间：2020-09-17 14:47
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本文由我司技术总监孙志红等撰写并已在中国冶金报上发表。

作者：孙志红黄忠涛李长宁石宏鹏

随着炼铁工艺的进步，高炉向大型化发展，高炉出铁沟是高炉渣铁分离通道的关键部位，出铁沟系列浇注料对高炉炼铁的安全顺利运行起着非常重要的作用，出铁沟浇注料要求具有良好的耐侵蚀冲刷性能和优越的抗剥落性能。现有技术大中型高炉出铁沟工作衬一般采用Al2O3-SiC-C 质低水泥浇注料，使用寿命一次通铁量一般为 15 万吨~20 万吨左右。出铁沟工作衬材料面临以下问题，一是不但要经受高温渣铁的侵蚀，还会受到渣铁流的热冲击，损耗较快、维修周期长，影响高炉正常安全生产；二是要满足 25 万吨以上的大中型高炉出铁沟一次通铁量。这种情况下，急需开发系列高温烧结性能、抗侵蚀性能、抗氧化性能、耐高温渣铁冲刷性能优良的出铁沟材料。

EBET易博公司与武科大联合攻关，通过优化材料及结合剂复配工艺流程、精细化各环节制作管理等，提升综合大数据化分析水平；与现有技术相比，具有以下优点：配方组合优化合理，材料成本降低，制备方法流程化，可实现降低铁沟料项目综合运行成本，节约优质耐火原料资源，提升高炉出铁沟耐材一次通铁量至25 万吨以上，有效延长了出铁场的使用寿命，对高炉炼铁高产稳产及现场安全等具有显著的经济效益和重要意义。大中型高炉出铁场用铁沟料典型指标值如表 2 所示。

出铁沟工作衬层的不定形耐火材料，其使用寿命的高低直接决定出铁场的周期使用寿命，从而决定高炉的运行效率的高低，因此高炉出铁沟系列耐材是影响高炉连续稳定生产的关键因素之一。高炉出铁渣主要成份如表 1 所示，影响高炉铁沟料使用寿命的因素如图 2 所示。

高炉铁沟料系列产品及应用实践分析

在高炉的出铁场中，一般分为主沟、铁沟和渣沟。主沟是最重要的，铁水流速快、温度高，并且承受

渣铁的共同作用。而渣沟和铁沟分别让渣和铁液通过，其流速较低，流量较小，温度也较低。因此，对沟衬耐火材料侵蚀也就较慢。大型高炉出铁场主沟分为渣区和铁区。实际上在出铁稳定阶段，渣区和铁区是固定的。但是在出铁中后期，渣铁混出，随着渣铁比例的不同，导致了渣铁界面变化。特别是落铁点周围，渣铁共同作用于该区域，不但受到渣铁的共同作用，还承受很大的冲击力和快流速所导致的扩散侵蚀加快。因此，落铁点成为最重要的区域。即在主沟应该分为：渣区、铁区、渣铁线、渣空气交界区和落铁点区。不同区域所处环境不一样，承受不同介质的侵蚀，导致损耗速度也不一样。现在先详细介绍不同区域的侵蚀情况：渣区或渣线主要受到高炉渣的侵蚀。应该选用更抗渣侵蚀的材料。该区域应该选用高碳化硅、较高石墨含量的刚玉-碳化硅-碳质致密浇注料。

铁线区主要受到铁水的侵蚀和冲刷，应该选用更抗铁水侵蚀和冲刷的材料，即应该选用高氧化铝含量和低碳化硅的刚玉碳化硅碳质致密浇注料。落铁点情况复杂，它除了受到铁水和渣的侵蚀外，还受到强烈的冲刷作用，并且这些侵蚀介质是交替进行的。因此，应该采用既抗渣侵蚀又抗铁水侵蚀，同时又抗冲刷的耐火材料。与铁液侵蚀比较起来，渣侵蚀更重要，处于支配地位。因此，建议采用适当高碳化硅含量的高致密度和高强的 ASC 浇注料。

在铁液和渣界面上，也存在复杂情况。它们受到铁液和渣的物理化学作用，有电解质的电池作用而导致的侵蚀介质的运动，也有因出铁不同时间而导致流量和渣铁比例的变化（铁→铁渣→渣），导致了界面的变化，即受到渣铁的共同作用。因此，该区域采用的耐火材料既不同于渣线，也不同于铁线，而应采用兼顾铁和渣侵蚀的耐火材料。

渣区与空气的交界线处受到了强烈的空气氧化，能把 SiC 氧化成 SiO2而再被渣侵蚀。因此，该交界线处用的耐火材料除了抗渣侵蚀外，还应该更抗氧化，这是防止该处成沟槽的重要方法。

综合不同区域所处的侵蚀介质环境不同，应该选用不同材质的耐火材料。大中型高炉出铁主沟耐材侵蚀情况分析示意图如图 1 所示。

提高出铁沟耐火材料的几点建议

根据热力学原理，抗铁水熔蚀好坏的次序为：CaO、Al2O2、SiO2、C、Si2N4、SiC。为了提高铁线耐火材料的抗侵蚀性和使用寿命，应该降低 SiC 和 SiO2含量，提高致密度和耐磨性为好。综合铁线和渣线料的配料，选用非氧化物和致密刚玉的合适配比的高强耐磨材料更适合于落铁点。含有硅灰的浇注料，就不能用SM 减水剂，SM 只适用于不含硅灰的浇注料；聚丙烯酸钠只适合于含硅灰或低水泥的浇注料，水泥稍高就不合适。

加强铁沟现场修补维护工作。在正常使用过程中，侵蚀最快的是主沟的落铁点，其次是渣区。应该对该处薄弱环节进行热态修补或冷补，而不是扒掉。这样就可以均衡沟衬，大大提高使用寿命和降低耐火材料消耗。

国内维护基本上采用了套浇造衬修补。这种方式是一种好方式，但是带来下列问题：对于小高炉只有一条沟，给出的时间受到很大限制。这样快速浇注施工和投入使用，显著影响了施工质量和耐用性；套浇往往剥皮导致了浪费较多，影响了成本，同时冷却下来也降低了铁液温度，对节能也是不利的。热态修补既不影响使用，又有利于节能和提高铁液温度，是更好的选择方法。热态喷补有湿式喷射修补和半干法喷补两种方法。无论哪一种方法，国内做得较少，现在有几家采用半干法喷补这种方法，取得了很好的效果，一般喷补一次渣线，可以延长通铁量 2 万吨~3 万吨作用。这样可以不停地维护下去，保证使用寿命达到延长。在热态喷补方法中，湿式喷补更好。其主要表现在产品加水量很低，产品的耐侵蚀性更好，单耗更低，有利于降低成本，喷补施工过程中没有粉尘，对环境产生少的影响。

铁沟料的回收再生循环利用

大中型高炉下来的主沟料，经过拣选、破粉碎加工、颗粒整形、除铁和干燥等工艺后，以此为原料，制备铝碳化硅碳砖和浇注料。用再生料完全可以再生出较好的出铁沟捣打料和浇注料，并且可以制造出性能较好的铝碳化硅碳砖，这些产品有的得到了很好的应用。由此可知，用后铁沟料完全可以再生出优质的捣打料、浇注料和 ASC 砖，并能取得良好的结果。这对降低成本和资源再生是非常有意义的。

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