摘　要　阐述了国内外高炉铁口炮泥的发展状况，分析了铁口炮泥的侵蚀机理，指出原料、结合剂、生产工艺和外加剂是影响铁口炮泥质量的主要因素，并针对有水炮泥和无水炮泥的利弊，提出了改进措施。

关键词　铁口炮泥　损毁机理　发展　改进

近年来，不同容积高炉如雨后春笋般竖起，争相采用高风压、高顶压、高冶强、大风量、富氧大喷吹等新技术。中小型高炉在强化冶炼后，日出铁次数增加，绝大部分已由12次/日增加到15次/日，有的已增加到18次/日，并取消了放上渣工艺；大型高炉也因其通铁量大，对铁口炮泥质量的要求越来越高。总体上讲，高炉铁口用炮泥堵上时，出铁通道内要填充满炮泥，并在炉缸内形成泥包，使铁口维持足够的深度；出铁时要求炮泥维持稳定的孔径，出铁均匀；出完铁后，要尽量避免大量焦炭和半熔融的粘液喷出。每天高炉的出铁口都要反复多次被打开和充填，炽热的铁水和渣液对铁口炮泥产生物理和化学侵蚀。如果炮泥质量差，使用时就会出现潮铁口、浅铁口、断铁口、跑大流、减压、放风、烧坏炉前设备等一系列问题，影响正常生产，甚至造成人身伤害事故。因此，要求铁口炮泥应具有下列性能：①可塑性和粘结性好，容易挤进并填满铁口通道；②气孔率适宜，便于干燥时排出水分和气体；③高温体积收缩小，可避免产生裂纹；④烧结性能好，强度高，耐冲刷和耐侵蚀；⑤开口性能良好，开口机钻口容易；⑥环境污染小；⑦具有高耐火度。

1　高炉铁口炮泥的现状

1.1　国内现状

近年来由于精料水平提高，渣量减少，再加上放上渣易损坏渣口小套，发生事故较多，许多炼铁厂已停止放上渣操作，所有渣铁溶液全部从铁口排出，而且日出铁次数均有不同程度增多。堵铁口所用炮泥大部分是有水炮泥，是以焦粉、粘土、矾土熟料、碳化硅、绢云母、焦油沥清为主要原料，加水搅拌碾压而成。这种炮泥一般体积密度小，烧结性能差，烧结收缩率高，易产生裂纹，耐渣铁侵蚀性差，铁口通道容易扩大，出铁期间炽热的焦炭易喷出，出不净铁，堵不住铁口，影响高炉正常生产。为维护好铁口，有的采取了加大打泥量，出铁前钻进一定深度烘烤，用小直径钻头钻开等办法，但由于没有从根本上找出解决问题的办法，效果不理想。

我国的大型高炉一般只设1个事故渣口和1~4个铁口，铁口每天排出的渣铁量很多。要满足大型高炉对铁口炮泥的质量要求，必须采用无水炮泥。无水炮泥一般由刚玉、碳化硅结合氮化硅、焦粉、优质结合粘土等为主要原料，同时配加不同的外加剂，用蒽油、洗油、焦油作结合剂。这种炮泥由于采用了优质高纯原料，并以碳质原料为结合剂，其耐渣侵蚀性能良好，可使铁口出铁时间延长，降低出铁次数，但因存在其配料严格，打泥压力高，成本高，开铁口困难，单次打泥量大(中小型高炉每次打泥量为50~70 kg，大型高炉为400~500 kg)，污染环境等一系列问题，给生产使用带来不利影响。

1.2　国外现状

国外各主要产铁国家对铁口炮泥的质量都十分重视，有专门的研究机构，如日本的川崎、新日铁，乌克兰的耐火材料研究所，美国的伯利恒公司，均设有堵铁口炮泥技术小组。目前，它们主要是以无水炮泥为主，起初的无水炮泥都是用焦油作结合剂，但焦油在使用中会产生烟雾，恶化工作环境，影响职工身心健康，日本、美国和欧洲等国，研制出了以树脂为结合剂的无水铁口炮泥，这种炮泥不仅消除了用焦油作结合剂产生的环境污染，而且能快速硬化，炮泥单耗降低(如日本千叶4500 m3高炉吨铁炮泥消耗只有0.25 kg/t)，大大提高了无水炮泥的性能。除对结合剂方面进行改进外，日本新日铁还开发了碱性无水铁口炮泥，其组成如下：氧化镁25% ~ 60%，轻烧氧化镁8% ~ 15%，焦炭12% ~ 15%，有时还加入电熔氧化铝和碳化硅，采用改性酚醛树脂作结合剂，用量为15% ~ 20%。这种炮泥的显气孔率为25% ~ 32%，1450℃高温抗折强度为3. 2 ~ 4.5MPa，在顶压达到0.15 MPa的3800m3高炉上试用获得了良好的使用效果。英国还先后开发了SiO2炮泥，硅质料含量达到了64% ~ 68%，无烟煤为12.8%，焦油16.6%，加热至1250℃，2h后耐压强度达4.08 MPa。为解决无水炮泥开铁口困难的问题 日本于1985年开发出了插棒法开铁口，取得了较好的使用效果。

2　高炉铁口炮泥的侵蚀机理

2.1　热机械作用侵蚀

出铁时，铁口通道被打开，炽热的铁水和熔渣从铁口涌出，使铁口炮泥承受1480 ~ 1600℃的高温侵蚀。当铁、渣出完煤气导出时，重新用铁口炮泥堵铁口，旧炮泥接触新炮泥,温度突然下降至180 ~ 200℃。这样反复作用，在旧铁口炮泥套内部产生巨大的热应力，易造成以铁口为圆心的圆弧形微裂纹；新炮泥在干燥和烧结过程中，水分或其他结合剂蒸发和挥发，留下大量的气孔，在新旧炮泥的接触面上，也会由于新炮泥的烧结收缩产生缝隙。这样就使得熔融液体易渗入这些缝隙之中，当下次铁口打开时，在熔流强烈的冲刷下，使炮泥脱落。新堵塞的铁口炮泥，受铁口内外温度的作用，使炮泥烧结速率不等，在铁口炮泥内产生热应力，出现微裂纹。若裂纹扩展到整个铁口截面，就会发生断铁口现象。另外，铁口打开后，由于高炉内外压差变化，铁渣溶液迅速涌出，机械冲刷相当严重。

2.2　热化学侵蚀

炮泥中含有十几种杂质，主要有Fe2O3、CaO、Na2O、K2O、MgO、SnO、ZnO、Fe2S等，高炉熔渣中也含有多种成分，如SiO2、CaO、Al2O3、MgO、MnO、FeO、CaS、CaF2等，出铁期间，铁口炮泥与熔渣长时间接触，易发生化学反应，降低其熔点，产生化学侵蚀。主要化学反应有：

2C＋O2 = 2CO                                                     （1.1） 

C +O2 = CO2                                                                                  （1.2） 

C +CO2 = 2CO                                                     （1.3） 

CaO +Al2O3 = CaO·Al2O3                                            （1.4） 

CaO·Al2O3 +2CaO = 3CaO·Al2O3                                      （1.5） 

2CaO +Al2O3 + SiO2 = 2CaO·Al2O3·SiO2                                （1.6） 

7CaO ·A12O3 + 5CaO = 12CaO ·A12O3                                 （1.7） 

FeO +Al2O3 = FeO·Al2O3                                             （1.8） 

2FeO +SiO2 = 2FeO·SiO2                                             （1.9） 

2FeO + 2Al2O3＋SiO2 = 2FeO·2Al2O3·SiO2                              （1.10） 

MnO+ SiO2= MnO·SiO2                                              （1.11） 

2MnO+SiO2 = 2MnO·SiO2                                            （1.12） 

3MnO+Al2O3 + 3SiO2 = 3MnO·Al2O3·3SiO2                              （1.13） 

2MnO+2Al2O3+ 5SiO2 = 2MnO·2Al2O3·5SiO2                            （1.14） 

这些反应中，2FeO·SiO2（铁橄榄石）的熔点只有1178℃，2FeO·2Al2O3·SiO2的熔点只有1083℃，MnO·SiO2的熔点为1291℃，2MnO·SiO2的熔点为1345℃，熔点均低于1300℃，在出铁期间，会随着铁渣溶液的冲刷及温升转变成渣液而流失，出现铁口通径扩大，跑大流，影响炉前安全。

3　铁口炮泥的生产工艺

3.1　铁口炮泥的主要原材料

(1) 焦  炭

焦炭的特点是气孔率高，导热性及导电性好，荷重变形温度高，抗渣、抗热震性稳定，使铁口保持还原气氛，对碳化硅、碳化网络、碳素材料起保护作用。焦炭是铁口炮泥的主要原料之一。

(2) 碳 化 硅

工业用碳化硅由人工合成，密度在3.17 ~ 3.37 g/cm3，高纯度的碳化硅明净如镜，含杂质的呈现不同颜色，在无氧气氛中，SiC小于2600℃稳定。并具有高导热率、耐磨性、高温强度、热膨胀系数小、热震稳定性好等优点，作为铁口炮泥的原料，可改善其抗熔渣侵蚀和抗冲刷能力。

(3) 刚 玉 粉

刚玉体积密度3.95 ~ 4.18g/cm3，熔点高于2050℃，化学性质稳定，耐渣铁侵蚀性好，是优质耐火原料，在铁口炮泥中常作粉料使用。

(4)高铝骨料

在堵铁口炮泥中，高铝骨料起骨架作用，属致密质耐火颗粒原料。粒径在3mm左右，其化学成分要求Al2O3≥80%、Fe3O4≤2.0%、MgO+CaO≤0.5%、吸水率≤5%。耐火度达到1770℃，堵铁口炮泥的强度并不取决于骨料粒径的增大，相反，在保证一定的塑性前提下，粒径越小越好，所以较小粒径的高铝骨料应适度增加为好。

(5) 沥  青

沥青有焦油沥青和石油沥青，它们作为含碳的有机结合剂，可随温度升高而缩聚碳化，形成碳化网络，提高炮泥的高温强度和湿润角。

除以上原料外，许多厂家配制的铁口炮泥中，还加有云母、蓝晶石以及氮化物等，用于改善铁口炮泥的性能。

3.2　生产工艺流程

铁口炮泥各种原料，应由供应厂家破、粉碎后提供给碾泥机，一般情况下，碾泥机只起碾压成品铁口炮泥作用，不能用于破、粉碎。所有原料要根据碾制时混合程度不同分先后顺序加入，碾压时间可根据高炉炉容不同按10 ~ 30mm控制，碾压时的环境温度最好在10 ~ 30℃范围内进行。碾制好的成品铁口炮泥，可根据有水和无水的区别，分别存放于室温和暖房内，困泥时间一般为24h。工艺流程为：准确配料 → 顺序搅拌 → 加水或加油碾压 → 合格铁口炮泥 → 入库保存 → 维护 → 使用。

4　高炉铁口炮泥的发展

4.1　无水铁口炮泥的发展

(1) 无水铁口炮泥一般以焦油或蒽油作结合剂，环保型的无水铁口炮泥所用结合剂已改换成了酚醛树脂或改性酚醛树脂，这种结合剂对各种原料中的水分也没有了特别严格的控制标准。由于树脂相对于焦油来说，易与水结合，在加热时能蒸发和固化，可减少因水分含量高影响使用效果的问题。

(2) 铁口炮泥的原料化学成分，正在向高纯度、杂质含量低、碳质和碱性化方向发展。杂质含量高，易使铁口炮泥在使用过程中形成低熔点化合物，降低了铁口炮泥的高温强度。就近期来看，采用高纯度刚玉质无水炮泥，可使抗渣侵蚀性能显著提高。未来几年，特别是特大型高炉强化冶炼后，对无水铁口炮泥的要求会进一步提高，氧化镁质碱性铁口炮泥将可能在特大型高炉上发展，这种无水铁口炮泥耐火度高，与高炉熔渣很少反应，不但可延长出铁时间，而且可降低铁口炮泥单耗。

(3) 原料的粒度组成也是影响无水铁口炮泥质量的一个主要因素。研究认为：组成中增加粗颗粒，可降低铁口炮泥的挤出压力，作业性好，加热后气孔率低，但粗颗粒超过一定比例，则出现相反的情况，这与气孔率会增高，烧结性能变差有关。目前其配料正向细粉增多的方向发展，特别是超微粉的出现，有助于提高无水铁口炮泥的烧结性能。

(4) 提高无水铁口炮泥的体积稳定性，也是诸研究者的重要内容，为提高其体积稳定性，或者使其略有热膨胀，增加氮化硅、氮化硅结合碳化硅、蓝晶石、氮化硅铁、铝粉等高品质材料是很有必要的，这些原料，既可提高体积密度、自润滑性、耐炉渣酸碱波动，又可增大导热系数，改善烧结性能，强化基质，防止炉渣侵入，减少摩擦。

4.2　有水铁口炮泥的发展

有水铁口炮泥常作为中小型高炉单铁口出铁使用。为改善有水铁口炮泥质量,诸多厂家均采用了外加剂的形式，其加入与否对炮泥质量有极大影响。为满足炼铁高炉需要，试验了不同外加剂，常见的有烧结剂、抗蚀剂、发气剂、膨胀剂、润滑剂等。

中小型高炉，大部分都采用了单铁口日出铁15 ~ 18次的工艺，这与传统的10 ~ 12次/d相比，不单是次数增加的问题，而是高炉强化冶炼指标优化的结果。有水铁口炮泥的发展也正像无水铁口炮泥的发展一样，正在向高纯度、高碳元素含量方向发展。未来几年，减少铁口炮泥的水分含量，降低烧结气孔率，提高致密度，改善低温烧结性能和高温耐磨强度，是努力的方向。

从有水铁口炮泥的配比设计到生产过程，再到保存使用，每一个过程都对铁口炮泥的质量有着重要影响。配比方案首先要求计量准确。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，已成为现代企业以人为本的具体表现。将有水铁口炮泥的保存温度控制在10 ~ 25℃是稳定其性能的重要因素，为此要有专门存放有水铁口炮泥的温度控制室。

由于高炉日出铁次数增加，铁口炮泥水分含量减少，打泥压力需要进一步提高，泥炮下身要有冷却水装置保护，防止泥缸内的泥料结硬。打泥量要稳定，打泥进度要与炉顶压力匹配。开铁口时，旋转钻头要从铁口泥包中心钻进，以避免泥包被破坏。

结合中小型高炉生产实际,有水铁口炮泥所用原料,来源更广泛,更合理,如冶金焦可用筛下焦粉替代，甚至可用部分无烟煤替代。骨料可用含杂质少的粘土熟料配加，要适量增加高纯度抗渣侵蚀能力强的耐火材料，如氮化硅、碳化硅、刚玉粉等。