单铁口高炉出铁沟长寿化技术改造与实践

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，是高炉的稳产、顺产重要保证。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。因此，铁沟修补频繁，炉前工人劳动强度太大，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。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，否则会出现强度低和爆炸爆裂。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。本试验的基本思路是：是以大型高炉用Al2O3–SiC–C质铁沟浇注料为基质，加入各种防爆改性材料，使其具有快硬快烘的性能。防爆试验方法是将浇注料浇注为100ｍｍ×100ｍｍ×60ｍｍ的方块，浇注后1.5～2h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50Kg以上的预制块，同样是浇注后1.5～2h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。1.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.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，保证浇注料即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。3.添加有机纤维提高抗爆裂性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。浇注体烘烤时，浇注料内的水会因受热迅速气化。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。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。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：表1快干防爆浇注料理化指标指标主沟支沟撇渣器横梁体积密度g/cm3110℃×24h1000℃×3h1450℃×3h2.862.802.772.362.322.342.52--耐压(抗折)强度MPa110℃×24h1000℃×3h1450℃×3h19.05(3.1)23.1(3.2)25.5(2.85)18.6(2.85)18.3(2.6)22.6(3.1)21.9(5.5)33.7(5.1)38.8(10.1)线变化率%110℃×24h1000℃×3h1450℃×3h0-0.09+0.15-0.06-0.11-0.14--0.1+0.1加水量%5.26.55.8流动值mm流动好流动好抗爆裂温度℃800℃800℃注∶热处理气氛为非氧化气氛（埋碳）三、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沟底坡度较大，而且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，还没单铁口半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快烘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快烘铁沟浇注料，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方法如下：首先抬高撇渣器出口端沟底的标高，使其远高于撇渣器进铁口处主沟底的标高。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，对延长耐火材料寿命有极大好处。四、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。五、使用实例与效果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。主沟施工结束2h，就已经硬化，可以脱模。脱模2h后即开始烘烤，4h后大火升至800℃。快速烘烤过的主沟已经安全使用69天后（出铁约12万吨），利用高炉休风间隔，对出铁主沟与支沟进行了首次维修。维修历时总共12h，主要是清理主沟内表面残渣，用时约6h，模具安装与浇注历时4h，脱模与烘烤约2h，部分沟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，这个铁沟即使不修补，估计再使用60天也不会有太大问题。撇渣器预制横梁的侵蚀与磨损也很少，应该也能够与主沟的修补同步再使用2个月。本使用实例显示：高炉铁沟使用快干防爆浇注料施工后，彻底改变了小高炉现场作业环境。现场工人的劳动强度大幅度降低（估计要降低90%以上），原来使用捣打料天天修补，现场必须备料备沙。现在使用60余天，基本不需要修补。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，变成了轻松、舒适、安全的环境。实践证明：快干防爆铁沟浇注料的成功研发和单铁口高炉出铁沟储铁式改造技术（专利号200820180405.8）的应用，将使小高炉出铁场的作业现场发生革命性的改变，小高炉炉前出铁厂场环境完全可以做到与大高炉的出铁场环境相媲美。