大型高炉出铁场高效、环保耐材技术开发与应用实践
来源： 中国金属学会 发布时间：2022-05-26
一、研究的背景与问题
在高炉冶炼进程中，炉前作业是一个重要的环节，其主要任务是连续不断地将高炉内生成的渣铁从铁口排出，在主沟内渣铁分离后，高炉渣经渣沟进入渣处理系统，铁水流经铁沟和摆动溜槽进入鱼雷罐车运输至下道工序，保证高炉生产正常进行。炉前作业的主要场所为高炉出铁场，是除高炉本体之外最重要的高温区域，由出铁场平台、出铁口、主沟和渣铁沟、残铁沟、摆动溜槽和炉前除尘系统组成。宝钢高炉设有4个铁口分布在2个对称的矩形出铁场。出铁场由多种耐火材料组成，耐火材料性能决定了高炉的安全生产和正常运行。
目前具有近40年大型高炉操作经验、拥有9座4000m3以上大型高炉、大型高炉铁水年产能超过3300万吨的宝钢股份，经过多年技术研发及应用改进，出铁场耐火材料应用消耗水平总体保持在国内领先水平，但是还存在着很多薄弱环节，影响了出铁场耐材整体应用水平，给现场生产与环保造成了不少困难与安全隐患。主要表现在以下三个方面：
1、位于出铁口与主沟沟头之间的主沟接头采用捣打成型，因接头部位温度高、煤气浓度高，捣打料施工中又挥发有毒有害气体，维修作业中存在安全隐患，且捣打成型的主沟接头烘烤后收缩出现裂缝，材料抗渣铁侵蚀性能差，每年发生钻渣、渗铁等事故而造成重大损失，影响炉前作业安全。
2、目前沟系统浇注材料，养护烘烤时间长影响主沟周转，如主沟全线修补需要7天。随着高炉强化冶炼进行，目前沟修时间已经不能满足生产需要。其次原有沟料使用含沥青作为碳源，沥青中含有苯可溶物、树脂、喹啉不溶物、苯并芘等致癌物质，在应用过程中冒黄烟和散发刺激性气味。
3、铁口区域煤气火治理手段效果有限，煤气火不受控制时，铁口保护砖易损坏脱落，影响铁口区域耐材结构稳定。受铁口区域煤气泄漏影响，出铁过程中发生的铁口喷溅危及作业人员安全，环境恶劣。煤气火不受控制，易烧坏开口机挂钩和泥炮炮头等炉前设备以及铁口泥套使用寿命大大缩短，影响作业安排和顺序调整，甚至出现铁口泥套异常损坏导致高炉休减风次数增加。
图1 高炉出铁场耐材应用过程中主要存在的薄弱
二、解决问题的思路与技术方案
针对特大型高炉出铁场在出铁口和沟系统应用中存在主沟接头易钻渣渗铁、沟料施工烘烤时间长、采用沥青结合的出铁场耐材使用过程中产生可视环境污染、铁口区煤气火治理效果不佳影响铁口永久砖保护砖结构稳定、泥套损坏过快等技术难点，从现状问题着手，进行了损坏机理研究，产生改进方向，并试验出配套施工工艺，深入开展基础研究，提出亚博ag旗舰厅的解决方案后，以工业试验应用的方式验证、优化，取得显著的效果后，固化技术成果，形成大型高炉出铁场高效、环保耐材技术开发与应用技术，降低了劳动强度，消除了主沟接头处钻渣渗铁等事故，改善炉前作业环境和作业人员劳动强度。本项目技术思路如图2所示。
图2 宝钢大型高炉出铁场高效环保耐材技术开发技术思路
三、主要创新性成果
1、高炉主沟接头用新型绿色环保浇注料开发和应用技术
为满足主沟运行及维护要求优异的应用效果，开发主沟接头的新材料须达到耐侵蚀长寿命、低耗材少固废的性能目标。在新接头料的化学组成设计上从加强渣铁抗侵蚀性能保证主要成分的含量与纯度、提高高温强度和致密性加强抗渣铁冲刷性能、与主沟材料匹配满足主沟一代寿命要求，使用过程中尽量减少修补次数，完全摒弃树脂结合、捣打施工的生产与成型方式。
为满足主沟接头浇注料与主沟一体化施工模式、维护检修，在主沟沟头与出铁口之间设计、制作整体浇注施工的模具,原主沟耐材浇筑模具平整的端面改进为尖头形端面。控制好施工作业顺序，形成各部位合理的浇注、脱模、养护、烘烤等施工技术。接头浇注料的施工和养护参照主沟耐材施工方法，进行同步浇注、养护、烘烤和投入使用。
图3 主沟接头施工及整体成型效果
2、出铁场高效快干沟料及应用技术
国内外出铁场现有耐材主要采用铝酸钙水泥作为结合剂，加水后发生絮凝、水化反应,由于铝酸钙水泥含水化反应速度缓慢的ca2成分。由于现场高炉铁口休止时间有限,不允许长时间在施工维护主沟，从而限制了铝酸钙水泥结合的出铁沟浇注料在高温条件下的使用，低水泥浇注料的低气孔、致密的特点造成了材料本身透气性差，在烘烤和加热过程中产生的水蒸汽难以顺畅、及时的排出，当蒸汽压力超过材料承受极限时，衬体便会产生裂纹、剥落甚至炸裂，为此通常采取长时间（一般为2~7天甚至更长时间）烘炉来防止炸裂，与钢铁企业连续、高效的生产流程相矛盾。
为满足出铁场高效快干沟料需要达到浇注后迅速硬化成型、快速脱模、高温烘烤不爆裂不剥落、耐高温渣铁侵蚀和耐冲刷抗氧化性好、使用寿命长等特点，本项目通过对基质料调浆改进，使其能够和浆液中的氧化铝和氢氧化钙快速反应,并迅速形成交叉网,使水泥颗粒相互粘结,达到快速凝结的目的,同时其内部能量降低,大量热能被释放出来，大幅缩短水泥凝结硬化时间。因常规防爆剂al粉和防爆纤维存在浇注体强度下降的缺点，为了尽可能快速烘烤及提高抗爆裂的温度，引入其他种类的防爆剂,提高浇注料的防爆裂温度。
采用高纯刚玉骨料、优质sic，提高了浇注料的抗热震稳定性、耐冲刷、抗侵蚀能力，有效地控制浇注料高温强度和线变化，提高高温强度避免内裂纹现象，在浇注料中添加促凝剂、复合分散剂，改善了浇注料的流动性，减少了搅拌料时的加水量缩短了凝固时间。针对主沟铁线和渣线的损坏机理不同，将高炉主沟快干料分为铁线料和渣线料，采用铁线料和渣线料分开浇注的办法，使铁线料和渣线料的熔损速率一致，从而保证主沟通铁量。
相对原有沟系浇注料，快干料具有迅速硬化成型、快速脱模、可以快速高温烘烤的特点，施工方法需要针对性的改进。其施工要点如下：渣铁线分层浇注、浇注料先干混再加水混辗、控制振动成型和全线快干料浇注时间。
3、开发了出铁场新型环保沟料
宝钢高炉出铁沟的沟衬材料主要以以刚玉、碳化硅、沥青为主要原料，通过捣打、浇筑、喷补等方式进行施工。高炉出铁沟浇注料中大部分使用球状沥青作为碳源，沥青中含有苯可溶物、树脂、喹啉不溶物、苯并芘等致癌物质，在热态施工、烘烤和应用中，浇注料的沥青原料中挥发分气化，并产生烟尘和难闻的气味，造成现场作业环境恶劣。
图4 耐材中常用的炭源形貌
本项目通过对球状沥青作为碳源与sic形成补强效应体系改善材料抗渣性和抗剥落性能研究，率先开发出采用无机碳源的环保型浇注料，熔损速率降低了20%，烘烤时无嗅无烟无苯酚、甲醛和苯并芘等有害气体释放，大幅改善出铁场作业环境。
4、铁口整体成型及修复用新型浇注料
铁口修复浇注料将长期受高温煤气火烘烤，铁口修复须利用有限的高炉定修时间才能开展，铁口应用的修复材料应达到能够迅速硬化成型、迅速高温烘烤、耐渣铁侵蚀冲刷性能优良，抗氧化性能好等要求。本项目选用的原材料有刚玉、碳化硅、特种水泥、减水剂、防爆剂等。根据铁口修复技术要求及采用的材料体系，首先对铁口修复材料进行物理性能检测分析，特别是对修复材料的抗爆裂、抗热震及强度等关键性能进行技术分析。
确定sic材质浇注料更适合铁口修复的应用条件，通过实验得出铁口修复浇注料技术标准如下。
为了有效修复铁口永久砖、保护砖，有效的控制铁口框架内煤气火，维修方案原则为：首先拆除将铁口永久砖、保护砖和泥套，在铁口框内焊接锚固件，制作好模具框，采用铁口修复浇注料成型。浇注施工完成后，对施工体进行短期养生、脱模、烘烤，即可投入使用。
铁口修复浇注料和修复方法在2015年12月15日在宝钢3号高炉1号铁口进行了施工和应用试验。本次试验修复的铁口用了6个月依旧完好，不需修补，使用寿命超出了原有铁口保护砖，目测煤气火减少90%以上，煤气火强度受控。本次试验过程中发现浇注料硬化速度较快，后续在加水搅拌方面做对比试验进行优化改进。
5、开发出铁口泥套预制件
铁口应用的材料应具备热震稳定性好、强度高、耐侵蚀和耐冲刷以及抗氧化性能好，使用寿命长。为了达到以上综合性能，本项目开发采用了用刚玉-碳化硅质材质制作铁口泥套预制件，各种原料混合均匀后采用液压机压制成型，再经高温烧成，自然冷却后出炉。
图5 铁口泥套预制件实物
并根据现场环境开发出高炉出铁口泥套预制件的安装方法。2019年2月28日在宝钢4号高炉1号铁口上进行施工并投入使用。经过安装、定位、填充、烘烤等施工工序，整个铁口结构完整稳固，与泥炮口结合紧密，大大减少了冒泥现象，新型泥套预制件的应用提高了铁口合格率，减少了因泥套故障而休风的次数，现场泥套制作次数减少、减轻了炉前工人的作业强度。
图6 铁口泥套预制件安装示意图
四、应用情况与效果
本项目通过研发新型的主沟接头浇注料、出铁场快干料、环保型耐材、铁口修复浇注料和铁口泥套预制件等新材料以及配套开发的现场施工和应用新技术，在宝山基地应用后，减少耐材消耗量年效益超1200万元，消除主沟接头漏渣铁的安全风险，改善作业环境，降低劳动强度，大幅提升炉前劳动效率，产生了可观的经济效益和社会效益。
1、开发了高炉主沟接头用新型绿色环保al2o3-sic质浇注料，替代原有捣打施工方式。新浇注接头抗渣铁侵蚀性能优异，并通过与主沟一体化施工、维护检修新技术，接头部位寿命延长20倍，提高了通铁量，消除了主沟接头钻渣渗铁等事故。
2、开发了出铁场高效快干沟料，采用快水泥等快干剂结合耐材骨料取代目前的结合剂，实现从施工开始到具备投入条件共用时12.5小时，相对原技术7天修补时间缩短时间92.6%，实现主沟材料快速烘烤，缩短施工工期，减少烘烤煤气量，提高出铁场主沟周转效率，新材料抗渣铁侵蚀性能优于原有沟料，减缓炉前生产与设备的操作压力。出铁场高效快干沟料及施工方法于2015年4月1日在宝钢1号高炉4号铁口试用，实现从施工开始到具备投入条件共用时12.5小时，相对原技术7天修补时间缩短时间92.6%，在通铁8万吨时点检测算熔损速率为2.59mm/千吨，优于原有普通沟料。本技术目前作为宝山基地应急沟修补技术使用，作为常规技术推广至梅山基地1200m3高炉使用。
3、出铁场新型环保沟料于2017年4月19日在宝钢1号高炉试用，环保主沟浇注料与普通主沟浇注料性能差别不大，烘烤时不冒烟，改善了现场作业环境。
图7 出铁场新型环保沟料应用前后的出铁场作业环境
4、开发了铁口修复用新型浇注料，并形成一整套修复方法，达到了铁口框架区域煤气火减少80%，铁口框架耐材使用时间达到了原有技术的4倍，有利于维护铁口区域耐材结构稳定，对高炉安全生产、环保、提高生产效率意义重大。
图8 宝钢某高炉铁口煤气火治理前后示意图
5、创造性地开发了sic质机压及高温烧成出铁口泥套预制件，形成高炉出铁口泥套及其制备方法，改变了原有落后的捣打及挤压在线施工方式，减轻了炉前作业强度，达到了出铁口区域安全、稳定、高效、长寿的应用效果。
本技术已获得授权专利6项（其中发明专利4项），发明专利在审2项，成功应用在宝钢股份宝山基地、梅山基地、青山基地和中南钢铁重钢集团等国内大中型高炉，经济效益和社会效益显著。
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