【摘 要】
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高炉逐步通过大型化与长寿化来减少能源消耗和提升生铁品质,而所伴随的冶炼强度的加剧则对高炉用耐火材料提出更高的要求。高炉出铁口长期处于温度剧烈波动且受熔渣/铁水侵蚀严重的环境下,是高炉最为薄弱的区域。因此,用于该部位的炮泥耐火材料是影响高炉运行的关键因素。目前国内炮泥普遍存在可塑性控制经验化和炮泥的抗渣性能差的问题,从而导致出铁时间短、出铁流速不稳定和扩孔现象频繁,出铁口区域炭砖易受到熔渣/铁水直接
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高炉逐步通过大型化与长寿化来减少能源消耗和提升生铁品质,而所伴随的冶炼强度的加剧则对高炉用耐火材料提出更高的要求。高炉出铁口长期处于温度剧烈波动且受熔渣/铁水侵蚀严重的环境下,是高炉最为薄弱的区域。因此,用于该部位的炮泥耐火材料是影响高炉运行的关键因素。目前国内炮泥普遍存在可塑性控制经验化和炮泥的抗渣性能差的问题,从而导致出铁时间短、出铁流速不稳定和扩孔现象频繁,出铁口区域炭砖易受到熔渣/铁水直接侵蚀,影响高炉正常运行,甚至缩短其服役寿命。本论文通过对炮泥结构与组成进行优化,基于Benbow-Bridgwater模型和实验数据的拟合,探究了系统的炮泥可塑性的变化规律;并采用了 FactSage热力学软件计算与Comsol Multiphysics仿真软件模拟,探究了炮泥在受高温熔渣/铁水侵蚀过程中的物理化学变化;引入了氧化硼和氧化钛,通过提升炮泥高温临界强度并形成高熔点相隔离层,进一步提升炮泥的抗侵蚀性能;此外,将工业固废料引入炮泥,其不仅能利用液相促进烧结,同时含钛物料的引入可以改善炮泥的性能,为工业固废料在炮泥的应用进行了探索。项目主要研究如下:（1）基于Benbow-Bridgwater模型,随着分布模数n与结合剂加入量增大,炮泥可塑性指数减小并呈现收敛趋势;引入颗粒间距λ中间参数,将其与Benbow-Bridgwater模型建立联系并进行数据拟合建立方程,该方程与实际可塑性指数的相关性系数R2大于0.90;当颗粒间距λ大于5.5μm时,炮泥可塑性较好,此时分布模数n与结合剂加入量变化对可塑性指数影响较小,当分布模数n=0.24,结合剂加入量为14 wt%时,炮泥组成结构最佳。（2）侵蚀动力学的研究表明理论上熔渣对炮泥的侵蚀及渗透速率分别为0.132 mm/h和0.253 mm/h;FactSage热力学计算和静态抗渣实验表明炮泥在高温熔渣侵蚀后的主要侵蚀物相为钙长石,伴随有少量的钙黄长石和钙镁橄榄石;通过Comsol Multiphysics仿真模拟和动态抗渣实验揭示熔渣/铁水的侵蚀过程为:熔渣和炮泥发生化学侵蚀并降低炮泥的临界强度,在进一步化学侵蚀前,熔渣/铁水环流伴随的物理冲蚀则会快速造成接触面的破坏,所暴露出的新界面使侵蚀过程加速,循环往复最终炮泥发生损毁。（3）炮泥中引入B2O3,利用其“间接液相烧结”机理,可促进烧结;高温下B2O3向莫来石相固溶,增大莫来石相的长径比,形成互锁结构,二者共同提升了炮泥在高温下的临界强度;向炮泥材料中引入TiO2,能够降低体系中液相黏度,加速烧结过程,与氮化硅铁和焦炭反应原位生成Ti（C,N）,弥散在熔渣中会使熔渣黏度上升,提升炮泥的抗渣侵蚀性能。（4）不同粒度钛铝酸钙在炮泥中烧结机理不同,钛铝酸钙骨料表面液相化,通过毛细管力作用提升了骨料-基质结合强度;钛铝酸钙细粉比表面积大,会快速反应形成液相,所伴随的体积膨胀造成基质中裂纹的形成,从而导致材料性能下降;钛铝酸钙以骨料形式引入到炮泥中,其常温及高温力学性能均得到提升;钛铝酸钙、铬铁渣以及钒铁渣以骨料形式引入到炮泥的抗侵蚀性能由强至弱顺序为:钛铝酸钙＞棕刚玉=铬铁渣＞钒铁渣;经改良的炮泥在1680 m3及2800m3高炉上的应用均取得改善了出铁过程中的异常现象、延长了出铁时间的效果。
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