專利名稱：一種原位燃燒合成高爐風口保護層方法
技術領域：
本發(fā)明屬于高爐風口技術領域，特別是提供了原位燃燒合成高爐風口內(nèi)外保護層的方法，用于延長高爐風口壽命和使高爐節(jié)能。
背景技術：
目前，高爐上使用的風口有多種形式，并有多種相應的制造方法。為提高高爐風口的耐磨性及增加風口壽命，人們曾做出很多努力。但兼顧制備簡單、方便使用、延長風口壽命、節(jié)能效果顯著的風口形式并不多見。以下簡要介紹與本發(fā)明最接近的幾種風口形式及制造方法1、風口本體由紫銅鑄造，其內(nèi)外表面不經(jīng)處理的風口不耐磨，不耐渣鐵和熱風侵蝕，節(jié)能效果差。如現(xiàn)在鞍鋼使用的風口。
2、表面采用多元金屬涂滲的紫銅鑄造風口抗氧化，但耐磨性不理想，節(jié)能效果差。如包鋼用的風口，滲涂層的厚度為2-2.5mm；包鋼含氟礦冶煉高爐使用，平均使用壽命可達120天以上(原來使用的普通貫流式紫銅風口平均使用壽命僅47.7天)，其它廠的平均使用壽命達180天以上。
3、外表面堆焊炭化鈦的風口耐磨，抗氧化，耐渣鐵腐蝕，但節(jié)能效果差，造價高。如在日本新日鐵君津廠4號高爐上使用的這種風口，壽命達20個月。見《煉鐵技術通訊》1994年第一期。
4、表面噴涂耐高溫耐磨涂層的風口抗氧化，耐磨性和節(jié)能效果一般，涂層易剝落，等離子噴涂成本較高。如日本的一些企業(yè)曾進行了風口前端部位和內(nèi)筒高溫耐磨涂層的開發(fā)，試驗過的涂層材料包括炭化鈦、炭化鎢、鈷、陶瓷等幾十種。國內(nèi)煙臺風口采用等離子噴涂金屬陶瓷涂層的方法，風口使用壽命約一年，成本較高，節(jié)能效果不理想。見《煉鐵技術通訊》1994年第一期。
5、內(nèi)筒和外筒敷設保護層的風口，前端面經(jīng)表面強化處理耐磨，節(jié)能，但內(nèi)筒和外筒敷設保護層及前端面經(jīng)表面強化處理不方便，如神戶制鋼專利風口等。專利號JP11050115 A2，CN1224764 A，CN1224764 A，US 5989488。
為提高風口的使用壽命，人們進行了大量的研究和改進，主要從三個方面入手改進冷卻結構、改進風口材質(zhì)和對風口表面進行保護處理。日本神戶制鋼所的研究人員詳細研究了風口損壞的原因，推出了他們風口專利技術，該風口構成包括風口本體、冷卻室、前端冷卻室、金屬套管、耐火材料保護層、陶瓷內(nèi)套、Y形結構件。
該專利采用了綜合改進措施，如用雙室冷卻結構，用高壓(20kg/cm2)高流速(15m/s)冷卻水等。在風口保護方面(1)對風口前端進行表面硬化處理。(2)在風口外表面涂上一層熔點高于鐵水溫度的保護層，為加強風口外表面與陶瓷保護層的連接，外表面安裝了由銅或鐵線制成的“Y”形結構件，考慮到陶瓷材料脆性較大和風口安裝過程中要經(jīng)受機械沖擊，在風口外表面加銅等金屬套管。將陶瓷材料由金屬管的下端壓入，金屬管的上端開一放散孔，直到陶瓷材料由上端溢出，典型的陶瓷材料的組成為Al2O375％，SiC17％，SiO24％。由于風口前端經(jīng)強水冷和表面強化處理，風口表面加了耐高溫的耐火材料，即使液態(tài)渣鐵的熱沖擊超過冷卻室的熱承載能力，由于直接與渣鐵接觸的是耐高溫的耐火材料，仍可保證風口本體溫度低于銅的熔點，使風口得到有效保護。數(shù)模計算得到的風口外表面交界處的溫度僅為32℃，該溫度下風口可以安全工作。(3)在風口內(nèi)表面制備陶瓷保護層來抵御煤粉沖刷和熱風侵蝕。見2001年《上海金屬》，第23卷第2期，陳亮的“從相關專利看高爐風口技術的發(fā)展”。
神戶制鋼所的風口避免了風口前端面及其上表面被熱蝕損毀，避免了風口內(nèi)表面受熱風侵蝕和煤粉沖刷，同時使風口節(jié)能。但風口內(nèi)套制備工藝復雜，現(xiàn)場施工不方便，制備成本較高。
6、風口前端安裝陶瓷風嘴，金屬與陶瓷組合的風口節(jié)能效果好，延長風口壽命，但制備方法復雜，不方便使用。見《煉鐵技術通訊》1994年第一期。
7、風口前端及外圓、風口套與其它部件的連接部分用純銅制造，純銅與鋼板焊接的風口風口成本低，節(jié)能效果差，壽命不長。專利號RU 2088671 O8、風口內(nèi)腔用耐火材料嵌套的風口抗氧化，耐磨性較好，節(jié)能效果好，但制備工藝復雜，耐火材料嵌套脆性大，使用不便方便，壽命不長。如寶鋼、韶鋼用的風口。
9、風口內(nèi)腔用不定形耐火材料打結的風口制備方法簡單，方便安裝，節(jié)能，但使用中易形成低熔物，影響生產(chǎn)。如鞍鋼曾用的風口。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是用燃燒合成方法在高爐風口內(nèi)外表面原位燃燒合成陶瓷保護層。該保護層具有延長風口壽命，節(jié)能效果顯著。
本發(fā)明的高爐風口結構形式風口本體1、冷卻室2、前端冷卻室3、金屬筒4、原位燃燒合成保護層5、“Y”形結構件6構成，見圖1。
本發(fā)明是將強反應放熱體系物料壓入(10MPa～50MPa)圖1的風口內(nèi)外型腔，在200℃～300℃，烘干2小時干燥后點燃反應物料，迅速燃燒合成風口陶瓷保護層。
本發(fā)明所述的強反應放熱體為由含鉻礦物、還原劑、稀釋劑、無機鹽組成的物料；其中，還原劑含量8～20重量％、稀釋劑0.1～50重量％、無機鹽含量1～5重量％，余量為鉻礦物，無機鹽以單獨或混合的方式加入。
點燃方法將變壓器上的(220V)接線柱引出的兩根導線接鎢絲，鎢絲與料坯接觸，通電瞬間點燃料坯。
本發(fā)明所述的強反應放熱體系物料由含鉻礦物、還原劑、稀釋劑、無機鹽組成；(以下按重量百分比)其中還原劑含量(8％～20％)、稀釋劑(0.1％～50％)、無機鹽(1％～5％)，余量為鉻礦物，無機鹽以單獨或混合的方式加入。
本發(fā)明所述的鉻礦物為鉻鐵礦、CrO3、Cr2O3，鉻酸鈣、鉻酸鋇或鉻酸鎂；還原劑為Al、Si或Al-Mg合金；稀釋劑為氧化物耐火材料或廢磚；無機鹽為硫酸鋁、磷酸二氫鋁或磷酸二氫鈉。
本發(fā)明制備的一種陶瓷材料性能指標常溫耐壓強度達58.8MPa，耐火度大于1800℃，氣孔率為57％，600℃時導熱系數(shù)為0.796w/(m.℃)。用該材料作風口內(nèi)襯，以2500m3高爐為例，風口節(jié)能效果顯著。節(jié)能效果及簡要計算如下(1)傳熱學計算方法設定風口結構尺寸，考慮其綜合傳熱，由對流換熱、圓筒壁傳導傳熱傅利葉定律，分別算出有無燃燒合成內(nèi)襯保護層情況下每個風口的節(jié)能效果，2500m3高爐有30個風口，每個風口工作350天，該高爐每年節(jié)能合標煤3068噸。
(2)與實際使用的耐火材料打結內(nèi)襯風口節(jié)能效果進行類比的方法以2500m3高爐為例，在相同工況條件下，分別測量耐火材料打結材料作阻熱內(nèi)層的風口與無燃燒合成內(nèi)襯保護層的風口冷卻水入口和出口的水溫差，通過水溫差的變化可以判斷有阻熱內(nèi)層的風口冷卻水少帶走的熱量較少。該材料的導熱系數(shù)比相同溫度下低水泥耐火材料打結材料阻熱內(nèi)層的導熱系數(shù)1.22W/(m℃)要小，其節(jié)能效果會更顯著。每年節(jié)約標煤大于3154噸。
本發(fā)明的優(yōu)點在于用燃燒合成陶瓷保護層的風口使用壽命長，節(jié)能效果顯著，該保護層制備工藝簡單、迅速、環(huán)保；成本低廉，風口現(xiàn)場使用方便。


圖1為有燃燒合成保護層的風口示意圖。其中，風口本體1、冷卻室2、前端冷卻室3、金屬筒4、原位燃燒合成保護層5、金屬結構件6、風口內(nèi)腔模芯7、擠壓結構件8、燃燒合成物料擠入口9、10、燃燒合成物料擠出口11。
圖2為圖1A區(qū)放大圖。
具體實施例方式
例1將50重量％的CrO3粉末(0.150mm～0.075mm)與20重量％的Al粉末(0.150mm～點0.075mm)，30重量％的Al2O3粉末(0.150mm～0.075mm)，外加1重量％的磷酸二氫鋁溶液攪拌均勻，得到具有一定塑性的物料。50MPa壓力下，燃燒合成物料由圖1的燃燒合成物料擠入口9處被擠入風口型腔，由燃燒合成物料擠出口11處被擠出；燃燒合成物料由燃燒合成物料擠入口10處用擠壓結構件8搗入風口內(nèi)腔模芯與風口內(nèi)表面構成的腔體。料坯經(jīng)300℃烘干2小時。常溫大氣環(huán)境中，鎢絲通電引燃燃燒合成物料擠入口9處的物料，使料坯達到自蔓延燒結。燒結產(chǎn)物的密度為1.4g/cm3，氣孔率為57％，600℃時的導熱系數(shù)為0.796w/(m.℃)，常溫耐壓強度為58.8MPa，耐火度大于1800℃。
例2將(0.150mm～0.075mm)40重量％的CrO3粉末與相同粒度的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％的硫酸鋁溶液攪拌均勻，得到具有一定塑性的物料。如圖1，10MPa壓力下，燃燒合成物料擠入方式及點燃方式與例1相同。燒結產(chǎn)物的氣孔率為30％，常溫耐壓強度為22MPa，耐火度大于1750℃。
例3將75.3重量％的小于0.3mm的鉻鐵礦，20.5重量％的小于0.3mm的Al粉末(0.150mm～0.075mm)，4.2重量％的硫酸鋁溶液攪拌均勻，得到具有一定塑性的物料。如圖1，50MPa壓力下，燃燒合成物料擠入方式及點燃方式與例1相同。燒結產(chǎn)物的氣孔率為57％，常溫耐壓強度為58.8MPa，耐火度大于1790℃。
例4將78.5重量％的鉻酸鎂(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％乙醇的水為溶劑的磷酸二氫鈉溶液均勻混合得到具有一定塑性的坯料。如圖1，10MPa壓力下，燃燒合成物料擠入方式及點燃方式與例1相同。燒結產(chǎn)物的氣孔率為30％，常溫耐壓強度為36MPa，耐火度大于1880℃。
例5將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％的廢SiC磚粉末(0.150mm～0.035mm)，加入含35重量％乙醇的水為溶劑的磷酸二氫鈉溶液均勻混合得到具有一定塑性的坯料。如圖1，25MPa壓力下，燃燒合成物料擠入方式及點燃方式與例1相同。常燒結產(chǎn)物的氣孔率為35％，常溫耐壓強度為28MPa，耐火度大于1800℃。
權利要求
1.一種原位燃燒合成高爐風口保護層方法，其特征在于將強反應放熱體系物料壓入10MPa～50Mpa高爐風口內(nèi)外型腔，在200℃～300℃，烘干2小時干燥后點燃反應物料，迅速燃燒合成風口內(nèi)外陶瓷保護層；其強反應放熱體為由含鉻礦物、還原劑、稀釋劑、無機鹽組成的物料；其中，還原劑含量8～20重量％、稀釋劑0.1～50重量％、無機鹽含量1～5重量％，余量為鉻礦物；點燃方法是將變壓器上的220V接線柱引出的兩根導線接鎢絲，鎢絲與料坯接觸，通電瞬間點燃料坯。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于無機鹽以單獨或混合的方式加入。
3.按照權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的鉻礦物為鉻鐵礦、CrO3、Cr2O3，鉻酸鈣、鉻酸鋇或鉻酸鎂；還原劑為Al、Si或Al-Mg合金；稀釋劑為氧化物耐火材料或廢磚；無機鹽為硫酸鋁、磷酸二氫鋁或磷酸二氫鈉。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種原位燃燒合成高爐風口保護層方法，其特征在于將強反應放熱體系物料壓入10MPa～50Mpa高爐風口內(nèi)外型腔及前端面與金屬結構件6構成的型腔，在200℃～300℃，烘干2小時干燥后點燃反應物料，迅速燃燒合成風口內(nèi)外陶瓷保護層；其強反應放熱體為由含鉻礦物、還原劑、稀釋劑、無機鹽組成的物料；其中，還原劑含量8～20重量％、稀釋劑0.1～50重量％、無機鹽含量1～5重量％，余量為鉻礦物；點燃方法是將變壓器上的220V接線柱引出的兩根導線接鎢絲，鎢絲與料坯接觸，通電瞬間點燃料坯。本發(fā)明的優(yōu)點在于制備工藝簡單、成本低廉，方便現(xiàn)場施工，延長風口使用壽命，節(jié)能的效果顯著。
文檔編號C21B7/00GK1597996SQ20041000948
公開日2005年3月23日 申請日期2004年8月27日 優(yōu)先權日2004年8月27日
發(fā)明者張躍, 楊大正, 李健 申請人:北京科技大學