CN104326758A - 一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道及其制备方法，涉及耐火材料技术领域，该高温抗热震管道由高铝矾土熟料颗粒、红柱石、刚玉细粉、纯铝酸钙水泥、Al2O3微粉、SiO2微粉、分散剂、有机防爆纤维和不锈钢纤维组成，红柱石由200目的细粉和3~0.074mm的颗粒组成，3~0.074mm颗粒的重量占红柱石总重量的百分比大于65%；其制备方法是采用所述的原料通过现场浇筑或制成预制块后现场组合砌筑而成。本发明的红柱石的莫来石化是一个持续的过程，红柱石转化成的柱状和针状的莫来石能够与其它原料形成交织结构，结合牢固，当原料制品由于热应力和其它机械应力而发生断裂时，能够起到桥接增韧的作用，提高原料制品的抗热震性。

Description

一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道及其制备方法
技术领域
本发明涉及耐火材料技术领域，具体的说是一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道及其制备方法。
背景技术
热风炉管道由热风出口、支管、前主管、竖管、后主管、热风围管和送风装置组成，热风出口和上述各管道连结的地方形成三通管，目前一般采用组合砖组砌而成，即将热风出口和三岔口部位按照其整体结构，用计算机三维技术分解成单块的砖，通过配料、混料、成型和烧成，制成一块块的烧成砖，将烧成砖通过加工组合在一起，然后编号、拆掉并包装，运至现场后，将砖在热风炉上重新组合在一起，形成三岔口管道和热风出口组合体，这种烧成砖即称为组合砖。组合砖的生产工艺复杂，费时费力，其繁复的生产工艺消耗较多的能源，进而带来较多的废气排放，不利于环保。高炉热风炉的工作环境恶劣，热风炉内部高温、高压气流和温差频繁变化，尽管采用了组合砖组砌而成的整体结构，即每块烧成砖都带有凹凸榫槽，到仍难以阻抗因上述因素产生的各种热应力作用，出现掉砖、坍塌、窜热风和炉壳发红等现象，需经常停产维修。而重新补砌烧成砖时，易出现锁砖不紧的情况，且易在补砖处出现窜风现象。
热风炉管道复杂，既有水平的，又有垂直的。热风炉管道耐火材料受到三个力：热震应力，热胀冷缩力和盲板力。高温风要靠管道由热风炉输送到高炉，随着风温提高，这三个力增加，导致事故频发。解决方法：管道的结构设计和耐火材料的选择。热风炉的使用寿命目标是30年以上，这就要求耐火材料耐压强度高，荷重软化温度高、抗蠕变性好、热震稳定性好、抗化学侵蚀性好。但是也不能对耐火材料性能不适当地拔高，造成稀有资源的浪费、能源的浪费，并导致热风炉造价太高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中高炉热风炉管道受热震应力、热胀冷缩力和盲板力影响易损坏的问题，提供一种不需要预烧制，且能够长时间保持良好的抗热震性、机械性能的炼铁热风炉的耐高温抗热震管道，以及其制备方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道，由高铝矾土熟料颗粒、红柱石、刚玉细粉、纯铝酸钙水泥、Al2O3微粉、SiO2微粉、分散剂、有机防爆纤维和不锈钢纤维组成，各原料按重量份数比为：高铝矾土熟料颗粒30~40份、红柱石35~42份、刚玉细粉7~9份、纯铝酸钙水泥2~4份、Al2O3微粉4~8份和SiO2微粉5~7份，分散剂、有机防爆纤维和不锈钢纤维的加入量分别为高铝矾土颗粒熟料、红柱石、刚玉细粉、纯铝酸钙水泥、Al2O3微粉和SiO2微粉总重的0.15~0.25%、0.05~0.15%和0~1.5%；所述的红柱石由200目的细粉和3~0.074mm的颗粒组成，3~0.074mm颗粒的重量占红柱石总重量的百分比大于65%。
所述3~0.074mm粒度等级的红柱石又分为3~1mm和1~0.074mm两种等级，3~1mm、1~0.074mm和200目三种粒度的重量比为10~15：15~20：5~7。
所述的高铝矾土颗粒熟料分为8~5mm和5~3mm两种粒度等级，两种粒度的重量比为15~20：15~20。
所述的Al2O3微粉由重量比为3~5：1~3的α-Al2O3和ρ-Al2O3组成，ρ-Al2O3作为原料的结合剂，在使用过程中能够与水发生水化反应。本发明中的结合剂的结合作用：纯铝酸钙水泥＞ρ-Al2O3＞SiO2微粉，通过对三者的重量比进行调整，可获得流动性好、强度高的浇注料。
所述的分散剂为三聚磷酸钠和/或六偏磷酸钠。
本发明中，刚玉细粉的粒径为300目，Al2O3微粉粒径≤5微米，SiO2微粉粒径≤1微米。鉴于微粉比表面积较大、有较好的粘聚性能，可改善坯体的成型强度。
一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道的制备方法，是采用上述的原料通过现场浇筑或制成预制块后现场组合砌筑而成。
有益效果：1、与莫来石相比，本发明中以红柱石为主的原料能够不需预烧处理就能直接使用，性价比好。本发明的原料在高温使用过程中，原料中的红柱石生成一次莫来石和游离的SiO2，一次莫来石呈针状或柱状，在原料制品中能够起到纤维增韧的效果，增强制品的机械性能；而SiO2微粉和/或部分游离的SiO2与原料中的Al2O3微粉和/或刚玉细粉发生反应，生成针状的二次莫来石，均匀分布于整个原料制品中，起到颗粒增韧的作用。红柱石转化成的柱状和针状的莫来石能够与其它原料形成交织结构，结合牢固，当原料制品由于热应力和其它机械应力而发生断裂时，能够起到桥接增韧的作用，提高原料制品的抗热震性。红柱石的莫来石化过程中体积膨胀，红柱石颗粒的缓慢转化过程能够补偿原料制品因受应力作用产生的体积收缩，提高其高温机械性能，其制品的荷重软化温度大于1700℃，抗蠕变性好，1450℃×0.2MPa×0-50h下的蠕变性达-0.36%，重烧线变化率在+0.25%左右；
2、本发明中，红柱石分为3~0.074mm和200目两种粒度等级，且红柱石颗粒料的重量份数多于红柱石细粉，红柱石高温分解出的富氧化硅玻璃相游离出红柱石颗粒料的路径较为曲折，迁移较慢，在裂纹扩展时，富氧化硅玻璃相能够弥合裂缝，其制品在1300℃时的耐压强度能够达到122.7MPa；红柱石细粉较易反应，而红柱石颗粒转化速度慢，二者的颗粒级配能够避免因快速莫来石化造成体积膨胀，其能够使红柱石保持未完全莫来石化，形成莫来石潜能，即莫来石化是一个持续的过程，有利于制备原料在使用过程中，各原料膨胀系数的复配而提高抗热震性，原料制品在1100℃水冷的热震稳定性大于100次；
3、红柱石莫来石化后，游离的SiO2向外迁移，在红柱石颗粒中留下很多的微孔，微孔具有增韧作用，提高了材料的抗热震性。
具体实施方式
一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道，由高铝矾土熟料颗粒、红柱石、刚玉细粉、纯铝酸钙水泥、Al2O3微粉、SiO2微粉、分散剂、有机防爆纤维和不锈钢纤维组成，各原料按重量份数比为：高铝矾土熟料颗粒30~40份、红柱石35~42份、刚玉细粉7~9份、纯铝酸钙水泥2~4份、Al2O3微粉4~8份和SiO2微粉5~7份，分散剂、有机防爆纤维和不锈钢纤维的加入量分别为高铝矾土颗粒熟料、红柱石、刚玉细粉、纯铝酸钙水泥、Al2O3微粉和SiO2微粉总重的0.15~0.25%、0.05~0.15%和0~1.5%；所述的红柱石由200目的细粉和3~0.074mm的颗粒组成，3~0.074mm颗粒的重量占红柱石总重量的百分比大于65%。
所述3~0.074mm粒度等级的红柱石又分为3~1mm和1~0.074mm两种等级，3~1mm、1~0.074mm和200目三种粒度的重量比为10~15：15~20：5~7。优选的，3~0.074mm颗粒的重量占红柱石总重量百分比的65~70%。
本发明中，高铝矾土颗粒熟料分为8~5mm和5~3mm两种粒度等级，两种粒度的重量比为15~20：15~20；Al2O3微粉由重量比为3~5：1~3的α-Al2O3和ρ-Al2O3组成。所述的分散剂采用三聚磷酸钠和/或六偏磷酸钠。
一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道的制备方法，是采用上述原料通过现场浇筑或制成预制块后现场组合砌筑而成。
本发明的原料用于热风炉时，热风炉管道内部的温度为1300~1420℃，在1200~1450℃下，红柱石（3Al2O3·SiO2）→一次莫来石（3Al2O3·2SiO2）＋游离SiO2。其中的红柱石转化为莫来石化的同时生成的SiO2玻璃相对莫来石有很好的润湿性，因此该制备原料不需要预烧处理就能直接使用。在高温作用下，原料中的红柱石生成一次莫来石和游离的SiO2，一次莫来石呈针状或柱状，在原料制品中能够起到纤维增韧的效果，增强制品的机械性能；而SiO2微粉和/或部分游离的SiO2与原料中的Al2O3微粉和/或刚玉细粉发生反应，生成二次莫来石，3Al2O3＋2SiO2→二次莫来石（3Al2O3·2SiO2），二次莫来石呈针状，均匀分布于整个原料制品中，起到颗粒增韧的作用。红柱石转化成的柱状和针状的莫来石能够与其它原料形成交织结构，结合牢固，当原料制品由于热应力和其它机械应力而发生断裂时，能够起到桥接增韧的作用，提高原料制品的抗热震性。
本发明中，该红柱石颗粒料在温度升高的基础上，转化为一次莫来石，表现为体积膨胀；一次莫来石化过程中富余的游离SiO2能够分别与原料中铝矾土颗粒熟料、刚玉细粉、Al2O3微粉反应生成二次莫来石，所产生的微膨胀效应能够抵消制品使用过程中因高温负荷作用造成的制品体积收缩。
在热风炉中，红柱石和生成的一次莫来石处于固态，SiO2玻璃相处于液态，原料中的红柱石颗粒难以全部容纳生成的SiO2玻璃相，因而使得部分的SiO2玻璃相排挤到裂纹缝隙中，起到结合作用，抑制裂纹的产生，提高了原料制品的抗热震性；同时，富余的游离SiO2能够分别与原料中铝矾土颗粒熟料、刚玉细粉、Al2O3微粉反应生成二次莫来石，一次莫来石和二次莫来石形成交织结构，提高原料制品的热态强度。
实施例1
一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道，按重量份数计，其原料组成为：8~5mm粒度的高铝矾土颗粒熟料15份和5~3mm粒度的高铝矾土颗粒熟料20份，3~1mm粒度的红柱石15份、1~0.074mm粒度的红柱石20份和200目粒度的红柱石7份，300目粒度的棕刚玉细粉9份，CA-70纯铝酸钙水泥4份，粒度≤5微米的α-Al2O3粉3份，ρ-Al2O3粉2份，粒度≤1微米的SiO2微粉5份；另外，还加入0.1份的三聚磷酸钠和0.05份的六偏磷酸钠，0.05份的有机防爆纤维和1.0份的耐热不锈钢纤维。
一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道的制备方法，是采用如上述的制备原料通过现场浇筑或制成预制块后现场组合砌筑而成。为了克服现有技术中因耐火组合砖热震稳定性和抗蠕变性差等导致使用寿命短的问题，本发明从适应热风炉管道的工况条件出发，采用红柱石浇注料具有烧成砖理化性能指标，或现场浇筑，或制成预制砖现场组装，整体性优于组合砖，省时省工，节能降耗。本发明主要针对从热风炉热风出口到热风围管的管道薄弱部分。优点：荷重软化温度大于1700℃，1100℃水冷的热震稳定性大于100次。
高炉热风炉管道的具体制备方法：
（1）浇注料现场施工
按照上述配方，精确称量各原料，加入搅拌机中搅拌均匀，分包袋装（25kg/袋），运至现场。在热风出口或热风管道三通口等部位支设模具，浇注料在现场倒入搅拌机中，加入原料总重3~5%的水，搅拌均匀后其送到浇注部位，倒入模具后，用振动棒振动至浇注料流平，不再出现气泡时停止，自然养护24h，脱模后，按照热风炉的烘炉曲线进行热处理，即可投入使用。
（2）浇注料制预制块
按照上述配方，精确称取各原料，加入搅拌机中搅拌均匀，加入原料总重3~5%的水，混合后将其倒入模具中，该模具固定在振动台上，加料的同时开振动台，至模具中的浇注料流平，无气泡排出时停止，自然养护24h，脱模，入窑热处理，热处理温度为150~300℃；然后将处理后的预制块包装，运至现场进行组装，然后按照热风炉的烘炉曲线进行热处理，即可投入使用。预制块比传统使用的组合砖体积大，便于组砌。
本发明中，Al2O3微粉由α-Al2O3和ρ-Al2O3组成，ρ-Al2O3作为原料的结合剂，能够与水发生水化反应生成Al(OH)3，并在热风炉的高温作用下能够分解转化为α-Al2O3，并与SiO2微粉和/或红柱石分解生成的游离SiO2发生莫来石化反应，可以根据α-Al2O3和ρ-Al2O3的重量比调配二者的加入比例，最大限度的提高原料的流动性，改善其高温性能。
实施例2
一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道，按重量份数计，其原料组成为：8~5mm粒度的高铝矾土颗粒熟料20份和5~3mm粒度的高铝矾土颗粒熟料20份，3~1mm粒度的红柱石15份、1~0.074mm粒度的红柱石15份和200目粒度的红柱石5份，300目粒度的棕刚玉细粉8份，CA-70纯铝酸钙水泥3份，粒度≤5微米的α-Al2O3粉5份，ρ-Al2O3粉3份，粒度≤1微米的SiO2微粉6份；另外，还加入0.15份的六偏磷酸钠，0.15份的有机防爆纤维。
一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道的制备方法，是采用如上述的制备原料通过现场浇筑或制成预制块后组砌而成。具体的制备过程参照实施例1。
实施例3
一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道，按重量份数计，其原料组成为：8~5mm粒度的高铝矾土颗粒熟料18份和5~3mm粒度的高铝矾土颗粒熟料20份，3~1mm粒度的红柱石12份、1~0.074mm粒度的红柱石18份和200目粒度的红柱石7份，300目粒度的棕刚玉细粉9份，CA-70纯铝酸钙水泥2份，粒度≤5微米的α-Al2O3粉4份，ρ-Al2O3粉3份，粒度≤1微米的SiO2微粉7份；另外，还加入0.20份的三聚磷酸钠，0.10份的有机防爆纤维和1.0份的耐热不锈钢纤维。
一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道的制备方法，是采用如上述的制备原料通过现场浇筑或制成预制块后组砌而成。具体的制备过程参照实施例1。
表1：实施例1~3耐火制品的理化检验结果
实施例1~3耐火制品的理化检验结果如上表1所示，由表1可知，与现有技术的耐火材料相比，本发明形成的浇注料具有较高的体积密度、抗折和耐压强度、荷重软化温度，较低的线变化率，优良的抗爆裂性能，抗蠕变性好。本发明的浇注料在高炉热风炉管道领域使用时，红柱石和莫来石相能够同时存在，红柱石和莫来石的热膨胀系数较低，其抗热震性好。
本发明中，ρ-Al2O3的应用，可减少纯铝酸钙水泥的用量，进而减少水泥带入的CaO的量，避免其对浇注料高温性能的影响。
红柱石莫来石化后生成的SiO2玻璃相绝大部分处于莫来石晶体网络之中，只有小部分处在颗粒表面。该玻璃相对莫来石有良好的润湿性，可缓和红柱石分解引起的体积膨胀效应。在高温下，莫来石晶内液化的SiO2玻璃相能够吸收热应力；这种玻璃相可与浇注料中的Al2O3反应生成二次莫来石，强化基质。这使得由红柱石转化而得到的莫来石比用其它原料时有更好的高温性能，尤其是热震稳定性和抗渣性。莫来石呈针柱状穿插结构，有利于热态强度的提高。本发明的制备原料制成的高炉热风炉管道可减薄减重，提高寿命，便于修补。
其中，有机防爆纤维和不锈钢纤维作为本发明制备原料的增强材料，除了在常温下应具有较高的抗拉强度及与浇注料基体有良好的粘结性能外，还具有在高温条件下保持增强作用的性能，具有较高的化学稳定性和可混性，不产生对耐火浇注料有害的作用，也不降低本身的性能。二者所作出的贡献：（1）增强韧性，提高抗应力—应变能力，提高抗机械冲击性；（2）提高抗热震性，提高抗开裂与剥落性；（3）抑制在养护、干燥及热处理后的线收缩；（4）有机防爆纤维具有良好的抗爆裂性能。

Claims (6)

1.一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道，由高铝矾土熟料颗粒、红柱石、刚玉细粉、纯铝酸钙水泥、Al2O3微粉、SiO2微粉、分散剂、有机防爆纤维和不锈钢纤维组成，其特征在于：各原料按重量份数比为：高铝矾土熟料颗粒30~40份、红柱石35~42份、刚玉细粉7~9份、纯铝酸钙水泥2~4份、Al2O3微粉4~8份和SiO2微粉5~7份，分散剂、有机防爆纤维和不锈钢纤维的加入量分别为高铝矾土颗粒熟料、红柱石、刚玉细粉、纯铝酸钙水泥、Al2O3微粉和SiO2微粉总重的0.15~0.25%、0.05~0.15%和0~1.5%；所述的红柱石由200目的细粉和3~0.074mm的颗粒组成，3~0.074mm颗粒的重量占红柱石总重量的百分比大于65%。
2.根据权利要求1所述的一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道，其特征在于：所述3~0.074mm粒度等级的红柱石又分为3~1mm和1~0.074mm两种等级，3~1mm、1~0.074mm和200目三种粒度的重量比为10~15：15~20：5~7。
3.根据权利要求1所述的一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道，其特征在于：所述的高铝矾土颗粒熟料分为8~5mm和5~3mm两种粒度等级，两种粒度的重量比为15~20：15~20。
4.根据权利要求1所述的一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道，其特征在于：所述的Al2O3微粉由重量比为3~5：1~3的α-Al2O3和ρ-Al2O3组成。
5.根据权利要求1所述的一种炼铁热风炉的耐高温抗热震管道，其特征在于：所述的分散剂为三聚磷酸钠和/或六偏磷酸钠。
6.一种如权利要求1所述的炼铁热风炉的耐高温抗热震管道的制备方法，其特征在于：采用所述的原料通过现场浇筑或制成预制块后现场组合砌筑而成。
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