高炉粒化塔用高强耐磨浇注料的研制及应用实践

粒化塔是高炉炼铁厂处理高炉冶炼熔渣的设备，高温熔渣在粒化塔内由粒化喷头水淬后先沉入塔内的沉渣池，其渣水混合物再经短渣沟及渣水分配槽进入转鼓脱水器进行渣水分离，成品渣落到尾部插入转筒脱水器内的皮带机上，然后转运到水渣仓。高炉冶炼后剩余的矿渣是一种废渣，但可以作为生产水泥的原料，变废为宝，对节能减排具有重要的意义。粒化塔长期处于较为复杂的环境内，需要使用高温耐磨的炉衬。之前冲水渣沟内衬使用较多的耐磨材料是铸钢板和铸铁板，铸钢板和铸铁板易被氧化与腐蚀，耐磨性差，整体性差，使用寿命短，材料损坏后很难在短时间内恢复生产，严重影响了高炉顺行。近年来，耐磨浇注料广泛应用在粒化塔上，施工时在表面架设钢筋网，将浇注料浇注或涂抹在其内衬表面上。此种材料施工简便，结构的整体性、耐磨性等方面均好于铸钢板和铸铁板，使用寿命得到了提高。粒化塔内衬使用常规的耐磨浇注料，虽然使用寿命得到了提高，但是仍存在一些问题，包括使用过程中开裂、局部磨损严重等。铬刚玉是以氧化铝为主要原料，添加适当量氧化铬后经高温熔炼而成，呈粉红色，硬度与电熔刚玉相近，但是韧性却比电熔刚玉要高。因此，研发一种以铬刚玉为主要原料的高强耐磨浇注料，进一步提高粒化塔炉衬的使用寿命是非常有必要的。

试 验

1.1 耐火原料

试验所用骨料部分选用电熔铬刚玉，骨料粒度为8～15mm、5~8mm、3~5 mm、1～3mm及0～1mm;基质部分选用电熔铬刚玉粉(<0.088 mm)、活性氧化铝粉(<1μm)、氧化铬粉(≤500目)以及Secar71水泥;减水剂选用善达化工的Castament-FS65。主要原料的化学组成列于表1。

表1主要原料的化学组成%

1.2 试样制备

表2所示为各种试样的配料组成，主要通过调整活性铝微粉与水泥的加入量来提高材料的物理性能。

表2 各种试样的配料组成%

首先将配好的材料进行预混合，将材料预混合均匀后放入搅拌锅内进行搅拌，搅拌时间为1～2min,确保材料混合均匀后加水搅拌，搅拌时间约3min;随后进行流动值的测试。流动值的测试方法是将物料倒入模具内捣实平整后测量15次跳桌后的流动值。测定流动值的模具如图1所示。最后振动成型为40mm×400mm×160mm的试样。

图1 测定流动值模具

1.3 性能检测

自然养护脱模后进行烘烤，烘烤制度为110℃,24h,再进行试样烧成，烧成制度为600℃,3h。热处理后的试样按照国家标准进行检测，检测的具体内容如表3所示。

表3 性能检测标准

1.4 性能要求

为了满足使用要求，研发的高强耐磨浇注料必须满足理化指标要求，具体内容如表4所示。

表4 高强耐磨浇注料理化指标要求

结果与讨论

2.1 施工性能

表5所示为各种试样的初始流动值与静置30min后的流动值。从表中可以看出：(1)相同条件下，各组试样的流动值均能满足施工要求，但是初始流动值存在差异，主要原因是减水剂FS65在水中溶解后能够较好地裹覆在氧化铝微粉颗粒的表面，微粉粒子之间存在较好的排斥作用，从而在静置过程中未出现团聚而丧失流动性;(2)在水泥加入量一定的情况下，材料的加水量随着铝微粉加入量的增加而逐渐降低，但是初始流动值有所提高。当铝微粉加入一定量后流动值差异不大，但是出现流动值明显衰减情况。出现这种情况的原因可能是减水剂FS65的加入量不足，未能将氧化铝微粉颗粒表面完全裹覆所致。

表5 各种试样流动值

2.2 常温物理性能

图2所示为经过110℃、600℃热处理后，各种试样的体积密度和显气孔率的变化趋势。从图中可以看出：当水泥加入量一定时，随着铝微粉加入量的增加，材料的体积密度逐渐增大，气孔率逐渐降低;当铝微粉加入量一定时，随着水泥加入量的增加，材料的体积密度降低，气孔率增加。

图2 不同温度热处理后的体积密度与显气孔率

图3所示为经过110℃、600℃热处理后，各种试样的抗折强度与耐压强度的变化趋势。从图中可以看出：当水泥加入量一定时，随着铝微粉的增加，材料的抗折强度与耐压强度均出现了增加;当铝微粉加入量一定时，随着水泥加入量的增加，材料的抗折强度与耐压强度均出现了增加。

图3 不同温度热处理后的耐压强度与抗折强度

出现上述情况的可能原因是：(1)随着水泥加入量的增加，材料内部会形成大量的水化产物C₃AH₆和AH₃,从而使得材料的强度增加，但是大量的水泥水化产物在烘干及烧成后材料内部的自由水和结合水会逐渐挥发，从而导致显气孔率明显增加，体积密度降低;(2)由于使用的铝微粉粒度非常小(<1μm),铝微粉颗粒能够充分填充到材料的孔隙中，提高材料的致密度，降低材料的气孔率，因此使结构强度提高。

2.3 高温物理性能

600℃保温1h后的各种试样高温抗折强度如图4所示。从图中可以看出：

(1)各种试样的高温抗折强度随着铝微粉加入量的增加而逐渐提高;

(2)水泥加入量8%时比5%时的高温强度要高。

出现此种情况的可能原因：(1)随着铝微粉加入量的增加，材料的致密度提高，气孔率逐渐降低，从而使得高温强度逐渐提高;(2)水泥的初始水化产物是C₃AH₆和AH₃,在600℃加热过程中主要物相反应是C₃AH₆与AH₃逐渐脱水生成CA与α-Al₂O₃,水泥加入量增加时，CA与α-Al₂O₃的生成量相应增多，高温强度随之相应提高。

图4 600℃保温1h后各种试样的高温抗折强度

实际应用

2020年3月，某铁厂1800m³高炉的粒化塔因破损严重需要进行整体大修。首先，将破损炉衬进行清理，并在炉壳上焊接锚固件，焊接完成后进行支模浇注。浇注完成后自然放置24h后脱模氧化，并在使用前进行烘烤。此次修复共计使用高强耐磨浇注料25t,将粒化塔破损部位进行了整体浇注修复。现场施工时材料的流动性及施工时间均能满足现场要求，图5所示为粒化塔修复前后对比图。修复后的粒化塔于2020年4月投入使用，在使用过程中无异常情况出现，使用寿命达到了3年以上。

图5 粒化塔修复前后对比

结 论

为了进一步提高粒化塔的使用寿命，研发了新型高强陶瓷耐磨浇注料。配料中引入了铬刚玉，并在此基础上进行了系列试验，确定了最优化方案。选定的最优化方案在某铁厂1800m³高炉粒化塔上进行了应用实践，一次性使用寿命达到了3年以上。新型高强陶瓷耐磨浇注料不仅物理性能优异，而且大幅提高了高炉粒化塔的使用寿命，降低了综合成本，为铁厂带来了巨大的经济效益。