高爐炮泥研究現狀及未來發展新方向 | 技術前沿

高爐出鐵口是高爐重要的部分之一，是高爐排出鐵水和爐渣的通道，一般設置為1-4個。出鐵口是否通暢以及鐵通量大小都是影響高爐運行的重要因素。而高爐炮泥是用于封堵出鐵口的可塑性耐火材料，同時也是煉鋼過程中成本占比大的日常消耗耐材，達到消耗耐材總成本的80%。因此，對于高爐炮泥的研究至關重要，直接關系著高爐的壽命以及煉鐵煉鋼的成本。

圖1 高爐出口示意圖  

由于近年來高爐大型化和強化冶煉技術的應用，導致出鐵時間的延長，出鐵次數的增加，使得對出鐵口的要求更高，工作環境更苛刻，亦是對炮泥提出了更高的要求。至2019年，我國4000m³以上的大型高爐達到了22座，比較大的高爐體積達到了5800m³，出鐵口有4個，平均每天出鐵次數10～13次。如寶鋼的兩座4063m³的高爐日出鐵量達到了10000t，出渣量達3200t，出鐵速度在5.8～7.5t·min?¹，出鐵時間可達120min以上。這對炮泥的可塑性、耐火度、抗鐵渣侵蝕能力、燒結強度和開口性能均提出了極大的要求與挑戰。炮泥性能的優劣關系到高爐的生產與運行，如果炮泥質量不佳，就會產生各種問題，如斷鐵口、潮鐵口、淺鐵口等，甚至造成危害人身安全的事故。反之，炮泥質量良好、孔徑穩定、出鐵均勻、鐵口維持一定的深度，能優化高爐的生產，減少耐火材料的消耗。

本文中，介紹了炮泥的種類以及不同種類炮泥的特性和應用，主要從炮泥原料(化學成分、顆粒組成、含水量)、添加劑和結合劑三個方面概述了其新研究進展，并且對炮泥的研究思路和發展方向做了展望。

真空振動澆注裝置示意圖，將混合漿料(加水量8%(w))放于裝置的漏斗中，抽真空至-0.09MPa后保壓30min，打開振動臺使其振動頻率為60Hz，待漿料完全流進模具后再振動1min，停止振動后放入空氣。機壓成型過程：將坯料(含水量8%(w))放入壓磚機模具內，在200MPa壓力下保壓90s。兩種工藝的坯體成型后均于100℃干燥72h，于1400℃氮化燒結8h。

1.炮泥種類

炮泥是一種不定形的功能性耐火材料，用于煉鐵高爐的封堵鐵口過程。炮泥的組成可以分成兩個部分：耐火骨料和結合劑。耐火骨料是指剛玉、莫來石、焦寶石等耐火原料和焦炭、云母等改性材料，用于提高炮泥的耐火度、高溫性能以及抗渣性;結合劑為水、焦油瀝青或酚醛樹脂等有機材料，還可配合摻加SiC、Si?N?，膨脹劑和外加劑等用于提高炮泥的物理性能和產品質量。
    炮泥一般按結合劑的不同可以分為有水炮泥和無水炮泥兩大類。就國內來說，一般頂壓較低、強化冶煉程度不高的中小型高爐(<2000m³)使用有水炮泥;而頂壓較高、強化冶煉程度高的大中型高爐(>2000m³)一般使用無水炮泥。國外以日本高爐為代表的眾多高爐普遍采用高質量的無水炮泥，同時配以特殊的開口方法和開口機。

1.1 有水炮泥

有水炮泥通常以黏土、焦粉、釩土熟料和焦油瀝青為主料，再以水為結合劑混合攪拌所得。有水炮泥是早期大量使用的一種炮泥，但由于其體積密度比較小，抵抗鐵渣溶液的沖刷能力較弱，在大中型高爐上使用時容易造成鐵口深度不夠、出鐵期間跑焦炭、出鐵放風以及出不凈鐵渣等現象，影響高爐的正常生產。至今，由于有水炮泥成本低的特點，許多中小型高爐(<2000m³)仍在改進其成分，為適應冶煉環境而努力，其單耗在1.2kg·t?¹以上。

有水炮泥的成分組成波動較大，可根據使用條件和要求的不同進行改造。其中，焦炭和軟質黏土對有水炮泥的性質影響巨大。炮泥中軟質黏土含量較高，其可塑性強，能使炮泥更快形成泥包，但軟質黏土也會使炮泥的透氣性變差，減緩干燥速度。炮泥中焦炭能增加炮泥的透氣性，使其易于干燥，但會降低炮泥的可塑性。表1為有水炮泥的成分組成。

表1 有水炮泥的成分組成   

1.2 無水炮泥

無水炮泥一般以剛玉、高鋁礬土、黏土、絹云母、瀝青、碳化硅、焦粉等為原料，采用焦油、樹脂等作為結合劑。剛玉和高鋁礬土的體積密度較大，在炮泥中起到支撐骨架的作用，是構成炮泥強度的基礎，大大提高了炮泥抵抗鐵渣溶液沖刷的能力;焦粉具有良好的還原性，可保護其他炭素成分、維持高爐鐵口的還原性氛圍，而且導熱性良好，能夠迅速燒結并具有一

表2 無水炮泥的成分組成   

2.高爐炮泥的研究現狀

影響高爐炮泥性能和品質的因素主要有炮泥原料、結合劑、添加劑和生產工藝等。表3為我國部分鋼廠的炮泥使用情況。

表2 試樣的常規性能 

2.1 原料的改善與研究

炮泥原料直接影響炮泥的性質，優質的炮泥主成分含量多，雜質少，性能優越。其進展主要從三方面展開：原料的化學成分、粒度以及含水量。

①化學成分

由于炮泥中各種化合物性質的不同，對炮泥特性和質量的影響也就不同。因此，可以改善炮泥原料化學成分來增強其性能，亦可以改變不同成分的配比，選擇性地獲得更適合生產需求的炮泥性能。如寶鋼的炮泥采用高純剛玉為原料，提高體系中的Al?O?含量來提高炮泥的抗侵蝕性能。改善原料配比及提高其純度是炮泥研究的一個重要方向。

另一方面，添加化合物也可以改善炮泥的性質。

北京科技大學自主研發了氮化硅鐵無水炮泥，大大提高了炮泥的高溫抗折性能、燒結速度與開孔能力，但氮化硅鐵的成本較高，限制了其在工業生產中的應用。在此基礎之上，陳博、張健等添加高鋁粉煤灰以提高無水炮泥的鐵渣溶液侵蝕性能，并且進行了以高鋁粉煤灰還原氮化獲得的含鐵SiAlON替代氮化硅鐵的研究，大限度地降低了成本并獲得具有優異性能的炮泥。另外有研究發現，添加鐵氮復合材料(Fe-Si?N?、Fe-SiAlON和Fe-Si?N?/TiN)也可以提高炮泥的抗渣侵蝕性，且節約成本。

王淇等以棕剛玉、SiC粉、黏土、藍晶石粉、焦炭粉、瀝青粉和Fe-Si?N?為原料，以焦油為結合劑，添加自制的Al?O?-SiC復相粉體制備無水炮泥，研究了Al?O?-SiC復相粉體的加入量對炮泥的體積密度、顯氣孔率、抗折強度和抗渣性能的影響。結果表明，添加Al?O?-SiC復相粉體在一定程度上可以增強炮泥的抗渣性和抗折強度，同時降低其氣孔率;當添加10%(w)Al?O?-SiC復相粉體時，制備的炮泥試樣抗折強度好;在還原氣氛下，添加Al?O?-SiC復相粉體的炮泥具有良好的抗渣性能。

綜上可知，在原料化學成分上的改善是基于兩方面的需求來努力的。一方面是炮泥所需求性能和質量上的優化;另一方面結合實際工業生產的特點，考慮成本的影響，使用價格更低廉的礦物或者固廢所得的產物來代替某些昂貴的人工合成化合物。

②粒度

炮泥原料的粒度組成也是影響炮泥質量的重要因素之一。粗顆粒的比例增加，有利于降低炮泥的擠出壓力和燒結后的氣孔率。但是粗顆粒比例過大，會造成炮泥粗糙松散和強度降低。因此，炮泥使用粒度的配比就十分重要。當前的研究和實際生產表明，炮泥原料的大臨界粒度為3mm，3～1mm的粗顆粒組成(w)在30%～35%時的效果佳。當然，對于功能細粉來說，粒度越小，越能促進炮泥的燒結，提高炮泥的性能。

③含水量

無水炮泥原料中的水分是影響炮泥質量的重要因素。在高爐鐵口作業中，炮泥的燒結溫度達到1500℃時，其中的水分蒸發為水蒸氣。水蒸氣越多，炮泥的組織越疏松，氣孔率也越高，造成抗渣鐵侵蝕能力大幅下降。如果原料中的水分未在高爐出鐵之前完全排出，在開口過程易出現鐵口潮“放火箭”，危害人身安全。因此，在炮泥制備前要對焦炭和耐火泥進行烘干，在原料的選取上也應嚴格控制其含水量，避免含水量過高造成質量下降、安全危害以及其他不良影響。

2.2 結合劑的改善與研究

結合劑對炮泥的低溫和高溫強度都有非常大的影響。傳統炮泥以水為結合劑，炮泥的高溫性能較差。隨著近些年的發展，無水炮泥的結合劑主要有焦油、樹脂和樹脂-焦油復合結合劑，或者以適當的配比加入瀝青、蒽油等改善結合劑。結合劑含量越高，揮發分逸出越多，會導致炮泥的結構疏松、氣孔大、強度下降，并且伴隨較大的收縮;而且在打泥早期軟化比較嚴重。因此，結合劑的用量以及配比對炮泥有至關重要的作用。

①焦油-瀝青結合劑

焦油-瀝青結合劑是傳統的無水炮泥結合劑。焦油中含有較多的酚、甲酚、二甲酚與高級酚等活性化合物，因此具有良好的黏合性能。瀝青是由多種高分子化合物組成的混合物，是一種高黏度的有機液體。瀝青中含有較多的游離碳和殘存碳，有利于提高炮泥抗渣侵蝕性。焦油-瀝青結合炮泥的優點是抗渣性較好且造價低廉，使用過程中水蒸氣產生少，有利于保護高爐爐缸碳磚。同時，焦油的潤滑性能優良，為炮泥提供了良好的流動性以及塑性。但也有其局限性，焦油在高溫環境中揮發出有害氣體會污染環境，而且在性能上也不如樹脂結合劑。因此，焦油結合劑在早期時大量使用，后來逐漸被樹脂結合劑和復合環保型結合劑所取代，目前只有部分鋼廠為降低成本而使用。

②樹脂結合劑

樹脂結合劑是一種環保結合劑。與傳統的焦油-瀝青結合炮泥相比，樹脂結合炮泥具有以下優點：使用時只揮發出很少量的有害氣體，可改善作業環境;硬化速度快，強度好，可大大縮短壓炮時間。研究表明，使用焦油-瀝青結合炮泥時，泥槍壓炮時間在20min左右;而改用樹脂結合炮泥后，泥槍壓炮時間可以縮短到5～7min，與此同時，還可以保證穩定的出鐵口深度和出鐵操作，顯著提升了打泥效率。但樹脂結合炮泥也存在一些缺點，如混煉好的炮泥保存期短，硬化時間難以控制，對擠壓充填出鐵口作業有一定影響。另外，樹脂結合劑的成本相對較高。因此樹脂結合無水炮泥仍在不斷研究和改進中。日本是比較早發展樹脂結合無水炮泥的國家，技術比較成熟，應用也較為廣泛，對樹脂結合劑的研究也處于前列。

日本新日鐵研究開發的堿性無水炮泥，其原料組成(w)如下：焦炭12%～15%，氧化鎂25%～60%，輕燒氧化鎂8%～15%，酚醛樹脂結合劑15%～20%，以及少量的電熔氧化鋁和碳化硅。經測試，其顯氣孔率可達到25%～32%，1450℃的高溫抗折強度為3.2～4.5MPa，在3800m³的高爐上(頂壓達到0.15MPa)試用獲得了很好的效果。日本噸鐵的樹脂結合無水炮泥消耗約0.3～0.4kg·t?¹，其中千葉4500m³的高爐用炮泥單耗可低至0.25kg·t?¹。另外，法國TRB公司(布洛涅耐火泥料公司)的樹脂結合無水炮泥能在35℃下保存1年，解決了樹脂結合無水炮泥保存時間短的缺陷，并且在性能上也處于世界前列。

③ 樹脂-焦油復合結合劑

樹脂-焦油復合結合劑是將普通焦油進行高溫處理，脫去輕油和萘等揮發物，并混合一定比例的樹脂，形成的一種具有焦油和樹脂兩者優點的復合結合劑。該復合結合劑具有碳含量高、揮發分少的特點，同時比較環保，其成本相對于樹脂結合劑也大大降低。而且，使用焦油-樹脂復合結合劑，在高溫條件下可以形成連續碳狀網絡結構，降低炮泥的氣孔率，并提高產品的耐壓強度。同時，結合劑中的焦油具有良好的潤滑性能，可以增強炮泥的塑性。因此，對于樹脂-焦油復合結合劑以及其他復合環保型結合劑的研究已成為當前炮泥研究的一個重要方向。

2.3 細粉添加劑的研究

添加功能細粉、微粉甚至超微粉可以大大提高炮泥的致密度、強度等物理性能以及抗渣性等使用性能，如添加炭黑和Si粉。這是由于炭黑的粒度小于一般細粉，其填充在無水炮泥細粉之間的空隙中，提高了炮泥的致密度以及強度。同時，又利于形成更多的碳鍵，提高了炮泥的高溫強度及穩定性。以Si粉作為超微粉添加到炮泥中提高其致密度;同時，作為抗氧化劑，防止了焦粉、炭黑等被氧化;另外，在出鐵過程中，可以與碳源反應生成碳化硅，提高炮泥抗渣侵蝕性能。陸曉鋒等研究了添加不同配比的炭黑和Si粉對炮泥性能的影響。結果表明，在使用焦油-樹脂復合結合劑的情況下，添加3%(w)的炭黑和5%(w)的Si粉可獲得相對更好的炮泥性能，更耐渣鐵沖刷，出鐵時間更長。近年來，學者們對功能細粉的關注越來越多，用微粉和超微粉提高炮泥的體積穩定性和體積密度已成為了熱點研究方向。

2.4 其他方面的研究與進步

除了炮泥原料、結合劑和添加劑等方面的研究之外，仍有許多關于炮泥研究很有價值的方向。如炮泥生產工藝的改進，炮泥混煉時間以及均勻性，炮泥的儲存等技術的進步。同時，炮泥打泥系統的進步也值得關注。中鋼集團西安重機有限公司設計了高爐泥炮恒溫系統，在打泥前進行保溫或加熱的操作，在打泥后保壓時進行降溫，從而改善了炮泥應用時的臨場特性。余堰峰等關于泥炮液壓系統的改進也極具意義，將自動化和電氣化與打泥進行結合，從而改善高爐打泥的效率，以達到保護鐵口的作用。

3.炮泥未來發展方向

高爐炮泥是鋼鐵冶金生產中必不可少的消耗型耐火材料，其性能的好壞、環保性以及成本都直接影響著鋼鐵工業的發展。面對現代鋼鐵企業綠色化、大型化、自動化的發展趨勢，炮泥的研究也應該站在新起點，提出新要求，為今后鋼鐵工業的迅速發展提供合格的、優越的高質量炮泥。綜合近年來國內外關于炮泥的研究進展，展望其未來的發展方向，可以從以下幾方面入手：

(1)改變炮泥原料的化學成分或者不同的配比，同時輔以合適的粒度和盡可能低的含水量;同時，與生產環境和實際情況相結合，做出調整和相關的研發，制備性能更優越的炮泥產品。

(2)面對國家環保管控日趨嚴厲的形勢，研發環保型結合劑。

(3)引入不同的功能細粉以及研究不同的細粉配比對炮泥性能的影響。

(4)改善和研究打泥系統、打泥裝置以及打泥環境。