适用于高炉送风支管内衬节能型的溶胶结合莫来石浇注料

摘要

本发明公开了一种适用于高炉送风支管内衬节能型的溶胶结合莫来石浇注料，属于耐火材料技术领域。一种适用于高炉送风支管内衬节能型的溶胶结合莫来石浇注料由以下原料组份及重量百分数组成：煅烧高岭土颗粒料50～55%；石英砂4～6%；莫来石粉14～20%；棕刚玉粉6～10%；α-活性氧化铝微粉5～10%；氧化镁粉0.9～1.3%；分散性氧化铝1～2%；硅溶胶8～12%。本发明的节能型的溶胶结合莫来石浇注料的理化性能优异，成本低，施工性能良好，制作周期短，是一种适于高炉送风支管运行及制作条件的优质内衬材料。

说明书

技术领域

本发明属于属于耐火材料技术领域，具体涉及一种用于高炉送风支管内衬 的体积稳定性好、热震稳定性好、能快速固化、快速烘烤、强度高、成本低的 溶胶结合莫来石浇注料。

背景技术

现有技术中，高炉送风支管是为炼铁高炉送风的装置，它将热风围管送 来的热风通过风口设备吹入炉缸，同时也是向高炉喷吹煤粉燃料的装置，是 炉前设备至关重要的部位，是送风系统中最薄弱的环节。高炉送风支管一般 由变径管、金属波纹管、弯管和直吹管等几大部份组成，大部分内衬为不定 型耐火浇注料。风管内衬长期处于高温、高压、高速气流冲刷等恶劣环境中， 其中弯头处受气流冲刷力较大，直吹管管径较小且管身细长，尤其球头位置 为管径最小处，内衬较薄。目前国内热风炉出来的热风温度一般为 1200～1300℃，弯头和直吹管的保温密封性能直接影响高炉热风的温度，且高 炉生产过程中出现不可避免的休风、复风操作以及大型高炉的直吹管球头部 位水冷槽的冷却水作用，均使支管内衬因过大的温差变化产生不可低估的内 应力，当此内应力超出材料强度极限时内衬材料产生开裂，因此需要其内衬 材料具有体积稳定、热震稳定性好、能快速固化、快速烘烤、强度高、保温 性能好的特性。现有技术中，该部位多采用低水泥刚玉（莫来石）浇注料， 它们始终存在的致命缺陷是：

1）体积稳定性能欠佳——低水泥浇注料于工作温度下（＜1300℃）因加入 的膨胀剂还未达膨胀区间（＞1300℃），加之低熔物的作用，浇筑衬体均显示 为体积收缩，此时极易开裂，它是缩短送风支管使用寿命的重要因素之一。

2）热震稳定性低——低水泥浇注料随温度变化材料膨胀收缩较大，过大 的温差变化产生的内应力造成了衬体结构损毁，反映为衬体开裂、剥落。从 材料的物理指标看，用于高炉送风支管的低水泥浇注料热稳定性能（1100℃ 水冷）仅20次左右，由此导致送风支管表面温度升高、发红，管壳散热严重， 进入高炉的热风温度下降，浪费大量能源，严重危害高炉的正常生产。另一 方面，造成频繁的检修、更换送风支管也给钢铁企业带来不小的高炉休风和 送风支管材料、制作的经济损失。

3）使用温度下衬体结构强度偏低——浇注料中由于低熔物水泥的加入， 其高温物理性能丧失，造成衬体结构耐磨性能降低，同时结构强度不足以抵 抗过大的温差应力而损毁。

4）施工周期长——以低水泥浇注料作为送风支管的衬体材料，根据水泥 结合剂的特性，在预制过程中，养护、烘炉是至关重要的环节，一般情况下 送风支管内衬的制作周期最少不低于120小时，且烘炉温度最高仅升至300℃， 当后期的升温速度过急仍会出现衬体崩裂现象，可见如何缩短浇筑衬体的制 作周期，完善烘炉制度，是降低设备制作成本的关键所在，是我们的当务之 急。

所以一直以来高炉送风装置的老大难问题是制作周期长、使用过程中漏风、 发红、外表温度高、使用寿命短等，这些均需通过内衬材料性能的完善才能从 根本上解决问题。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种适用于高 炉送风支管内衬节能型的溶胶结合莫来石浇注料，本浇注料具有体积稳定、热 震稳定性好，能快速固化、快速烘烤、强度高、成本低的特性，是解决现有技 术中高炉送风支管装置老大难问题的有效途径。

本发明的技术方案是：一种适用于高炉送风支管内衬节能型的溶胶结合 莫来石浇注料由以下原料组份及重量百分数组成：

所述的一种适用于高炉送风支管内衬节能型的溶胶结合莫来石浇注料由 以下原料组份及最佳重量百分数组成：

所述的煅烧高岭土颗粒料符合以下要求：AL₂O₃43～45％、SiO₂49～53％、 Fe₂O₃≤0.8％；煅烧温度≥1400℃；煅烧高岭土颗粒料的体积密度≥2.5g/cm³； 煅烧高岭土颗粒料的颗粒度为0.088mm～5mm。

所述的石英砂颗粒料符合以下要求：SiO₂≥99％；石英砂颗粒料的颗粒 度为0.088mm～0.5mm。

所述的莫来石粉符合以下要求：AL₂O₃58～72％、SiO₂27～41％、 Fe₂O₃≤0.5％；莫来石粉的粒度为≤0.074mm。

所述的棕刚玉粉符合以下要求：AL₂O₃≥95％、SiO₂≤1％、Fe₂O₃≤0.25％； 棕刚玉粉的粒度为≤0.074mm。

所述的α-活性氧化铝微粉粒度≤2μm。

所述的氧化镁粉粒度为≤0.074mm。

所述的硅溶胶符合以下要求：SiO₂≥40%，R₂O≤0.3%；硅溶胶的pH=8.5～10； 硅溶胶的平均粒径为10～20nm。

所述的一种适用于高炉送风支管内衬节能型的溶胶结合莫来石浇注料， 其中，硅溶胶单独包装；其余组份按配比称重后经机械搅拌混合成干状均匀 集料；在施工现场，将单独包装的硅溶胶和干状均匀集料按配比称重，混合 并搅拌均匀后将其填入已经装配好的送风支管模具中，用振动棒振实。

本发明的节能型的溶胶结合莫来石浇注料的理化性能优异，成本低，施工 性能良好，制作周期短，是一种适于高炉送风支管运行及制作条件的优质内 衬材料。本浇注料以硅溶胶作结合剂，它以其独到的特性，在与其它原材料 （铝硅系）的共同作用下，具有以下特点：

1）本浇注料是一种以网架结构快速固化的耐火材料，固化后的衬体因网 架结构的特性使快速烘烤成为事实，目前，本发明材料在送风支管内衬施工 时，做到了浇注料在振动成型后1小时固化，然后养护0.5小时便可进行拆模， 稍作休整（自然养护6h）即可烘烤，烘烤时间10小时，最高温度仅需升至 200℃以排除衬体内的自由水分即可。而现有技术的制作工期为122小时，本 发明至少可缩短104.5小时（以单只计算），提高制作速率85%以上，本浇注 料的应用是实现“节能、减排、增效”的有效措施之一。

2）本浇注料是体积稳定的耐火材料，特别是当浇筑工作衬温度在1000℃ 左右时，开始显现微量体积膨胀的特性，本浇注料是密封效果优良的工作内 衬材料。而现有技术的材料在工作温度段（1200℃左右）因体积收缩大，容 易产生收缩裂缝。

3）本浇注料是热震稳定性好的耐火材料，它有效地克服了传统内衬材料 因温差变化产生较大的膨胀、收缩内应力而开裂、剥落现象的缺陷，根据检 测数据显示其热稳定性均值＞100次（1100℃水冷），本浇注料是净化环境、 节能创效、延长热工设备使用寿命的新型耐火材料。

4）本浇注料是在各温度段的结构强度均好，性能优良的耐火材料，特别 是中温段(800～1300℃)因莫来石化作用，使浇筑衬体具有理想的结构强度，一 般该温度段抗压强度为60MPa～90MPa,这一数值在现有技术中无法达到的，本 浇注料非常适合于高炉送风支管（正常工作温度1200℃左右）作为工作内衬 材料。

5）本浇注料是保温性能优良的耐火材料，在同类型材料中它凭借着自身 导热系数最低的优势，使衬体材料的散热能力降到了最低点，本浇注料是节 能效果优良的耐火材料。

6）本浇注料是资源损耗较低的耐火材料，它以较低的体积密度实现了同 类型材料中同体积条件下取材少的特点，本浇注料是节约能源、减少废物排放 的优选耐火材料。

7）本浇注料的原材料取材于国内的耐火材料，成本适中，尤其是主成份中 石英砂和煅烧高岭土储量特别丰富、成本低廉(煅烧高岭土比现有技术中最低价 的主材料髙铝矾土熟料成本低50%以上)，符合我国国情，适合大面积推广使用。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作详细的描述。本申请人在作出 本发明之前，对现有技术中所存在的高炉送风支管表面温度升高、发红，管壳散 热严重等问题做了大量调查研究，现举例说明。

下表1是某厂生产的高炉送风支管内衬用低水泥浇注料的理化性能及使用 情况：

表1、某厂高炉送风支管内衬低水泥浇注料理化性能及使用情况

该厂的送风支管内衬材料采用低水泥浇注料，在制作过程中，由于水泥结 合剂的特性，制作拆模时间需要5～8小时，养护时间需要3天左右，烘炉时间 需要50小时以上，且烘炉温度最高仅升至300℃，这时衬体内的自由水份已经 排除，但仍存留近30%左右的结晶水，初次使用当温度超过300℃，升温速度过 急则过大的水蒸气排出受阻，积聚在浇筑衬体内产生不可低估的蒸汽压力，造 成衬体崩裂现象时有发生。在使用过程中（使用温度1200℃左右），由于水泥水 化反应形成新的矿物结构在脱水和分解的过程中水合键遭到破坏，由低密度的 水化物转化为高密度的水化物和无水矿物，造成体积收缩，孔隙率增大，物相 的结合面积下降，此时材料间的陶瓷结合尚未形成，加入的膨胀剂未达膨胀区 间，衬体结构强度不高且易产生收缩裂缝。另外高炉在运行过程中不可避免的 休风、复风操作，对于结构强度较低的送风支管内衬不足以抵抗由温差造成的 膨胀收缩应力，造成衬体热震稳定性差，物理指标反映热震稳定性（1100℃水 冷）24次，最终衬体发生开裂、剥落，导致送风支管漏风、发红、外表温度高、 使用寿命缩短。综上所述，现有技术中高炉送风支管的制作工期长，在使用过 程中因衬体体积稳定性欠佳，结构强度差，热震稳定性难以满足高炉运行的使 用要求，由此产生的支管衬体开裂，剥落现象平凡发生，这些都是现有技术中 急待解决的难题。

本发明研制的技术思路是：通过选择体积稳定性和高温物理性能好的材料 （尽可能少的引入低熔剂材质），配以硅溶胶结合剂，通过技术调整，研制出适 合于高炉使用环境的送风支管内衬材料。首先骨架材料选择煅烧高岭土颗粒集 料，煅烧高岭土粒度0.088～5mm，该料是由硬质高岭土经1400℃～1500℃煅烧而 成，其中主要成分为莫来石（由高岭土转化而成），少量成分为方石英及微量的 杂质成分。其中莫来石是A1₂O₃-SiO₂系中唯一稳定的二元化合物，化学式为 3Al₂O₃-2SiO₂，它具有膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温 蠕变值小、硬度大、抗化学腐蚀性好等特点，是A1₂O₃-SiO₂系耐火材料中的 首选原材料，方石英属等轴晶系，在工作温度条件下晶系较为稳定，体积变化 不大，所以从整体上看，选用煅烧高岭土作为本浇注料的骨架材料是合理的。

基质材料选择体积稳定的莫来石粉、棕刚玉粉、α-活性氧化铝微粉和起膨 胀作用的石英组合而成。莫来石粉的矿物特性同上。棕刚玉粉矿物组成主要为 α-Al₂O₃，大部分颗粒呈菱形、厚板型和带有裂纹的颗粒，另有部分熔体结晶等， 当它与不同晶粒的莫来石粉混合时，高温状态下因晶粒膨胀量不同而在界面 边缘产生微小裂纹，可阻断衬体因温度变化和震动产生的裂缝，同时消化部 分内应力，提高衬体的热震稳定性能，是优化材料性能的有效措施。α-活性 氧化铝微粉是一种高熔点的氧化物，其特点是分散性好，比表面积大，活性高， 高温下易于烧结且体积效应小，与SiO₂微粒反应，逐步形成莫来石化，产生体 积效应（微膨胀），抵消耐火浇注料的部分体积收缩，有利于强度和抗热震性的 提高。石英属三方晶系，随温度升高发生体积膨胀，利用该特性部分消化基质 粉体间的高温煅烧收缩，是一种很好的膨胀剂材料。

结合剂选择硅溶胶，其中SiO₂≥40%。它是一种纳米氧化硅胶体，具有较大 的比表面积和较强的吸咐性。液体硅溶胶低温段时胶体凝胶化，胶粒间经缩合 反应和与粉体间的吸附作用使基质内形成了有效的网架结构，产生强度，并使 排出水蒸汽的有效通道均匀畅通，保证了衬体内的自由水能快速排出，实现快 速烘烤。避免了现有技术结合剂的弊病：现有技术水泥结合剂于低温段因水泥 水化作用，晶粒增长导致体密增加，阻碍了排水通道，使水分不能快速排出衬 体，烘烤时间要求较长。本浇注料在中、高温段，α-活性氧化铝微粉和硅溶胶 中纳米氧化硅胶体间结合，形成莫来石化反应（莫来石化开始温度为 800～1000℃），且莫来石呈针状及柱状结晶成长，形成相互交织的网状结构，提 高了材料的断裂韧性，阻止微裂纹扩展，同时产生体积效应，抵消了衬体部分 体积收缩，使衬体的体积稳定性能、抗热震性和物理性能远优于其它同类型材 料。而且硅溶胶不属熔剂原料，使材料的微观结构中晶相含量高，玻璃相含量 低，高温物理性能好。而现有技术中以水泥作为结合剂，该低熔物的引入，随 温度变化造成材料体积稳定性极差，表现在因温差造成的内应力（膨胀、收缩 应力）极大损伤了衬体结构，部分抵消了结合剂产生的强度，且由水泥水化反 应形成的矿物结构中水合键的破坏及矿物结构转化，造成体积收缩，孔隙率增 大，物相的结合面积下降，此时在送风支管的使用温度（1200℃左右）下材料 自身的陶瓷结合尚未形成，结构强度低，当温差反复循环时，衬体结构强度不 能有效抵御该内应力时，结构损毁，因此水泥结合剂的加入可导致耐火材料的 高温物理性能和热震性能丧失，衬体结构产生开裂和剥落。溶胶结合浇注料可 以解决上述水泥结合浇注料所产生的一系列问题。

固化剂选择电熔氧化镁粉，粒度为≤0.074mm，主晶相为方镁石，属等轴晶 系，晶体结构稳定，熔点2800℃，固化剂的作用是通过改变材料硅溶胶溶液中 阳离子浓度，促使溶胶凝胶而产生强度，同时通过其加入量来控制材料的固化 速度，是保证材料快速固化的关键，在现有技术中均无法做到。

本发明的主要特点：选择体积稳定的原材料煅烧高岭土、莫来石、棕刚玉、 α-活性氧化铝微粉、氧化镁等作为本发明的主体材料，选择高熔点的氧化镁作 为固化剂，选择石英砂作为膨胀剂，选择分散性氧化铝等添加剂对性能加以调 整，选择纳米硅溶胶作为本发明材料的结合剂，根据硅溶胶自身的特性，研制 出适用于送风支管内衬的体积稳定、热震性能好、强度高、保温性能和高温物 理性能优良、固化速度快、能快速烘烤、成本低的溶胶结合莫来石浇注料，取 代现有技术中送风支管内衬耐火材料低水泥浇注料，达到延长高炉送风支管内 衬使用寿命，降低其制作、施工、使用成本，.保护环境的目的。

本发明的具体实施方案：采用本发明之前，某钢铁公司高炉送风支管内衬 材料采用低水泥浇注料，制作周期需要122小时，最高的烘炉温度为300℃，烘 后的送风支管内衬存留结晶水28～30%，使用寿命为6～12个月，损毁表现为送 风支管内衬开裂、剥落，管壳温度升高，甚至升温最高可达500℃，必须借助吹 风冷却或打水降温的措施以保证高炉正常生产运行，待休风更换风管。

经选择论证，本发明的溶胶结合莫来石浇注料在上述高炉送风支管衬材中 进行工业试验应用，其配料组成见表2。

表2、溶胶结合莫来石浇注料配比（重量百分数%）

  项目   实例   煅烧高岭土颗粒料(0.088～5mm)%   53   石英砂(≤0.5mm)%   4   莫来石粉（≤0.074mm）%   17   棕刚玉粉（≤0.074mm）%   9   α-Al₂O₃微粉%   5   氧化镁粉（≤0.074mm）%   1   分散性氧化铝%   1.2   硅溶胶（固含量40%）%   9.8

本申请人提供的溶胶结合莫来石浇注料性能检测结果见下表3：

表3、本发明溶胶结合莫来石浇注料理化性能检测结果

本申请人提供的溶胶结合莫来石浇注料制作及实际使用情况见表4：

表4、本发明溶胶结合莫来石制作及实际使用结果

由表1、2、3、4不难看出本发明的溶胶结合莫来石浇注料适于作为高炉送 风支管内衬材料。相比现有技术，从物理性能看，其常温强度（110℃烘干强度 32.6MPa）相当于低水泥浇注料的常温强度（自然养护72h、110℃烘干强度 31.1MPa），该指标对送风支管的制作工艺无任何影响，然而溶胶结合莫来石浇 注料常温固化和强度增长速度快，常温养护7h的抗压强度（4.6MPa）相近于低 水泥浇注料常温养护24h的抗压强度（5.4MPa），故衬体施工拆模时间仅需1.5h， 拆模后自然养护时间6h可烘炉，烘炉时间10h，可见采用本溶胶结合莫来石浇 注料的送风支管内衬施工脱模时间可提前至少3.5～6.5h，自然养护时间缩短 64.5h，烘炉时间缩短40h，总计可节省工期约104.5h（单只送风支管），提高制 作速率85%以上，简化了施工工艺，减少能源浪费，节省人力、物力成本。

本发明溶胶结合莫来石浇注料线变化率（1300℃×3h）+0.18%，说明材料 在工作温度条件下体积呈微膨胀状态，有效避免了该浇注料衬体收缩裂纹的产 生，比较现有技术过大的线收缩率（1300℃×3h)-0.39%，证明作为送风支管内 衬用料是合理的。

本发明溶胶结合莫来石浇注料于各温度段总体变化率较小（+0.18%），加 上中、高温的莫来石化作用，使采用本溶胶结合莫来石浇注料的衬体体积稳定 性始终处于极佳状态，显示出优异的热稳定性能（1100℃水冷热震稳定性均＞ 100次），此是提高送风支管内衬使用寿命的最有效措施。现有技术中低水泥浇 注料线变化率较大（1300℃×3h）-0.39%，说明温差对该材料的体积稳定性影 响较大，产生膨胀、收缩应力较大，当衬体结构强度不足以抗衡该应力时，结 构损毁（开裂、剥落），根据表1显示，现有技术中低水泥浇注料的热稳定性 能（1100℃水冷）仅24次，如此对于不可避免的高炉休风、复风操作极为不 利，应该加以完善。

本发明溶胶结合莫来石浇注料高温物理性能好，显示结构强度 （1300℃×3h）81.6MPa，远高于现有技术中低水泥浇注料的结构强度 （1300℃×3h）67.4MPa，说明结构的耐磨性能有了提高，对于长期处于高温 高压气流环境中的送风支管内衬是延长其使用寿命的关键因素之一。

本发明溶胶结合莫来石浇注料保温性能优良，根据物理指标：导热系数 （1000℃热面）1.10w/m.k，应用实测高炉送风支管表面平均温度为140℃左右 （正常工作状态），相比现有技术导热系数（1000℃热面）1.52w/m.k，降低了 27.6%,应用实测高炉送风支管表面平均温度一般在220℃左右（正常工作状 态），实验证明：优良的保温效果能有效的降低热能损耗，提高进入高炉的热 风温度，使能源利用率进一步提升，本浇注料是节能效果优良的耐火材料。

本发明溶胶结合莫来石浇注料资源损耗较低，由于主材取材于体积密度较 低（2.4～2.58g/cm³）的煅烧高岭土，是由硬质高岭土经煅烧而成，且煅烧过程 中伴有微量的体积膨胀，煅烧后的主要成分为体积稳定的莫来石和少量方石 英，以此为主材质的本浇注料体积密度为2.3g/cm³左右,相比现有技术：主材均 取材于体积密度较大的莫来石（体积密度＞2.7g/cm³）、髙铝矾土（体积密度＞ 3.0g/cm³）、刚玉（体积密度＞3.8g/cm³），以此为主材制作的浇注料体积密度均 ＞2.5g/cm³，可见本浇注料体积密度相比现有技术降低了0.2g/cm³以上，同体 积条件下可节约原材料约8.4%以上，本浇注料是节约能源、减少废物排放的优 选耐火材料。

本发明的溶胶结合莫来石浇注料在2010年开始在多家钢铁企业的高炉送风 支管上应用。比如2010.5在某钢铁有限公司1、2、4号高炉送风支管上应用（A 厂），2010.9在某钢铁集团新5#高炉送风支管上应用（B厂），从反映情况看， 除少量在使用过程中因直吹管通道堵塞（A厂、B厂）和个别金属波纹管内衬膨 胀缝缓冲棉位移导致局部衬材剥落、管壳发红（B厂）而需提前更换，其余至今 （2012.6）均使用正常。根据现场使用情况，本申请人认为本发明的溶胶结合莫 来石浇注料在高炉送风支管上应用（A厂、B厂）正常工作条件下使用寿命均可 大于2年，与现有技术比较，本发明的溶胶结合莫来石浇注料在技术上的又一 次突破，对于提高该设备的使用寿命、降低成本意义重大，是适于高炉送风支 管内衬所需要的优质耐火材料。