一种原位燃烧合成高炉风口保护层方法.pdf

本发明提供了一种原位燃烧合成高炉风口保护层方法，其特征在于：将强反应放热体系物料压入10MPa～50Mpa高炉风口内外型腔及前端面与金属结构件6构成的型腔，在200℃～300℃，烘干2小时干燥后点燃反应物料，迅速燃烧合成风口内外陶瓷保护层；其强反应放热体为由含铬矿物、还原剂、稀释剂、无机盐组成的物料；其中，还原剂含量8～20重量％、稀释剂0.1～50重量％、无机盐含量1～5重量％，余量为铬矿物；点燃方法是将变压器上的220V接线柱引出的两根导线接钨丝，钨丝与料坯接触，通电瞬间点燃料坯。本发明的优点在于：制备工艺简单、成本低廉，方便现场施工，延长风口使用寿命，节能的效果显著。

1、  一种原位燃烧合成高炉风口保护层方法，其特征在于：将强反应放热体系物料压入10MPa～50Mpa高炉风口内外型腔，在200℃～300℃，烘干2小时干燥后点燃反应物料，迅速燃烧合成风口内外陶瓷保护层；其强反应放热体为由含铬矿物、还原剂、稀释剂、无机盐组成的物料；其中，还原剂含量8～20重量％、稀释剂0.1～50重量％、无机盐含量1～5重量％，余量为铬矿物；点燃方法是将变压器上的220V接线柱引出的两根导线接钨丝，钨丝与料坯接触，通电瞬间点燃料坯。

2、  按照权利要求1所述的方法，其特征在于：无机盐以单独或混合的方式加入。

3、  按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的铬矿物为铬铁矿、CrO₃、Cr₂O₃，铬酸钙、铬酸钡或铬酸镁；还原剂为Al、Si或Al-Mg合金；稀释剂为氧化物耐火材料或废砖；无机盐为硫酸铝、磷酸二氢铝或磷酸二氢钠。

一种原位燃烧合成高炉风口保护层方法
技术领域
本发明属于高炉风口技术领域，特别是提供了原位燃烧合成高炉风口内外保护层的方法，用于延长高炉风口寿命和使高炉节能。
技术背景
目前，高炉上使用的风口有多种形式，并有多种相应的制造方法。为提高高炉风口的耐磨性及增加风口寿命，人们曾做出很多努力。但兼顾制备简单、方便使用、延长风口寿命、节能效果显著的风口形式并不多见。以下简要介绍与本发明最接近的几种风口形式及制造方法：
1、风口本体由紫铜铸造，其内外表面不经处理的风口：不耐磨，不耐渣铁和热风侵蚀，节能效果差。如现在鞍钢使用的风口。
2、表面采用多元金属涂渗的紫铜铸造风口：抗氧化，但耐磨性不理想，节能效果差。如包钢用的风口，渗涂层的厚度为2-2.5mm；包钢含氟矿冶炼高炉使用，平均使用寿命可达120天以上(原来使用的普通贯流式紫铜风口平均使用寿命仅47.7天)，其它厂的平均使用寿命达180天以上。
3、外表面堆焊炭化钛的风口：耐磨，抗氧化，耐渣铁腐蚀，但节能效果差，造价高。如在日本新日铁君津厂4号高炉上使用的这种风口，寿命达20个月。见《炼铁技术通讯》1994年第一期。
4、表面喷涂耐高温耐磨涂层的风口：抗氧化，耐磨性和节能效果一般，涂层易剥落，等离子喷涂成本较高。如日本的一些企业曾进行了风口前端部位和内筒高温耐磨涂层的开发，试验过的涂层材料包括炭化钛、炭化钨、钴、陶瓷等几十种。国内烟台风口采用等离子喷涂金属陶瓷涂层的方法，风口使用寿命约一年，成本较高，节能效果不理想。见《炼铁技术通讯》1994年第一期。
5、内筒和外筒敷设保护层的风口，前端面经表面强化处理：耐磨，节能，但内筒和外筒敷设保护层及前端面经表面强化处理不方便，如神户制钢专利风口等。专利号：JP11050115 A2，CN1224764 A，CN1224764 A，US 5989488。
为提高风口的使用寿命，人们进行了大量的研究和改进，主要从三个方面入手：改进冷却结构、改进风口材质和对风口表面进行保护处理。日本神户制钢所的研究人员详细研究了风口损坏的原因，推出了他们风口专利技术，该风口构成包括：风口本体、冷却室、前端冷却室、金属套管、耐火材料保护层、陶瓷内套、Y形结构件。
该专利采用了综合改进措施，如用双室冷却结构，用高压(20kg/cm²)高流速(15m/s)冷却水等。在风口保护方面：(1)对风口前端进行表面硬化处理。(2)在风口外表面涂上一层熔点高于铁水温度的保护层，为加强风口外表面与陶瓷保护层的连接，外表面安装了由铜或铁线制成的“Y”形结构件，考虑到陶瓷材料脆性较大和风口安装过程中要经受机械冲击，在风口外表面加铜等金属套管。将陶瓷材料由金属管的下端压入，金属管的上端开一放散孔，直到陶瓷材料由上端溢出，典型的陶瓷材料的组成为：Al₂O₃：75％，SiC：17％，SiO₂：4％。由于风口前端经强水冷和表面强化处理，风口表面加了耐高温的耐火材料，即使液态渣铁的热冲击超过冷却室的热承载能力，由于直接与渣铁接触的是耐高温的耐火材料，仍可保证风口本体温度低于铜的熔点，使风口得到有效保护。数模计算得到的风口外表面交界处的温度仅为32℃，该温度下风口可以安全工作。(3)在风口内表面制备陶瓷保护层来抵御煤粉冲刷和热风侵蚀。见2001年《上海金属》，第23卷第2期，陈亮的“从相关专利看高炉风口技术的发展”。
神户制钢所的风口避免了风口前端面及其上表面被热蚀损毁，避免了风口内表面受热风侵蚀和煤粉冲刷，同时使风口节能。但风口内套制备工艺复杂，现场施工不方便，制备成本较高。
6、风口前端安装陶瓷风嘴，金属与陶瓷组合的风口：节能效果好，延长风口寿命，但制备方法复杂，不方便使用。见《炼铁技术通讯》1994年第一期。
7、风口前端及外圆、风口套与其它部件的连接部分用纯铜制造，纯铜与钢板焊接的风口：风口成本低，节能效果差，寿命不长。专利号：RU 2088671 O
8、风口内腔用耐火材料嵌套的风口：抗氧化，耐磨性较好，节能效果好，但制备工艺复杂，耐火材料嵌套脆性大，使用不便方便，寿命不长。如宝钢、韶钢用的风口。
9、风口内腔用不定形耐火材料打结的风口：制备方法简单，方便安装，节能，但使用中易形成低熔物，影响生产。如鞍钢曾用的风口。
发明内容
本发明要解决的技术问题是用燃烧合成方法在高炉风口内外表面原位燃烧合成陶瓷保护层。该保护层具有延长风口寿命，节能效果显著。
本发明的高炉风口结构形式：风口本体1、冷却室2、前端冷却室3、金属筒4、原位燃烧合成保护层5、“Y”形结构件6构成，见图1。
本发明是将强反应放热体系物料压入(10MPa～50MPa)图1的风口内外型腔，在200℃～300℃，烘干2小时干燥后点燃反应物料，迅速燃烧合成风口陶瓷保护层。
本发明所述的强反应放热体为由含铬矿物、还原剂、稀释剂、无机盐组成的物料；其中，还原剂含量8～20重量％、稀释剂0.1～50重量％、无机盐含量1～5重量％，余量为铬矿物，无机盐以单独或混合的方式加入。
点燃方法：将变压器上的(220V)接线柱引出的两根导线接钨丝，钨丝与料坯接触，通电瞬间点燃料坯。
本发明所述的强反应放热体系物料由含铬矿物、还原剂、稀释剂、无机盐组成；(以下按重量百分比)其中还原剂含量(8％～20％)、稀释剂(0.1％～50％)、无机盐(1％～5％)，余量为铬矿物，无机盐以单独或混合的方式加入。
本发明所述的铬矿物为铬铁矿、CrO₃、Cr₂O₃，铬酸钙、铬酸钡或铬酸镁；还原剂为Al、Si或Al-Mg合金；稀释剂为氧化物耐火材料或废砖；无机盐为硫酸铝、磷酸二氢铝或磷酸二氢钠。
本发明制备的一种陶瓷材料性能指标：常温耐压强度达58.8MPa，耐火度大于1800℃，气孔率为57％，600℃时导热系数为0.796w/(m.℃)。用该材料作风口内衬，以2500m³高炉为例，风口节能效果显著。节能效果及简要计算如下：
(1)传热学计算方法：设定风口结构尺寸，考虑其综合传热，由对流换热、圆筒壁传导传热傅利叶定律，分别算出有无燃烧合成内衬保护层情况下每个风口的节能效果，2500m³高炉有30个风口，每个风口工作350天，该高炉每年节能合标煤3068吨。
(2)与实际使用的耐火材料打结内衬风口节能效果进行类比的方法：以2500m³高炉为例，在相同工况条件下，分别测量耐火材料打结材料作阻热内层的风口与无燃烧合成内衬保护层的风口冷却水入口和出口的水温差，通过水温差的变化可以判断有阻热内层的风口冷却水少带走地热量较少。该材料的导热系数比相同温度下低水泥耐火材料打结材料阻热内层的导热系数1.22W/(m℃)要小，其节能效果会更显著。每年节约标煤大于3154吨。
本发明的优点在于：用燃烧合成陶瓷保护层的风口使用寿命长，节能效果显著，该保护层制备工艺简单、迅速、环保；成本低廉，风口现场使用方便。
附图说明
图1为有燃烧合成保护层的风口示意图。其中，风口本体1、冷却室2、前端冷却室3、金属筒4、原位燃烧合成保护层5、金属结构件6、风口内腔模芯7、挤压结构件8、燃烧合成物料挤入口9、10、燃烧合成物料挤出口11。
图2为图1A区放大图。
具体实施方式
例1：将50重量％的CrO₃粉末(0.150mm～0.075mm)与20重量％的Al粉末(0.150mm～点0.075mm)，30重量％的Al₂O₃粉末(0.150mm～0.075mm)，外加1重量％的磷酸二氢铝溶液搅拌均匀，得到具有一定塑性的物料。50MPa压力下，燃烧合成物料由图1的燃烧合成物料挤入口9处被挤入风口型腔，由燃烧合成物料挤出口11处被挤出；燃烧合成物料由燃烧合成物料挤入口10处用挤压结构件8捣入风口内腔模芯与风口内表面构成的腔体。料坯经300℃烘干2小时。常温大气环境中，钨丝通电引燃燃烧合成物料挤入口9处的物料，使料坯达到自蔓延烧结。烧结产物的密度为1.4g/cm³，气孔率为57％，600℃时的导热系数为0.796w/(m.℃)，常温耐压强度为58.8MPa，耐火度大于1800℃。
例2：将(0.150mm～0.075mm)40重量％的CrO3粉末与相同粒度的15重量％的Cr₂(SO4)3粉末，18.5重量％的(0.150mm～0.075mm)Al粉末，26.5重量％的(0.150mm～0.075mm)Al₂O₃粉末，外加2重量％的硫酸铝溶液搅拌均匀，得到具有一定塑性的物料。如图1，10MPa压力下，燃烧合成物料挤入方式及点燃方式与例1相同。烧结产物的气孔率为30％，常温耐压强度为22MPa，耐火度大于1750℃。
例3：将75.3重量％的小于0.3mm的铬铁矿，20.5重量％的小于0.3mm的Al粉末(0.150mm～0.075mm)，4.2重量％的硫酸铝溶液搅拌均匀，得到具有一定塑性的物料。如图1，50MPa压力下，燃烧合成物料挤入方式及点燃方式与例1相同。烧结产物的气孔率为57％，常温耐压强度为58.8MPa，耐火度大于1790℃。
例4：将78.5重量％的铬酸镁(0.150mm～0.035mm)，16.4重量％的Al-Mg粉末(0.150mm～0.075mm)，0.1重量％的Al₂O₃粉末(0.350mm～0.035mm)，加入含35重量％乙醇的水为溶剂的磷酸二氢钠溶液均匀混合得到具有一定塑性的坯料。如图1，10MPa压力下，燃烧合成物料挤入方式及点燃方式与例1相同。烧结产物的气孔率为30％，常温耐压强度为36MPa，耐火度大于1880℃。
例5：将49.5重量％的CrO₃粉末(0.150mm～0.075mm)，10.5重量％的Si粉末(0.150mm～0.035mm)，20重量％的SiO₂粉末(0.150mm～0.036mm)，20重量％的废SiC砖粉末(0.150mm～0.035mm)，加入含35重量％乙醇的水为溶剂的磷酸二氢钠溶液均匀混合得到具有一定塑性的坯料。如图1，25MPa压力下，燃烧合成物料挤入方式及点燃方式与例1相同。常烧结产物的气孔率为35％，常温耐压强度为28MPa，耐火度大于1800℃。