專利名稱：建造還原鐵礦的流化床還原爐內(nèi)結(jié)構(gòu)的耐火組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐火材料，其用于建造通過流化反應(yīng)還原鐵礦粉的流化床還原爐內(nèi)的某一結(jié)構(gòu)，更具體地，本發(fā)明涉及一種耐火組合物，其用于建造一種新的煉鐵方法，即FINEX法中采用的流化床還原爐內(nèi)的某一結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代鋼制造業(yè)中，采用對首先制成的熔融鐵進(jìn)行脫碳處理來制造鋼的間接方法。熔融鐵是采用高爐法制造的，其中采用焦炭作為燃料。
圖1是采用高爐法制造鐵的方法的示意圖，其中當(dāng)采用由火焰煤制得的焦炭作為燃料時，鐵礦石經(jīng)過預(yù)處理工藝，對鐵礦石進(jìn)行粉碎、精選、將鐵礦粉壓制成塊、燒結(jié)而成硬球狀，該硬球是具有可裝入高爐中的預(yù)定尺寸的團(tuán)塊。將該硬球和焦炭裝入高爐中，進(jìn)行焙燒以獲得熔融鐵。
盡管高爐法是目前大規(guī)模制造鐵的最好煉鐵方法，但高爐法由于工藝復(fù)雜以及要求額外的單獨大規(guī)模設(shè)備用于燒結(jié)和制造焦炭而具有成本高的特點，而且也導(dǎo)致了從燒結(jié)鋼和焦炭制造工藝中釋放出硫的氧化物SOx，氮化物NOx，二氧化碳CO2等環(huán)境污染物的問題。
韓國煉鋼公司POSCO開發(fā)了一種設(shè)備，其中高爐法這一制造方法被轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯油ㄟ^流化反應(yīng)還原天然狀態(tài)的鐵礦粉而無需對鐵礦石和焦炭進(jìn)行預(yù)處理，其專利的韓國專利申請?zhí)枮?0-1995-41931，韓國專利登記號為10-236160，該方法被稱為FINEX法，該設(shè)備已建成并于近期投入了測試操作。
圖2是將本發(fā)明應(yīng)用其中的煉鐵方法FINEX法的示意圖，而圖3則是對圖2中流化床還原爐的關(guān)鍵部分的截面的詳細(xì)圖示。FINEX法是用于經(jīng)濟地制造熔融鐵的一種新型的鐵生產(chǎn)方法，其中粒徑分布較寬的鐵礦粉通過流化床還原爐1的多個分段逐步被還原，并與粒徑為8-50mm的煤塊一起裝入到熔爐2中以形成熔融鐵，其中粒徑為約8mm的鐵礦粉經(jīng)過流化床還原爐1的多個分段而轉(zhuǎn)變?yōu)楸贿€原的鐵礦，形成了顆粒(HCI；HotCompact Iron)，然后被裝入熔爐中。
從結(jié)構(gòu)來看，流化床還原爐1設(shè)置有體11(體11具有位于下部并供給還原性氣體的供氣口11a)，位于體11內(nèi)部空間中的多個垂直柱(verticalcolumns)12，以及垂直柱上支撐的分配板13，以使分配板(distributionplate)13的多個部分同時得到平衡和支撐。
柱12只是支撐分配板13，而分配板13則分配通過供氣口11a供給體11內(nèi)部空間的高溫高壓還原性氣體，從而流化和還原鐵礦，其中，由于柱12和分配板13不能，但卻被曝于體11內(nèi)部空間的高溫高壓還原性氣體中，因而，柱12和分配板13應(yīng)由具有良好耐化學(xué)品、良好耐熱沖擊性、良好機械性能、良好耐磨性等的耐火材料構(gòu)成。
同時，柱12和分配板13分別具有多個通孔12a和13a，以使氣體平穩(wěn)地流動和穿過而流化和還原鐵礦粉。
由于柱12和分配板13是反應(yīng)爐中的結(jié)構(gòu)，而反應(yīng)爐并不是小尺寸的實驗設(shè)備，而是全尺寸的商業(yè)化制造設(shè)備，因此要求柱12和分配板13的材料在柱12和分配板13工作期間的主要工作溫度，即600-1000℃附近時不與還原性氣體和鐵礦中的各種成分發(fā)生反應(yīng)，在鐵礦粉的高溫和高速流化條件下具有良好的耐磨性，以及具有良好的耐熱沖擊性足以耐受由于裂紋出現(xiàn)而以間歇操作方式而非連續(xù)操作方式重新操作設(shè)備之后發(fā)生的快速升溫和快速降溫。
而且，由于要求柱12和分配板13依據(jù)設(shè)備的設(shè)計而成各種結(jié)構(gòu)形狀，因此要求柱12和分配板13的材料不具有固定的形狀，從而能形成各種形狀；以及，由于多數(shù)設(shè)備是大尺寸結(jié)構(gòu)，因此要求柱12和分配板13的材料在成形之后的固化和干燥期間不變形，或在成形期間不膨脹。
為形成所述流化床還原爐1的柱12和分配板13，在制備形成柱12和分配板13的耐火組合物之后，分別形成柱12和分配板13，其中盡管可通過形成耐火組合物的單元塊，并將這些單元塊以實施方式附圖所示的一般砌磚方式安裝在體11內(nèi)部空間中而形成柱12和分配板13，但與該方法不同的方法是，在體11內(nèi)部空間中建造模具后，將耐火組合物與粘合劑等按照混合普通混凝土的方法混合，然后填充到模具中進(jìn)行固化，以形成柱12和分配板13。
顯而易見的是，用制成的耐火材料制備柱12和分配板13的同時要設(shè)置多個通孔12a和13a，用于使還原性氣體平穩(wěn)地流動和穿過，如上所述。
因此，為形成流化床還原爐的體11內(nèi)的柱12和分配板13，耐火組合物是必要的。由于可預(yù)見柱12和分配板13的工作條件是嚴(yán)格的，因此要求耐火組合物滿足下列產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)體密度為3.2或更高，在工作條件下的抗壓強度為1500kg/cm2或更高，具有良好的耐熱沖擊性，耐磨性滿足ASTM C704磨損率為3.0cm3或更低，等等。
然而，考慮到用于FINEX法的設(shè)備是世界上的首臺設(shè)備，沒有相關(guān)技術(shù)的耐火組合物來形成應(yīng)用到商業(yè)規(guī)模FINEX法中的柱和分配板。盡管在實驗設(shè)備中采用含有大于90％的氧化鋁，抗壓強度約為1000kg/cm2，且無高強度二氧化硅組分的耐火材料(比較實施例1)，但該耐火材料在工作期間由于耐熱沖擊性低而導(dǎo)致很大程度的收縮和許多裂紋，盡管該耐火材料具有對CO氣體的良好抵抗性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供用于建造用于還原鐵礦粉的流化床還原爐內(nèi)某一結(jié)構(gòu)的耐火組合物，該耐火組合物不同于相關(guān)領(lǐng)域的實驗性耐火組合物，流化床還原爐內(nèi)的某一結(jié)構(gòu)為柱和分配板，從而當(dāng)具有寬范圍顆粒分布的鐵礦粉在其中具有柱和分配板的流化床還原爐的多個分段中逐步被還原時，使柱和分配板具有對還原性氣體的良好耐化學(xué)品性，在高溫高速度流化床條件下具有良好的耐磨性，以及具有良好的耐熱沖擊性足以耐受以間歇操作方式進(jìn)行重操作之后的快速升溫和降溫。
本發(fā)明的目的可通過提供用于建造用于還原鐵礦粉的流化床還原爐內(nèi)某一結(jié)構(gòu)的耐火組合物而實現(xiàn)，該耐火組合物包括9-17wt％煅燒氧化鋁，3-6wt％特級脫水二氧化硅SiO2，5-10wt％高鋁水泥，以及余量的燒結(jié)或熔融氧化鋁，而制成100wt％耐火組合物。
優(yōu)選地，該耐火組合物還包括0.03-0.3wt％含有緩凝劑的分散劑。該分散劑選自一種或多種無機鹽六偏磷酸鈉，三聚磷酸鈉，四聚磷酸鈉，酸式六偏磷酸鈉，以及碳酸鈉，檸檬酸鈉，酒石酸鹽，聚丙烯酸鹽(poly-acrylate-salts)，磺酸鈉和萘-磺酸鈉，而該緩凝劑則為檸檬酸，葡糖酸或硼酸。
優(yōu)選地，該耐火組合物還包括0.03-0.15wt％的一種或多種金屬鋁粉或有機纖維。在包括金屬鋁粉的情況下，該耐火組合物進(jìn)一步包括0.01-0.05wt％的反應(yīng)阻滯劑以調(diào)節(jié)鋁金屬粉末的反應(yīng)速度。優(yōu)選地，該反應(yīng)阻滯劑是抑制劑。
優(yōu)選地，該耐火組合物中8mm-1mm的粒徑占45-59wt％，1mm-75μm的粒徑占14-20wt％，而75μm及以下的粒徑占27-33wt％。優(yōu)選地，煅燒氧化鋁中3-5μm的平均粒徑占6-10wt％，而2-0.5μm的平均粒徑占3-7wt％。優(yōu)選地，高鋁水泥包括26-30wt％的CaO。


用于進(jìn)一步理解本發(fā)明的附圖對實施方式進(jìn)行了闡釋。圖中圖1是示出采用高爐法制造鐵的方法的示意圖；圖2是示出應(yīng)用了本發(fā)明的FINEX法的示意圖；圖3是對圖2中流化床還原爐的關(guān)鍵部分的截面的詳細(xì)圖示；圖4是對圖3中沿I-I線的截面圖示；圖5是圖3流化床還原爐內(nèi)柱的透視圖；以及圖6是圖3流化床還原爐內(nèi)分配板的透視圖。
最佳實施方式優(yōu)選地，本發(fā)明的最終耐火組合物具有45-59wt％(重量百分比)的8-1mm顆粒，14-20wt％的1mm-75μm顆粒，以及27-33wt％的75μm及以下的顆粒，該組合物是考慮結(jié)構(gòu)和材料的特性而進(jìn)行重復(fù)實驗獲得的結(jié)果。如果該耐火組合物中59wt％以上的顆粒的粒徑等于或大于8mm，這種情況下很難攪拌與其他材料相混合的耐火組合物來制備形成柱12和分配板13的材料，并且將與其它材料混合的耐火組合物倒入模具中時也很難形成緊密且不帶孔的柱12和分配板13的層。
已經(jīng)確定耐火材料中含有45-59wt％的8-1mm顆粒，理由是在耐火組合物中8-1mm顆粒的含量低于45wt％時，即使流動性由于細(xì)粉塵的相對增加而增加，但抗散裂性仍由于在主要工作溫度1000℃時發(fā)生很大程度的收縮而變?nèi)酰绻突鸾M合物中8-1mm的顆粒含量超過59wt％，則柱和分配板成形的狀態(tài)由于缺乏細(xì)粉塵而變差，這使得柱和分配板的成形性變差。
對于作為主要原材料的氧化鋁，優(yōu)選采用純度為95％或更高的燒結(jié)氧化鋁塊，熔融的白色氧化鋁塊，或熔融的棕色氧化鋁塊，考慮到反應(yīng)爐的設(shè)計而采用密度高于3.2的原材料，尤其優(yōu)選孔隙率低于10％的熔融氧化鋁?；蛘?，塊可以是耐火的諸如高密度鋯石，氧化鋯，氧化鎂的塊，除了耐熱沖擊性，耐化學(xué)品性質(zhì)，可加工性等特性要求外，它們滿足密度要求。
因此，所形成的密度接近理論密度的燒結(jié)或熔融氧化鋁是合適的，優(yōu)選地，熔融氧化鋁具有致密結(jié)構(gòu)，孔隙率低，雜質(zhì)含量低。
考慮到柱12和分配板13中許多管的設(shè)置是用于高速傳送高溫還原性氣體，因此要求流化床還原爐1內(nèi)的柱12和分配板13的材料能確保平穩(wěn)形成柱12和分配板13的最低流動性。
將形成的材料在固化和干燥后的抗壓強度設(shè)計為高于1500kg/cm2，為滿足抗壓強度要求，采用9-17wt％的煅燒氧化鋁(該煅燒氧化鋁由6-10wt％平均粒徑為3-5μm的煅燒氧化鋁，3-7wt％平均粒徑為0.5-2μm的煅燒氧化鋁構(gòu)成)以及3-6wt％的特級脫水二氧化硅。
因此，各種粒徑的氧化鋁一起被采用，以確保獲得要求的流動性和致密結(jié)構(gòu)，而上述范圍之外的組合物則不能提供令人滿意的性質(zhì)。
在純度分別為94％和97％的兩種特級脫水二氧化硅中，優(yōu)選采用純度為97％的那一種，原因是其中存在的雜質(zhì)Fe和Si組分導(dǎo)致了破壞結(jié)構(gòu)的還原反應(yīng)。在分散劑的輔助作用下，對脫水二氧化硅進(jìn)行抗絮凝處理，使其含水量低，從而獲得結(jié)構(gòu)。特級脫水二氧化硅在高于800℃的溫度下開始反應(yīng)并轉(zhuǎn)變成莫來石(mullite)而形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而能補償由水泥在高溫下脫水導(dǎo)致的強度下降，因而在實際上保持了高強度而并未發(fā)生強度下降。
為了確保本發(fā)明結(jié)構(gòu)(柱和分配板)的設(shè)計強度為1500kg/cm2或更高，采用5-9wt％的高鋁水泥，該高鋁水泥中CaO的含量為26-30％。如果采用5wt％以下的高鋁水泥，則不能得到要求的強度，而如果采用超過9wt％的高鋁水泥，則也不能獲得要求的強度，或者即使獲得了要求的強度，也會由于液相材料的增加以及莫來石的形成量減少而導(dǎo)致抗散裂性變差。
只有在為獲得要求的流動性而采用分散劑的情況下才可制備得到可加工的耐火組合物。分散劑可以選自下列無機鹽中的一種六偏磷酸鈉，三聚磷酸鈉，四聚磷酸鈉，酸式六偏磷酸鈉，以及碳酸鈉，檸檬酸鈉，酒石酸鹽，聚丙烯酸鹽，磺酸鈉和萘-磺酸鈉。
除了分散劑之外，可向耐火組合物中加入緩凝劑，優(yōu)選的緩凝劑例如有檸檬酸，葡糖酸或硼酸，以確保延遲凝固。
根據(jù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，對100wt％的耐火粉末，可采用與緩凝劑一起添加一種或多種分散劑，它們的總含量為0.03-0.3wt％。
另外，為了確保建造后的干燥，可采用0.03-0.15wt％的金屬鋁粉末，或一種或多種有機纖維。0.03wt％以下的金屬鋁粉末或有機纖維在干燥過程中不能提供防止散裂的作用，而超過0.15wt％的金屬鋁粉末或有機纖維會由于孔隙率過大而使結(jié)構(gòu)的性質(zhì)變差。
在采用鋁粉防止干燥期間發(fā)生散裂時，要求調(diào)節(jié)金屬鋁粉的反應(yīng)速率，其中采用0.01-0.05wt％的抑制劑作為金屬組分的反應(yīng)阻滯劑。如果不采用反應(yīng)阻滯劑，反應(yīng)速率會隨溫度而變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部在固化期間的凝固速率有所不同，不能獲得均勻的結(jié)構(gòu)。含量低于0.01wt％的抑制劑不起作用，而含量超過0.05wt％的抑制劑則使強度變差。
通過向本發(fā)明的耐火組合物中加入水，可研磨耐火組合物并進(jìn)行建造，在必要的情況下可加入鋼纖維。
以下將描述本發(fā)明的實施方式。
表1

分散劑1*氧化鋁ADS(Alcoa)分散劑2*六偏磷酸鈉分散劑3*焦磷酸鈉為了在流化床還原爐內(nèi)形成柱12和分配板13，要求確保耐火組合物的流動性足以填充柱12和分配板13除通孔12a和13a之外的其余部分，采用臺式流動測試法測定流動性，評價的流動性要求在臺式流動測試中15個接頭之后的最低值為110mm。上述的表1表明本發(fā)明的耐火組合物在臺式流動測試中15個接頭之后的流動性高于110mm，因此流動性良好。
表2

*散裂發(fā)生的測試采用直徑為100mm，高度為200mm的固化了24個小時的柱形測試片，通過非接觸火焰加熱法，在500℃下測試5個小時。
表3

**比較實施例*膨脹在35℃的固化溫度下測定尺寸為350×350×500(寬×長×高)mm的結(jié)構(gòu)的表面高度增長。
工業(yè)應(yīng)用性如上所述，采用本發(fā)明的耐火組合物形成流化床還原爐1內(nèi)的柱12和分配板13的過程中，本發(fā)明提供了高強度、結(jié)構(gòu)致密的耐火結(jié)構(gòu)，該耐火結(jié)構(gòu)能確?？杉庸ば裕w積比重大于3.2，可向其中加入建筑金屬纖維，抗壓強度高于1500kg/cm2，ASTM C 708磨損率為3或更低，這些基本設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)備操作過程中，使柱12和分配板13具有對還原性氣體的耐化學(xué)品性質(zhì)，在高速流化條件下具有良好的耐磨性，具有良好的耐熱沖擊性而足以耐受快速升溫和降溫，因而能進(jìn)行長時間的穩(wěn)定操作，改進(jìn)了鐵的品質(zhì)，使得工業(yè)應(yīng)用性非常高。
對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可對本發(fā)明進(jìn)行各種潤飾和改變而不偏離本發(fā)明的精神或范圍。因此，本發(fā)明意欲覆蓋本發(fā)明的各種潤濕和改變，條件是這些潤濕和改變落入后附的權(quán)利要求和其等價物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種耐火材料，其用于建造還原鐵礦粉的流化床還原爐內(nèi)的某一結(jié)構(gòu)，該耐火組合物包括9-17wt％的煅燒氧化鋁，3-6wt％的特級脫水二氧化硅SiO2，5-10wt％的高鋁水泥，以及余量的燒結(jié)或熔融的氧化鋁，而構(gòu)成100wt％的耐火組合物，以滿足以下的產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)體的密度為3.2或更高，在工作條件下的抗壓強度為1500kg/cm2或更高，以及耐磨性為ASTM C704磨損率3.0cm3或更低。
2.如權(quán)利要求1所述的耐火組合物，其進(jìn)一步包括0.03-0.3wt％的含有緩凝劑的分散劑。
3.如權(quán)利要求2所述的耐火組合物，其中所述的分散劑選自一種或多種無機鹽六偏磷酸鈉，三聚磷酸鈉，四聚磷酸鈉，酸式六偏磷酸鈉，以及碳酸鈉，檸檬酸鈉，酒石酸鹽，聚丙烯酸鹽，磺酸鈉和萘-磺酸鈉，而所述的緩凝劑則為檸檬酸，葡糖酸或硼酸。
4.如權(quán)利要求1所述的耐火組合物，其進(jìn)一步包括0.03-0.15wt％的一種或多種金屬鋁粉或有機纖維。
5.如權(quán)利要求1或4所述的耐火組合物，在向組合物中加入金屬鋁粉的情況下，其進(jìn)一步包括0.01-0.05wt％的反應(yīng)阻滯劑，以調(diào)節(jié)金屬鋁粉的反應(yīng)速率。
6.如權(quán)利要求5所述的耐火組合物，其中所述的反應(yīng)阻滯劑是抑制劑。
7.如權(quán)利要求1所述的耐火組合物，其中所述的耐火組合物中8mm-1mm的粒徑占45-59wt％，1mm-75μm的粒徑占14-20wt％，以及75μm及以下的粒徑占27-33wt％。
8.如權(quán)利要求1所述的耐火組合物，其中所述的煅燒氧化鋁中3-5μm的平均粒徑占6-10wt％，0.5-2μm的平均粒徑占3-7wt％。
9.如權(quán)利要求1所述的耐火組合物，其中所述的高鋁水泥包括26-30wt％的CaO。
10.如權(quán)利要求1所述的耐火組合物，其中可由所述耐火組合物建造所述流化床還原爐內(nèi)的柱。
11.如權(quán)利要求1所述的耐火組合物，其中可由所述耐火組合物建造所述流化床還原爐內(nèi)的分配板。
全文摘要
一種耐火組合物，其用于建造FINEX法中還原鐵礦粉的流化床還原爐內(nèi)的某一結(jié)構(gòu)，該耐火組合物包括9－17wt％煅燒氧化鋁，3－6wt％特級脫水二氧化硅SiO
文檔編號C04B35/66GK1836053SQ200480023228
公開日2006年9月20日 申請日期2004年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月14日
發(fā)明者崔導(dǎo)文 申請人:朝鮮耐火株式會社