炼铁用耐火材料的发展趋势

保障高炉长寿、高效的运行，改善出铁场作业环境并降低工人劳动强度一直是炼铁人努力的方向。特别是对于提倡低碳经济的今天，其意义更加巨大。作为担任着为炼铁保驾护航任务的耐火材料而言，炼铁行业的需求就是耐火材料行业技术研究的课题和目标。炼铁技术在发展提高，炼铁用耐火材料新的技术也在不断涌现。河南耐火材料厂将介绍其中三个：1.SIFCA新型高炉冷却壁技术；2.高炉内衬遥控湿法喷涂造衬技术；3.防爆ASC铁沟浇注料实现单铁口高炉出铁沟储铁式改造技术。
1高炉新型冷却壁技术
1.1概述
高炉冷却壁是高炉内衬的重要水冷件，主要对炉壳起保护作用，能有效地防止炉壳受热后产生变形、开裂等。高炉冷却壁不但承受高温，还承受炉料的磨损、熔渣的侵蚀和炉内气流的冲刷，因而必须具备良好的热强度、耐热冲击、抗急冷急热性等综合性能。在诸多影响高炉寿命的因素中，高炉炉衬及冷却壁的破损是高炉被迫进行大修的主要原因。因此，能否实现冷却设备的长寿，已成为能否实现高炉炉体长寿的关键条件之一。
目前国内外广泛使用的高炉冷却壁主要有金属冷却壁以及非金属冷却壁，它们都有各自的优缺点。北京联合荣大工程材料有限责任公司在上述两种类型的高炉冷却壁的基础上，自主研发了一种SIFCA新型高炉冷却壁用预制件，它集合了金属和非金属各自的优点。
1.2 SIFCA冷却壁用预制件
为了克服金属和非金属冷却壁的不足，发挥他们各自的优势，该公司通过采用先进的SIFCA工艺研发了一种SIFCA新型高炉冷却壁预制件。SIFCA工艺技术的特点是高钢纤维引入以改善非金属材料的特性缺陷，得到一种能平衡金属和非金属特性的新型复合材料。此项技术在国外已被完全接受，并已广泛应用。SIFCA新型高炉冷却壁预制件正式借鉴该工艺技术，将大量的钢纤维添加入耐火材料中，使耐火材料的非金属脆性及低导热性得以大幅度改善。
该SIFCA新型高炉冷却壁预制件材料具有如下特点：①与金属相比其使用温度大幅提高，可达到1200℃；②由于加入大量的钢纤维，它克服了普通耐火材料韧性差的弱点；③抗折强度很高，可达50MPa以上，这是普通耐火材料所不能比拟的；④高的抗压强度，一般可达到基材的1.5~2倍，且其受压破坏形式与普通耐火材料不同。普通耐火材料破坏后会失去整体稳定，成为独立的几部分，而该预制件破坏后仍然保持一个整体，见图1；⑤高导热系数，介于金属和耐火材料之间，是非金属耐火材料所无法达到的。
正是这些特点使SIFCA新型高炉冷却壁预制件平衡了传统的金属冷却壁及近年来的非金属冷却壁的缺陷，而具备高炉冷却壁所希望具有的各项特性：①更高温度下的使用稳定性（该冷却壁可达1200℃）；②高导热；③高温下的耐磨损、耐冲击。
1.3 结论
采用SIFCA工艺，制作高炉冷却壁用预制件，发挥了金属冷却壁和非金属冷却壁各自的优势，具有现场安装方便、性能优异，可大幅提高高炉冷却壁使用寿命的特点，因而其使用前景广阔，值得大面积推广使用。
2高炉内衬遥控湿法喷涂造衬技术
2.1 概述
高炉是长期处于连续高温生产的冶炼设备。在长期运行中，高炉内衬受到侵蚀、剥落出现局部或大面积损坏，影响高炉正常运行。为了使高炉达到长寿、高效的目的，延长高炉寿命一直是冶炼工程技术人员关心的课题。高炉长寿是炼铁技术发展水平标志之一，目前国内已开始普遍采用高炉遥控热态喷补造衬，就是在不停炉的前提下利用休风时间对内衬进行喷补。与原来传统的停炉维修相比，其具有施工方便、耗时少、投产快的特点。但该技术采用的干法喷涂方式，无法避免：回弹率高、喷涂层结构均匀性差、喷涂时粉尘严重等缺点。
为此，我公司将目前最先进的浇注料喷射施工技术与遥控热态喷补技术相结合，试验开发了浇注料遥控热态喷射造衬技术。该技术系采用湿式喷机与遥控喷涂机械手相配合，从而实现浇注料遥控热态喷射施工造衬的目的。
2.2 喷射浇注料造衬技术优势
喷射浇注料造衬技术是将搅拌好的砂浆状浇注料以喷涂方式进行施工的技术，因此通常也称为湿法喷涂。此技术有别于干法或半干法喷涂的最显著特征是进入喷涂机的料为搅拌均匀的砂浆状浇注料。
干法和半干法两种喷涂方法均存在：大量水在喷枪口处加入，干或简单润湿的料瞬间高速通过喷枪口，料与水不能均匀混合。由此带来了一系列其自身无法克服的弊端。
而对于喷射浇注料造衬技术（即湿法喷涂技术），所进入喷涂机的料为按照设计加水量预搅拌均匀的砂浆状浇注料。此浇注料在喷枪口处与雾化的速凝剂混合喷出，在待喷面上浇注料瞬时失去流动性而紧密贴附。其不存在水与料在枪口瞬间混合的问题，因此其完全避免了干法和半干法喷涂技术的弊端：
可见，喷射浇注料造衬技术兼具喷涂施工的便捷和支模浇注的性能效果。其若再与遥控喷涂技术相结合，就可以实现高炉遥控热态喷射浇注料造衬技术。而这项技术也将会在高炉造衬维修上显示出无可比拟的综合优势。
2.3高炉内衬遥控湿法喷涂造衬技术的实现
正是由于湿法喷涂技术的综合优势，北京联合荣大工程材料有限责任公司决定对高炉内衬遥控湿法喷涂造衬技术进行研发。在团队共同努力下，通过试验室调整，车间试喷；再试验室调整，再车间试喷如此不断反复，最终研发出了与湿式喷涂机相匹配系列喷射浇注料。湿式喷涂机与喷射浇注料的成功开发使得喷射浇注施工得以实现，但要实现高炉热态遥控喷涂还要解决喷射浇注技术与遥控机械手及相关管线的衔接磨合问题。这就必须进行系统性大型模拟喷涂试验。通过在模拟试喷中的不断摸索、调整及改进，完成了湿式喷涂机、遥控机械手及管线衔接控制等的完美匹配磨合工作；最终使高炉内衬遥控湿法喷涂造衬技术在我公司得以实现。
 单言之，高炉内衬遥控湿法喷涂造衬技术其实就是解决一个湿式喷涂机与遥控机械手及管线设备衔接磨合问题。因此其在实际的施工工艺中与原干法遥控热态喷涂基本相同，所以在本文不作介绍。
2.4 结论
喷射浇注料造衬技术已逐渐成熟，其将成为耐材施工技术的发展趋势而最终取代干法或半干法喷涂工艺。喷射浇注料造衬技术与遥控热态喷涂技术的成功结合，将会在高炉造衬维修上显示出无可比拟的综合优势。高炉长寿、高效的运行也将随之进入一个更高水平。
3中型高炉铁沟储铁式技术
3.1 概述
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。但容积为1000m3以下的中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，目前单出铁口的中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。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沟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。为此，该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，满足中型单铁口高炉铁沟的快速施工使用要求。
3.2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，不仅因为其使用了高档次的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。
而传统的单铁口高炉主铁沟为非储铁式旱沟，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，中型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中型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2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1m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。
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。在两次大修间隔内，除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。
3.3 意义
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10万～20万t，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。
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