高爐炮泥用基礎原料、結合劑、添加劑都有哪些?

原料的純度和種類、結合劑、外加劑和生產工藝是影響炮泥質量的主要因素,基礎原料直接決定炮泥性能,炮泥原料的化學成分,正向高純和炭質方向發展。

1、炮泥基礎原料

粘土:主要起結合劑和潤滑劑的作用。粘土種類繁多,Al2O3和SiO2含量不穩定,易導致附著性變差,燒結性不穩定,水基炮泥前期強度難以保證,粘土的選擇和添加量主要影響到炮泥的可塑性。夏欣鵬等對炮泥成份中的不同高嶺土組織結構進行分析,發現高嶺土的粒度組成和化學組成對炮泥的性能影響較大。

剛玉:體積密度為3.95-4.0g/cm3,熔點為2050℃,化學性質穩定,抗渣性和抗侵蝕性優異。剛玉在炮泥中作骨料和細粉使用。

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剛玉

焦炭:作為一種無定型炭,氣孔率高,便於水分和易揮發份揮發,改善炮泥透氣性。它的熔點非常高,抗渣性、熱震性、導熱和導電性優異。焦炭使鐵口保持還原氣氛,對SiC等炭素材料起保護作用。

SiC:工業用SiC—般由人工合成,密度在3.17-3.37g/cm3,純SiC為無色透明,工業用SiC因雜質種類和含量不同,而呈黃、綠、藍和黑色。我國所用SiC為黑色和綠色,均為六方晶體。在還原氣氛中,SiC小於2600℃時穩定存在。SiC具有導熱率高、耐磨性好、高溫強度高、熱膨脹係數小、熱震穩定性好等優點,可改善炮泥抗溶渣侵蝕和抗沖刷等性能。

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碳化硅

瀝青:如表1,按照瀝青軟化點不同,分為低溫、中溫和高溫瀝青。瀝青是含碳的有機結合劑,隨溫度升高而縮聚、焦化,形成碳化網絡,從而提高炮泥的潤溼角和高溫強度。

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表1 瀝青分類表

2、炮泥結合劑

目前,炮泥的結合劑主要為煤焦油-瀝青或樹脂。以焦油-瀝青結合的炮泥具有很好的可塑性,易填充鐵口,保持鐵口深度。焦油成分複雜,常溫下粘度大,液體不均勻,也不易分散,導致燒結後存在結構缺陷。焦油中含水量對炮泥質量影響較大。另外焦油使用過程中硬化速度慢,堵口耗時,燒結後高溫強度低,體積收縮大,抗沖刷性能也較差,目前歐洲基本不使用焦油作為炮泥結合劑。Schntz等研製出一種蒽油作結合劑,其苯並芘含量少於50ppm,使用過程中需添加硼元素,即可作為一種環保結合劑。

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酚醛樹脂

酚醛樹脂是含碳耐火材料常用的結合劑,其粘結性強,素坯強度高,碳化率高。使用酚醛樹脂替代焦油,有利於提高炮泥結合強度,而且有害溶劑量的減少,改善了爐前操作環境,環保性好。樹脂使用時比較粘稠,需添加焦油、乙醇等進行調節,但焦油並不易溶於樹脂。Schutz等使用一種焦油樹脂混合結合劑生產炮泥,使其具有良好的可塑性、透氣性和微量的體積膨脹性。有研究表明炮泥可以用粉狀樹脂、瀝青和無機磷酸鹽為主結合體系,用焦油作為增塑劑,可延遲樹脂縮合和過早硬化。

3、炮泥添加劑

添加劑是炮泥的重要組成部分,目的是為了彌補主要成分在使用性能方面不足,儘管加入量較少,但對其作業性和使用性有較大影響。根據添加劑作用的不同,添加劑的種類有以下幾種。

(1)增塑劑和潤滑劑

改善炮泥可塑性和潤滑性,常用可塑料的增塑劑都可以採用,如絹雲母、粘土等。常用的潤滑劑有石墨和蠟石粉等。

(2)膨脹劑

利用加熱過程中的物相反應,產生膨脹來抵消乾燥和燒結過程產生的收縮,降低顯氣孔率,提高體積密度。常見的膨脹劑有石英、藍晶石和紅柱石等。

(3)燒結助劑

理論上,改善材料燒結性能的途徑有固相燒結、液相燒結和反應燒結。固相燒結和反應燒結是較理想的燒結方式,通常不會影響材料的高溫性能,反而能強化基質。而液相燒結,由於高溫下產生的液相,可能降低熱態強度和抵抗渣鐵侵蝕的性能,即燒結初期產生液相,促進燒結,最終液相消失,形成高熔點物相,如果能利用“間接液相燒結”原理,那麼這種液相燒結方式也是較理想的。

燒結助劑的種類較多,不定形耐火材料用助燒劑有α-Al2O3、硼酸、硅灰、粘土、長石、金屬Si粉、SiO2微粉和稀土氧化物等。大部份燒結助劑是低熔點物質,影響炮泥抗侵蝕性能。近些年來,為了促進燒結或改善炮泥顯微結構和抗侵蝕性,通常在炮泥中加入氮化硅或氮化硅鐵等。通過下列反應改善炮泥的顯微結構和抗侵蝕性能:

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通過以上反應,基質中生成SiC、AlN等,改善了顯微結構。生成的Fe為SiC生成的催化劑,促進SiC結合相的生成。另一方面,由於反應放出N2和CO,阻止渣的滲入,提高了抗侵蝕性能。但氮化硅鐵的加入量並非越多越好,有文獻指出,加入量不宜超過10%。

(4)抗氧化劑和提高炮泥強度的樹脂粉。

樹脂粉的加入提高殘碳結合相,形成均質和非均質炭結合,殘炭率可達85%,加熱時,樹脂粉軟化並轉移到氣孔中,保證炮泥的最終強度。另外可以產生還原氣氛,抑制其他炭質原料氧化,抗氧化性較好。


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