环保无水炮泥材料[1]1

炮泥及其作用
炮泥是炼铁高炉用于堵铁口的耐火材料，其性能的优劣直接关系到高炉能否安全运行。

随着高炉大型化、高风压、大量渣铁的排出，对堵铁口的炮泥质量要求越来越高。

总体讲，高炉不出铁渣熔液时，炮泥填充在铁口内，使铁口维持足够的深度；高炉出铁时，铁口内的炮泥中心被钻出孔道，铁渣熔液通过孔道排出炉外，这要求炮泥维持铁口孔径稳定，出铁均匀，最终出净炉内的铁渣熔液。

每天高炉的出铁口都要反复多次被打开和充填，炽热的铁水和熔渣对炮泥产生物理和化学作用，使炮泥损毁。

为了使铁口工作状态稳定，满足高炉强化冶炼的需要，要求炮泥的作业性、体积稳定性、烧结性同时具有抗渣、铁液侵蚀和冲刷，抗氧化的特征。

一炮泥的种类和成分
1.1 炮泥的种类
炮泥跟据结合剂的不同分为有水炮泥和无水炮泥，无水炮泥又分为焦油型炮泥和树脂型炮泥。

1.1.1 高炉用有水炮泥
有水炮泥特点：
（1）结合剂水在常温下和粘土作用，使各种配料混合在一起成泥状，并具有一定的可塑性。

（2）高温下水蒸发后迅速硬化，具有一定的强度，阻止渣铁流出。

进而粘土热硬，沥青结焦使炮泥具有高温结构强度。

因此，使用有水炮泥时，可在堵上铁口3—5分钟后退炮。

1.1.2 高炉用无水炮泥
无水炮泥特点：
（1）以焦油或树脂做结合剂，在一定温度下液化和粘土作用，使各种配料结合在一起成泥状，并具有一定的可塑性。

（2）在高温作用下，结合剂先液化使炮泥变软，继而挥发分挥发，游离碳结焦，各种原料在进行一次烧结，使炮泥热硬并形成高温结构强度。

从堵口炮泥液化变软到变硬，大约需要20—30分钟。

因此，用无水炮泥时，要
堵上铁口20分钟后再退炮。

1.2 炮泥的成分
炮泥是一种不定型耐火材料，其组成可以分为两个部分耐火骨料和结合剂。

有水炮泥以粘土粉、粘土耐火砖破碎颗粒、焦炭粉为主要原料，适当加入沥青、高铝矾土、碳化硅等，采用水作为结合剂。

常用无水炮泥原料一般以刚玉、高铝矾土、碳化硅、粘土及焦粉等，为了改善炮泥性能，提高其强度及耐侵蚀性，已开始采用金属硅、金属铝、绢云母粉、氮化硅铁等原料，各种微粉以及超微粉原料的添加进一步的提高了其致密度及烧结性能，无水炮泥通常采用焦油、二蒽油、树脂作为结合剂。

二主要原料组成对炮泥性能的影响
2.1 炮泥主要原料
1、焦粉
焦炭的种类不同将产生不同化学反应及其他不同特征。

焦炭的特性是气孔率高、导热及导电性能好，抗渣及热震稳定性好，使铁口保持还原气氛，对SiC、碳化网络及碳素材料起保护作用，是炮泥的主要原料之一。

焦粉的主要作用有三个：一是作为骨料，增强炮泥的显气孔率，改善炮泥的透气性，便于挥发分的释放；二是提供碳素与结合剂挥发的残炭结合，形成碳结合相，保证炮泥的最终强度；三是产生还原气氛，抑制其他原料氧化。

2、碳化硅
SiC具有高熔点（2200℃）、耐侵蚀、高热导率、高耐磨性（硬度值达到2500kg/mm2)、高温强度高、热膨胀系数小、热震稳定性好等优点，在泥料中配入一定数量的碳化硅其作用是为了填充主骨料颗粒之间的空隙，以形成耐火基质，使泥料具有更好的抗渣性、高温结构强度和热震稳定性，可改善其抗熔渣侵蚀和抗冲刷能力。

但碳化硅在高温氧化气氛中易被氧化，因此在配入泥料中使用时应给予考虑。

3、棕刚玉
炮泥所用的棕刚玉属中性耐火材料，体密大、熔点高、硬度大、化学性
质稳定、耐渣铁侵蚀性好，在高温时转化为α-Al2O3,根据其性能上的特点，在无水炮泥中配入一定比例的棕刚玉，是为了提高炮泥的抗渣铁冲刷性和抗炉渣的化学侵蚀作用以及炮泥的高温结构强度等。

棕刚玉在炮泥中常作为骨料和粉料使用。

4、高铝（铝矾土）骨料
高铝骨料属于致密质耐火颗粒原料，耐火度达到1770℃，在堵出铁口中起骨架作用。

粒径在3mm左右，其化学成分要求Al2O3≥80%、Fe3O4≤2%、MgO+CaO≤0.5%，吸水率≤5%。

5、绢云母
绢云母在无水炮泥中的作用：
（1）提高炮泥的中、低温强度；
（2）绢云母在高温下可做结合剂
（3）绢云母在炮泥原料中系超微粉原料，能使炮泥润滑，有利于打泥
6、沥青
沥青作为含碳粘结剂配入泥料中，主要是帮助结合剂发挥强化效应，可以进一步起到改进泥料某些性能的作用。

如在高温条件下沥青成分碳化析出石墨碳，使泥料具有较好的高温结构强度,炮泥选用的沥青一般为高温沥青或改质沥青，其软化点要求大于100℃。

7、粘土（白泥）粉
炮泥生产中所选用的粘土为软质可塑性粘土，主要成分是AL2O3+SiO2,粘土在中温（900℃—1400℃）下能烧结成陶瓷材料，具有一定的硬度和耐磨性，但受热收缩大且致密，不利于水分及有机物的挥发和逸出。

根据粘土加热变化特点，在泥料中过多的配入粘土粉，对泥料的体积稳定性会有一定的影响，如铁口断裂等。

因此在泥料配制中应该给予严格控制。

一般配入量在10—15%，最多不超过20%。

8、氮化硅（氮化硅结合碳化硅、氮化硅铁）
近几年，随着对炮泥的研究深入，越来越多的非氧化物添加到炮泥中，对改善炮泥的性能起到了很好的作用。

氮化硅：氮化硅具有熔点高、硬度高、热震稳定性好的特点，也是Al2O3-C 质材料中常用的防氧化剂之一，与Al2O3反应生成Si-Al-O-N陶瓷相，可以有效抑制炮泥和熔渣反应生成低熔点物相，提高炮泥的抗侵蚀能力。

氮化硅结合碳化硅：Si3N4结合SiC复合材料具有较Si3N4与SiC更好的性能。

在高温下，SiC或Si3N4可将CO还原成C，并产生SiO2,出现体积膨胀，使炮泥的高温强度，抗氧化性和渣铁性能明显提高。

氮化硅铁：FeSi3N4由于铁的引入将有促进炮泥烧结的作用，使用时，Si3N4与铁反应生成SiC强化了基质，提高了炮泥的中温强度和高温强度，增加了炮泥的耐侵蚀性和抗冲刷性。

反应中N2的形成并部分储存于气孔中，起到抑制铁水和熔渣向炮泥渗入及侵蚀的同时，由于在高温下N2的形成，提高了炮泥的显气孔率，这样有利于提高炮泥的可钻性，缩短开铁口时间，减少钻杆消耗及劳动强度，其加入量一般为8％-10％。

综上所述，无水炮泥是一个复杂的多元体系，每种原料具有不同作用，其泥料组成及功能如图2.1所示。

各原料之间相互作用，从而使无水炮泥具有不同性能，所以获得最佳原料组成是高性能炮泥的基础。

图2.1 炮泥原料组成及功能
三炮泥强度与炉容关系
高炉炼铁生产向大型化、长寿化、高压、高强度冶炼发展，炮泥从单纯的消耗性耐火材料转换为功能性耐火材料，高炉大型化对无水炮泥强度提出了更高要求。

无水炮泥强度高，其抵抗高温熔体冲刷能力就强，对维护高炉炉况（如铁口深度、出铁时间、全风堵口率等）稳定具有重要意义，从而奠定高炉增产的基础。

而在开铁口时，强度过大又给钻孔带来困难，增加了钻杆消耗、工人劳动强度，因此炮泥必须具有合适的强度。

在耐火材料行业中，强度一般指抗折强度和耐压强度。

无水炮泥技术指标应符合以下标准，如表3.1所示：
表3.1 无水炮泥强度与炉容关系
四高炉打泥量与铁口深度的控制
在高炉投产前，为了加厚铁口部分的炉衬，炉缸特意砌筑成一个上小下大的截锥体，以利于保护铁口，为了巩固铁口周围炉壳，在铁口周围安装了铁口框架。

在高炉正常生产时，铁口部位的炉衬一部分已被渣铁侵蚀，在生产中借堵口泥形成的“泥包”来代替此部分的炉衬，并使此部位的炉缸厚度达到设计的厚度。

泥包接近炉衬部分主要由堵口泥形成，而接近炉
内部分是堵口泥夹杂的大量焦炭。

图4.1 开炉后生产中的铁口状况
铁口深度是指铁口至泥包外壳的实际厚度，合理的铁口深度应该是炉缸原内衬加炉壳厚度的1.2～1.5倍，不同的高炉对铁口深度的要求也是不一样的。

铁口深度大小是衡量炮泥使用效果好坏的重要标准。

深度过浅，炉墙受到侵蚀，影响高炉寿命，且容易产生危险；深度过深，即增加了吨铁炮泥消耗，又存在开口困难隐患。

不用炉容的高炉，要求铁口正常的深度范围如表4.1所示：炉容/M3≤350 500～1000 1000～2000 2000～4000 ＞4000 铁口深度/m 0.7～1.5 1.5～2.0 2.0～2.5 2.5～3.2 3.0～3.5
表 4.1
维持正常足够的铁口深度，可促进高炉中心渣铁流动，抑制渣铁对炉底周围的环流侵蚀，起到保护炉底的效果。

同时由于深度较深，铁口通道沿程阻力增加，铁口前泥包稳定，钻铁口时不易断裂。

在高炉出铁口角度一定的条件下，铁口深度增长时，铁口通道稳定，有利于出净渣铁，促进炉况稳定顺行。

铁口过浅的危害：
①铁口过浅，无固定的泥包保护炉墙，在渣铁的冲刷侵蚀作用下，炉墙越来越薄，使铁口难以维护，容易造成铁水穿透残余的砖衬而烧坏冷却壁，甚至发生铁口爆炸或炉缸烧芽等重大恶性事故。

②铁口过浅，出铁时往往发生“跑大流”和“跑焦炭”事故，高炉被迫减风出铁，造成煤气流分布失常、崩料、悬料和炉温的波动。

③铁口过浅，渣铁出不尽，使炉缸内积存过多的渣铁，恶化炉缸料柱的透气性，影响炉况的顺行，同时还造成上渣带铁多，易烧坏渣口，给放渣操作带来困难，甚至造成渣口爆炸。

④铁口过浅，在退炮时还容易发生铁水冲开堵泥流出，造成泥炮倒灌，烧坏炮头，甚至发生渣铁漫到铁道上，烧坏铁道的事故。

有时铁水也会自动从铁口流出，造成漫铁的事故。

保持正常的铁口深度的操作：
①每次按时出净渣铁，并且渣铁出净时，全风堵出铁口。

②正确地控制打泥量。

2500 m3高炉通常每次泥炮打泥量在300 kg，炮泥单耗0．8 k／t。

③炮泥要有良好的塑性及耐高温渣铁磨蚀和熔蚀的能力。

炮泥制备时配比准确、混合均匀、粒度达到标准及采用塑料袋对炮泥进行包装。

④加强铁口泥套的维护。

⑤放好上渣。

⑥严禁潮铁口出铁。

为了保证完整、适宜的铁口孔道深度与泥包的完整，应根据前几次铁的炉况
变化和深度变化选择适宜的打泥量，不得随意增减泥量，如铁口浅，也应该本着
慢慢长上去的原则，逐步稳固。

炮泥的打泥量随着高炉容积和铁口深度的增加而
增加，一般说来，3200m3高炉一次打泥量在300kg左右，4000m3高炉一次打泥量在400kg左右。

五炮泥质量与出尽渣铁关系
渣铁出不尽，堵口炮泥出现漂浮，使铁口连续过浅，同时增加了出渣量。

出尽渣铁是对炉前操作的基本要求，也是炮泥使用效果的重要指标。

根据目前大高炉铁钩结构，跑大流导致的铁水漫沟的情况一般不会出现。

一方面连续放不尽渣铁，炉内渣铁面上升，严重影响高炉顺行；另一方面，堵口时冒泥几率增加，影响铁口深度，严重时导致堵不上铁口，而铁口深度变浅又进一步影响渣铁出尽，形成恶性循环。

炮泥质量差导致渣铁出不尽主要表现在以下方面：
（1）炮泥抗渣铁冲刷及侵蚀性差，铁口通道迅速扩大，导致渣铁出不尽；（2）炮泥抗拉性差，在出铁过程中，由于受到铁口通道截面大小限制，流动的渣铁在炉墙铁口泥包出形成“涡流”，对泥包形成冲刷，磨损，铁口深度迅速变浅，导致渣铁出不尽；
（3）炮泥导热率和透气性不良，导致孔道内外温差应力加大，受热膨胀不均，导致泥包和铁口通道产生断裂和变形，失去结构强度和完整性，且铁口深度变浅，渣铁出不尽；
（4）炮泥高温体积稳定性差、收缩大，使得堵铁口时新旧炮泥接触面上由于新打入炮泥的收缩产生缝隙，当下次开铁口时，在渣铁强烈冲刷下，使得炮泥发生脱落损毁，铁口通道孔径变大，导致渣铁出不尽。