一、研究的背景與問題
在高爐冶煉進程中，爐前作業(yè)是一個重要的環(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)渣溝進入渣處理系統(tǒng)，鐵水流經(jīng)鐵溝和擺動溜槽進入魚雷罐車運輸至下道工序，保證高爐生產(chǎn)正常進行。爐前作業(yè)的主要場所為高爐出鐵場，是除高爐本體之外最重要的高溫區(qū)域，由出鐵場平臺、出鐵口、主溝和渣鐵溝、殘鐵溝、擺動溜槽和爐前除塵系統(tǒng)組成。寶鋼高爐設(shè)有4個鐵口分布在2個對稱的矩形出鐵場。出鐵場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)和正常運行。
目前具有近40年大型高爐操作經(jīng)驗、擁有9座4000m3以上大型高爐、大型高爐鐵水年產(chǎn)能超過3300萬噸的寶鋼股份，經(jīng)過多年技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用改進，出鐵場耐火材料應(yīng)用消耗水平總體保持在國內(nèi)領(lǐng)先水平，但是還存在著很多薄弱環(huán)節(jié)，影響了出鐵場耐材整體應(yīng)用水平，給現(xiàn)場生產(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)護烘烤時間長影響主溝周轉(zhuǎn)，如主溝全線修補需要7天。隨著高爐強化冶煉進行，目前溝修時間已經(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，鐵口保護磚易損壞脫落，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 高爐出鐵場耐材應(yīng)用過程中主要存在的薄弱
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
針對特大型高爐出鐵場在出鐵口和溝系統(tǒng)應(yīng)用中存在主溝接頭易鉆渣滲鐵、溝料施工烘烤時間長、采用瀝青結(jié)合的出鐵場耐材使用過程中產(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磚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、泥套損壞過快等技術(shù)難點，從現(xiàn)狀問題著手，進行了損壞機理研究，產(chǎn)生改進方向，并試驗出配套施工工藝，深入開展基礎(chǔ)研究，提出解決方案后，以工業(yè)試驗應(yīng)用的方式驗證、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)，降低了勞動強度，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)人員勞動強度。本項目技術(shù)思路如圖2所示。
圖2 寶鋼大型高爐出鐵場高效環(huán)保耐材技術(shù)開發(fā)技術(shù)思路
三、主要創(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)
為滿足主溝運行及維護要求優(yōu)異的應(yīng)用效果，開發(fā)主溝接頭的新材料須達到耐侵蝕長壽命、低耗材少固廢的性能目標。在新接頭料的化學(xué)組成設(shè)計上從加強渣鐵抗侵蝕性能保證主要成分的含量與純度、提高高溫強度和致密性加強抗渣鐵沖刷性能、與主溝材料匹配滿足主溝一代壽命要求，使用過程中盡量減少修補次數(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、維護檢修，在主溝溝頭與出鐵口之間設(shè)計、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為尖頭形端面?？刂坪檬┕ぷ鳂I(yè)順序，形成各部位合理的澆注、脫模、養(yǎng)護、烘烤等施工技術(shù)。接頭澆注料的施工和養(yǎng)護參照主溝耐材施工方法，進行同步澆注、養(yǎng)護、烘烤和投入使用。
圖3 主溝接頭施工及整體成型效果
2、出鐵場高效快干溝料及應(yīng)用技術(shù)
國內(nèi)外出鐵場現(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)場高爐鐵口休止時間有限,不允許長時間在施工維護主溝，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、致密的特點造成了材料本身透氣性差，在烘烤和加熱過程中產(chǎn)生的水蒸汽難以順暢、及時的排出，當蒸汽壓力超過材料承受極限時，襯體便會產(chǎn)生裂紋、剝落甚至炸裂，為此通常采取長時間（一般為2~7天甚至更長時間）烘爐來防止炸裂，與鋼鐵企業(yè)連續(xù)、高效的生產(chǎn)流程相矛盾。
為滿足出鐵場高效快干溝料需要達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、使用壽命長等特點，本項目通過對基質(zhì)料調(diào)漿改進，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),達到快速凝結(jié)的目的,同時其內(nèi)部能量降低,大量熱能被釋放出來，大幅縮短水泥凝結(jié)硬化時間。因常規(guī)防爆劑Al粉和防爆纖維存在澆注體強度下降的缺點，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度和線變化，提高高溫強度避免內(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性，減少了攪拌料時的加水量縮短了凝固時間。針對主溝鐵線和渣線的損壞機理不同，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，施工方法需要針對性的改進。其施工要點如下：渣鐵線分層澆注、澆注料先干混再加水混輾、控制振動成型和全線快干料澆注時間。
3、開發(fā)了出鐵場新型環(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，通過搗打、澆筑、噴補等方式進行施工。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)場作業(yè)環(huán)境惡劣。
圖4 耐材中常用的炭源形貌
本項目通過對球狀瀝青作為碳源與SiC形成補強效應(yīng)體系改善材料抗渣性和抗剝落性能研究，率先開發(fā)出采用無機碳源的環(huán)保型澆注料，熔損速率降低了20%，烘烤時無嗅無煙無苯酚、甲醛和苯并芘等有害氣體釋放，大幅改善出鐵場作業(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間才能開展，鐵口應(yīng)用的修復(fù)材料應(yīng)達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，首先對鐵口修復(fù)材料進行物理性能檢測分析，特別是對修復(fù)材料的抗爆裂、抗熱震及強度等關(guān)鍵性能進行技術(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，通過實驗得出鐵口修復(fù)澆注料技術(shù)標準如下。
為了有效修復(fù)鐵口永久磚、保護磚，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，對施工體進行短期養(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號高爐1號鐵口進行了施工和應(yīng)用試驗。本次試驗修復(fù)的鐵口用了6個月依舊完好，不需修補，使用壽命超出了原有鐵口保護磚，目測煤氣火減少90%以上，煤氣火強度受控。本次試驗過程中發(fā)現(xiàn)澆注料硬化速度較快，后續(xù)在加水攪拌方面做對比試驗進行優(yōu)化改進。
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、強度高、耐侵蝕和耐沖刷以及抗氧化性能好，使用壽命長。為了達到以上綜合性能，本項目開發(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)制件實物
并根據(jù)現(xiàn)場環(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號高爐1號鐵口上進行施工并投入使用。經(jīng)過安裝、定位、填充、烘烤等施工工序，整個鐵口結(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)場泥套制作次數(shù)減少、減輕了爐前工人的作業(yè)強度。
圖6 鐵口泥套預(yù)制件安裝示意圖
四、應(yīng)用情況與效果
本項目通過研發(fā)新型的主溝接頭澆注料、出鐵場快干料、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1200萬元，消除主溝接頭漏渣鐵的安全風(fēng)險，改善作業(yè)環(huán)境，降低勞動強度，大幅提升爐前勞動效率，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。
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，并通過與主溝一體化施工、維護檢修新技術(shù)，接頭部位壽命延長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，實現(xiàn)從施工開始到具備投入條件共用時12.5小時，相對原技術(shù)7天修補時間縮短時間92.6%，實現(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。出鐵場高效快干溝料及施工方法于2015年4月1日在寶鋼1號高爐4號鐵口試用，實現(xiàn)從施工開始到具備投入條件共用時12.5小時，相對原技術(shù)7天修補時間縮短時間92.6%，在通鐵8萬噸時點檢測算熔損速率為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、出鐵場新型環(huán)保溝料于2017年4月19日在寶鋼1號高爐試用，環(huán)保主溝澆注料與普通主溝澆注料性能差別不大，烘烤時不冒煙，改善了現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境。
圖7 出鐵場新型環(huán)保溝料應(yīng)用前后的出鐵場作業(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，達到了鐵口框架區(qū)域煤氣火減少80%，鐵口框架耐材使用時間達到了原有技術(shù)的4倍，有利于維護鐵口區(qū)域耐材結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對高爐安全生產(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)強度，達到了出鐵口區(qū)域安全、穩(wěn)定、高效、長壽的應(yīng)用效果。
本技術(shù)已獲得授權(quán)專利6項（其中發(fā)明專利4項），發(fā)明專利在審2項，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等國內(nèi)大中型高爐，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。
