徐平坤
隨著高爐朝大型化、冶煉不斷強(qiáng)化、高風(fēng)壓及低爐次方向發(fā)展，對炮泥的質(zhì)量要求越來越高，而從環(huán)保的角度，要求炮泥在堵鐵口時(shí)不冒煙，鐵口周邊氣體中不含苯。
炮泥是由骨料、粉料、結(jié)合劑和液體組成的Al2O3—SiO2—SiC—C質(zhì)材料，對炮泥性能的基本要求是：良好的可塑性，擠出的泥料為致密泥柱，不發(fā)生斷裂或松散；良好的潤滑性，平穩(wěn)擠入出鐵孔內(nèi)，不發(fā)生梗阻；在出鐵孔處達(dá)到一定程度燒結(jié)，形成泥包，保護(hù)出鐵口內(nèi)側(cè)襯體。
對施工性能要求，通常用“馬夏值”來衡量，一般要求馬夏值0.45 MPa ~1.40MPa。按結(jié)合劑不同，分為有水炮泥和無水炮泥。
有水炮泥：
早期開發(fā)的一種炮泥，由于生產(chǎn)工藝簡單、價(jià)格低廉，現(xiàn)在一些中小高爐仍在使用。大中型高爐只有在開爐或處理爐缸凍結(jié)等事故、出鐵不正常等情況下，在短期內(nèi)使用有水炮泥。使用前一般用擠泥機(jī)擠成圓柱狀泥塊，使用時(shí)泥塊放入泥炮中再擠壓入出鐵口內(nèi)。
按使用條件，炮泥用各種原料的配比波動(dòng)較大，一般波動(dòng)范圍為：鋁礬土熟料和粘土熟料占比為50%~60%，焦炭和碳化硅占比為15%~25%，軟質(zhì)粘土占比10%~15%，高溫瀝青占比5%~10%，添加劑占比3%~5%。其粒度組成大致為：3 mm~0.21mm占比35%~45%，＜0.21mm占比 55%~65%。添加劑有膨脹劑（一般用藍(lán)晶石或石英砂）、潤滑劑（一般用石墨或蠟石粉）及助燒劑（一般用長石類礦物）。對有水炮泥的理化性能要求：化學(xué)成分w(Al2O3)=25%~35%，w(SiO2)=35%~50%，w(C+SiC)=15%~25%。物理性能指標(biāo)：體積密度（1300℃，3h）1.6~1.85g/cm3，顯氣孔率（1300℃，3h）30%~35%，耐壓強(qiáng)度（1300℃，3h）3.5 MPa ~5.6MPa，燒后線變化率（1300℃，3h）+0.2%~2.0%，馬夏值0.45 MPa ~1.4MPa。
無水炮泥：
無水炮泥是用焦油—瀝青或樹脂為結(jié)合劑的炮泥。其不加水，并在原料純度方面有些提高，如用檔次較高的高鋁礬土熟料以及剛玉等。
焦油—瀝青結(jié)合炮泥：焦油與瀝青可分開加入，也可先將瀝青熔化與焦油混合調(diào)制成混合結(jié)合劑加入炮泥中，濕混練成具有一定塑性的泥料。液狀焦油—瀝青結(jié)合劑的技術(shù)性能一般要求為：恩氏粘度14~16，密度1~1.2g/cm3，固定碳17%~18%。焦油—瀝青加入量18%~23%，加入量大，有利于馬夏值降低，提高作業(yè)性能，但其他理化指標(biāo)可能降低。炮泥的不同骨料其性能指標(biāo)見表1。
樹脂結(jié)合炮泥：現(xiàn)代大型高爐多用樹脂結(jié)合炮泥。其檔次較高，由電熔剛玉（多為棕剛玉）、碳化硅、石墨、軟質(zhì)粘土、瀝青、焦炭粉和添加劑（包括氮化硅或氮化硅鐵）組成。其樹脂為液狀酚醛樹脂加烏洛托品等硬化劑，也可以用液態(tài)甲階酚醛樹脂，或二者的混合物為結(jié)合劑。樹脂的平均分子質(zhì)量對炮泥的硬化速度有顯著影響，平均分子質(zhì)量越大，硬化速度越快，從而影響擠壓作業(yè)。適合炮泥用酚醛樹脂，通常為淡棕色透明液體，粘度30 Pa·S ~50Pa·S(5℃~25℃)，體積密度為（25℃時(shí)）1.21g/cm3，游離酚小于5%，游離甲醛小于0.9%，水分小于1.0%，固定碳占比40%~45%。
有人用棕剛玉作骨料，焦炭、碳化硅、SiO2微粉、α-Al2O3微粉作細(xì)粉，加入氮化硅鐵細(xì)粉、焦油和樹脂混合結(jié)合劑，其配料比見表2。
從表2中看出：隨著氮化硅鐵加入量增加，炮泥強(qiáng)度增大，侵蝕指數(shù)降低，含氮化硅鐵10%時(shí)最好，再進(jìn)一步增加氮化硅鐵加入量，則炮泥強(qiáng)度下降，侵蝕指數(shù)增大。某大型高爐用無水炮泥的配料見表3。
通過模擬多梯度鐵口溫度，炮泥在不同溫度處理后的性能見表4。
從表4中看出：500℃、800℃中溫強(qiáng)度降低，主要是瀝青焦油的變化，800℃前沒有燒結(jié)，失去結(jié)構(gòu)水，造成結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度降低；1100℃后強(qiáng)度顯著提高，1400℃更有所提高，主要是氮化硅鐵、粘土、絹云母等原料組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新物相，互相交織在一起，使強(qiáng)度提高。有人研究在炮泥中添加金屬Al粉和Si粉，能提高炮泥的強(qiáng)度，尤其Si：Al質(zhì)量比為4：1時(shí)效果更好。
國內(nèi)外炮泥的技術(shù)進(jìn)步：
為了保護(hù)環(huán)境，目前都在研究環(huán)保型炮泥。其中有關(guān)公司為韓國5250m3高爐生產(chǎn)的RF4系列環(huán)保型炮泥，采用4種不同粘度的樹脂系環(huán)保結(jié)合劑，使用效果較好，其理化性能指標(biāo)如表5。
RF4系列炮泥可以任何比例混合，過渡期間兩種炮泥配比可以由前一種為主逐漸過渡到后一種為主，避免因更換炮泥牌號而影響鐵口的穩(wěn)定性。
RF4系列炮泥在開口過程中無黑煙，無潮口現(xiàn)象，而且在其開口出鐵過程中不噴濺，鐵口深度變化不大。尤其正常期炮泥改善配方RF4-4平均出鐵時(shí)間200min以上，日平均出鐵7.5次，連續(xù)20天炮泥平均單耗0.26kg/t鐵。
某公司開發(fā)了堿性無水炮泥。其組成為：氧化鎂25%~60%，輕燒氧化鎂8%~15%，焦炭12%~15%，有時(shí)還加入電熔剛玉和碳化硅。用改性酚醛樹脂作結(jié)合劑，用量15%~20%。這種炮泥的顯氣孔率25%~32%，1450℃高溫抗折強(qiáng)度3.2 MPa ~4.5MPa。
某公司開發(fā)了SiO2質(zhì)炮泥，硅質(zhì)料含量達(dá)到64%~68%，無煙煤12.8%，焦油16.6%，加熱至1250℃，2h后耐壓強(qiáng)度4.08MPa。我國幾家煉鐵廠炮泥配方如表6。
其工藝流程為：準(zhǔn)確配料—順序攪拌—加油碾壓—合格鐵口炮泥—入庫保存—使用。炮泥的馬夏值控制很重要，馬夏值增加過快，爐前開口困難，作業(yè)難度加大，影響出渣、鐵作業(yè)。馬夏值與高爐產(chǎn)量的關(guān)系見表7。
對于大型高爐，鐵口炮泥應(yīng)該有適度的可塑性，方便爐前操作；氣孔率適宜，便于排出水分和氣體；體積穩(wěn)定性好，避免產(chǎn)生裂紋滲漏鐵水和煤氣；燒結(jié)性能好，強(qiáng)度高，耐火度高，耐鐵水和熔渣的沖刷和侵蝕；開口性能好，開口機(jī)容易鉆孔；同時(shí)炮泥對環(huán)境污染要小。
寶鋼無水炮泥的性能指標(biāo)：w(SiC)=10.7%，w(Ni3N4)=4.36%，顯氣孔率由30.3%降低到24.7%~21.5%，體積密度由1.98g/cm3提高到2.50~2.74g/cm3，抗折強(qiáng)度由0.41MPa提高到5MPa，耐壓強(qiáng)度由6.2MPa提高到18MPa左右。
炮泥中焦油或蒽油、瀝青中含有致癌物質(zhì)苯并芘的濃度達(dá)到上萬個(gè)ppm，環(huán)保結(jié)合劑的苯并芘含量可以降低到500ppm以下。按歐盟環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)：炮泥采用環(huán)保型酚醛樹脂苯并芘含量小于0.05μg/kg，不冒黃煙。
國內(nèi)有的鐵廠采用德國產(chǎn)的結(jié)合劑T60，環(huán)保性能可達(dá)歐洲標(biāo)準(zhǔn)（歐洲第三代炮泥苯并芘含量要小于300ppm），T60的原料仍然是煤焦油、石油焦油類物質(zhì)。據(jù)權(quán)威人士推測，應(yīng)該是通過不同溫度下的餾分處理，加上改性提純后的瀝青熔融混合的結(jié)果，固體成分含量大，粘度高，炮泥擠出泥條均勻，不易斷，收縮小。
據(jù)悉，武鋼開發(fā)出新型環(huán)保炮泥，采用環(huán)保系列的非酚醛樹脂類結(jié)合劑，生產(chǎn)的環(huán)保型炮泥強(qiáng)度高，開口過程與打炮過程不產(chǎn)生黑色和黃色有害人體健康的煙霧。高強(qiáng)度環(huán)保結(jié)合劑主要有兩方面改進(jìn)，一是采用環(huán)保結(jié)合劑；二是采用能替代瀝青的物質(zhì)作為固體結(jié)合劑，其關(guān)鍵是環(huán)保指標(biāo)苯并芘含量僅為0.00333%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），比歐洲標(biāo)準(zhǔn)0.005%還低三分之一。通過氣相色譜一質(zhì)譜法測炮泥中苯并芘含量，總離子流圖比較，焦油結(jié)合劑和蒽油結(jié)合劑存在苯并芘物質(zhì)的色譜峰，而環(huán)保型結(jié)合劑沒析出苯并芘。
近年來，日本某公司研究人員考察了添加Al2O3微粉對炮泥長時(shí)間加熱后物理性能及抗侵蝕性的影響。無論是以碳化硅為主的炮泥，還是以氮化硅鐵為主的炮泥，添加Al2O3微粉可以有效降低炮泥熱處理后的質(zhì)量損失，提高常溫強(qiáng)度，改善炮泥的抗侵蝕性，提高高爐內(nèi)部的炮泥沉積層長時(shí)間經(jīng)受高溫環(huán)境下的耐用性。
