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　防爆ASC鐵溝澆注料的研制與單鐵口高爐出鐵溝儲鐵式改造實踐

摘　要　本文提出用改進了防爆性能的耐火澆注料整體澆注單鐵口高爐出鐵溝，并同時將出鐵主溝改造為儲鐵式結構。450m3高爐鐵溝實踐表明，改造后的鐵溝未經修補連續使用69天，出鐵12萬噸。第一次修補歷時12小時，烘烤時間1小時左右。結果顯示該技術可以大幅度延長單鐵口高爐鐵溝壽命，并徹底改變單鐵口高爐出鐵廠的工作環境。該技術已經成功應用于超過50條搗打鐵溝的改造。

關鍵詞 高爐鐵溝單鐵口耐火材料防爆長壽

1　前言
　　現代大型高爐出鐵溝一般都是采用低水泥結合Al2O3 –SiC –C 質澆注料。該材料使用安全，壽命長，消耗少，施工維修方便，是高爐穩產、順產的重要保證。由于消耗少，維修少，使用穩定，因此，現代大高爐爐前出鐵場環境整潔，絕沒有小高爐爐前出鐵場的烏煙瘴氣和混亂不堪。
　　一般大高爐都有2個以上的出鐵溝，因此當其中一條鐵溝必須重新造襯或必須修補時，只要堵住該條鐵溝的出鐵口后，就可以對該條鐵溝進行澆注、養護硬化、烘烤干燥等。與此同時，其他出鐵口出鐵正常，不影響高爐的正常生產。
但容積為1000m3以下的中小型高爐一般設計為單個出鐵口，因此不可能保證一般澆注料施工所需要的養護、烘烤時間。所以，目前的單出鐵口的中、小型高爐鐵溝一般還是采用瀝青或樹脂結合Al2O3 –SiC –C 質免烘烤搗打料搗打鐵溝內襯。
　　由于采用樹脂或焦油結合，搗打料搗打施工后不必烘烤或略加短時間烘烤即可立即直接過鐵水，可以滿足中、小高爐的使用工藝要求。但因為搗打的溝襯耐火材料一般只是溝底表面一層相對密實，而表層以下及溝幫部位都很疏松，不耐沖刷，因此搗打料存在使用壽命太短的問題，一般只有1～7天，最短的甚至1班一修。同時，由于搗打鐵溝都是旱溝結構，每出一爐鐵都必須清理溝內固化下來的大量殘鐵殘渣，同時必須在清理之后鋪撒黃沙或焦粉。
　　因此，搗打料搗制的單鐵口高爐爐前鐵鉤維護工人勞動強度太大，且高熱的環境又造成很多不安全因素，還有瀝青與樹脂的煙塵有毒有害問題！
　　因此如何有效地解決單鐵口高爐出鐵溝壽命的問題備受關注。
　　北京聯合榮大工程材料有限責任公司為此曾開發能夠快硬快烘的樹脂結合Al2O3 –SiC –C質澆注料（專利：鐵溝免烘烤澆注料及單鐵口高爐出鐵溝澆注料造襯工藝，專利號2006100869258），替代搗打料來解決單鐵口高爐出鐵溝使用壽命短的問題，并在一些高爐進行了應用。該技術雖然解決了施工體的密實性問題，但這種澆注料由于主要是樹脂結合，樹脂用量相對較大，樹脂自身的燒后松散造成燒后澆注體結構疏松，鐵溝的抗侵蝕抗沖刷能力似乎還有欠缺，使用壽命遠不如大高爐所用的低水泥結合Al2O3-SiC-C質澆注料。而且樹脂結合澆注料在烘烤時因樹脂煙塵造成爐前環境惡劣的問題依然存在。
　　在總結經驗與大量實驗的基礎上，北京聯合榮大工程材料有限責任公司通過對大型高爐用低水泥結合Al2O3 –SiC –C 質鐵溝澆注料進行改性，使其能夠在熱態下施工并能快速升溫而不爆裂，滿足中、小型單鐵口高爐鐵溝的快速施工使用要求。
在工程實踐中，我們還借鑒大高爐主鐵溝普遍采用的儲鐵式結構，將中、小型單鐵口高爐出鐵主溝也改造成儲鐵式或半儲鐵式結構，從而改善耐火材料的燒結環境以及急冷急熱環境。這種結構也取消了小高爐爐前每次出鐵前在主溝內鋪撒黃沙或焦粉的慣例，從而徹底改變了爐前作業平臺的工作環境。
　　 2　低水泥結合Al2O3–SiC–C 質澆注料的改性研究
　　大高爐用低水泥結合Al2O3–SiC–C 質澆注料配料中有超微粉和分散劑，因此流動性好、耐火度高，澆注體致密性好、強度高，因此鐵溝抗侵蝕、抗沖刷、使用壽命長（通鐵量高）。但該材料的最大問題是澆注后需要養護且不能過快速度烘烤，否則會出現強度過低和爆炸爆裂事故。因此有效解決大高爐鐵溝澆注料的快干脫模和快速烘烤、防止爆炸爆裂問題，是該材料能否用于單鐵口高爐的關鍵，也是本研究的主攻方向。

澆注料烘烤開裂和爆裂主要原因就是因為迅速形成的水蒸氣不能及時排出澆注體外，澆注體內水蒸氣壓太高。澆注體烘烤時，澆注料內的水會因受熱迅速氣化。水的蒸汽壓與溫度的關系如圖1所示。從水的蒸氣壓和溫度的關系中不難看出，水在100℃以上時，蒸氣壓力迅猛上升。

本試驗的基本思路是：是以大型高爐用Al2O3–SiC–C 質鐵溝澆注料為基礎，加入各種防爆改性材料，使其具有快硬防爆的性能。防爆試驗方法是將澆注料澆注為100×100×60mm的方塊，澆注后1～2h即脫模并立即將放入預先升溫并恒溫的電爐中，在高溫爐內保溫30min后，觀測其爆裂的程度。進一步放大樣試驗是將澆注料澆注為100Kg以上的預制塊，同樣是澆注后1～2h即脫模并立即放在1000℃左右的炭火上進行烘烤，檢驗其爆裂情況。
　　 2.1 添加助結合劑調整硬化時間
　　澆注料的快硬對于施工后快速脫模至關重要，本案通過加入促硬的助結合劑，保證澆注料既具有足夠的施工時間，同時還必須在澆注成型后很快硬化，以便及時脫模進行烘烤。
　　研究還發現，澆注料的硬化時間還與澆注體的鼓脹與爆裂有很大關系。澆注料過快硬化和過慢硬化，都會出現澆注體鼓脹與爆裂的問題。因此，通過加入適量的助結合劑，能有效控制澆注料的硬化時間，并進而防止發氣帶來的鼓脹和裂紋。加有發氣劑和助結合劑的澆注料大約1h即能固化脫模，固化后的樣塊直接放到450℃爐內也不會發生爆裂。
　　 2.2 加入發氣劑改進放爆性能
　　金屬Al粉能夠與水反應產生H2氣，因此澆注料中加入少量Al粉可以在澆注后產生大量氣體通道，有利于烘烤過程中水蒸氣的擴散。同時Al粉與水反應的過程還會產生大量的熱量，能夠有效促進澆注料的硬化。但金屬Al粉加量過多時，因發氣量太多，澆注體易發生鼓脹開裂，導致結構強度降低。
　　發氣量跟金屬Al粉的細度和數量有關，Al粉的粒度越細數量越多，則與水反應發氣越劇烈，產氣量越多越集中，越易產生鼓脹開裂，影響體積密度，降低強度。所以，必須嚴格控制金屬Al粉的細度與加入量。
除Al粉的之外，本案還在澆注料中添了有機發氣劑。有機發氣劑的發氣機理是發氣劑與水泥和水發生分解反應，生成某種鈣鹽，鈣鹽分解產生N2、CO2、NH3氣。由于有機發氣劑不像Al粉那樣反應劇烈，因此澆注料不易出現鼓脹和細粉上浮的問題。而且有機發氣劑不會因施工養護環境溫度的差別而產生發氣速度與發氣量的很大變化，因此施工更易掌握。

2.3 添加有機纖維提高抗爆裂性

添加防爆纖維是澆注料最有效防爆措施之一。纖維防爆的原理是澆注料受熱后纖維迅速收縮或分解，并同時在澆注料中形成氣孔通道，從而讓澆注料因受熱而產生的水蒸氣迅速擴散揮發出去。澆注料內的水蒸氣及時擴散出去而不在澆注體內集聚形成較大壓力，則澆注體不會發生爆裂。

但纖維品種眾多，合理的選擇品種、直徑、長度與用量對澆注料的放爆效果至關重要。

本研究通過合理選擇，在澆注料中加入適當品種與數量的纖維后，硬化后的試樣直接放進500℃的高溫爐內保溫后，試樣表面完好，不會發生爆裂。

2.4 添加堿式乳劑防爆劑

堿式乳劑防爆劑是近幾年才見報導的一種新型防爆劑，其組成為氫氧化物的離子聚合而成的多核絡合物，能有效溶解于水溶液。有文獻介紹其防爆機理為：澆注料在受熱干燥時，堿式乳劑的脫水膠化在基質中形成網片狀微裂紋通道，從而增大了澆注料的透氣率。另據稱堿式乳劑能抑制或延緩了CAH10 的生成，也可提高澆注料的防爆裂溫度。

為進一步提高澆注料的放爆效果，本案對堿式乳劑防爆劑進行了應用研究，通過用量匹配研究，將澆注料抗爆裂溫度從原來的安全防爆溫度500℃提高到800℃，使快干防爆澆注料有了更安全的使用性能。
通過上述一系列改性研究，本公司獲得了系列低水泥結合Al2O3-SiC-C質快干防爆澆注料性能如表1所示：

2.5 防爆試驗結果
　　將防爆低水泥結合Al2O3 –SiC –C 質鐵溝澆注料澆注成40×40×160mm的試塊，大約1～2小時后即脫模（已硬化），將濕試塊直接放入已經保溫在800℃的馬弗爐中，30min后打開爐門觀察，試塊沒有任何裂紋，并已經燒紅。而用于大高爐的普通低水泥結合Al2O3 –SiC –C 質鐵溝澆注料試塊則在放入馬弗爐以后，一般在2～3min之內即已經粉碎性爆炸！

進一步放大實驗：用100kg防爆低水泥結合Al2O3 –SiC –C 質鐵溝澆注料澆注一塊較大試塊，澆注后大約2小時脫模，然后直接將濕塊放入溫度大約1000℃的焦炭鼓風爐中，大約30min后取出，發現試塊已經被燒紅，但沒有任何爆裂現象，表面已有部分釉化現象（SiC氧化）。
防爆實驗結果顯示出改性后的低水泥結合Al2O3 –SiC –C 質鐵溝澆注料極其優秀的抗爆裂性能！

3 主出鐵溝儲鐵式改造

大高爐鐵溝之所以通鐵量高，使用壽命長，不僅因為是使用了高檔次的Al2O3 –SiC –C 質澆注料，而且還因為應用了儲鐵式結構。即大高爐的出鐵溝主溝在出鐵期間和出鐵間隔時間內鐵溝內總是儲存大量的鐵水，因此鐵溝內的耐火材料所處溫度環境相對恒定。

另外，由于儲鐵式鐵溝內總是殘存大量鐵水，因此，當高爐出鐵時，從出鐵口沖出并以拋物線形式快速落下的鐵水所形成沖擊溝底的巨大沖擊力，被儲存在溝底的鐵水緩沖，有效地保護了主溝沖擊區的耐火材料。

而傳統的單鐵口高爐主鐵溝為非儲鐵式旱溝（如圖2所示），撇渣器出鐵口溝底標高幾乎接近于撇渣器前端進鐵口處主溝溝底的標高。因此，每次出完鐵以后主溝溝底不會留存殘余鐵水，并完全暴露在空氣中。更有甚者，為了使鐵溝溫度迅速降低以便清渣和鋪沙，很多工人操作時還要向剛出完鐵的溝內澆水。因此，小高爐鐵溝耐火材料會反復出現因溫度驟降和水冷而發生收縮開裂等急冷急熱的損壞問題。

由于溝底不存鐵水，因此出鐵沖擊區的鐵水流對溝底沖擊損害嚴重，而這種落鐵點沖擊正是小高爐主鐵溝損壞的最重要原因之一。

但是，到目前為止，還沒單鐵口儲鐵式鐵溝的工藝方案與實踐，主要是因為沒有合適的快干防爆鐵溝澆注料來進行配套，無法實現后續的快速修補與維護，而這種鐵溝的修補又是必須的和持續的。

由于有了上述新研制的快硬防爆鐵溝澆注料，因此將單鐵口高爐出鐵主溝改造為儲鐵式鐵溝結構就有了物質條件。儲鐵式出鐵主溝的改造或設計原理如下（如圖3所示）：

首先抬高撇渣器出口端溝底的標高點c使其遠高于撇渣器進鐵口處主溝底的標高點b。主鐵溝從出鐵口向撇渣器方向約1米處開始，溝底標高迅速下沉，改變原來坡度均勻下降的設計，使得溝底坡度減小，以便在高爐每次出完鐵水后主溝內能夠存留足夠的鐵水。這種儲鐵式鐵溝將大大改善耐火材料的急冷急熱環境，耐火材料得到更好燒結，更利于耐火材料的長壽。
　　同時，按照本方案改造或設計的主鐵溝，每次新出鐵水從出鐵溝噴出并拋物線落下時，鐵水不是直接落在溝底耐火材料上，而是落在了殘存的鐵水表面（含渣液），這將給溝底耐火材料以極好的緩沖，對延長落鐵點耐火材料壽命有極大好處。
　　 4　撇渣器的結構改造
　　傳統的撇渣器都是使用搗打料，大部分采用正副兩組，以便出現問題時快速更換。也有采用一組的，是碳質搗打料加水管冷卻。前者使用壽命為1～3個月（大部分是1個月），后者使用壽命則是半年左右。需要說明的是，碳質搗打料加水冷的撇渣器，雖然使用壽命較長，但耗水量大、能耗高，而且如果一旦出現漏水問題，則會出現重大事故。
　　實際上，撇渣器最易損壞的部分是中間的過梁。本方案在改造主溝的同時將撇渣器改為可更換式過梁，即撇渣器過梁是預制塊并事先仔細烘烤過。由于過梁可快速更換以及溝底澆注料的長壽命，因此，新型撇渣器無需再備“副撇渣器”，這不僅可節省了成本，還為出鐵場節省了可貴的爐前作業空間。
　　為了盡可能使撇渣器與鐵溝修補工作同步，撇渣器過梁材料的設計與選擇至關重要，撇渣器橫梁材料的理化指標見表1。
　　 5　使用實踐與效果
　　 2008年９月，利用沙鋼集團淮鋼特鋼公司450ｍ３高爐大修之際，北京聯合榮大工程材料有限責任公司對其鐵溝進行了整體改造：爐前全部鐵溝（包括主溝與支溝）全部采用低水泥結合Al2O3-SiC-C質快干防爆澆注料進行整體澆注，主出鐵溝改造為儲鐵式，采用單一撇渣器，并將撇渣器改為可更換預制過梁式（同時廢止原水冷橫梁系統）。
　　主溝施工結束2h，就已經硬化，并立即脫模。脫模2h后即開始烘烤，4h后大火升至800℃，其后繼續快速大火烘烤約2小時即開始出鐵。出鐵時沒有出現任何溝料開裂與爆炸問題。
　　主溝安全使用69天后（出鐵約12萬噸），利用高爐休風間隔，對出鐵主溝與部分支溝進行了首次維修。首次維修歷時總共12h。其中，清理主溝內表面殘渣與侵蝕面用時約6h，模具安裝與澆注歷時4h，脫模與烘烤約2h，支溝彎曲段烘烤時間只有不到1h后即開始過鐵水。
　　首次修補時發現，主溝與支溝的耐火材料侵蝕平均厚度大約100mm，落鐵點位置侵蝕厚度也不超過150mm，撇渣器預制橫梁的侵蝕與磨損也很少。
　　其后的歷次大修間隔也基本為2～3個月左右，每次大修耗時6～12小時不等。
　　使用實踐顯示：
　　由于主溝內鐵水蓄熱量較大，爐渣在主溝內完全呈熔融狀態，并及時從出渣口流出。現場工人無需每次出鐵后大量清理鐵溝內的殘渣殘鐵，當然也不需要每次出鐵后對主溝耐材的維修搗打，也無需每次出鐵后向主溝內鋪撒黃沙或焦粉。爐前操作工藝改變為主溝前半段側幫上表面局部鋪撒黃沙，待噴濺到側幫上表面的鐵渣堆積影響到泥炮設備運行時再行集中清理。
　　在兩次大修間隔的2個多月內，除支溝三角區等局部偶爾需要臨時修補，主溝基本不需要作任何修補，工人勞動強度大幅度降低！
　　現場再也沒有了搗打料中瀝青和樹脂造成的嗆人的黃煙。爐前出鐵場可以做到整潔有序，有條不紊。工人完全擺脫了每天在高溫下、煙霧中忙碌修補鐵溝的勞動，使煉鐵工藝中最臟、最累、最繁重、最不安全的地方，變成了相對輕松、安全的環境。
　　 6　結論
　　實踐證明：采用快干防爆鐵溝澆注料對單鐵口高爐出鐵溝進行儲鐵式改造（專利號200820180405.8），可大幅度延長單鐵口高爐出鐵溝使用壽命，主鐵溝不修補一次通鐵量可達到10～20萬噸，爐前工人勞動強度可望降低90％以上，同時，該技術徹底改善了單鐵口高爐爐前出鐵場的作業環境，使得單鐵口高爐爐前出鐵廠場環境完全可以同與大高爐的出鐵場環境相媲美。
　　 7　附注
　　已經實施儲鐵式改造并正常使用的相關數據見表2。