冶金业耐火材料研究

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1耐火材料

在应用耐火材料的生产行业中，特别是在钢铁工业中当前的主要趋势是如何降低耐火材料的单位消耗。在炼钢生产中可使耐火材料单位消耗显著降低所采用的材料是不定形耐火材料。此类材料包括：耐火浇注料、喷涂料、捣打料、可塑料、火泥（耐火胶泥）、干混合物、耐火涂层、陶瓷纤维等。不定形耐火材料在下列方面优越于定型耐火材料：生产费用、筑造效益、使用寿命、安全性、材料的单位消耗等。在耐火材料生产的总规模中不定形耐火材料所占比例日益增大。在不定形耐火材料应用最多的是耐火浇注料和喷涂料。通常耐火混合物或者耐火浇注料呈原始状态向用户供货，这些料的成型（浇注、制造整体内衬）和烧成系在使用前或者使用过程中直接在热工窑炉中进行。冶金工业的快速发展和改善，促使对不定形耐火材料的要求提高。由于采用优质原料（包括超细粉）、新型结合剂、高效加入剂、最佳化的颗粒组成及完善的施工工艺，使不定形耐火材料（特别是浇注料）的开发取得巨大的进步。

2冶金工业用新一代耐火浇注料

新一代浇注料的使用范围日益扩大，这与其具有较高的高温强度、高抗侵蚀性、高使用温度及高抗热震性有关。由于采用由纯净原料，并按照复杂工艺制成的优质材料，使不定形耐火材料的使用达到最好的效果。这些因素决定着优质耐火材料的生产成本较高。众所周知，不定形耐火材料的使用性能不仅取决于其物质组成，也取决于其成型及加热处理等工序完成的质量。采用不定形耐火材料时，这些工序都在用户处直接进行，这也是不定形耐火材料使用时的主要复杂性之一，因而要求内衬施工的工人应具有较高的熟练程度，对所用施工设备也提出较高的要求。波罗维奇耐火材料股份有限公司的科研中心开发并开始生产牌号为Borcast及BorAlucast系列的低水泥耐火浇注料混合物、喷涂料、隔热干混合物。上述材料在钢铁工业及有色冶金工业中得到了成功的应用。在开发新型高效不定形耐火材料方面所获得的显著成就说明了在生产具有较高纯度、强分散性及化学活性的各种原料方面业绩斐然。在生产不定形耐火材料时，利用自身的材料（包括本体材料和骨料）可以降低其使用费用并控制其质量。在浇注料的配料组成中采用各种不同的流变性加入剂可以显著降低浇注料混合物的用水量，改善其流动性和施工便捷性，调节凝固或硬化时间。为了强化干燥，在耐火浇注料中使用聚丙烯纤维，在进行加热处理和烧成时该纤维可以加速和缓和脱水过程，因此，降低了应力和浇注料开裂的危险性。根据用途，耐火混合物分为振动施工型和自扩型两种。为了提高结构强度和抗热震性，浇注料可以采用普通钢纤维或者低碳钢纤维来增强。

2.1Borcast系列耐火浇注料混合物

就化学成分和矿物组成而言，不定形耐火材料的分类与俄罗斯国家标准ГОСT28874中传统耐火材料的分类是一致的。在实践中应用最多的为刚玉质、莫来石刚玉质、莫来石质及硅酸铝质的不定形耐火混合物。按照用途，耐火浇注料混合物分为下列数种：（1）牌号为Borcast95WK、Borcast96W及Borcast96S的耐火浇注料混合物该类料用于在钢包、中间包及炼钢电弧炉中作整体内衬。其物理化学性能列于，制造部件示于图1。结合剂类型：水硬性结合剂。施工方法：振动法和自扩散法。主要原料：刚玉。（2）牌号为Borcast80W、Borcast80S、Bor-cast70WT及Borcast70ST耐火浇注料混合物此类料用于作钢包和中间包的盖、钢包和中间包的永久衬、加热炉的上部砌块、铁水脱硫喷枪，以及作为钢包永久衬的维修用料。其物理化学性能列于，内衬筑造示于图2。结合剂类型：水硬性结合剂。施工方法：振动法和自扩散法。主要原料：莫来石刚玉熟料、红柱石。（3）牌号为Borcast65S、Borcast55W、Bor-cast50W耐火浇注料混合物此类料用于作钢包和中间包的盖以及作它们的永久衬。其物理化学性能列于。结合剂类型：水硬性结合剂。施工方法：振动法和自扩散法。主要原料：黏土熟料。（4）牌号为Borcast70SiC及Borcast70SiC-2耐火浇注料混合物此类料用于作钢包底的内衬和制作铁水脱硫喷枪。其物理化学性能列于，制造衬板示于图3。结合剂类型：水硬性结合剂。施工方法：振动法。主要原料：刚玉、铝土矿。因为在使用耐火浇注料混合物时，在内衬干燥方面可能会出现问题，所以在用浇注料制作的冶金窑炉内衬的最重要的工序为干燥和烘炉过程。波罗维奇耐火材料股份有限公司的专家们推荐的干燥制度可以保证内衬整个体积内的水分均匀地排出，如果不遵守该干燥制度将导致材料开裂。Borcast系列耐火浇注料混合物已经成批地向下列冶金企业供货：北方钢厂股份有限公司、布列兹泥科夫炼镁厂、彼得钢厂、奥斯柯尔斯克电冶金股份有限公司等。

2.2牌号为Borgun-1、Borgun-2及Borgun-3的喷涂料

当对冶金窑炉进行喷涂（或喷补）时，将特殊配料组成的喷涂料均匀地喷涂到炉衬的损毁面上，以防止其进一步损坏。耐火喷涂料的喷涂层可以承受炉子的热负荷，保护其工作面不受炉渣和钢水的侵蚀。在喷涂炉衬时，耐火喷涂层可充当耐火砌体，此外，它如同耐火砌体一样可使炉衬中的温度梯度降低，从而使砌体受炉渣和钢水侵入的深度变浅些。喷涂层可以保护砌体的砌缝，填塞内衬的裂缝、坑洞及个别烧毁部位，防止其进一步损毁。采用喷涂方法修补内衬时，对于炼钢炉、钢包及中间包来说具有重大的意义。选择喷涂料用材料时，必须考虑下列主要指标：窑炉作业的温度制度；在工作温度范围内就其物理机械性能方面喷涂层与内衬表面之间发生侵蚀作用的程度。对向内衬永久层表面喷涂的喷涂料提出下列基本要求：喷涂料应能沿着喷涂机软管顺畅地流出、使用时其体积稳定、在内衬表面具有足够的附着性。在对钢包进行干燥和烘烤时，喷涂料应不易分层剥落及开裂，在内衬永久层中不发生烧结，保证钢包中的残钢及残渣易于清理，且不损坏内衬的永久层。

2.3牌号为Borgun-1及Borgun-2喷涂料的干混合物

结合剂类型：化学结合剂。施工方法：喷涂。主要原料：黏土熟料。

2.4牌号为Borgun-3喷涂料的干混合物

近年来对杂质含量低的钢的需求量日益增大。中间包是由耐火材料筑造的容器，在浇铸之前钢水要在中间包进行精炼，对于中间包内衬的工作层来说大多选用MgO质耐火材料。所开发的牌号为Borgun-3喷涂料的主要组成完全符合这种要求。结合剂类型：化学结合剂。施工方法：喷涂。主要原料：镁砂。喷涂料的主要组分为骨料、化学结合剂和添加剂。化学结合剂含有易熔组分，在加热时可促进迅速生成陶瓷结合剂。作为结合剂可以采用硅酸钠、硫酸镁、矾土水泥和各种镁盐。在此类料中结合剂的数量介于1%~10%之间。在波罗维奇耐火材料股份有限公司的科研中心开发了一系列喷涂料用功能性加入剂。该类加入剂包括：结合剂组分、促凝剂、分散性组分、增强性组分及黏性调节剂。根据研究结果，在料中可以不加黏土组分及分散性组分，这种情况并不降低其附着性和强度性能。

2.5隔热耐火浇注料混合物

开发此种产品的迫切性是显而易见的，在能源价格不断攀升的条件下，首先要考虑的就是如何通过降低冶金窑炉热损失的方法来节约经费支出。波罗维奇耐火材料股份有限公司科研中心开发并向生产中推广应用牌号为Bortherm隔热耐火浇注料混合物。该混合物的体积密度为0.8~1.4g•cm-3，并且具有不同的热导率和强度性能。此类混合物的使用温度为1000~1300℃，其物理化学性能列于。

2.6BorAlucast系列耐火浇注料混合物

炼铝工业是得到强化发展的冶金行业之一，由于铝具有独特的性能，因此其需求量在逐年地增加。波罗维奇耐火材料股份有限公司科研中心开发了低水泥和超低水泥耐火浇注料，用于作炼铝工业炉的内衬。由于采取科学方法选配原料（矿物的类型及颗粒的粒度），以及采取特殊的手段来检查管理生产，因此开发出的耐火材料完全可以满足浇铸工段工艺技术的要求。在铝水中经常存在着夹杂物（碱金属及气体）和加入剂（镁、锶、锆等），一方面这些物质本身就是侵蚀剂，另一方面由于它具有活性，导致铝水的侵蚀作用加剧。在分析物理化学反应时，不仅要考虑到该反应的热动力学，还要考虑到动力学因素和耐火材料的性能（气孔率、气孔类型和结合相等）。冶炼炉使用的新型低水泥及超低水泥耐火浇注料的开口气孔率不得超过15%~19%。当耐火材料的气孔率低时，侵入其中的金属液数量也是最少的，因而耐火材料与其反应的程度也是较小的。此外，气孔的大小及其在耐火材料中的分布状况也具有重大的意义。众所周知，如果气孔的主要尺寸（平均尺寸）超过0.5~1.0μm，则其对铝水的抗侵蚀性显著下降。根据现代的标准及环保法规，采用非润湿性加入剂可以防止金属液侵入耐火材料内衬中，这可通过试验来验证：将温度为950℃的铝水置于坩埚中历时48h。图4（略）中示出了由莫来石质Bortherm系列低水泥耐火浇注料制造的坩埚与铝水进行反应试验后的坩埚试样。此种浇注料中未使用非润湿性加入剂，因此其抗铝水的侵蚀性不如使用非润湿性加入剂的浇注料。在使用非润湿性加入剂的试样中未观察到侵蚀层。上述浇注料的物理性能列于。图5（略）中示出了由刚玉质Bortherm系列低水泥耐火浇注料制造的结构致密坩埚与铝水进行反应的试验状况。此种浇注料中未使用非润湿性加入剂，但是由于耐火材料具有致密的本体并采用了能抵抗铝水侵蚀的骨料，所以该浇注料能够抵抗铝水的侵蚀。利用PASCAL-140型及PAS-CAL-240型水银气孔测定仪进行研究的结果表明，在开发的所有牌号的浇注料中气孔的平均尺寸介于0.13~0.78μm之间，这是决定其对铝水具有一定的抗侵蚀性的最重要的参数之一。在试样上未发现侵蚀痕迹，而金属液冷却之后及从坩埚脱出之后并未发现试样中有耐火材料颗粒。因此，所制造的氧化铝含量高的无润湿性的高强度耐火浇注料可保证对铝水有较高的抗侵蚀性，这是由于该料的结构达到最佳化、气孔率低及气孔尺寸小，同时也是缘于其中使用了可降低铝水润湿性的加入剂。