常正钦华西科技⾼级⼯程师炮泥专家
摘要：针对炮泥对铁⼝的保护和修复功能，本论⽂研究了结合剂加⼊量、焦炭、钒钛粉、氮化硅铁对炮泥马夏值以及体积密度、显⽓孔率、常温抗折强度、常温耐压强度、线变化率的影响，并对1350℃×3h处理后的试样断⾯进⾏SEM分析。结果表明：随着结合剂加⼊量的增加，试样马夏值逐渐降低；焦炭的加⼊引起炮泥⽓孔率增⼤和强度降低，有利于提⾼炮泥的透⽓性和易开⼝性能；钒钛粉在炮泥中能够形成⾼熔点⾼强度的碳化钛、碳化钒复合相，对铁⼝周围耐材损坏部位实现有效修补；氮化硅铁具有增加炮泥⽓孔率和促进基质增强的双重作⽤。试样断⾯SEM分析表明：试样经1350℃×3h处理后结合剂已经完全碳化，并与新⽣成物相相互交错分布。经多座⾼炉使⽤表明，钒钛功能型炮泥对⾼炉出铁⼝周围起到了良好的修复和保护效果，增加打泥量，加⼤泥包，对炉缸也有明显的修复作⽤，表现在炉缸温度会停⽌升⾼并降低。 琉璃砖关键词：炮泥，功能型，钒钛，修复
钒钛炮泥
炮泥是⼀种⽤来封堵⾼炉出铁⼝的耐⽕可塑料，不但具有堵塞出铁⼝的作⽤，⽽且具有保护炉壁炉缸
橡塑模具
的功能，是⾼炉炼铁过程中必不可少的辅助材料，炮泥应具有良好的开⼝性、⾼温体积稳定性、良好的填充性和附着性。⾼炉出铁⼝长期受到严重侵蚀，炉膛端会出现喇叭⼝或⽜⾓槽，这将导致铁⼝浅，铁流不稳定，见风早，出不净渣铁，甚⾄跑⼤流，严重影响正常出铁，并最终影响到出铁产量，同时⾼炉安全性也会受到威胁。特别是使⽤寿命中后期的⾼炉，必须对⾼炉出铁⼝进⾏修复和维护。常⽤的⽆⽔炮泥研究多集中在抗侵蚀性、可塑性、烧结性、体积稳定性等⽅⾯[1,2,3]，⽽对炮泥在使⽤过程中对出铁⼝修复和维护⽅⾯的研究较少，如何使炮泥在使⽤条件下沉积在⾼炉侧壁及炉缸区域和出铁⼝上，对扩孔的出铁⼝部位实现修复，对于保证⾼炉正常出铁，提⾼⾼炉寿命有直接意义。
1、试验
试验⽤主要原料包括⾼铝矾⼟（粒度包括3~5mm、1~3mm、0~1mm）、碳化硅（粒度包括0~1mm、200⽬）、焦炭（粒度包括0~1mm）、粘⼟（不⼤于320⽬）、蓝晶⽯（30~80⽬）、沥青（不⼤于180⽬）、氮化硅铁（不⼤于200⽬）、氮化硅铝（不⼤于320⽬）、钒钛粉（不⼤于325⽬）、树脂等，部分原料的主要化学成分如表1所⽰。
表1主要原料的化学组成(w) ％
炮泥中⾻料与粉料的质量⽐例按照60:40配制，按设计配⽅称取各种原料，先将⾻料与结合剂搅拌均匀，使结合剂润湿颗粒表⾯，然后加⼊粉料搅拌，使粉料充分包裹颗粒，混合均匀后经50℃×3h处理，直接测定马夏值；在液压机上制成40mm×40mm×160mm的试样，置于匣钵内经1350℃×3h埋炭处理，测量试样体积密度、显⽓孔率、常温抗折强度、常温耐压强度、线变化率。
2、结果与讨论
2.1结合剂含量对炮泥马夏值影响
本研究中采⽤的结合剂为树脂环保结合剂，残炭为36%，苯并芘含量不⾼于350ppm，⽆⽔炮泥通常采⽤的焦油结合剂中残炭为20%，苯并芘含量13000ppm，因此采⽤环保结合剂更有利于实现环保和炭结合。环保结合剂在低温下起到增加炮泥可塑性的作⽤，使炮泥容易挤出⽽填塞到出铁⼝，采⽤马夏值测定仪来评价炮泥的软硬程度。图1为不同结合剂含量对马夏值的影响。从图1可以看出，随着结合剂含量的增加，试样的马夏值逐渐降低。结合剂在炮泥中降低了颗粒之间的粘聚⼒，起到了润滑作⽤，使炮泥的可塑性提⾼[4]。在使⽤温度条件下形成碳结合，保证了炮泥从低温到⾼温的强度，有利于提⾼炮泥的抗渣侵蚀性及抗熔融铁⽔冲刷能⼒[5]。在使⽤过程中炮泥的马夏值根据打泥压⼒的⼤⼩进⾏调节。
图1 结合剂加⼊量对炮泥马夏值的影响
2.2焦炭对炮泥性能影响
本研究中采⽤的焦炭粒度为0~1mm，焦炭的主要作⽤有三个：⼀是增强炮泥的显⽓孔率，改善炮泥的透⽓性，便于挥发分的释放和使⽤过程中开孔；⼆是提供碳素，与结合剂挥发的残炭结合，形成碳结合相，保证炮泥的最终强度；三是产⽣还原⽓氛，抑制其他原料氧化[6]。采⽤焦炭替换同样粒度的碳化硅，不同焦炭对炮泥性能的影响如表2所⽰。从表2可以看出，随着焦炭含量的增加，试样的强度降低，⽓孔率提⾼，体积密度降低，⽽线变化率基本⼀致。焦炭是多孔物质，⽐表⾯积⼤，焦炭加⼊量增⼤，造成颗粒与颗粒以及颗粒与基质之间的结合作⽤减弱，因⽽强度产⽣降低。焦炭含量增加，造成更多的结合剂填充在焦炭的⽓孔中和焦炭颗粒表⾯，在同样马夏值的情况下，造成结合剂加⼊量增加。
表2 焦炭加⼊量对炮泥性能的影响
2.3钒钛粉对炮泥强度影响
本研究中不同钒钛粉加⼊量对炮泥强度的影响如图2和图3所⽰。从图2和图3可以看出，随着钒钛粉加⼊量的增加，试样强度逐步提⾼。钒钛粉中的成分包括氧化铁、氧化钙、氧化铝、氧化硅等，这些成分在⾼温下促进了炮泥的烧结，其中钒钛成分加⼊后炮泥在⾼温下会发⽣如下反应：
V2O5 + C→V + CO
TiO2 + C→ TiC+ CO
TiO2 + Al2O3→Al2TiO5
反应⽣成物质熔点⾼，能沉积在出铁⼝处，甚⾄渗⼊铁⼝及铁⼝下部耐材之中，保证了铁⼝形状，并能够提⾼炮泥的抗铁⽔冲刷性。钛酸铝具有与铁液和熔渣不侵润的特性，能够提⾼炮泥的抗渣侵蚀性。因此钒钛粉的加⼊可以有效的保持良好的铁⼝形状，对铁⼝起到保护和修复作⽤。
空间种植塔图2 钒钛粉加⼊量对炮泥抗折强度的影响
图3 钒钛粉加⼊量对炮泥耐压强度的影响
2.4氮化硅铁对炮泥性能影响滚花铜螺母
本研究中在其余组分不变的条件下，采⽤氮化硅铁替代同样粒度的碳化硅，不同氮化硅铁加⼊量对炮泥性能的影响如表3所⽰。从表3可以看出，在氮化硅铁加⼊量在4%~12%的范围内，炮泥强度呈现先增加后降低的趋势，显⽓孔率逐渐增⼤。⼀⽅⾯在烧结过程中，炮泥中的氮化硅在铁和碳的参与下分解，⽣成SiC，SiC的⽣成强化了炮泥的基质[7]，提⾼炮泥的⾼温强度，增强了炮泥的抗冲刷性。另⼀⽅⾯氮化硅铁在⾼温下反应会放出N2产⽣弥散性微⼩⽓孔将导致⽓孔率升⾼[8]。⽓孔率升⾼在⼀定程
度上会引起炮泥强度的降低，有利于提⾼炮泥的可钻率，当氮化硅铁强化基质的作⽤低于⽓孔率对强度降低的作⽤时，炮泥的整体强度会产⽣下降。氮化硅铝在⼀定温度条件下分解，与游离碳共同作⽤，形成⼀定量的β-Sic液相，促进材料烧结，提⾼材料强度，增强炮泥可磨损性，同时氮化硅铝本⾝在还原⽓氛条件下呈现惰性，不与渣铁反应，从⽽提⾼炮泥的抗渣铁侵蚀性，因此氮化硅铝配合氮化硅铁的加⼊使⽤能更加有效的提⾼炮泥的综合使⽤性能。
表3氮化硅铁加⼊量对炮泥性能的影响
2.5试样显微结构分析
1350℃×3h埋炭处理后的试样SEM照⽚如图1所⽰。从图中可以看出，⾻料被基质包围，基质中有⼤量⽓孔。试样经过⾼温处理后，沥青与结合剂已经充分碳化，⽔分和有机物的挥发造成试样结构疏松[9]。同时铝矾⼟、氮化硅铁、粘⼟、钒钛粉、蓝晶⽯等原料组分之间发⽣了⼀系列的化学反应，⽣成新的物相交织在⼀起，使炮泥的强度提⾼。
图4 炮泥经1350℃℃×3h埋炭处理后的显微结构
3、应⽤
华西钒钛功能型炮泥已经在多座⾼炉使⽤，现场使⽤打泥顺利，开⼝容易，没有喷溅现象，在铁⼝维护和修复⽅⾯⼀般使⽤⼀个⽉铁⼝形状就能够稳定，炉缸铁⼝下⽅温度降低，三个⽉效果明显，半年为⼀个修复完成期。形成的牢固铁⼝可以避免泥包跨塌，起到了延长出铁时间的效果，避免了炉壁与炉底交汇处形成象脚对炉缸结构造成的破坏，并且降低了吨铁炮泥消耗，延长了⾼炉整体使⽤寿命。
4、结论
（1）结合剂加⼊量的增加能够降低炮泥马夏值，在使⽤过程中炮泥的马夏值根据打泥压⼒的⼤⼩进⾏调节。
（2）焦炭的加⼊引起炮泥⽓孔率增⼤和强度降低，有利于提⾼炮泥的可开⼝性能，⽽且开⼝⽆潮泥不冒烟，并为炮泥使⽤条件提供还原⽓氛。
（3）钒钛粉中的钒钛成分有助于提⾼炮泥抗冲刷性和抗侵蚀性，氧化铁、氧化硅等成分能够促进烧结，提⾼炮泥强度。
（4）氮化硅铁分解产⽣N2增加了炮泥⽓孔率，氮化硅铝与氮化硅铁⽣成的氮化硅结合碳化硅增强了炮泥的抗侵蚀性能。
参考⽂献：
[1]徐国涛，⾼炉铁⼝⽆⽔炮泥的研究进展，2009全国不定形耐⽕材料学术会议论⽂集
开关型直流稳压电源[2]魏太林，⾼炉铁⼝炮泥的现状与发展，炼铁，2004，23（3）：53~55
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[4]魏军从，⾼炉⽤⽆⽔炮泥的研究和应⽤，耐⽕材料，2006（1）：78~79
[5]李学超，环保型结合剂对⾼炉炮泥性能的影响，第⼗三届全国耐⽕材料学术交流会论⽂集2012：386~389
[6]张君博,⾮氧化物对⽆⽔炮泥性能的影响,2009全国不定形耐⽕材料学术会议论⽂集，50~53
[7]邱海龙，氮化硅铁加⼊量对⽆⽔炮泥强度的影响,2011全国不定形耐⽕材料学术会议论⽂集，206~209
[8]陈俊红等，氮化硅铁对炮泥⾼温抗折强度及抗渣性的影响，耐⽕材料，2006，40(6)：443~445．
[9]董英，⾼炉铁⼝⽆⽔炮泥强度及其特性分析，耐⽕材料，2010，44：153~154
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