防爆ASC铁沟浇注料的研制与单铁口高炉出铁沟储铁式改造实践

　　章荣会1 赵勇2 刘守宽3 张圣辉3 刘晓峰3 朱磊4

　　(1北京联合荣大工程材料有限责任公司，2南京联合荣大工程材料有限责任公司，3北京联合荣大工程材料技术研究院，4沙钢集团淮安钢铁公司炼铁厂)

　　摘　要　本文提出用改进了防爆性能的耐火浇注料整体浇注单铁口高炉出铁沟，并同时将出铁主沟改造为储铁式结构。450m3高炉铁沟实践表明，改造后的铁沟未经修补连续使用69天，出铁12万吨。第一次修补历时12小时，烘烤时间1小时左右。结果显示该技术可以大幅度延长单铁口高炉铁沟寿命，并彻底改变单铁口高炉出铁厂的工作环境。该技术已经成功应用于超过50条捣打铁沟的改造。

　　关键词 ?高炉 铁沟 单铁口 耐火材料 防爆 长寿

　　1　前言
　　现代大型高炉出铁沟一般都是采用低水泥结合Al2O3 –SiC –C 质浇注料。该材料使用安全，寿命长，消耗少，施工维修方便，是高炉稳产、顺产的重要保证。由于消耗少，维修少，使用稳定，因此，现代大高炉炉前出铁场环境整洁，绝没有小高炉炉前出铁场的乌烟瘴气和混乱不堪。
　　一般大高炉都有2个以上的出铁沟，因此当其中一条铁沟必须重新造衬或必须修补时，只要堵住该条铁沟的出铁口后，就可以对该条铁沟进行浇注、养护硬化、烘烤干燥等。与此同时，其他出铁口出铁正常，不影响高炉的正常生产。
但容积为1000m3以下的中小型高炉一般设计为单个出铁口，因此不可能保证一般浇注料施工所需要的养护、烘烤时间。所以，目前的单出铁口的中、小型高炉铁沟一般还是采用沥青或树脂结合Al2O3 –SiC –C 质免烘烤捣打料捣打铁沟内衬。
　　由于采用树脂或焦油结合，捣打料捣打施工后不必烘烤或略加短时间烘烤即可立即直接过铁水，可以满足中、小高炉的使用工艺要求。但因为捣打的沟衬耐火材料一般只是沟底表面一层相对密实，而表层以下及沟帮部位都很疏松，不耐冲刷，因此捣打料存在使用寿命太短的问题，一般只有1～7天，最短的甚至1班一修。同时，由于捣打铁沟都是旱沟结构，每出一炉铁都必须清理沟内固化下来的大量残铁残渣，同时必须在清理之后铺撒黄沙或焦粉。
　　因此，捣打料捣制的单铁口高炉炉前铁钩维护工人劳动强度太大，且高热的环境又造成很多不安全因素，还有沥青与树脂的烟尘有毒有害问题！
　　因此如何有效地解决单铁口高炉出铁沟寿命的问题备受关注。
　　北京联合荣大工程材料有限责任公司为此曾开发能够快硬快烘的树脂结合Al2O3 –SiC –C质浇注料（专利：铁沟免烘烤浇注料及单铁口高炉出铁沟浇注料造衬工艺，专利号2006100869258），替代捣打料来解决单铁口高炉出铁沟使用寿命短的问题，并在一些高炉进行了应用。该技术虽然解决了施工体的密实性问题，但这种浇注料由于主要是树脂结合，树脂用量相对较大，树脂自身的烧后松散造成烧后浇注体结构疏松，铁沟的抗侵蚀抗冲刷能力似乎还有欠缺，使用寿命远不如大高炉所用的低水泥结合Al2O3-SiC-C质浇注料。而且树脂结合浇注料在烘烤时因树脂烟尘造成炉前环境恶劣的问题依然存在。
　　在总结经验与大量实验的基础上，北京联合荣大工程材料有限责任公司通过对大型高炉用低水泥结合Al2O3 –SiC –C 质铁沟浇注料进行改性，使其能够在热态下施工并能快速升温而不爆裂，满足中、小型单铁口高炉铁沟的快速施工使用要求。
在工程实践中，我们还借鉴大高炉主铁沟普遍采用的储铁式结构，将中、小型单铁口高炉出铁主沟也改造成储铁式或半储铁式结构，从而改善耐火材料的烧结环境以及急冷急热环境。这种结构也取消了小高炉炉前每次出铁前在主沟内铺撒黄沙或焦粉的惯例，从而彻底改变了炉前作业平台的工作环境。
　　2　低水泥结合Al2O3–SiC–C 质浇注料的改性研究
　　大高炉用低水泥结合Al2O3–SiC–C 质浇注料配料中有超微粉和分散剂，因此流动性好、耐火度高，浇注体致密性好、强度高，因此铁沟抗侵蚀、抗冲刷、使用寿命长（通铁量高）。但该材料的最大问题是浇注后需要养护且不能过快速度烘烤，否则会出现强度过低和爆炸爆裂事故。因此有效解决大高炉铁沟浇注料的快干脱模和快速烘烤、防止爆炸爆裂问题，是该材料能否用于单铁口高炉的关键，也是本研究的主攻方向。 

浇注料烘烤开裂和爆裂主要原因就是因为迅速形成的水蒸气不能及时排出浇注体外，浇注体内水蒸气压太高。浇注体烘烤时，浇注料内的水会因受热迅速气化。水的蒸汽压与温度的关系如图1所示。从水的蒸气压和温度的关系中不难看出，水在100℃以上时，蒸气压力迅猛上升。

　　本试验的基本思路是：是以大型高炉用Al2O3–SiC–C 质铁沟浇注料为基础，加入各种防爆改性材料，使其具有快硬防爆的性能。防爆试验方法是将浇注料浇注为100×100×60mm的方块，浇注后1～2h即脱模并立即将放入预先升温并恒温的电炉中，在高温炉内保温30min后，观测其爆裂的程度。进一步放大样试验是将浇注料浇注为100Kg以上的预制块，同样是浇注后1～2h即脱模并立即放在1000℃左右的炭火上进行烘烤，检验其爆裂情况。
　　2.1 添加助结合剂调整硬化时间
　　浇注料的快硬对于施工后快速脱模至关重要，本案通过加入促硬的助结合剂，保证浇注料既具有足够的施工时间，同时还必须在浇注成型后很快硬化，以便及时脱模进行烘烤。
　　研究还发现，浇注料的硬化时间还与浇注体的鼓胀与爆裂有很大关系。浇注料过快硬化和过慢硬化，都会出现浇注体鼓胀与爆裂的问题。因此，通过加入适量的助结合剂，能有效控制浇注料的硬化时间，并进而防止发气带来的鼓胀和裂纹。加有发气剂和助结合剂的浇注料大约1h即能固化脱模，固化后的样块直接放到450℃炉内也不会发生爆裂。
　　2.2 加入发气剂改进放爆性能
　　金属Al粉能够与水反应产生H2气，因此浇注料中加入少量Al粉可以在浇注后产生大量气体通道，有利于烘烤过程中水蒸气的扩散。同时Al粉与水反应的过程还会产生大量的热量，能够有效促进浇注料的硬化。但金属Al粉加量过多时，因发气量太多，浇注体易发生鼓胀开裂，导致结构强度降低。
　　发气量跟金属Al粉的细度和数量有关，Al粉的粒度越细数量越多，则与水反应发气越剧烈，产气量越多越集中，越易产生鼓胀开裂，影响体积密度，降低强度。所以，必须严格控制金属Al粉的细度与加入量。
除Al粉的之外，本案还在浇注料中添了有机发气剂。有机发气剂的发气机理是发气剂与水泥和水发生分解反应，生成某种钙盐，钙盐分解产生N2、CO2、NH3气。由于有机发气剂不像Al粉那样反应剧烈，因此浇注料不易出现鼓胀和细粉上浮的问题。而且有机发气剂不会因施工养护环境温度的差别而产生发气速度与发气量的很大变化，因此施工更易掌握。 2.3 添加有机纤维提高抗爆裂性
   　添加防爆纤维是浇注料最有效防爆措施之一。纤维防爆的原理是浇注料受热后纤维迅速收缩或分解，并同时在浇注料中形成气孔通道，从而让浇注料因受热而产生的水蒸气迅速扩散挥发出去。浇注料内的水蒸气及时扩散出去而不在浇注体内集聚形成较大压力，则浇注体不会发生爆裂。
   　但纤维品种众多，合理的选择品种、直径、长度与用量对浇注料的放爆效果至关重要。
   　本研究通过合理选择，在浇注料中加入适当品种与数量的纤维后，硬化后的试样直接放进500℃的高温炉内保温后，试样表面完好，不会发生爆裂。
   　2.4 添加碱式乳剂防爆剂
   　碱式乳剂防爆剂是近几年才见报导的一种新型防爆剂，其组成为氢氧化物的离子聚合而成的多核络合物，能有效溶解于水溶液。有文献介绍其防爆机理为：浇注料在受热干燥时，碱式乳剂的脱水胶化在基质中形成网片状微裂纹通道，从而增大了浇注料的透气率。另据称碱式乳剂能抑制或延缓了CAH10 的生成，也可提高浇注料的防爆裂温度。
   　为进一步提高浇注料的放爆效果，本案对碱式乳剂防爆剂进行了应用研究，通过用量匹配研究，将浇注料抗爆裂温度从原来的安全防爆温度500℃提高到800℃，使快干防爆浇注料有了更安全的使用性能。
   　通过上述一系列改性研究，本公司获得了系列低水泥结合Al2O3-SiC-C质快干防爆浇注料性能如表1所示：

　　2.5 防爆试验结果
　　将防爆低水泥结合Al2O3 –SiC –C 质铁沟浇注料浇注成40×40×160mm的试块，大约1～2小时后即脱模（已硬化），将湿试块直接放入已经保温在800℃的马弗炉中，30min后打开炉门观察，试块没有任何裂纹，并已经烧红。而用于大高炉的普通低水泥结合Al2O3 –SiC –C 质铁沟浇注料试块则在放入马弗炉以后，一般在2～3min之内即已经粉碎性爆炸！
进一步放大实验：用100kg防爆低水泥结合Al2O3 –SiC –C 质铁沟浇注料浇注一块较大试块，浇注后大约2小时脱模，然后直接将湿块放入温度大约1000℃的焦炭鼓风炉中，大约30min后取出，发现试块已经被烧红，但没有任何爆裂现象，表面已有部分釉化现象（SiC氧化）。
　　防爆实验结果显示出改性后的低水泥结合Al2O3 –SiC –C 质铁沟浇注料极其优秀的抗爆裂性能！
　　3　主出铁沟储铁式改造
　　大高炉铁沟之所以通铁量高，使用寿命长，不仅因为是使用了高档次的Al2O3 –SiC –C 质浇注料，而且还因为应用了储铁式结构。即大高炉的出铁沟主沟在出铁期间和出铁间隔时间内铁沟内总是储存大量的铁水，因此铁沟内的耐火材料所处温度环境相对恒定。
　　另外，由于储铁式铁沟内总是残存大量铁水，因此，当高炉出铁时，从出铁口冲出并以抛物线形式快速落下的铁水所形成冲击沟底的巨大冲击力，被储存在沟底的铁水缓冲，有效地保护了主沟冲击区的耐火材料。
　　而传统的单铁口高炉主铁沟为非储铁式旱沟（如图2所示），撇渣器出铁口沟底标高几乎接近于撇渣器前端进铁口处主沟沟底的标高。因此，每次出完铁以后主沟沟底不会留存残余铁水，并完全暴露在空气中。更有甚者，为了使铁沟温度迅速降低以便清渣和铺沙，很多工人操作时还要向刚出完铁的沟内浇水。因此，小高炉铁沟耐火材料会反复出现因温度骤降和水冷而发生收缩开裂等急冷急热的损坏问题。

　　由于沟底不存铁水，因此出铁冲击区的铁水流对沟底冲击损害严重，而这种落铁点冲击正是小高炉主铁沟损坏的最重要原因之一。
　　但是，到目前为止，还没单铁口储铁式铁沟的工艺方案与实践，主要是因为没有合适的快干防爆铁沟浇注料来进行配套，无法实现后续的快速修补与维护，而这种铁沟的修补又是必须的和持续的。
　　由于有了上述新研制的快硬防爆铁沟浇注料，因此将单铁口高炉出铁主沟改造为储铁式铁沟结构就有了物质条件。储铁式出铁主沟的改造或设计原理如下（如图3所示）：

　　首先抬高撇渣器出口端沟底的标高点c使其远高于撇渣器进铁口处主沟底的标高点b。主铁沟从出铁口向撇渣器方向约1米处开始，沟底标高迅速下沉，改变原来坡度均匀下降的设计，使得沟底坡度减小，以便在高炉每次出完铁水后主沟内能够存留足够的铁水。这种储铁式铁沟将大大改善耐火材料的急冷急热环境，耐火材料得到更好烧结，更利于耐火材料的长寿。
　　同时，按照本方案改造或设计的主铁沟，每次新出铁水从出铁沟喷出并抛物线落下时，铁水不是直接落在沟底耐火材料上，而是落在了残存的铁水表面（含渣液），这将给沟底耐火材料以极好的缓冲，对延长落铁点耐火材料寿命有极大好处。
　　4　撇渣器的结构改造
　　传统的撇渣器都是使用捣打料，大部分采用正副两组，以便出现问题时快速更换。也有采用一组的，是碳质捣打料加水管冷却。前者使用寿命为1～3个月（大部分是1个月），后者使用寿命则是半年左右。需要说明的是，碳质捣打料加水冷的撇渣器，虽然使用寿命较长，但耗水量大、能耗高，而且如果一旦出现漏水问题，则会出现重大事故。
　　实际上，撇渣器最易损坏的部分是中间的过梁。本方案在改造主沟的同时将撇渣器改为可更换式过梁，即撇渣器过梁是预制块并事先仔细烘烤过。由于过梁可快速更换以及沟底浇注料的长寿命，因此，新型撇渣器无需再备“副撇渣器”，这不仅可节省了成本，还为出铁场节省了可贵的炉前作业空间。
　　为了尽可能使撇渣器与铁沟修补工作同步，撇渣器过梁材料的设计与选择至关重要，撇渣器横梁材料的理化指标见表1。
　　5　使用实践与效果
　　2008年９月，利用沙钢集团淮钢特钢公司450ｍ３高炉大修之际，北京联合荣大工程材料有限责任公司对其铁沟进行了整体改造：炉前全部铁沟（包括主沟与支沟）全部采用低水泥结合Al2O3-SiC-C质快干防爆浇注料进行整体浇注，主出铁沟改造为储铁式，采用单一撇渣器，并将撇渣器改为可更换预制过梁式（同时废止原水冷横梁系统）。
　　主沟施工结束2h，就已经硬化，并立即脱模。脱模2h后即开始烘烤，4h后大火升至800℃，其后继续快速大火烘烤约2小时即开始出铁。出铁时没有出现任何沟料开裂与爆炸问题。
　　主沟安全使用69天后（出铁约12万吨），利用高炉休风间隔，对出铁主沟与部分支沟进行了首次维修。首次维修历时总共12h。其中，清理主沟内表面残渣与侵蚀面用时约6h，模具安装与浇注历时4h，脱模与烘烤约2h，支沟弯曲段烘烤时间只有不到1h后即开始过铁水。
　　首次修补时发现，主沟与支沟的耐火材料侵蚀平均厚度大约100mm，落铁点位置侵蚀厚度也不超过150mm，撇渣器预制横梁的侵蚀与磨损也很少。
　　其后的历次大修间隔也基本为2～3个月左右，每次大修耗时6～12小时不等。
　　使用实践显示：
　　由于主沟内铁水蓄热量较大，炉渣在主沟内完全呈熔融状态，并及时从出渣口流出。现场工人无需每次出铁后大量清理铁沟内的残渣残铁，当然也不需要每次出铁后对主沟耐材的维修捣打，也无需每次出铁后向主沟内铺撒黄沙或焦粉。炉前操作工艺改变为主沟前半段侧帮上表面局部铺撒黄沙，待喷溅到侧帮上表面的铁渣堆积影响到泥炮设备运行时再行集中清理。
　　在两次大修间隔的2个多月内，除支沟三角区等局部偶尔需要临时修补，主沟基本不需要作任何修补，工人劳动强度大幅度降低！
　　现场再也没有了捣打料中沥青和树脂造成的呛人的黄烟。炉前出铁场可以做到整洁有序，有条不紊。工人完全摆脱了每天在高温下、烟雾中忙碌修补铁沟的劳动，使炼铁工艺中最脏、最累、最繁重、最不安全的地方，变成了相对轻松、安全的环境。
　　6　结论
　　实践证明：采用快干防爆铁沟浇注料对单铁口高炉出铁沟进行储铁式改造（专利号200820180405.8），可大幅度延长单铁口高炉出铁沟使用寿命，主铁沟不修补一次通铁量可达到10～20万吨，炉前工人劳动强度可望降低90％以上，同时，该技术彻底改善了单铁口高炉炉前出铁场的作业环境，使得单铁口高炉炉前出铁厂场环境完全可以同与大高炉的出铁场环境相媲美。
　　7　附注
　　已经实施储铁式改造并正常使用的相关数据见表2。

　　目前正待改造的铁沟包括天津荣城的一座850高炉2条铁沟、芜湖新兴铸管的3座高炉铁沟、新疆八一钢厂的6座450高炉铁沟。