高炉出铁沟耐材“延寿”的障碍有哪些？

高炉出铁沟耐材“延寿”的障碍有哪些？
孙志红1） 岳卫东2）
河南焦作大圣科技有限公司1）
洛阳理工学院材料科学与工程系2）

作为高炉炼铁基本要求，高炉必须持续不断地生产熔融铁水。熔融铁水从高炉出铁口流出进入出铁场的主出铁沟，其主出铁沟的功能是将铁水从渣中分离。沟中的撇渣器过梁使渣从顶部进入出渣沟，铁水从撇渣器过梁底部铁水通道流过，从而使铁和渣分离。而铁沟料就是用来出铁沟内衬的耐火材料，铁沟料使用寿命的高低直接决定出铁沟的使用寿命，从而决定高炉的生产能力及效率的高低。因此，高炉铁沟料是影响高炉生产的关键耐火材料之一，分析影响铁沟料使用寿命的因素对于促进高炉生产稳定顺行有着重要的意义。

原料是影响铁沟料寿命的重要因素之一
刚玉骨料：刚玉骨料在铁沟料中占40%~60%左右，主要起骨架作用，它的Al2O3含量高低、硬度、粒径选择及分配等直接影响铁沟料的使用寿命。刚玉骨料要求Al2O3含量大于95%，耐火度大于或等于1770℃。合理选用刚玉骨料的粒径及严格控制级配是制造优质铁沟料的关键，骨料的临界粒度通常8mm~15mm，且在配料中大于1mm的粗颗粒应占有足够的比例，一般应大于60%。同时，要使骨料保持严格的级配就要求骨料必须有较高的硬度和致密性，否则，在生产中骨料粗颗粒已被弄碎，从而影响粒度级配。因此，现在生产铁沟料是使用Al2O3含量大于95%的刚玉骨料。
碳化硅和碳：碳化硅和碳均是高耐火、高导热、抗侵蚀的优良材料，两者配合更能发挥防氧化及阻止渣向基质渗透的作用。碳化硅还因高硬度而能提高铁沟料的抗冲刷能力，而碳素对提高铁沟料抗热震稳定性有较大的作用。碳化硅主要应以细粉形式加入，但也可能部分以颗粒形式加入，尤其是当碳化硅加入量较多时。碳素材料可选用天然或人造石墨或无定形碳，但必须是低挥发性的。
碳化硅的加入量，视高炉容积大小及对料性的要求，可以在很大范围内波动，通常在10%~30%范围内，特别是在大中型高炉出铁主沟渣线料和铁线料中的调整，增加碳化硅含量有利于提高铁沟料抗高炉渣的侵蚀，目前多数铁沟料中SiC含量在15%~25%，以15%~20%居多。
添加剂：现大中型高炉使用的铁沟料是Al2O3-SiC-C质超低水泥快干系列浇注料，使用的添加剂主要是高温沥青、微粉和TFC复合结合剂。作为添加剂使用的高温沥青，在被结合物料颗粒之间被碳化，形成颗粒间的结合碳，因此产生牢固的碳结合。在高温条件下沥青成份碳化析出石墨碳，从而使铁沟料有较好的高温结构强度。TFC复合结合剂是针对大中型高炉铁沟料研究开发的复合结合剂，经过多座高炉出铁沟现场应用表明：铁沟料的耐冲刷性和抗侵蚀性大大提高，铁沟料的综合消耗量降低，产品使用寿命延长20%以上。


高炉渣对铁沟料侵蚀较重
高炉冶炼生产的渣中SiO2含量较高，它对铁沟料侵蚀较严重，从而影响铁沟料寿命。
在渣、铁沟料界面，富SiO2和CaO渣和细小氧化铝反应形成的钙长石和钙黄长石（使用温度下呈液相）从耐火材料基质中流失，将基质中的氧化铝耗尽后，渣侵蚀转向大氧化铝颗粒。同时，一旦基质被侵蚀，SiC颗粒即松动，进而冲进渣中。
在渣/铁界面伏击，容易发生以下反应：SiO2+2C=Si+2CO。若渣中SiO2含量高，反应容易进行，从底部生成的CO气泡加速了对铁沟料的侵蚀，从而影响铁沟料的使用寿命。出铁沟内衬的严重侵蚀在渣/铁界面处，添加一定量的TFC复合结合剂可提高高炉出铁沟耐火材料即铁沟料的抗侵蚀性。

铁沟料的施工对其寿命影响也较大
现在大中型高炉出铁沟采用储铁式整体浇注施工，对出铁沟用耐火材料使用性能的要求也越来越高。为了适应现场的使用要求，筑沟用耐材由最初的捣打料发展进步为低水泥浇注料、自流浇注料、快干浇注料等多种施工形式产品。随着出铁沟用料的优化改进，使出铁沟修筑施工更加安全方便。现在大中型高炉出铁沟已普遍使用优质的Al2O3-SiC-C质超低水泥快干浇注料，具有施工流动性好、侵蚀小、耐冲刷性及热震稳定性较好、产品成本降低、综合效益提高等特点，单沟一次通铁量由最初的5万吨~10万吨发展为现在的16万吨以上。
铁沟料在施工维护时应注意出铁沟外壳槽设计和槽内耐材的砌筑安装和铁沟浇注模具的设计。支胎膜前应先将胎膜表面进行浇注部位均匀涂抹一层黄油，以便于浇注后脱膜分离，要将胎膜和沟帮钢槽连接焊牢，以免浇注过程中胎膜移动，造成铁沟变形，影响正常出铁。浇注施工采取连续施工，加水量均匀，振捣一致。
浇注料初凝后，即可进行拆模工作，拆模时应先将模具焊接点砸开，再用天车将胎膜拔活、吊出。吊模具时吊车绳应与模具吊点垂直，均匀用力不得生拉硬拽，以免将浇注后的浇注料沟形损坏，影响使用。烘沟即对浇注后的铁沟进行烘烤工作，烘烤时应先小火后大火，掌握烘烤时间和开温曲线，小火烘烤时间越长越好，准备出铁前3小时~5小时应用大量木柴加焦炭、煤气加氧烘烤把浇注料表面烧红，烘烤的越彻底，铁沟越耐用。
在维护施工时，应先将铁沟内衬残余渣铁清除干净，出铁沟内衬表面已氧化的耐火材料也应清除干净，后重新浇注的铁沟料，这样保证两者更好地结合，否则影响铁沟料的使用寿命。
由上可知，对出铁沟来说，除内衬耐火材料本身外，施工方面对其使用寿命的影响也是较大的。

不同出铁沟结构影响各异
大中型高炉出铁沟分为主铁沟，撇渣器，铁水沟，摆动沟槽和渣沟。高炉出铁沟内衬最易损毁的部位是主铁沟，特别是距出铁口1m~3m处的湍流冲击区和撇渣器过梁底部衬里损坏更快。因此，这些部位要选用强度高、耐磨性好和抗氧化能力强的沟衬材料。
高炉主铁沟可分为储铁式、半储铁式和非储铁式三种。大中型高炉储铁式主沟因有300mm~700mm的铁水层，沟底衬里几乎很少损坏，即铁沟料的寿命较长。它与非储铁式主沟和半储铁式主沟相比，具有以下三种优点：
一是与其他两种形式主沟相比，储铁式主出铁沟的倾斜度低，使铁水在铁沟中停留时间大大延长，有助于更有效地分离渣和铁水。由于铁水携带的渣最少，因而出铁沟和铁水包所受的渣蚀较轻。
二是由于从高炉出来的铁水冲击的是主铁沟内池中的铁水，而不再是铁沟料，因而铁沟料的使用寿命延长。
三是较低的倾斜度降低了铁流速度，因而也减弱了铁流的冲击力，延缓了对铁沟料的冲蚀，延长了铁沟料的使用寿命。
因此，将中小型高炉出铁沟设计改进成储铁式铁沟是可取的，不仅能延长出铁沟耐火材料即铁沟料的使用寿命，而且也有助于为下一步工序提供较为洁净的铁水。
通过以上分析，我们可知，要想延长出铁沟耐火材料的使用寿命，须了解影响其寿命的各种因素，才能结合高炉生产实际予以良好的改进和优化，从而达到促进耐材长寿，保证高炉稳定运行、维护良好生产水平的目的。

注： 该文章发表中国冶金报2012-08-02耐材版