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高炉炮泥用基础原料结合剂外加剂的选择 [复制链接]

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炮泥是由骨料、细粉、结合剂和添加剂组成,烧后形成碳结合,专为堵塞高炉出铁口的耐火可塑料。高炉出铁时,铁渣熔液通过铁口内炮泥中心被钻出的孔道排出炉外,一般出铁20min开始见渣,持续到铁水出尽。这需要炮泥维持铁口孔径均匀,出铁平缓。出铁后,需要用泥炮机将炮泥压入铁口孔道,使炮泥充满铁口,防止铁水和熔渣流出,使铁口维持足够的深度,并在炉缸内形成泥包,保护铁口区炉墙和炉底。

原料的纯度和种类、结合剂、外加剂和生产工艺是影响炮泥质量的主要因素,基础原料直接决定炮泥性能,炮泥原料的化学成分,正向高纯和炭质方向发展。1、炮泥的基础原料粘土:主要起结合剂和润滑剂的作用。粘土种类繁多,Al2O3和SiO2含量不稳定,易导致附着性变差,烧结性不稳定,水基炮泥前期强度难以保证,粘土的选择和添加量主要影响到炮泥的可塑性。夏欣鹏等对炮泥成份中的不同高岭土组织结构进行分析,发现高岭土的粒度组成和化学组成对炮泥的性能影响较大。(高岭土)刚玉:体积密度为3.95-4.0g/cm3,熔点为℃,化学性质稳定,抗渣性和抗侵蚀性优异。刚玉在炮泥中作骨料和细粉使用。焦炭:作为一种无定型炭,气孔率高,便于水分和易挥发分挥发,改善炮泥透气性。它的熔点非常高,抗渣性、热震性、导热和导电性优异。焦炭使铁口保持还原气氛,对SiC等炭素材料起保护作用。SiC:工业用SiC—般由人工合成,密度在3.17-3.37g/cm3,纯SiC为无色透明,工业用SiC因杂质种类和含量不同,而呈黄、绿、蓝和黑色。我国所用SiC为黑色和绿色,均为六方晶体。在还原气氛中,SiC小于℃时稳定存在。SiC具有导热率高、耐磨性好、高温强度高、热膨胀系数小、热震稳定性好等优点,可改善炮泥抗溶渣侵蚀和抗冲刷等性能。(SiC)沥青:如表1,按照沥青软化点不同,分为低温、中温和高温沥青。沥青是含碳的有机结合剂,随温度升高而缩聚、焦化,形成碳化网络,从而提高炮泥的润湿角和高温强度。表1沥青分类表2、炮泥用结合剂目前,炮泥的结合剂主要为煤焦油-沥青或树脂。以焦油-沥青结合的炮泥具有很好的可塑性,易填充铁口,保持铁口深度。焦油成分复杂,常温下粘度大,液体不均匀,也不易分散,导致烧结后存在结构缺陷。焦油中含水量对炮泥质量影响较大。另外焦油使用过程中硬化速度慢,堵口耗时,烧结后高温强度低,体积收缩大,抗冲刷性能也较差,目前欧洲基本不使用焦油作为炮泥结合剂。Schntz等研制出一种蒽油作结合剂,其苯并芘含量少于50ppm,使用过程中需添加硼元素,即可作为一种环保结合剂。酚醛树脂是含碳耐火材料常用的结合剂,其粘结性强,素坯强度高,碳化率高。使用酚醛树脂替代焦油,有利于提高炮泥结合强度,而且有害溶剂量的减少,改善了炉前操作环境,环保性好。树脂使用时比较粘稠,需添加焦油、乙醇等进行调节,但焦油并不易溶于树脂。Schutz等使用一种焦油树脂混合结合剂生产炮泥,使其具有良好的可塑性、透气性和微量的体积膨胀性。有研究表明炮泥可以用粉状树脂、沥青和无机磷酸盐为主结合体系,用焦油作为增塑剂,可延迟树脂缩合和过早硬化。3、炮泥用添加剂添加剂是炮泥的重要组成部分,目的是为了弥补主要成分在使用性能方面不足,尽管加入量较少,但对其作业性和使用性有较大影响。根据添加剂作用的不同,添加剂的种类有以下几种。(1)增塑剂和润滑剂改善炮泥可塑性和润滑性,常用可塑料的增塑剂都可以采用,如绢云母、粘土等。常用的润滑剂有石墨和蜡石粉等。(2)膨胀剂利用加热过程中的物相反应,产生膨胀来抵消干燥和烧结过程产生的收缩,降低显气孔率,提高体积密度。常见的膨胀剂有石英、蓝晶石和红柱石等。(3)烧结助剂理论上,改善材料烧结性能的途径有固相烧结、液相烧结和反应烧结。固相烧结和反应烧结是较理想的烧结方式,通常不会影响材料的高温性能,反而能强化基质。而液相烧结,由于高温下产生的液相,可能降低热态强度和抵抗渣铁侵蚀的性能,即烧结初期产生液相,促进烧结,最终液相消失,形成高熔点物相,如果能利用“间接液相烧结”原理,那么这种液相烧结方式也是较理想的。(金属硅粉)烧结助剂的种类较多,不定形耐火材料用助烧剂有α-Al2O3、硼酸、硅灰、粘土、长石、金属Si粉、SiO2微粉和稀土氧化物等。大部分烧结助剂是低熔点物质,影响炮泥抗侵蚀性能。近些年来,为了促进烧结或改善炮泥显微结构和抗侵蚀性,通常在炮泥中加入氮化硅或氮化硅铁等。通过下列反应改善炮泥的显微结构和抗侵蚀性能:通过以上反应,基质中生成SiC、AlN等,改善了显微结构。生成的Fe为SiC生成的催化剂,促进SiC结合相的生成。另一方面,由于反应放出N2和CO,阻止渣的渗入,提高了抗侵蚀性能。但氮化硅铁的加入量并非越多越好,有文献指出,加入量不宜超过10%。(4)抗氧化剂和提高炮泥强度的树脂粉。树脂粉的加入提高残碳结合相,形成均质和非均质炭结合,残炭率可达85%,加热时,树脂粉软化并转移到气孔中,保证炮泥的最终强度。另外可以产生还原气氛,抑制其他炭质原料氧化,抗氧化性较好。4、炮泥生产工艺炮泥的配比设计、生产过程、使用前的保存,这些过程都影响着炮泥的质量。为保证炮泥质量首先应该准确计量配比方案。碾压时间与装料顺序、碾泥机型号有关,改进碾泥机碾制效果,采用计算机配料,改善作业环境是当前面临的主要问题。炮泥的各种原料由生产厂家破、粉碎后提供合格的粒度及细粉。焦油由焦化厂提供,所有的原料按不同的加料顺序在碾泥机中碾制而成,碾压时的环境温度最好在10-30℃范围内进行,将水基炮泥的保存温度控制在10-25℃是稳定其性能的重要因素。张正富等探究了搅拌时间对无水炮泥性能的影响,发现以转速为r/min进行搅拌时,搅拌20-30min时炮泥的综合性能最佳。刘兴平等[54]认为生产工艺对无水炮泥的性能有较大影响,采用强力搅拌机混料,工作区域面积加大,搅拌均匀,强度及体积密度提高。混料后炮泥的保存对使用性能也有很大影响,此时应注意环境温度的变化,夏天气温高,对水基炮泥要采取保护等措施,在困料时避免水份蒸发。冬天气温低,无水炮泥要加热保存,以免炮泥冷凝成块。也可以根据水基炮泥和无水炮泥的保存方法不同保存,分别存放于室温和暖房内,困泥时间一般为24h。

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