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氮化硅铁在Al2O3-SiC-C质高炉铁沟浇注料中的应用
  • 作者:江宣    来源:江苏江能新材料科技有限公司    时间:2021-7-29    点击:1005

  高炉铁沟是引导高温铁水和溶渣的通道,其耐火材料内衬受到铁水和渣液的高温、机械和化学侵蚀。首先是铁和渣流动时对耐火材料表层的冲刷作用;其次由于出铁时冷热的频繁交替或高温的长时间作用下,耐火材料产生微裂纹。这类微裂纹促进了铁水和渣液的渗透和结构破坏。因此,要求铁沟内衬材料耐铁水和熔渣的冲刷能力强;热展稳定性好;重烧体积变化小;抗氧化能力强;施工方便,不粘结渣铁,便于修理和拆除,具有均匀、高致密的结构,强度高;不沾渣铁,不产生有害气体,有利于环境保护。


  高炉大型化后,出铁沟的使用条件也发生了变化,铁水对沟壁的冲刷、磨损加剧,提高一代沟龄,降低成本,减轻炉后工人的工作压力,是炉后工作的主要目标。对于主沟、不同的部位,侵蚀条件不同,在材料的选择上应该有所分别,以到达综合平衡的经济寿命;而对于铁沟,应该致力于提高材料的抗渗透性能。而就施工工艺与维护过程看,一些操作方法也与材料的使用寿命密切相关。


A.高炉铁沟耐火材料的损毁机理 

  高炉铁沟用耐火材料的损毁主要是高温铁水和渣的热冲击引起的裂纹及化学侵蚀、渗透以及冲刷蚀损。


  首先是高温铁水的作用,由于高炉有一定的压力,从高炉内喷涌而出的高达1500℃的铁水直接冲击铁沟工作面,导致沟衬材料冲刷损毁,尤其在冲击区范围内。该处形成的涡流不但加剧了铁水和熔渣对沟衬的热冲击作用,同时也加剧了沟衬的冲刷蚀损,对沟衬材料的损毁最严重,因此,该处的损毁决定了出铁沟的使用寿命。


  其次,在冶金工业中,熔渣对耐火材料的损毁是最严重的。由于熔渣中含有比较复杂的化学成分,因此易与耐火材料中的成分发生反应,形成低熔点物质,造成耐火材料结构的破坏,使耐火材料抗侵蚀、抗冲刷等性能降低。高炉出铁时,进入出铁沟内除了高温铁水,还有高温熔渣,培渣不仅加剧了沟衬的蚀损,而且易于粘附在沟壁上,它是损毁沟衬材料的主要因素。另外熔渔对沟衬材料的损毁依据出铁沟结构的不同也有一定差异。对于容铁式出铁沟,熔渣的损害主要是冲刷和侵蚀,而对于非容铁式出铁沟,除了上述作用外,沟壁上粘附的熔渣越来越多的沉积,阻碍了出铁沟的正常使用,因此,炉前须进行扒渣作业,实施扒渣的同时,沟壁耐火材料会随着粘结的熔渣一起被清除掉,这是对非容铁式出铁沟衬最大的损毁。


  第三,虽然高炉是连续作业的高温设备,但出铁却是间歇式作业,致使沟衬耐火材料要经受温度的急剧变化(在这一点上,容铁式出铁沟同样比非容铁式出铁沟有优势),因此温度的急剧变化使沟衬耐火材料热震稳定性降低。


  除以上的损毁情况外,铁水对沟衬材料的渗透作用也是破坏材料组织结构的因素之一,它使材料熔蚀,剥落,从而降低抗冲刷性。


B.氮化硅铁应用于Al2O3-SiC-C质高炉铁沟浇注料 

  60年代以前,中小高炉铁沟都是以焦炭、粘土熟料和粘土为主,以焦油或糖浆搅拌的人工捣打料,并为各铁厂自行制造。这种铁沟衬的使用寿命短,通铁量小于1万吨。在长期生产实践中,人们逐渐认识到,添加碳化硅和石墨可以明显提高出铁沟的使用寿命。在耐火骨料方面,试验了刚玉料、高铝钒土、镁铝尖晶石料等。在结合剂方面,试验了树脂结合、水泥结合、粘土结合的各种铁沟料。经过不断的尝试,己逐渐形成适合于大、中、小高炉的各类铁沟料。对于高温、高压操作,其出铁量大、流速快、温度高(1500℃)法、出铁次数频繁、时间长、渣量大,出铁沟内衬材料使用条件恶劣。为此,开发了以Al2O3-SiC-C质为主的新一代铁沟料,基本上满足了生产的要求,通铁量在几万吨至10万吨。高炉铁沟浇注料的发展历程如图1所示。

 

1高炉出铁沟用耐火材料的发展历程


  Al2O3-SiC-C质浇注料具有良好的抗渣侵蚀性和抗冲刷性能,在高炉出铁沟的主沟、撇渣器和支沟等部位得到了广泛应用。但由于冶炼技术的发展,高炉利用系数的不断提高和高炉长寿化的要求,Al2O3-SiC-C质铁沟浇注料寿命的进一步提高也刻不容缓。而现阶段的Al2O3-SiC-C质铁沟浇注料在周期性熔渣、熔铁的化学侵蚀、热冲击和渣、铁的冲刷作用下容易出现脱落;同时铁沟浇注料中碳化硅和碳质材料在高温下的氧化也会造成材料的结构破坏,这些均会导致铁沟浇注料的损毁。


  近年来,氮化硅铁用在Al2O3-SiC-C质铁沟浇注料的研究不断增多。氮化硅铁中的Si3N4具有不与渣和铁完全润湿的优点,可以改善铁沟浇注料的抗侵蚀性;Si3N4的氧化产物会在试样表面形成SiO2保护膜,阻碍了材料的进一步氧化,增强其抗氧化性能;金属相Fe具有助烧结作用,可以改善浇注料的力学性能。高温氧化气氛下,表面氮化硅铁中的Si3N4首先氧化生成SiO2,构成氧化层的主体;随着铁相材料的氧化,形成的氧化铁(FeO)降低了氧化层的熔点及熔体的黏度,促进了熔体在浇注料表面上的润湿性和流动性,形成了覆盖于浇注料表面的氧化层而阻止了炭素材料的氧化,使其具有比纯Si3N4更好的抗氧化性能旧浇注料内部的Fe并不是以氧化铁(FeO)的形式存在,对高温性能不会有害。同时,氮化硅铁中的Si3N4在高温下氧化生成的N2和炭素材料氧化生成的CO会堵塞材料的内部气孔,从而有效地防止了进一步氧化


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