摘  要  溶膠結(jié)合耐材具有無(wú)需養(yǎng)護(hù)便可快速烘烤、良好的體積穩(wěn)定性、抗熱震穩(wěn)定性及抗CO侵蝕性能等特性。在煉鐵系統(tǒng)中，溶膠結(jié)合快速修補(bǔ)耐材取代傳統(tǒng)結(jié)合劑結(jié)合耐材，在高爐噴注、爐缸澆注、鐵口維修維護(hù)、熱風(fēng)爐局部坍塌熱態(tài)修復(fù)等方面得到了廣泛成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞  硅溶膠  熱態(tài)澆注  爐缸澆注  鐵口維修  壓漿 

1  前言

隨著資源節(jié)約、環(huán)境友好和諧社會(huì)發(fā)展的需要，高爐的高效與長(zhǎng)壽已成為現(xiàn)代化煉鐵所追求的目標(biāo)，而有效的爐體維護(hù)是實(shí)現(xiàn)高爐及配套煉鐵系統(tǒng)設(shè)備高效與長(zhǎng)壽的關(guān)鍵。目前我國(guó)高爐煉鐵系統(tǒng)耐材快速修補(bǔ)技術(shù)已得到推廣應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)的修補(bǔ)耐材，多采用樹(shù)脂及焦油作結(jié)合劑，這類(lèi)材料常溫難以固化且體積穩(wěn)定性較差，中低溫烘烤時(shí)還產(chǎn)生大量有害氣體。而水泥結(jié)合耐材因需養(yǎng)護(hù)形成水化礦相才能形成有效結(jié)合強(qiáng)度，而快速修補(bǔ)（特別是熱態(tài)搶修）幾乎沒(méi)有養(yǎng)護(hù)水化時(shí)間，所以修補(bǔ)料性能難以有效發(fā)揮；另外，因水泥結(jié)合耐材水化礦相脫水溫度高造成脫水困難，在快速烘烤中極易發(fā)生爆裂。

所以為了有效改善目前修補(bǔ)材料的性能，增加修補(bǔ)材料品種，我們研制了溶膠結(jié)合快速修補(bǔ)耐材（澆注料、噴注料、壓入料等），現(xiàn)已在煉鐵系統(tǒng)耐材襯里冷/熱態(tài)快速修補(bǔ)上廣泛應(yīng)用。

2  溶膠結(jié)合耐材特性

2.1  硅溶膠結(jié)合劑

硅溶膠(見(jiàn)圖1)是粒徑從幾納米到數(shù)十納米的多聚硅酸分散體系［1］，溶膠粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)為硅氧烷(-Si-O-Si)網(wǎng)絡(luò)，表面層由許多硅烷醇基(-SiOH)和羥基(-OH)所覆蓋。當(dāng)硅溶膠與Al2O3微粉混合時(shí)，膠體粒子可吸附在Al2O3顆粒表面，形成單層飽和分布，同時(shí)填充于Al2O3顆粒間隙，因此分散性、滲透性較好。通過(guò)干燥或燒結(jié)處理，膠體粒子以化學(xué)健(Si-O-Si)相結(jié)合，形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將Al2O3顆粒牢固結(jié)合在一起，并在Al2O3顆粒表面形成納米包覆的微復(fù)合結(jié)構(gòu)［2］。同時(shí)硅溶膠覆蓋在固體表面能形成牢固的硅膠薄膜［3］，從而增強(qiáng)材料的粘結(jié)、固化和成型特性。

2.2  溶膠結(jié)合耐材特性

對(duì)于溶膠結(jié)合耐材的特性，近些年已有大量的試驗(yàn)研究。研究結(jié)果顯示，溶膠結(jié)合耐材具有如下特性:

（1）無(wú)需養(yǎng)護(hù)便可快速烘烤：溶膠結(jié)合澆注料是膠體凝膠而產(chǎn)生結(jié)合耐火材料，材料內(nèi)部水化凝膠結(jié)晶，成型時(shí)產(chǎn)生的一些微氣孔可有效的排出材料內(nèi)部快速烘烤時(shí)產(chǎn)生的水蒸氣；

（2）良好的體積穩(wěn)定性及抗熱震穩(wěn)定性［4］：經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，溶膠結(jié)合材料在800℃×3h燒后線變化基本為零，1400℃×3h燒后線變化率僅在+0.2%左右。很好的滿足了工業(yè)窯爐生產(chǎn)中對(duì)耐火材料體積穩(wěn)定性的要求，同時(shí)對(duì)于抗熱震穩(wěn)定性（1100℃水冷抗熱震性的對(duì)比測(cè)試），以水泥結(jié)合的試樣經(jīng)四十幾次熱震循環(huán)就完全開(kāi)裂，而溶膠結(jié)合的熱震循環(huán)100次后基本沒(méi)有出現(xiàn)裂紋；

（3）良好的抗CO侵蝕性能［5］：為了直接體現(xiàn)溶膠結(jié)合耐火澆注料抗CO侵蝕性能的優(yōu)越性，有人曾用傳統(tǒng)的水泥結(jié)合耐火澆注料與溶膠結(jié)合澆注料進(jìn)行了對(duì)比，把兩種相同材質(zhì)的澆注料同時(shí)放入到純CO氣氛中進(jìn)行500℃的連續(xù)熱處理，其結(jié)果是：水泥結(jié)合的澆注料在經(jīng)熱處理50h后試樣就破裂為兩半，100h后試樣出現(xiàn)一處大塊剝落，有大顆粒碳沉積，150h后出現(xiàn)數(shù)處裂紋，200h有大塊剝落，多處出現(xiàn)裂紋，表明其已受CO嚴(yán)重侵蝕。而溶膠結(jié)合的澆注料50h后試樣表面出現(xiàn)一處碳沉積，100h后試樣表面出現(xiàn)一片剝落，而150h僅有出現(xiàn)幾處開(kāi)裂，而200h后試樣整體變黑，碳黑沉積在試樣的各個(gè)氣孔中，試樣從表面到內(nèi)部?jī)H受到嚴(yán)重的蝕損。

3   煉鐵系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐

3.1  高爐噴注修補(bǔ)造襯

高爐噴注造襯是高爐中后期一種快速修復(fù)爐型、延遲高爐的一代爐役壽命的有效手段。高爐內(nèi)襯耐材在既承受高溫的同時(shí)，還要承受熾熱爐料渣鐵由上而下，邊緣氣流自下而上都對(duì)爐襯產(chǎn)生強(qiáng)的沖刷作用，另外CO還原氣氛和堿蒸汽等也會(huì)對(duì)爐襯產(chǎn)生侵蝕破壞。因此在高爐中后期，爐襯損毀，爐型被嚴(yán)重破壞，高爐操作性變差、爐況不穩(wěn)、能耗增高。這時(shí)即可通過(guò)噴注修補(bǔ)造襯將爐型修復(fù)至合理順滑爐型，使邊緣氣流合理分布，增強(qiáng)煤氣利用率，爐況恢復(fù)穩(wěn)定順行，降低焦比和燃料比。

因此高爐噴注修補(bǔ)造襯，不僅要求材料必須具有極佳的高溫性能好，良好的導(dǎo)熱和優(yōu)異的抗渣鐵侵蝕性能外，還需要材料具有快速烘烤甚至免烘烤（熱態(tài)噴補(bǔ)）、高的體積穩(wěn)定和熱震穩(wěn)定性及抗CO侵蝕性能。從上述溶膠結(jié)合材料的特點(diǎn)可見(jiàn)，溶膠結(jié)合噴注料較水泥或其他結(jié)合材料更為合適，特別是在高爐爐身下部、腹?fàn)t及腰等溫度較高區(qū)域，其應(yīng)用性能是傳統(tǒng)水泥結(jié)合噴注料所難以比擬的。

聯(lián)合榮大公司溶膠結(jié)合噴注料目前已應(yīng)用于數(shù)百座高爐（包括4038m3、5500m3、5800m3等巨型高爐，見(jiàn)圖2）的上，應(yīng)用效果得到普遍認(rèn)可。

3.2  爐缸整體澆注快速修補(bǔ)

爐缸整體澆注修補(bǔ)技術(shù)（見(jiàn)圖3）是近些年依托溶膠結(jié)合剛玉碳化硅質(zhì)泵送澆注料為基礎(chǔ)所發(fā)展的一項(xiàng)爐缸快速修補(bǔ)技術(shù)。其可最大限度地保留殘余炭磚，僅對(duì)部分嚴(yán)重侵蝕區(qū)域炭磚采用高導(dǎo)熱澆注料進(jìn)行針對(duì)性修復(fù)。能為客戶節(jié)省大量耐材（炭磚），大幅縮短了維修工期。整體澆注的陶瓷杯與炭磚界面緊密貼合，爐缸結(jié)構(gòu)緊密；不存在傳統(tǒng)陶瓷杯與炭磚間的間隙搗打料，避免了因氣隙而造成“間隙熱阻”的問(wèn)題，使?fàn)t缸整體傳熱效率得以提高，1150℃凝鐵等溫線推移至澆注陶瓷杯的內(nèi)部，炭磚得到有效隔離和保護(hù)。實(shí)踐證明采用溶膠結(jié)合剛玉碳化硅質(zhì)泵送澆注料整體澆注的陶瓷杯，有效的避免了傳統(tǒng)砌筑陶瓷杯可能出現(xiàn)的砌筑隱患，性能壽命更穩(wěn)定。因此目前不僅高爐爐缸大修采用整體澆注（圖4為部分爐缸整體澆注現(xiàn)場(chǎng)），很多新建高爐也已開(kāi)始采用。

3.3  鐵口熱態(tài)快速修補(bǔ)

鐵口一般由組合磚砌筑，在應(yīng)用過(guò)程中要承受開(kāi)孔機(jī)和泥炮的壓力，還要受到渣鐵的侵蝕和沖刷。鐵口也因此成為高爐本體最薄弱環(huán)節(jié)之一。鐵口組合磚一旦出現(xiàn)裂縫和損壞，就會(huì)造成煤氣造成煤氣泄漏、噴濺竄火等（見(jiàn)圖5），影響出鐵和爐前作業(yè)環(huán)境。

鐵口出現(xiàn)問(wèn)題，傳統(tǒng)修補(bǔ)方式多采用樹(shù)脂及焦油結(jié)合搗打料，難以保證密實(shí)壽命短；也有采用水泥或磷酸鹽結(jié)合剛玉（或剛玉碳化硅質(zhì)）澆注料，但因鐵口結(jié)構(gòu)局限及熱態(tài)修補(bǔ)，不僅要求澆注料要有良好的流動(dòng)性，幾乎無(wú)養(yǎng)護(hù)及烘烤時(shí)間；這兩種結(jié)合方式的澆注料也無(wú)法取得理想的應(yīng)用效果。針對(duì)此情況，聯(lián)合榮大所開(kāi)發(fā)溶膠結(jié)合的鐵口專(zhuān)用自流澆注料很好解決了鐵口修補(bǔ)難題(圖見(jiàn)6)。通過(guò)在攀鋼煉鐵廠新三號(hào)高爐1#、3#鐵口和二號(hào)高爐鐵口等現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試用，一次維護(hù)壽命9個(gè)月效果（傳統(tǒng)維修最多3個(gè)月）。該溶膠結(jié)合的鐵口專(zhuān)用自流澆注料現(xiàn)已拓展應(yīng)用在數(shù)十座高爐鐵口，成功解決了鐵口泥套破損、煤氣竄漏、噴濺及穿漏鐵等各種問(wèn)題。

3.4  熱風(fēng)爐及熱風(fēng)管道局部坍塌熱態(tài)快速修補(bǔ)

近些很多熱風(fēng)爐進(jìn)出三岔口區(qū)域、熱風(fēng)管及燒嘴口等部位頻繁出現(xiàn)磚襯下塌甚至坍塌問(wèn)題，導(dǎo)致輕則鋼殼溫度過(guò)高，而不得不臨時(shí)采取加背包并噴淋冷卻以維持生產(chǎn)；重則燒穿不得已停爐維修。

目前最佳的處理方案為，采用溶膠結(jié)合莫來(lái)石剛玉自流料進(jìn)行熱態(tài)快速修補(bǔ)。處理工藝如下：割開(kāi)問(wèn)題部位鋼殼，以6mm左右鋼板為內(nèi)模已不銹鋼筋拉住，恢復(fù)鋼殼（已粘貼好纖維氈）并留設(shè)關(guān)注口，采用溶膠結(jié)合莫來(lái)石剛玉自流料進(jìn)行澆注。圖7為某高爐熱風(fēng)爐自外部灌注快速修補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)此熱態(tài)澆注修補(bǔ)，該部位可達(dá)到與其他部位同等使用壽命效果水平，已運(yùn)行3年無(wú)問(wèn)題。

3.5  其他

溶膠結(jié)合快速修補(bǔ)耐材在煉鐵系統(tǒng)中除了上述應(yīng)用，還有很多其他應(yīng)用也取得良好的應(yīng)用效果。比如：京唐5500m3高爐、漣鋼2200m3高爐等采用溶膠結(jié)合鋁質(zhì)自流料用于爐殼與冷卻壁之間的間隙的填充；高爐、熱風(fēng)爐壓漿維護(hù)也已開(kāi)始廣泛采用溶膠結(jié)合壓入料。

4  結(jié)束語(yǔ)

溶膠結(jié)合耐材具有無(wú)需養(yǎng)護(hù)便可快速烘烤、良好的體積穩(wěn)定性、抗熱震穩(wěn)定性及抗CO侵蝕性能等特性，使其在煉鐵系統(tǒng)快速修補(bǔ)上顯示出了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。目前隨著對(duì)溶膠結(jié)合耐材的不斷開(kāi)發(fā)，相信還會(huì)有更多的優(yōu)良技術(shù)來(lái)取代傳統(tǒng)耐材，為煉鐵系統(tǒng)的有效運(yùn)行保駕護(hù)航。

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