常正欽 華西科技高級工程師 炮泥專家
摘要：針對炮泥對鐵口的保護和修復功能，本論文研究了結合劑加入量、焦炭、釩鈦粉、氮化硅鐵對炮泥馬夏值以及體積密度、顯氣孔率、常溫抗折強度、常溫耐壓強度、線變化率的影響，并對1350℃×3h處理后的試樣斷面進行SEM分析。結果表明：隨著結合劑加入量的增加，試樣馬夏值逐漸降低；焦炭的加入引起炮泥氣孔率增大和強度降低，有利于提高炮泥的透氣性和易開口性能；釩鈦粉在炮泥中能夠形成高熔點高強度的碳化鈦、碳化釩復合相，對鐵口周圍耐材損壞部位實現有效修補；氮化硅鐵具有增加炮泥氣孔率和促進基質增強的雙重作用。試樣斷面SEM分析表明：試樣經1350℃×3h處理后結合劑已經完全碳化，并與新生成物相相互交錯分布。經多座高爐使用表明，釩鈦功能型炮泥對高爐出鐵口周圍起到了良好的修復和保護效果，增加打泥量，加大泥包，對爐缸也有明顯的修復作用，表現在爐缸溫度會停止升高并降低。
關鍵詞：炮泥，功能型，釩鈦，修復
釩鈦炮泥
炮泥是一種用來封堵高爐出鐵口的耐火可塑料，不但具有堵塞出鐵口的作用，而且具有保護爐壁爐缸的功能，是高爐煉鐵過程中必不可少的輔助材料，炮泥應具有良好的開口性、高溫體積穩(wěn)定性、良好的填充性和附著性。高爐出鐵口長期受到嚴重侵蝕，爐膛端會出現喇叭口或牛角槽，這將導致鐵口淺，鐵流不穩(wěn)定，見風早，出不凈渣鐵，甚至跑大流，嚴重影響正常出鐵，并最終影響到出鐵產量，同時高爐安全性也會受到威脅。特別是使用壽命中后期的高爐，必須對高爐出鐵口進行修復和維護。常用的無水炮泥研究多集中在抗侵蝕性、可塑性、燒結性、體積穩(wěn)定性等方面[1,2,3]，而對炮泥在使用過程中對出鐵口修復和維護方面的研究較少，如何使炮泥在使用條件下沉積在高爐側壁及爐缸區(qū)域和出鐵口上，對擴孔的出鐵口部位實現修復，對于保證高爐正常出鐵，提高高爐壽命有直接意義。
1、試驗
試驗用主要原料包括高鋁礬土（粒度包括3~5mm、1~3mm、0~1mm）、碳化硅（粒度包括0~1mm、200目）、焦炭（粒度包括0~1mm）、粘土（不大于320目）、藍晶石（30~80目）、瀝青（不大于180目）、氮化硅鐵（不大于200目）、氮化硅鋁（不大于320目）、釩鈦粉（不大于325目）、樹脂等，部分原料的主要化學成分如表1所示。
表1主要原料的化學組成(w) ％
炮泥中骨料與粉料的質量比例按照60:40配制，按設計配方稱取各種原料，先將骨料與結合劑攪拌均勻，使結合劑潤濕顆粒表面，然后加入粉料攪拌，使粉料充分包裹顆粒，混合均勻后經50℃×3h處理，直接測定馬夏值；在液壓機上制成40mm×40mm×160mm的試樣，置于匣缽內經1350℃×3h埋炭處理，測量試樣體積密度、顯氣孔率、常溫抗折強度、常溫耐壓強度、線變化率。
2、結果與討論
2.1結合劑含量對炮泥馬夏值影響
本研究中采用的結合劑為樹脂環(huán)保結合劑，殘?zhí)繛?6%，苯并芘含量不高于350ppm，無水炮泥通常采用的焦油結合劑中殘?zhí)繛?0%，苯并芘含量13000ppm，因此采用環(huán)保結合劑更有利于實現環(huán)保和炭結合。環(huán)保結合劑在低溫下起到增加炮泥可塑性的作用，使炮泥容易擠出而填塞到出鐵口，采用馬夏值測定儀來評價炮泥的軟硬程度。圖1為不同結合劑含量對馬夏值的影響。從圖1可以看出，隨著結合劑含量的增加，試樣的馬夏值逐漸降低。結合劑在炮泥中降低了顆粒之間的粘聚力，起到了潤滑作用，使炮泥的可塑性提高[4]。在使用溫度條件下形成碳結合，保證了炮泥從低溫到高溫的強度，有利于提高炮泥的抗渣侵蝕性及抗熔融鐵水沖刷能力[5]。在使用過程中炮泥的馬夏值根據打泥壓力的大小進行調節(jié)。
圖1 結合劑加入量對炮泥馬夏值的影響
2.2焦炭對炮泥性能影響
本研究中采用的焦炭粒度為0~1mm，焦炭的主要作用有三個：一是增強炮泥的顯氣孔率，改善炮泥的透氣性，便于揮發(fā)分的釋放和使用過程中開孔；二是提供碳素，與結合劑揮發(fā)的殘?zhí)拷Y合，形成碳結合相，保證炮泥的最終強度；三是產生還原氣氛，抑制其他原料氧化[6]。采用焦炭替換同樣粒度的碳化硅，不同焦炭對炮泥性能的影響如表2所示。從表2可以看出，隨著焦炭含量的增加，試樣的強度降低，氣孔率提高，體積密度降低，而線變化率基本一致。焦炭是多孔物質，比表面積大，焦炭加入量增大，造成顆粒與顆粒以及顆粒與基質之間的結合作用減弱，因而強度產生降低。焦炭含量增加，造成更多的結合劑填充在焦炭的氣孔中和焦炭顆粒表面，在同樣馬夏值的情況下，造成結合劑加入量增加。
表2 焦炭加入量對炮泥性能的影響
2.3釩鈦粉對炮泥強度影響
本研究中不同釩鈦粉加入量對炮泥強度的影響如圖2和圖3所示。從圖2和圖3可以看出，隨著釩鈦粉加入量的增加，試樣強度逐步提高。釩鈦粉中的成分包括氧化鐵、氧化鈣、氧化鋁、氧化硅等，這些成分在高溫下促進了炮泥的燒結，其中釩鈦成分加入后炮泥在高溫下會發(fā)生如下反應：
V2O5 + C→V + CO
TiO2 + C→ TiC+ CO
TiO2 + Al2O3→Al2TiO5
反應生成物質熔點高，能沉積在出鐵口處，甚至滲入鐵口及鐵口下部耐材之中，保證了鐵口形狀，并能夠提高炮泥的抗鐵水沖刷性。鈦酸鋁具有與鐵液和熔渣不侵潤的特性，能夠提高炮泥的抗渣侵蝕性。因此釩鈦粉的加入可以有效的保持良好的鐵口形狀，對鐵口起到保護和修復作用。
圖2 釩鈦粉加入量對炮泥抗折強度的影響
圖3 釩鈦粉加入量對炮泥耐壓強度的影響
2.4氮化硅鐵對炮泥性能影響
本研究中在其余組分不變的條件下，采用氮化硅鐵替代同樣粒度的碳化硅，不同氮化硅鐵加入量對炮泥性能的影響如表3所示。從表3可以看出，在氮化硅鐵加入量在4%~12%的范圍內，炮泥強度呈現先增加后降低的趨勢，顯氣孔率逐漸增大。一方面在燒結過程中，炮泥中的氮化硅在鐵和碳的參與下分解，生成SiC，SiC的生成強化了炮泥的基質[7]，提高炮泥的高溫強度，增強了炮泥的抗沖刷性。另一方面氮化硅鐵在高溫下反應會放出N2產生彌散性微小氣孔將導致氣孔率升高[8]。氣孔率升高在一定程度上會引起炮泥強度的降低，有利于提高炮泥的可鉆率，當氮化硅鐵強化基質的作用低于氣孔率對強度降低的作用時，炮泥的整體強度會產生下降。氮化硅鋁在一定溫度條件下分解，與游離碳共同作用，形成一定量的β-Sic液相，促進材料燒結，提高材料強度，增強炮泥可磨損性，同時氮化硅鋁本身在還原氣氛條件下呈現惰性，不與渣鐵反應，從而提高炮泥的抗渣鐵侵蝕性，因此氮化硅鋁配合氮化硅鐵的加入使用能更加有效的提高炮泥的綜合使用性能。
表3氮化硅鐵加入量對炮泥性能的影響
2.5試樣顯微結構分析
1350℃×3h埋炭處理后的試樣SEM照片如圖1所示。從圖中可以看出，骨料被基質包圍，基質中有大量氣孔。試樣經過高溫處理后，瀝青與結合劑已經充分碳化，水分和有機物的揮發(fā)造成試樣結構疏松[9]。同時鋁礬土、氮化硅鐵、粘土、釩鈦粉、藍晶石等原料組分之間發(fā)生了一系列的化學反應，生成新的物相交織在一起，使炮泥的強度提高。
圖4 炮泥經1350℃℃×3h埋炭處理后的顯微結構
3、應用
華西釩鈦功能型炮泥已經在多座高爐使用，現場使用打泥順利，開口容易，沒有噴濺現象，在鐵口維護和修復方面一般使用一個月鐵口形狀就能夠穩(wěn)定，爐缸鐵口下方溫度降低，三個月效果明顯，半年為一個修復完成期。形成的牢固鐵口可以避免泥包跨塌，起到了延長出鐵時間的效果，避免了爐壁與爐底交匯處形成象腳對爐缸結構造成的破壞，并且降低了噸鐵炮泥消耗，延長了高爐整體使用壽命。
4、結論
（1）結合劑加入量的增加能夠降低炮泥馬夏值，在使用過程中炮泥的馬夏值根據打泥壓力的大小進行調節(jié)。
（2）焦炭的加入引起炮泥氣孔率增大和強度降低，有利于提高炮泥的可開口性能，而且開口無潮泥不冒煙，并為炮泥使用條件提供還原氣氛。
（3）釩鈦粉中的釩鈦成分有助于提高炮泥抗沖刷性和抗侵蝕性，氧化鐵、氧化硅等成分能夠促進燒結，提高炮泥強度。
（4）氮化硅鐵分解產生N2增加了炮泥氣孔率，氮化硅鋁與氮化硅鐵生成的氮化硅結合碳化硅增強了炮泥的抗侵蝕性能。
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