冶金業(yè)耐火材料研究

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1耐火材料

在應用耐火材料的生產(chǎn)行業(yè)中，特別是在鋼鐵工業(yè)中當前的主要趨勢是如何降低耐火材料的單位消耗。在煉鋼生產(chǎn)中可使耐火材料單位消耗顯著降低所采用的材料是不定形耐火材料。此類材料包括：耐火澆注料、噴涂料、搗打料、可塑料、火泥（耐火膠泥）、干混合物、耐火涂層、陶瓷纖維等。不定形耐火材料在下列方面優(yōu)越于定型耐火材料：生產(chǎn)費用、筑造效益、使用壽命、安全性、材料的單位消耗等。在耐火材料生產(chǎn)的總規(guī)模中不定形耐火材料所占比例日益增大。在不定形耐火材料應用最多的是耐火澆注料和噴涂料。通常耐火混合物或者耐火澆注料呈原始狀態(tài)向用戶供貨，這些料的成型（澆注、制造整體內(nèi)襯）和燒成系在使用前或者使用過程中直接在熱工窯爐中進行。冶金工業(yè)的快速發(fā)展和改善，促使對不定形耐火材料的要求提高。由于采用優(yōu)質(zhì)原料（包括超細粉）、新型結(jié)合劑、高效加入劑、最佳化的顆粒組成及完善的施工工藝，使不定形耐火材料（特別是澆注料）的開發(fā)取得巨大的進步。

2冶金工業(yè)用新一代耐火澆注料

新一代澆注料的使用范圍日益擴大，這與其具有較高的高溫強度、高抗侵蝕性、高使用溫度及高抗熱震性有關。由于采用由純凈原料，并按照復雜工藝制成的優(yōu)質(zhì)材料，使不定形耐火材料的使用達到最好的效果。這些因素決定著優(yōu)質(zhì)耐火材料的生產(chǎn)成本較高。眾所周知，不定形耐火材料的使用性能不僅取決于其物質(zhì)組成，也取決于其成型及加熱處理等工序完成的質(zhì)量。采用不定形耐火材料時，這些工序都在用戶處直接進行，這也是不定形耐火材料使用時的主要復雜性之一，因而要求內(nèi)襯施工的工人應具有較高的熟練程度，對所用施工設備也提出較高的要求。波羅維奇耐火材料股份有限公司的科研中心開發(fā)并開始生產(chǎn)牌號為Borcast及BorAlucast系列的低水泥耐火澆注料混合物、噴涂料、隔熱干混合物。上述材料在鋼鐵工業(yè)及有色冶金工業(yè)中得到了成功的應用。在開發(fā)新型高效不定形耐火材料方面所獲得的顯著成就說明了在生產(chǎn)具有較高純度、強分散性及化學活性的各種原料方面業(yè)績斐然。在生產(chǎn)不定形耐火材料時，利用自身的材料（包括本體材料和骨料）可以降低其使用費用并控制其質(zhì)量。在澆注料的配料組成中采用各種不同的流變性加入劑可以顯著降低澆注料混合物的用水量，改善其流動性和施工便捷性，調(diào)節(jié)凝固或硬化時間。為了強化干燥，在耐火澆注料中使用聚丙烯纖維，在進行加熱處理和燒成時該纖維可以加速和緩和脫水過程，因此，降低了應力和澆注料開裂的危險性。根據(jù)用途，耐火混合物分為振動施工型和自擴型兩種。為了提高結(jié)構(gòu)強度和抗熱震性，澆注料可以采用普通鋼纖維或者低碳鋼纖維來增強。

2.1Borcast系列耐火澆注料混合物

就化學成分和礦物組成而言，不定形耐火材料的分類與俄羅斯國家標準ГОСT28874中傳統(tǒng)耐火材料的分類是一致的。在實踐中應用最多的為剛玉質(zhì)、莫來石剛玉質(zhì)、莫來石質(zhì)及硅酸鋁質(zhì)的不定形耐火混合物。按照用途，耐火澆注料混合物分為下列數(shù)種：（1）牌號為Borcast95WK、Borcast96W及Borcast96S的耐火澆注料混合物該類料用于在鋼包、中間包及煉鋼電弧爐中作整體內(nèi)襯。其物理化學性能列于，制造部件示于圖1。結(jié)合劑類型：水硬性結(jié)合劑。施工方法：振動法和自擴散法。主要原料：剛玉。（2）牌號為Borcast80W、Borcast80S、Bor-cast70WT及Borcast70ST耐火澆注料混合物此類料用于作鋼包和中間包的蓋、鋼包和中間包的永久襯、加熱爐的上部砌塊、鐵水脫硫噴槍，以及作為鋼包永久襯的維修用料。其物理化學性能列于，內(nèi)襯筑造示于圖2。結(jié)合劑類型：水硬性結(jié)合劑。施工方法：振動法和自擴散法。主要原料：莫來石剛玉熟料、紅柱石。（3）牌號為Borcast65S、Borcast55W、Bor-cast50W耐火澆注料混合物此類料用于作鋼包和中間包的蓋以及作它們的永久襯。其物理化學性能列于。結(jié)合劑類型：水硬性結(jié)合劑。施工方法：振動法和自擴散法。主要原料：黏土熟料。（4）牌號為Borcast70SiC及Borcast70SiC-2耐火澆注料混合物此類料用于作鋼包底的內(nèi)襯和制作鐵水脫硫噴槍。其物理化學性能列于，制造襯板示于圖3。結(jié)合劑類型：水硬性結(jié)合劑。施工方法：振動法。主要原料：剛玉、鋁土礦。因為在使用耐火澆注料混合物時，在內(nèi)襯干燥方面可能會出現(xiàn)問題，所以在用澆注料制作的冶金窯爐內(nèi)襯的最重要的工序為干燥和烘爐過程。波羅維奇耐火材料股份有限公司的專家們推薦的干燥制度可以保證內(nèi)襯整個體積內(nèi)的水分均勻地排出，如果不遵守該干燥制度將導致材料開裂。Borcast系列耐火澆注料混合物已經(jīng)成批地向下列冶金企業(yè)供貨：北方鋼廠股份有限公司、布列茲泥科夫煉鎂廠、彼得鋼廠、奧斯柯爾斯克電冶金股份有限公司等。

2.2牌號為Borgun-1、Borgun-2及Borgun-3的噴涂料

當對冶金窯爐進行噴涂（或噴補）時，將特殊配料組成的噴涂料均勻地噴涂到爐襯的損毀面上，以防止其進一步損壞。耐火噴涂料的噴涂層可以承受爐子的熱負荷，保護其工作面不受爐渣和鋼水的侵蝕。在噴涂爐襯時，耐火噴涂層可充當耐火砌體，此外，它如同耐火砌體一樣可使爐襯中的溫度梯度降低，從而使砌體受爐渣和鋼水侵入的深度變淺些。噴涂層可以保護砌體的砌縫，填塞內(nèi)襯的裂縫、坑洞及個別燒毀部位，防止其進一步損毀。采用噴涂方法修補內(nèi)襯時，對于煉鋼爐、鋼包及中間包來說具有重大的意義。選擇噴涂料用材料時，必須考慮下列主要指標：窯爐作業(yè)的溫度制度；在工作溫度范圍內(nèi)就其物理機械性能方面噴涂層與內(nèi)襯表面之間發(fā)生侵蝕作用的程度。對向內(nèi)襯永久層表面噴涂的噴涂料提出下列基本要求：噴涂料應能沿著噴涂機軟管順暢地流出、使用時其體積穩(wěn)定、在內(nèi)襯表面具有足夠的附著性。在對鋼包進行干燥和烘烤時，噴涂料應不易分層剝落及開裂，在內(nèi)襯永久層中不發(fā)生燒結(jié)，保證鋼包中的殘鋼及殘渣易于清理，且不損壞內(nèi)襯的永久層。

2.3牌號為Borgun-1及Borgun-2噴涂料的干混合物

結(jié)合劑類型：化學結(jié)合劑。施工方法：噴涂。主要原料：黏土熟料。

2.4牌號為Borgun-3噴涂料的干混合物

近年來對雜質(zhì)含量低的鋼的需求量日益增大。中間包是由耐火材料筑造的容器，在澆鑄之前鋼水要在中間包進行精煉，對于中間包內(nèi)襯的工作層來說大多選用MgO質(zhì)耐火材料。所開發(fā)的牌號為Borgun-3噴涂料的主要組成完全符合這種要求。結(jié)合劑類型：化學結(jié)合劑。施工方法：噴涂。主要原料：鎂砂。噴涂料的主要組分為骨料、化學結(jié)合劑和添加劑?；瘜W結(jié)合劑含有易熔組分，在加熱時可促進迅速生成陶瓷結(jié)合劑。作為結(jié)合劑可以采用硅酸鈉、硫酸鎂、礬土水泥和各種鎂鹽。在此類料中結(jié)合劑的數(shù)量介于1%~10%之間。在波羅維奇耐火材料股份有限公司的科研中心開發(fā)了一系列噴涂料用功能性加入劑。該類加入劑包括：結(jié)合劑組分、促凝劑、分散性組分、增強性組分及黏性調(diào)節(jié)劑。根據(jù)研究結(jié)果，在料中可以不加黏土組分及分散性組分，這種情況并不降低其附著性和強度性能。

2.5隔熱耐火澆注料混合物

開發(fā)此種產(chǎn)品的迫切性是顯而易見的，在能源價格不斷攀升的條件下，首先要考慮的就是如何通過降低冶金窯爐熱損失的方法來節(jié)約經(jīng)費支出。波羅維奇耐火材料股份有限公司科研中心開發(fā)并向生產(chǎn)中推廣應用牌號為Bortherm隔熱耐火澆注料混合物。該混合物的體積密度為0.8~1.4g•cm-3，并且具有不同的熱導率和強度性能。此類混合物的使用溫度為1000~1300℃，其物理化學性能列于。

2.6BorAlucast系列耐火澆注料混合物

煉鋁工業(yè)是得到強化發(fā)展的冶金行業(yè)之一，由于鋁具有獨特的性能，因此其需求量在逐年地增加。波羅維奇耐火材料股份有限公司科研中心開發(fā)了低水泥和超低水泥耐火澆注料，用于作煉鋁工業(yè)爐的內(nèi)襯。由于采取科學方法選配原料（礦物的類型及顆粒的粒度），以及采取特殊的手段來檢查管理生產(chǎn)，因此開發(fā)出的耐火材料完全可以滿足澆鑄工段工藝技術的要求。在鋁水中經(jīng)常存在著夾雜物（堿金屬及氣體）和加入劑（鎂、鍶、鋯等），一方面這些物質(zhì)本身就是侵蝕劑，另一方面由于它具有活性，導致鋁水的侵蝕作用加劇。在分析物理化學反應時，不僅要考慮到該反應的熱動力學，還要考慮到動力學因素和耐火材料的性能（氣孔率、氣孔類型和結(jié)合相等）。冶煉爐使用的新型低水泥及超低水泥耐火澆注料的開口氣孔率不得超過15%~19%。當耐火材料的氣孔率低時，侵入其中的金屬液數(shù)量也是最少的，因而耐火材料與其反應的程度也是較小的。此外，氣孔的大小及其在耐火材料中的分布狀況也具有重大的意義。眾所周知，如果氣孔的主要尺寸（平均尺寸）超過0.5~1.0μm，則其對鋁水的抗侵蝕性顯著下降。根據(jù)現(xiàn)代的標準及環(huán)保法規(guī)，采用非潤濕性加入劑可以防止金屬液侵入耐火材料內(nèi)襯中，這可通過試驗來驗證：將溫度為950℃的鋁水置于坩堝中歷時48h。圖4（略）中示出了由莫來石質(zhì)Bortherm系列低水泥耐火澆注料制造的坩堝與鋁水進行反應試驗后的坩堝試樣。此種澆注料中未使用非潤濕性加入劑，因此其抗鋁水的侵蝕性不如使用非潤濕性加入劑的澆注料。在使用非潤濕性加入劑的試樣中未觀察到侵蝕層。上述澆注料的物理性能列于。圖5（略）中示出了由剛玉質(zhì)Bortherm系列低水泥耐火澆注料制造的結(jié)構(gòu)致密坩堝與鋁水進行反應的試驗狀況。此種澆注料中未使用非潤濕性加入劑，但是由于耐火材料具有致密的本體并采用了能抵抗鋁水侵蝕的骨料，所以該澆注料能夠抵抗鋁水的侵蝕。利用PASCAL-140型及PAS-CAL-240型水銀氣孔測定儀進行研究的結(jié)果表明，在開發(fā)的所有牌號的澆注料中氣孔的平均尺寸介于0.13~0.78μm之間，這是決定其對鋁水具有一定的抗侵蝕性的最重要的參數(shù)之一。在試樣上未發(fā)現(xiàn)侵蝕痕跡，而金屬液冷卻之后及從坩堝脫出之后并未發(fā)現(xiàn)試樣中有耐火材料顆粒。因此，所制造的氧化鋁含量高的無潤濕性的高強度耐火澆注料可保證對鋁水有較高的抗侵蝕性，這是由于該料的結(jié)構(gòu)達到最佳化、氣孔率低及氣孔尺寸小，同時也是緣于其中使用了可降低鋁水潤濕性的加入劑。