CN102757241A - 一种炮泥及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及炮泥，特别是涉及一种用熔融还原法进行铁水冶炼的非高炉出铁口用的炮泥，包括：刚玉：30-48wt％，碳化硅：7-20wt％，碳素材料：15-24wt％，赛隆10-20wt％，镁铝尖晶石3-9wt％，高岭土8-14wt％，硅铝合金：2-7wt％，焦油与树脂的复合结合剂：相对于前述物料总重量的16-24wt％。该炮泥开口及打泥性能好，耐高温高压铁水和渣的冲刷、侵蚀，尤其耐高硫、高硅铁水和富FeO渣的侵蚀，应用时铁口深度稳定。炼铁用熔融还原炉出铁口上的应用。

Description

一种炮泥及其用途

技术领域

本发明涉及一种炼铁炉出铁口炮泥，特别是涉及一种用熔融还原法进行铁水冶炼的非高炉出铁口用的炮泥。

背景技术

钢铁工业中铁水冶炼的冶金炉基本上都是高炉，因此炮泥也都是针对高炉的工况条件而开发的。随着炼铁技术的进步和越来越严格的环保要求，非高炉炼铁技术逐步兴起，因此产生了各种方式的熔融还原法生产铁水技术。这种熔融还原炉的生产操作工艺及出铁口状况与高炉比有很大不同，因此出铁口用的炮泥与高炉炮泥差异很大。熔融还原炉炉缸内气体压力为4.6-6.0kg/cm²，因此要求炮泥能满足6.0kg/cm²压力的目标。熔融还原气化炉铁水温度也比一般高炉铁水高，通常在1510℃以上，铁水中硫含量比高炉铁水高1-2倍、硅含量也比高炉铁水高，而且渣中FeO比高炉渣高。因此在出铁时其铁水、熔渣对炮泥的冲刷与侵蚀更加厉害，要求炮泥综合性能更好。铁口的烧穿一直是危及熔融还原炉正常安全生产及长寿的最重要的问题，而控制好铁口的深度是避免铁口烧穿的最有效的手段。

CN101219900A公开了“一种出铁口炮泥及其制备方法”，该炮泥用于熔融还原炉。该文献技术提供了一种熔融还原气化炉堵铁口用炮泥，特别适用于高压力炉体炼铁过程中用于堵铁口。该炮泥可塑性和粘结性好，容易堵口；高温体积收缩小；强度高，耐高压铁水和渣的冲刷、侵蚀。该炮泥的组分按重量百分计(wt％)：刚玉20-40％、碳化硅10-20％、焦炭粉10-23％，粘土5-15％、绢云母3-10％，叶蜡石微粉5-10％，氮化硅3-10％，活性氧化铝微粉1-5％，石墨粉1-5％，金属粉1-3％。各组分之和为100％。再添加无水结合剂焦油(外加干料总重量的)15-20％。该炮泥在熔融还原炉冶炼强度为120t/h以下的应用初期取得了良好的使用实绩。但随着冶炼强度提高到150-180t/h时，铁水的硫、硅含量偏高，和渣中FeO量高，炮泥的抗侵蚀性能有所下降，出铁时铁流速度较大。所以在抗渣、铁水侵蚀及铁口稳定性上还不能完全满足现场应用要求。

CN101407399A公开了“高炉用微膨胀炮泥”，介绍了一种炮泥可以通过反应生成镁铝尖晶石，以此改善炮泥的抗侵蚀、抗熔渣和抗热震性能。它有以下原料及组成：镁砂5-30％，刚玉20-45％，碳化硅10-20％，焦炭10-15％，沥青3-5％，粘土10-20％，焦油10-16％。它引入镁砂原料，在高温下与体系中Al₂O₃反应生成镁铝尖晶石。镁砂原料以电熔或烧结镁砂、轻烧镁粉的形式加入。

CN101723685A公开了一种“镁铝尖晶石炮泥”，介绍了该种炮泥的组成：镁砂颗粒5-305，轻烧镁粉5-15％，刚玉20-45％，碳化硅10-20％，焦炭10-18％，沥青3-10％，粘土6-12％，焦油12-14％，氮化物2-8％。该炮泥具有微膨胀性、良好的抗熔渣侵蚀、耐冲刷性能。

以上两种现有技术都是通过镁质材料在高温下与炮泥原料中含有的Al₂O₃在高温下反应生成镁铝尖晶石以提高炮泥性能。但这个反应需要足够时间和高温，炮泥在应用中一般铁口孔道内温度并不高，由于频繁的开口，炮泥的烧结时间不长，因此尖晶石比较难生成，效果不易体现出来。

另外，现有的高性能炮泥中通常加入大量的氮化硅或氮化硅铁原料。

因此，需要开发一种铁水冶炼熔融还原炉用炮泥。

发明内容

本发明的目的在于提供一种炼铁用熔融还原炉出铁口炮泥，以能够满足高强度冶炼，出铁水温度高，同时铁水硫、硅含量高和渣中FeO含量高的熔融还原炉出铁口用，并具有良好的作业性、抗侵蚀性、耐冲刷性以及能够保持铁口深度稳定的特殊要求。

本发明为了达到优异的抗熔融还原渣和高温铁水的侵蚀及冲刷，控制铁流速度，保证铁口深度稳定，采用了不同于一般炮泥用的普通原料，例如合成赛隆、镁铝尖晶石等原料。赛隆是耐火材料、密封圈、轴承的理想材料，在切削刀具方面也得到广泛的应用。目前赛隆结合的耐材制品正在用于各种窑炉内衬和高温元件上，尤其是用于高炉炉腹和炉身内衬，显示出比氮化硅材料更高的抗碱侵蚀和抗铁水冲刷能力，高温强度，抗氧化性，热震稳定性能更为优良，取得了良好业绩，显示出更好的优越性。本发明炮泥结合剂采用了树脂和焦油的复合型结合剂。在原料选用和炮泥材料组成方面与以上的现有技术有很大差异。

为实现上述目的，本发明的炼铁用熔融还原炉出铁口炮泥，包括：刚玉：30-48wt％，碳化硅：7-20wt％，碳素材料：15-24wt％，赛隆10-20wt％，镁铝尖晶石3-9wt％，高岭土8-14wt％，硅铝合金：2-7wt％，复合结合剂：相对于前述物料总重量的16-24wt％。

优选地，本发明的炼铁用熔融还原炉出铁口炮泥，其组成为：刚玉：30-48wt％，碳化硅：7-20wt％，碳素材料：15-24wt％，赛隆：10-20wt％，镁铝尖晶石3-9wt％，高岭土：8-14wt％，硅铝合金：2-7wt％，复合结合剂：相对于前述物料总重量的16-24wt％。

优选地，本发明的炼铁用熔融还原炉出铁口炮泥，其组成为：刚玉：30-48wt％，碳化硅：7-20wt％，碳素材料：15-24wt％，赛隆粉：10-20wt％，镁铝尖晶石：3-9wt％，高岭土：8-14wt％，硅铝合金粉：2-7wt％，复合结合剂：相对于前述物料总重量的16-24wt％。

根据本发明，优选地，刚玉原料中，Al₂O₃≥92％。

根据本发明，优选地，碳化硅原料中SiC≥90％。

根据本发明，优选地，碳素材料中，焦碳与石墨的重量比为约5∶1。

根据本发明，优选地，碳素材料中，焦碳C≥80％，石墨C≥94％。

根据本发明，优选地，赛隆中，Sialon(Si₃Al₃O₃N₅)≥60％。

根据本发明，优选地，镁铝尖晶石中Al₂O₃≥65％。

根据本发明，优选地，高岭土中Al₂O₃≥30％

根据本发明，优选地，硅铝合金为硅铝合金粉，其中硅粉和铝粉的重量比为约1∶1，优选地，铝粉中Al≥97％，硅粉中Si≥97％。

根据本发明，优选地，结合剂是焦油和树脂的复合型结合剂，

根据本发明，优选地，焦油中残碳≥15％，树脂中残碳≥42％。

根据本发明，优选地，焦油与树脂的重量比为约1∶1。

根据本发明，优选地，树脂为酚醛树脂。

本发明中，优选地，刚玉的粒径范围为4-0mm。

本发明中，优选地，碳化硅的粒径范围为2-0mm。

本发明中，优选地，镁铝尖晶石的粒径范围为1-0mm。

本发明中，优选地，碳素材料的粒径范围为0.5-0mm。

本发明中，优选地，赛隆粉的粒径范围为0.088-0mm。

本发明中，优选地，高岭土的粒径范围为0.088-0mm。

本发明中，优选地，硅铝合金粉的粒径范围为0.088-0mm。

在铁水冶炼炉上，出铁口状态的好坏是关系到安全操作的重要因素，出铁口的充填材料炮泥通常需要稳定的品质。炮泥的耐侵蚀性随炉渣、铁水温度和成分变化而异，耐冲刷性能随炉内压力、出铁速度而异。使炮泥具备良好的综合性能需要炮泥原材料运用合理，抗侵蚀和冲刷，出铁过程中铁口孔径不急剧扩大，保证出铁量和出铁时间。

本发明采用的主原料之一为刚玉。刚玉致密耐磨，体积密度＞3.90g/cm³，莫氏硬度为9级仅次于金刚石。高温下体积稳定，具有很好抗高温铁水侵蚀和冲刷磨损的性能。本发明的炮泥中，加入刚玉原料占总配料量重量的30-48wt％，优选地，刚玉原料中化学成分Al₂O₃≥92％。

碳化硅也是炮泥主原料之一。SiC具有高熔点(＞2200℃)，耐高温，耐侵蚀，高强度，高耐磨性能(莫氏硬度9.2)，线膨胀系数较小，热导率高等优点，在炮泥中是抗渣侵蚀、冲刷性能很好的原料。本发明的炮泥中，加入的碳化硅原料占总配料量重量的7-20wt％，优选地，碳化硅原料中SiC≥90％。

本发明炮泥中采用复合碳素材料(“碳素材料”是指以碳元素为主的非金属固体材料)，它包括焦碳、石墨，本发明中焦碳与石墨的配制比例为5∶1。铁水、熔渣对石墨难以浸润，石墨不受酸碱侵蚀，与Al₂O₃、SiC、SiO₂等元素无共熔关系，其对炮泥的热震性、抗剥落性能、抗渗透性能均有明显提高。焦碳有助于提高炮泥开口性能。本发明的炮泥中，碳素材料加入量占总配料量重量的15-24wt％，优选地，焦碳中C≥80％，石墨中C≥94％。

本发明炮泥中加入赛隆或赛隆粉10-20wt％，优选其化学成分Sialon(Si₃Al₃O₃N₅)≥60％。赛隆是由Si、Al、O、N四种元素组成的化合物，其化学式为Si_6-ZAl_ZO_ZN_8-Z(0＜Z＜4.2)，式中Z为O原子置换N原子数。最常用的是Z＝3的β-Sialon。β-Sialon具有与β-Si₃N₄相似的晶体结构，但β-Sialon比β-Si₃N₄晶体粗大，呈柱状，凡是Si₃N₄具备的优点，β-赛隆都具备。β-Sialon抗热震断裂强度优异，这种性能来源于低的热膨胀系数，为2～3×10^-6/K。赛隆陶瓷在高温下强度的降低幅度小。赛隆氧化后表面形成SiO₂或莫来石的耐火薄膜而具有优良的抗氧化性能。另外，对于熔融金属，例如铝、铜、锌、铁等以及硫酸盐和碱的作用，赛隆显示出优良的抗侵蚀性能。赛隆材料在高温下具有良好的机械性能和抗热震性，膨胀系数小，化学稳定性高，耐腐蚀，且抗熔融金属和抗氧化能力强，抗碱和抗渣。由于赛隆是合成原料，其价格较高，以前耐火材料中应用较少。随着材料技术进步，以高岭土为主要原料，利用还原氮化法来制备合成β-赛隆则解决了工业化生产的成本问题，因此赛隆原料才在耐火材料中得以批量应用。市场上一般以赛隆粉形式销售。本发明中，优选用粉状形式的赛隆，即赛隆粉。

本发明炮泥中还加入了镁铝尖晶石3-9wt％，优选其中化学成分Al₂O₃≥65％。镁铝尖晶石(MgAl₂O₄)熔点高达2135℃，高温性能非常好；化学稳定性好，抗FeO、硫和硅的侵蚀，能抑制熔融渣的渗透；抗热震性能好。因此被广泛应用在耐火材料中，但在炮泥中的应用并不多见。本发明中优选采用镁铝尖晶石。

本发明炮泥中加入高岭土。高岭土使炮泥具有粘结性和可塑性，便于炮泥的挤出，在高、中温起烧结作用，并使炮泥在中温时有烧结强度。本发明炮泥中，高岭土加入量占总配料量重量的8-14wt％，优选高岭土中化学成分Al₂O₃≥30％。

加入硅铝合金可以促进炮泥的快速烧结，并提高炮泥的强度。优选硅铝合金为硅铝合金粉，优选其中硅粉和铝粉的重量比为1∶1，优选铝粉中Al≥97％，硅粉中Si≥97％。硅铝合金还可以起到抗氧化的作用，在一定程度上保护炮泥中的碳化硅和碳质原料，因此加入量为2-7wt％。

本发明采用的结合剂焦油和树脂的复合型结合剂，优选树脂为酚醛树脂，还优选焦油与树脂的重量比为1∶1，更优选焦油中残碳≥15％，树脂中残碳≥42％。焦油作为炮泥的结合剂起着非常重要的作用，使炮泥有良好的可塑性，在中温能形成碳结合，使炮泥在中温下保持一定强度。树脂可使炮泥在较低的温度下快速硬化，减少压炮时间，在炉内较快形成稳定的泥包，保持较好的铁口深度，并可以增加炮泥的中、低强度。本发明中，复合结合剂的加入量为前述干料总重量的16-24wt％。

根据本发明的一种优选实施方式，当采用颗粒或粉体形式的刚玉、碳化硅、碳素材料、镁铝尖晶石，以及高岭土、赛隆粉、硅铝合金粉时，可直接将上述各种原料按所述的比例称重配料，混合均匀，加入结合剂后进行碾压混练，泥料经成型包装后可在生产现场应用。

根据本发明的其他实施方式，当采用颗粒或粉以外的其他形式的刚玉、碳化硅、碳素材料、镁铝尖晶石、高岭土、赛隆和硅铝合金原料时，可先将各个原料分别粉碎成适宜的颗粒度，再按所述的比例称重配料，混合均匀，加入结合剂后进行碾压混练，泥料经成型包装后可在生产现场应用。

本发明炮泥的原料组成搭配合理，不同原料分别起着不同的作用，使炮泥具有良好的综合性能，铁口深度稳定，出铁时间长、抗侵蚀冲刷性能好。与现有技术相比，它有以下优点：

添加了复合碳素材料，提高了炮泥的热震性、抗剥落性能、抗渗透性能；添加了赛隆粉，提高炮泥的抗化学侵蚀性能；采用了镁铝尖晶石，提高了炮泥对渣的抗侵蚀和渗透性能；添加了硅铝合金粉，可以促进炮泥的快速烧结，提高炮泥的强度，使炮泥有更好的抗铁水和渣冲刷性能，还起到抗氧化的作用，在一定程度上保护炮泥中的碳化硅和碳质原料；采用了焦油和树脂的复合型结合剂，保证了炮泥有良好的可塑性和低温时的快速烧结硬化性能，炉内泥包形成性能好，铁口深度稳定。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的特点和效果进行较为详细的说明，但这些实施例仅是示例性的，不对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明构思的前提下，还可以有更多变化或改进的其他实施例。

本说明书中，未另有说明的物质量的单位均是重量单位，如重量百分数，重量比等。

以下实施例中所用刚玉原料中Al₂O₃≥92％；碳化硅原料中SiC≥90％；焦碳中C≥80％，石墨中C≥94％；赛隆粉中，Sialon(Si₃Al₃O₃N₅)≥60％；镁铝尖晶石中Al₂O₃≥65％；高岭土中Al₂O₃≥30％；金属铝中Al≥97％，金属硅中Si≥97％；焦油中残碳≥15％，树脂中残碳≥42％。

本申请说明书中，未另有说明的，百分数和比例均为重量百分数和重量比。

实施例1

按以下要求进行配料：粒径4-0mm的刚玉原料，加入量占总配料重量的30wt％；粒径2-0mm的碳化硅原料，加入量占总配料重量百分数的20wt％；粒径1-0mm的镁铝尖晶石，加入量占总配料重量百分数的9wt％；粒径0.5-0mm的碳素材料，加入量占总配料重量百分数的15wt％；粒径0.088-0mm的赛隆粉，加入量占总配料重量百分数的10wt％；粒径0.088-0mm的高岭土原料，加入量占总配料重量百分数的14wt％；粒径0.088-0mm的硅铝合金粉，加入量占总配料重量百分数的2wt％。

将上述各种原料按所述的比例称重配料，混合均匀，再加焦油与树脂的复合结合剂，加入量为前述混合物料总重量的16wt％，然后进行碾压混练，泥料经过成型包装后，可在生产现场应用。

将炮泥进行物理性能的测试，其技术指标为：800℃×3h烧后的体积密度为2.20g/cm³(检测标准YB/T5200-1993)，耐压强度为19.5MPa(检测标准YB/T5201-1993)，烧后线变化率为-0.1％(检测标准YB/T5203-1993)，技术指标测试标准以下相同；1500℃×3h烧后的体积密度为2.19g/cm³，耐压强度为32.9MPa，烧后线变化率为-0.1％。

实施例2

按以下要求进行配料：粒径4-0mm的刚玉原料，加入量占总配料重量的32wt％；粒径2-0mm的碳化硅原料，加入量占总配料重量百分数的11wt％；粒径1-0mm的镁铝尖晶石，加入量占总配料重量百分数的4wt％；粒径0.5-0mm的碳素材料加入量占总配料重量百分数的24wt％；粒径0.088-0mm的赛隆粉，加入量占总配料重量百分数的14wt％；粒径0.088-0mm的高岭土原料，加入量占总配料重量百分数的8wt％；粒径0.088-0mm的硅铝合金粉，加入量占总配料重量百分数的7wt％。

将上述各种原料按所述的比例称重配料，混合均匀，再加焦油与树脂的复合结合剂，加入量为前述混合物料总重量的24wt％，然后进行碾压混练，泥料经过成型包装后，可在生产现场应用。

将炮泥进行物理性能的测试，其技术指标为：800℃×3h烧后的体积密度为2.19g/cm³，耐压强度为22.7MPa，烧后线变化率为-0.2％；1500℃×3h烧后的体积密度为2.17g/cm³，耐压强度为31.4MPa，烧后线变化率为-0.1％。

实施例3

按以下要求进行配料：粒径4-0mm的刚玉原料，加入量占总配料重量的48wt％；粒径2-0mm的碳化硅原料，加入量占总配料重量百分数的7wt％；粒径1-0mm的镁铝尖晶石，加入量占总配料重量百分数的3wt％；粒径0.5-0mm的碳素材料，加入量占总配料重量百分数的17wt％；粒径0.088-0mm的赛隆粉，加入量占总配料重量百分数的12wt％；粒径0.088-0mm的高岭土原料，加入量占总配料重量百分数的10wt％；粒径0.088-0mm的硅铝合金粉，加入量占总配料重量百分数的3wt％。

将上述各种原料按所述的比例称重配料，混合均匀，再加焦油与树脂的复合结合剂，加入量为前述混合物料总重量的20wt％，然后进行碾压混练，泥料经过成型包装后，可在生产现场应用。

将炮泥进行物理性能的测试，其技术指标为：800℃×3h烧后的体积密度为2.23g/cm³，耐压强度为24.5MPa，烧后线变化率为-0.1％；1500℃×3h烧后的体积密度为2.21g/cm³，耐压强度为36.7MPa，烧后线变化率为-0.1％。

实施例4

按以下要求进行配料：粒径4-0mm的刚玉原料，加入量占总配料重量的35wt％；粒径2-0mm的碳化硅原料，加入量占总配料重量百分数的8wt％；粒径1-0mm的镁铝尖晶石，加入量占总配料重量百分数的5wt％；粒径0.5-0mm的碳素材料，加入量占总配料重量百分数的19wt％；粒径0.088-0mm的赛隆粉，加入量占总配料重量百分数的20wt％；粒径0.088-0mm的高岭土原料，加入量占总配料重量百分数的9wt％；粒径0.088-0mm的硅铝合金粉，加入量占总配料重量百分数的4wt％。

将上述各种原料按所述的比例称重配料，混合均匀，再加焦油与树脂的复合结合剂，加入量为前述混合物料总重量的22wt％，然后进行碾压混练，泥料经过成型包装后，可在生产现场应用。

将炮泥进行物理性能的测试，其技术指标为：800℃×3h烧后的体积密度为2.21g/cm³，耐压强度为23.4MPa，烧后线变化率为-0.1％；1500℃×3h烧后的体积密度为2.15g/cm³，耐压强度为33.5MPa，烧后线变化率为0。

从以上实施例结果可见，本发明的炮泥组成合理，抗高硫铁水和渣的化学侵蚀性能好，所制出的炮泥开口及打泥性能优异，其强度、线变化率技术指标都好于现有技术炮泥的性能指标，可以使炮泥有良好的高温体积稳定性，抗冲刷磨损性能好，有利于保持铁口的稳定，能适应高冶炼强度下熔融还原炉出铁的需要。

Claims (12)

1.一种炮泥，包括：刚玉：30-48wt％，碳化硅：7-20wt％，碳素材料：15-24wt％，赛隆10-20wt％，镁铝尖晶石3-9wt％，高岭土8-14wt％，硅铝合金：2-7wt％，复合结合剂：相对于前述物料总重量的16-24wt％。

2.一种炮泥，其组成为：刚玉：30-48wt％，碳化硅：7-20wt％，碳素材料：15-24wt％，赛隆10-20wt％，镁铝尖晶石3-9wt％，高岭土8-14wt％，硅铝合金：2-7wt％，复合结合剂：相对于前述物料总重量的16-24wt％。

3.如权利要求1或2所述的炮泥，其特征在于，所述复合结合剂由焦油和树脂构成。

4.如权利要求1-3任一所述的炮泥，其特征在于，刚玉原料中Al₂O₃≥92％。

5.如权利要求1-4任一所述的炮泥，其特征在于，碳化硅原料中SiC≥90％。

6.如权利要求1-5任一所述的炮泥，其特征在于，碳素材料由焦碳与石墨构成，其中焦碳与石墨的重量比为5∶1，优选焦碳中C≥80％，石墨中C≥94％。

7.如权利要求1-6任一所述的炮泥，其特征在于，赛隆中，Sialon(Si₃Al₃O₃N₅)≥60％，优选赛隆为赛隆粉。

8.如权利要求1-7任一所述的炮泥，其特征在于，镁铝尖晶石粉中Al₂O₃≥65％。

9.如权利要求1-8任一所述的炮泥，其特征在于，高岭土中Al₂O₃≥30％。

10.如权利要求1-9任一所述的炮泥，其特征在于，硅铝合金为硅铝合金粉，其中硅粉和铝粉的重量比为1∶1，优选铝粉中Al≥97％，硅粉中Si≥97％。

11.如权利要求1-10任一所述的炮泥，其特征在于焦油与树脂的重量比为1∶1，优选焦油中残碳≥15％，树脂中残碳≥42％。

12.如权利要求1-11任一所述的炮泥在炼铁用熔融还原炉出铁口上的应用。