高爐爐底用炭質澆注料的研究與耐用性能分析

徐國濤 向武國 劉 黎 張彥文 周旺枝 張洪雷

1）寶鋼股份中央研究院 湖北武漢430080 2）武鋼有限公司煉鐵廠 湖北武漢430080

高爐是煉鐵生產穩定順行的基礎，而其中最重要的就是炭磚和水冷系統。炭磚與鐵水不容易浸潤，抗侵蝕能力強；水冷是保證炭磚長壽運行的關鍵。高爐爐底砌筑過程中，在水冷管鋪設后，現有技術多采用炭質搗打料［1］找平并填充炭磚縫。為了保證水冷效果，要求炭質搗打料熱導率高，有一定強度，且施工性能好。由于搗打料性能與施工過程、質量密切相關，人為影響因素多，往往熱導率達不到預期要求。近年來，從分析炭質澆注料的結果看［2］：以炭素原料為主的澆注料的熱導率比較低，有的不到10 W·（m·K）－1；而含有碳化硅原料的炭質澆注料的熱導率有大于15 W·（m·K）－1的，其施工比搗打料方便，操作簡單，只需振動成型，快速修平，可節省大量工時。關于炭質澆注料的文獻報道很少，某些商業報道炭質澆注料熱導率可大于20 W·（m·K）－1，與工業應用現場取樣差距很大。從高爐實際運行看，水冷管存在破損漏水，而炭質澆注料耐水、耐酸堿性能沒有相關的研究報道。

在本工作中，結合對炭質澆注料組成、結構、相關性能的分析，探討了炭質澆注料使用過程中的耐水、耐酸堿性等問題。

1 炭質澆注料的組成與性能分析

炭質澆注料是炭質搗打料演變過來的。如文獻［3］中的炭質搗打料A組分為電煅無煙煤或電煅無煙煤與人造石墨的混合物，粒度為0.1～5 mm；B組分為天然石墨、碳化硅、電煅無煙煤、人造石墨以及電煅無煙煤與人造石墨的混合物中的一種，粒度＜0.1 mm。電煅無煙煤是煅燒溫度在1 700～2 400℃的無煙煤。炭質搗打料中有加煤焦油瀝青作為固體結合劑的；液體結合劑是熱固性酚醛樹脂，溶劑可用乙二醇，起到調整流動性的作用。在炭質澆注料中，這種有機結合劑難固化，只能依靠水泥類或溶膠類結合劑。因此，目前的炭質澆注料有水泥結合或溶膠結合兩類。就其組成而言，分別為以炭素為主或含碳化硅原料的炭質澆注料，其組成與性能見表1。

以電煅無煙煤、電極粉等為原料，以溶膠為結合劑配制的碳化硅為主要原料的炭質澆注料性能見表2。由表可知：澆注料在110℃保溫24 h后的耐壓強度大于17 MPa，1 450℃保溫3 h后的耐壓強度大于70 MPa，其強度與表1中含碳化硅的炭質澆注料強度相當。用激光導熱儀測量700℃的熱導率為7.2 W·（m·K）－1，按照一般炭質澆注料的熱導率與溫度的關系推斷，溫度增加，熱導率也會增加，700℃的熱導率不高，常溫也不會高于7.2 W·（m·K）－1，與表1中15.22 W·（m·K）－1的指標相差很大。

表1 兩種不同炭質澆注料的化學組成與性能指標

表2 以碳化硅為主要原料的炭質澆注料性能

分析了某公司采用的國外進口的以炭素為主要原料的炭質澆注料，其110℃保溫24 h的耐壓強度為18.3 MPa，1 450℃保溫3 h的耐壓強度為2～3 MPa，用激光導熱儀測量700℃的熱導率為5.08 W·（m·K）－1。對此種炭素為主要原料的炭質澆注料進行了顯微結構分析，見圖1。

圖1 進口的以炭素為主的炭質澆注料的顯微結構照片

可知圖1（a）中1處的骨料均為炭素顆粒，其粒徑有大有??；而圖1（b）中2點的基質組成為：w（CaO）＝42.74%，w（SiO2）＝2.14%，w（Al2O3）＝45.15%，w（FeO）＝9.97%?；|中也含有炭素成分，由于多處的能譜分析（圖略）仍然以氧化物固溶體為主，這可能也是其熱導率不高的原因。

2 炭質澆注料的耐水、耐酸堿性能分析

對炭質澆注料的組成與性能的分析發現：如果使用炭素為主原料的炭質澆注料，采用鋁酸鈣水泥為結合劑，其熱導率不高，這可能導致炭磚和水冷管之間熱交換不暢。而以碳化硅為主原料的炭質澆注料，如果用鋁酸鈣水泥做結合劑，會有同樣的問題；但采用溶膠做結合劑的以碳化硅為主原料的炭質澆注料，熱導率高，有使用價值。在高爐爐底水冷管附近使用存在滲水的可能。高爐的熱風管道、爐缸、爐底部位都存在堿金屬蒸氣的揮發和滲透［4－5］，因此，滲透的水中可能溶有堿或酸。炭質澆注料在潮濕環境下的強度需要驗證分析。國內耐火材料抗堿性分析方法使用的是碳酸鉀與木炭質量比1∶1混合的堿侵蝕劑。將正方形試樣埋入堿侵蝕劑中，在高溫下熱處理一定時間后，觀察其外形變化，并測試其耐壓強度損失率。但炭質澆注料的使用環境明顯與此不同。協商后參照建材耐酸性試驗方法，分別采用2%（w）濃度的鹽酸、2%（w）硫酸、2%（w）氫氧化鈉和水作為浸泡溶液，將熱導率高的溶膠結合的以碳化硅為主原料的炭質澆注料進行7、30 d的浸泡試驗，觀察浸泡后其形狀變化，測試浸泡后其耐壓強度和體積密度。

觀察發現：采用2%（w）的氫氧化鈉溶液浸泡溶膠結合的以碳化硅為主原料的炭質澆注料7 d后，約有三分之二松解入溶液中，30 d則完全松解成散狀料，無法測試其耐壓強度和體積密度。因此，圖2、圖3分別示出了溶膠結合的以碳化硅為主原料的炭質澆注料分別在鹽酸溶液、硫酸溶液、水中浸泡7、30 d以及空氣中放置7、30 d后的耐壓強度及體積密度?？梢园l現：在水中，無論浸泡7 d還是30 d，耐壓強度及體積密度均有所增加；采用2%（w）的鹽酸溶液浸泡后，30 d后的耐壓強度有所降低；采用2%（w）的硫酸溶液浸泡后，30 d后的耐壓強度有所降低，降低幅度比在鹽酸溶液中的要小。高爐由于使用氯化鈣或氯化鎂噴灑燒結礦提高燒結礦強度，因此在煤氣中存在鹽酸的氣體，在管道和格子磚、高爐底的破損調查中都發現有氯離子的存在，因此爐底的水冷管附近不排除有HCl溶入水中的可能［4－5］。以炭素為主原料的炭質澆注料浸泡在水中也有松解現象，加之其熱導率低于預期，所以未做進一步耐酸堿試驗。

圖2 不同溶液浸泡以及空氣中放置后對碳化硅為主原料的炭質澆注料耐壓強度的影響

圖3 不同溶液浸泡以及空氣中放置后對碳化硅為主原料的炭質澆注料體積密度的影響

為了分析堿溶液對溶膠結合的以碳化硅為主的炭質澆注料浸泡松解的原因，將浸泡7 d的殘余試樣干燥后，用SEM 進行了顯微結構分析見圖4。如圖4（a）所示，炭質澆注料經堿溶液浸泡后，其基質中“＋3”處經EDS分析（圖略）的組成為：w（Na2O）＝1.97%，w（SiO2）＝48.95%，w（Al2O3）＝49.08%；如圖4（b）所示，干燥沒有經過處理的炭質澆注料，其基質中“＋4”處經EDS分析（圖略）的組成為：w（SiO2）＝72.85%，w（Al2O3）＝27.15%。兩者的結構分析可以發現，其結構仍然存在孔隙，骨料與基質結合不緊密。由于浸泡試驗用的炭質澆注料含有碳化硅成分，碳化硅不能進行能譜成分分析，只能作為氧化物進行歸一化處理；其基質組成主要為炭素和碳化硅，沒有氧化鈣及其他組分。由此也說明：該種炭質澆注料非水泥結合，不耐堿侵蝕，氧化鈉與基質可以發生反應引發澆注料的松解。非水泥結合的炭質澆注料耐堿侵蝕的問題需要引起重視。

圖4 堿溶液浸泡前后碳化硅為主原料的炭質澆注料的微觀結構照片

3 結論

（1）研制的以碳化硅為主原料的炭質澆注料強度較高，110℃保溫24 h后的耐壓強度大于17 MPa，1 450℃保溫3 h后的耐壓強度大于70 MPa，用激光法測量700℃的熱導率為7.2 W·（m·K）－1；以炭素為主要原料的進口炭質澆注料，110℃保溫24 h后的耐壓強度18.3 MPa，1 450℃保溫3 h后的耐壓強度大幅度降低，激光法測量700℃的熱導率為5.08 W·（m·K）－1，其熱導率相對于高爐爐底炭質澆注料的技術要求來說偏低。

（2）溶膠結合的以碳化硅為主原料的炭質澆注料浸泡水后，耐壓強度及體積密度均有所增加，外形保持不變；采用2%（w）的鹽酸溶液浸泡后，其30 d后的耐壓強度有所降低；采用2%（w）的硫酸溶液浸泡后，30 d后的耐壓強度有所降低，降低幅度比在鹽酸溶液中的要??；而采用2%（w）的氫氧化鈉溶液浸泡后，30 d完全松解成散狀料。以碳化硅為主原料的炭質澆注料不耐堿溶液浸泡。在高爐爐底可能存在堿金屬蒸氣滲透的環境下，如果存在冷卻水滲漏，應謹慎采用此類炭質澆注料。