一、研究的背景與問(wèn)題
在高爐冶煉進(jìn)程中，爐前作業(yè)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是連續(xù)不斷地將高爐內(nèi)生成的渣鐵從鐵口排出，在主溝內(nèi)渣鐵分離后，高爐渣經(jīng)渣溝進(jìn)入渣處理系統(tǒng)，鐵水流經(jīng)鐵溝和擺動(dòng)溜槽進(jìn)入魚雷罐車運(yùn)輸至下道工序，保證高爐生產(chǎn)正常進(jìn)行。爐前作業(yè)的主要場(chǎng)所為高爐出鐵場(chǎng)，是除高爐本體之外最重要的高溫區(qū)域，由出鐵場(chǎng)平臺(tái)、出鐵口、主溝和渣鐵溝、殘鐵溝、擺動(dòng)溜槽和爐前除塵系統(tǒng)組成。寶鋼高爐設(shè)有4個(gè)鐵口分布在2個(gè)對(duì)稱的矩形出鐵場(chǎng)。出鐵場(chǎng)由多種耐火材料組成，耐火材料性能決定了高爐的安全生產(chǎn)和正常運(yùn)行。
目前具有近40年大型高爐操作經(jīng)驗(yàn)、擁有9座4000m3以上大型高爐、大型高爐鐵水年產(chǎn)能超過(guò)3300萬(wàn)噸的寶鋼股份，經(jīng)過(guò)多年技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用改進(jìn)，出鐵場(chǎng)耐火材料應(yīng)用消耗水平總體保持在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，但是還存在著很多薄弱環(huán)節(jié)，影響了出鐵場(chǎng)耐材整體應(yīng)用水平，給現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)與環(huán)保造成了不少困難與安全隱患。主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：
1、位于出鐵口與主溝溝頭之間的主溝接頭采用搗打成型，因接頭部位溫度高、煤氣濃度高，搗打料施工中又揮發(fā)有毒有害氣體，維修作業(yè)中存在安全隱患，且搗打成型的主溝接頭烘烤后收縮出現(xiàn)裂縫，材料抗渣鐵侵蝕性能差，每年發(fā)生鉆渣、滲鐵等事故而造成重大損失，影響爐前作業(yè)安全。
2、目前溝系統(tǒng)澆注材料，養(yǎng)護(hù)烘烤時(shí)間長(zhǎng)影響主溝周轉(zhuǎn)，如主溝全線修補(bǔ)需要7天。隨著高爐強(qiáng)化冶煉進(jìn)行，目前溝修時(shí)間已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需要。其次原有溝料使用含瀝青作為碳源，瀝青中含有苯可溶物、樹脂、喹啉不溶物、苯并芘等致癌物質(zhì)，在應(yīng)用過(guò)程中冒黃煙和散發(fā)刺激性氣味。
3、鐵口區(qū)域煤氣火治理手段效果有限，煤氣火不受控制時(shí)，鐵口保護(hù)磚易損壞脫落，影響鐵口區(qū)域耐材結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。受鐵口區(qū)域煤氣泄漏影響，出鐵過(guò)程中發(fā)生的鐵口噴濺危及作業(yè)人員安全，環(huán)境惡劣。煤氣火不受控制，易燒壞開口機(jī)掛鉤和泥炮炮頭等爐前設(shè)備以及鐵口泥套使用壽命大大縮短，影響作業(yè)安排和順序調(diào)整，甚至出現(xiàn)鐵口泥套異常損壞導(dǎo)致高爐休減風(fēng)次數(shù)增加。
圖1 高爐出鐵場(chǎng)耐材應(yīng)用過(guò)程中主要存在的薄弱
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
針對(duì)特大型高爐出鐵場(chǎng)在出鐵口和溝系統(tǒng)應(yīng)用中存在主溝接頭易鉆渣滲鐵、溝料施工烘烤時(shí)間長(zhǎng)、采用瀝青結(jié)合的出鐵場(chǎng)耐材使用過(guò)程中產(chǎn)生可視環(huán)境污染、鐵口區(qū)煤氣火治理效果不佳影響鐵口永久磚保護(hù)磚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、泥套損壞過(guò)快等技術(shù)難點(diǎn)，從現(xiàn)狀問(wèn)題著手，進(jìn)行了損壞機(jī)理研究，產(chǎn)生改進(jìn)方向，并試驗(yàn)出配套施工工藝，深入開展基礎(chǔ)研究，提出解決方案后，以工業(yè)試驗(yàn)應(yīng)用的方式驗(yàn)證、優(yōu)化，取得顯著的效果后，固化技術(shù)成果，形成大型高爐出鐵場(chǎng)高效、環(huán)保耐材技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，消除了主溝接頭處鉆渣滲鐵等事故，改善爐前作業(yè)環(huán)境和作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。本項(xiàng)目技術(shù)思路如圖2所示。
圖2 寶鋼大型高爐出鐵場(chǎng)高效環(huán)保耐材技術(shù)開發(fā)技術(shù)思路
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、高爐主溝接頭用新型綠色環(huán)保澆注料開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)
為滿足主溝運(yùn)行及維護(hù)要求優(yōu)異的應(yīng)用效果，開發(fā)主溝接頭的新材料須達(dá)到耐侵蝕長(zhǎng)壽命、低耗材少固廢的性能目標(biāo)。在新接頭料的化學(xué)組成設(shè)計(jì)上從加強(qiáng)渣鐵抗侵蝕性能保證主要成分的含量與純度、提高高溫強(qiáng)度和致密性加強(qiáng)抗渣鐵沖刷性能、與主溝材料匹配滿足主溝一代壽命要求，使用過(guò)程中盡量減少修補(bǔ)次數(shù)，完全摒棄樹脂結(jié)合、搗打施工的生產(chǎn)與成型方式。
為滿足主溝接頭澆注料與主溝一體化施工模式、維護(hù)檢修，在主溝溝頭與出鐵口之間設(shè)計(jì)、制作整體澆注施工的模具,原主溝耐材澆筑模具平整的端面改進(jìn)為尖頭形端面。控制好施工作業(yè)順序，形成各部位合理的澆注、脫模、養(yǎng)護(hù)、烘烤等施工技術(shù)。接頭澆注料的施工和養(yǎng)護(hù)參照主溝耐材施工方法，進(jìn)行同步澆注、養(yǎng)護(hù)、烘烤和投入使用。
圖3 主溝接頭施工及整體成型效果
2、出鐵場(chǎng)高效快干溝料及應(yīng)用技術(shù)
國(guó)內(nèi)外出鐵場(chǎng)現(xiàn)有耐材主要采用鋁酸鈣水泥作為結(jié)合劑，加水后發(fā)生絮凝、水化反應(yīng),由于鋁酸鈣水泥含水化反應(yīng)速度緩慢的CA2成分。由于現(xiàn)場(chǎng)高爐鐵口休止時(shí)間有限,不允許長(zhǎng)時(shí)間在施工維護(hù)主溝，從而限制了鋁酸鈣水泥結(jié)合的出鐵溝澆注料在高溫條件下的使用，低水泥澆注料的低氣孔、致密的特點(diǎn)造成了材料本身透氣性差，在烘烤和加熱過(guò)程中產(chǎn)生的水蒸汽難以順暢、及時(shí)的排出，當(dāng)蒸汽壓力超過(guò)材料承受極限時(shí)，襯體便會(huì)產(chǎn)生裂紋、剝落甚至炸裂，為此通常采取長(zhǎng)時(shí)間（一般為2~7天甚至更長(zhǎng)時(shí)間）烘爐來(lái)防止炸裂，與鋼鐵企業(yè)連續(xù)、高效的生產(chǎn)流程相矛盾。
為滿足出鐵場(chǎng)高效快干溝料需要達(dá)到澆注后迅速硬化成型、快速脫模、高溫烘烤不爆裂不剝落、耐高溫渣鐵侵蝕和耐沖刷抗氧化性好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)基質(zhì)料調(diào)漿改進(jìn)，使其能夠和漿液中的氧化鋁和氫氧化鈣快速反應(yīng),并迅速形成交叉網(wǎng),使水泥顆粒相互粘結(jié),達(dá)到快速凝結(jié)的目的,同時(shí)其內(nèi)部能量降低,大量熱能被釋放出來(lái)，大幅縮短水泥凝結(jié)硬化時(shí)間。因常規(guī)防爆劑Al粉和防爆纖維存在澆注體強(qiáng)度下降的缺點(diǎn)，為了盡可能快速烘烤及提高抗爆裂的溫度，引入其他種類的防爆劑,提高澆注料的防爆裂溫度。
采用高純剛玉骨料、優(yōu)質(zhì)SiC，提高了澆注料的抗熱震穩(wěn)定性、耐沖刷、抗侵蝕能力，有效地控制澆注料高溫強(qiáng)度和線變化，提高高溫強(qiáng)度避免內(nèi)裂紋現(xiàn)象，在澆注料中添加促凝劑、復(fù)合分散劑，改善了澆注料的流動(dòng)性，減少了攪拌料時(shí)的加水量縮短了凝固時(shí)間。針對(duì)主溝鐵線和渣線的損壞機(jī)理不同，將高爐主溝快干料分為鐵線料和渣線料，采用鐵線料和渣線料分開澆注的辦法，使鐵線料和渣線料的熔損速率一致，從而保證主溝通鐵量。
相對(duì)原有溝系澆注料，快干料具有迅速硬化成型、快速脫模、可以快速高溫烘烤的特點(diǎn)，施工方法需要針對(duì)性的改進(jìn)。其施工要點(diǎn)如下：渣鐵線分層澆注、澆注料先干混再加水混輾、控制振動(dòng)成型和全線快干料澆注時(shí)間。
3、開發(fā)了出鐵場(chǎng)新型環(huán)保溝料
寶鋼高爐出鐵溝的溝襯材料主要以以剛玉、碳化硅、瀝青為主要原料，通過(guò)搗打、澆筑、噴補(bǔ)等方式進(jìn)行施工。高爐出鐵溝澆注料中大部分使用球狀瀝青作為碳源，瀝青中含有苯可溶物、樹脂、喹啉不溶物、苯并芘等致癌物質(zhì)，在熱態(tài)施工、烘烤和應(yīng)用中，澆注料的瀝青原料中揮發(fā)分氣化，并產(chǎn)生煙塵和難聞的氣味，造成現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境惡劣。
圖4 耐材中常用的炭源形貌
本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)球狀瀝青作為碳源與SiC形成補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)體系改善材料抗渣性和抗剝落性能研究，率先開發(fā)出采用無(wú)機(jī)碳源的環(huán)保型澆注料，熔損速率降低了20%，烘烤時(shí)無(wú)嗅無(wú)煙無(wú)苯酚、甲醛和苯并芘等有害氣體釋放，大幅改善出鐵場(chǎng)作業(yè)環(huán)境。
4、鐵口整體成型及修復(fù)用新型澆注料
鐵口修復(fù)澆注料將長(zhǎng)期受高溫煤氣火烘烤，鐵口修復(fù)須利用有限的高爐定修時(shí)間才能開展，鐵口應(yīng)用的修復(fù)材料應(yīng)達(dá)到能夠迅速硬化成型、迅速高溫烘烤、耐渣鐵侵蝕沖刷性能優(yōu)良，抗氧化性能好等要求。本項(xiàng)目選用的原材料有剛玉、碳化硅、特種水泥、減水劑、防爆劑等。根據(jù)鐵口修復(fù)技術(shù)要求及采用的材料體系，首先對(duì)鐵口修復(fù)材料進(jìn)行物理性能檢測(cè)分析，特別是對(duì)修復(fù)材料的抗爆裂、抗熱震及強(qiáng)度等關(guān)鍵性能進(jìn)行技術(shù)分析。
確定SiC材質(zhì)澆注料更適合鐵口修復(fù)的應(yīng)用條件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出鐵口修復(fù)澆注料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。
為了有效修復(fù)鐵口永久磚、保護(hù)磚，有效的控制鐵口框架內(nèi)煤氣火，維修方案原則為：首先拆除將鐵口永久磚、保護(hù)磚和泥套，在鐵口框內(nèi)焊接錨固件，制作好模具框，采用鐵口修復(fù)澆注料成型。澆注施工完成后，對(duì)施工體進(jìn)行短期養(yǎng)生、脫模、烘烤，即可投入使用。
鐵口修復(fù)澆注料和修復(fù)方法在2015年12月15日在寶鋼3號(hào)高爐1號(hào)鐵口進(jìn)行了施工和應(yīng)用試驗(yàn)。本次試驗(yàn)修復(fù)的鐵口用了6個(gè)月依舊完好，不需修補(bǔ)，使用壽命超出了原有鐵口保護(hù)磚，目測(cè)煤氣火減少90%以上，煤氣火強(qiáng)度受控。本次試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)澆注料硬化速度較快，后續(xù)在加水?dāng)嚢璺矫孀鰧?duì)比試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。
5、開發(fā)出鐵口泥套預(yù)制件
鐵口應(yīng)用的材料應(yīng)具備熱震穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、耐侵蝕和耐沖刷以及抗氧化性能好，使用壽命長(zhǎng)。為了達(dá)到以上綜合性能，本項(xiàng)目開發(fā)采用了用剛玉-碳化硅質(zhì)材質(zhì)制作鐵口泥套預(yù)制件，各種原料混合均勻后采用液壓機(jī)壓制成型，再經(jīng)高溫?zé)桑匀焕鋮s后出爐。
圖5 鐵口泥套預(yù)制件實(shí)物
并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境開發(fā)出高爐出鐵口泥套預(yù)制件的安裝方法。2019年2月28日在寶鋼4號(hào)高爐1號(hào)鐵口上進(jìn)行施工并投入使用。經(jīng)過(guò)安裝、定位、填充、烘烤等施工工序，整個(gè)鐵口結(jié)構(gòu)完整穩(wěn)固，與泥炮口結(jié)合緊密，大大減少了冒泥現(xiàn)象，新型泥套預(yù)制件的應(yīng)用提高了鐵口合格率，減少了因泥套故障而休風(fēng)的次數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)泥套制作次數(shù)減少、減輕了爐前工人的作業(yè)強(qiáng)度。
圖6 鐵口泥套預(yù)制件安裝示意圖
四、應(yīng)用情況與效果
本項(xiàng)目通過(guò)研發(fā)新型的主溝接頭澆注料、出鐵場(chǎng)快干料、環(huán)保型耐材、鐵口修復(fù)澆注料和鐵口泥套預(yù)制件等新材料以及配套開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)施工和應(yīng)用新技術(shù)，在寶山基地應(yīng)用后，減少耐材消耗量年效益超1200萬(wàn)元，消除主溝接頭漏渣鐵的安全風(fēng)險(xiǎn)，改善作業(yè)環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅提升爐前勞動(dòng)效率，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
1、開發(fā)了高爐主溝接頭用新型綠色環(huán)保Al2O3-SiC質(zhì)澆注料，替代原有搗打施工方式。新澆注接頭抗渣鐵侵蝕性能優(yōu)異，并通過(guò)與主溝一體化施工、維護(hù)檢修新技術(shù)，接頭部位壽命延長(zhǎng)20倍，提高了通鐵量，消除了主溝接頭鉆渣滲鐵等事故。
2、開發(fā)了出鐵場(chǎng)高效快干溝料，采用快水泥等快干劑結(jié)合耐材骨料取代目前的結(jié)合劑，實(shí)現(xiàn)從施工開始到具備投入條件共用時(shí)12.5小時(shí)，相對(duì)原技術(shù)7天修補(bǔ)時(shí)間縮短時(shí)間92.6%，實(shí)現(xiàn)主溝材料快速烘烤，縮短施工工期，減少烘烤煤氣量，提高出鐵場(chǎng)主溝周轉(zhuǎn)效率，新材料抗渣鐵侵蝕性能優(yōu)于原有溝料，減緩爐前生產(chǎn)與設(shè)備的操作壓力。出鐵場(chǎng)高效快干溝料及施工方法于2015年4月1日在寶鋼1號(hào)高爐4號(hào)鐵口試用，實(shí)現(xiàn)從施工開始到具備投入條件共用時(shí)12.5小時(shí)，相對(duì)原技術(shù)7天修補(bǔ)時(shí)間縮短時(shí)間92.6%，在通鐵8萬(wàn)噸時(shí)點(diǎn)檢測(cè)算熔損速率為2.59mm/千噸，優(yōu)于原有普通溝料。本技術(shù)目前作為寶山基地應(yīng)急溝修補(bǔ)技術(shù)使用，作為常規(guī)技術(shù)推廣至梅山基地1200m3高爐使用。
3、出鐵場(chǎng)新型環(huán)保溝料于2017年4月19日在寶鋼1號(hào)高爐試用，環(huán)保主溝澆注料與普通主溝澆注料性能差別不大，烘烤時(shí)不冒煙，改善了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境。
圖7 出鐵場(chǎng)新型環(huán)保溝料應(yīng)用前后的出鐵場(chǎng)作業(yè)環(huán)境
4、開發(fā)了鐵口修復(fù)用新型澆注料，并形成一整套修復(fù)方法，達(dá)到了鐵口框架區(qū)域煤氣火減少80%，鐵口框架耐材使用時(shí)間達(dá)到了原有技術(shù)的4倍，有利于維護(hù)鐵口區(qū)域耐材結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對(duì)高爐安全生產(chǎn)、環(huán)保、提高生產(chǎn)效率意義重大。
圖8 寶鋼某高爐鐵口煤氣火治理前后示意圖
5、創(chuàng)造性地開發(fā)了SiC質(zhì)機(jī)壓及高溫?zé)沙鲨F口泥套預(yù)制件，形成高爐出鐵口泥套及其制備方法，改變了原有落后的搗打及擠壓在線施工方式，減輕了爐前作業(yè)強(qiáng)度，達(dá)到了出鐵口區(qū)域安全、穩(wěn)定、高效、長(zhǎng)壽的應(yīng)用效果。
本技術(shù)已獲得授權(quán)專利6項(xiàng)（其中發(fā)明專利4項(xiàng)），發(fā)明專利在審2項(xiàng)，成功應(yīng)用在寶鋼股份寶山基地、梅山基地、青山基地和中南鋼鐵重鋼集團(tuán)等國(guó)內(nèi)大中型高爐，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。
