摘要

本文聚焦于湖北地区金属冶炼电炉原料在粘土质浇注料制备中的应用，深入研究其对高炉炉缸微孔炭砖抗铁水渗透性能的影响。通过分析原料特性、浇注料制备工艺以及性能测试结果，探讨了提升抗铁水渗透性能的机理与实际效果，旨在为高炉炉缸防护材料的优化提供理论依据与实践参考。

关键词

湖北地区；金属冶炼电炉原料；粘土质浇注料；高炉炉缸；微孔炭砖；抗铁水渗透

一、引言

高炉炉缸作为高炉炼铁的核心部位，长期承受着高温、高压、高磨损以及铁水侵蚀等恶劣工况。微孔炭砖因具有优良的导热性、抗热震性和一定的抗铁水渗透能力，被广泛应用于高炉炉缸内衬。然而，随着高炉冶炼强度的不断提高和炉役的延长，微孔炭砖的抗铁水渗透性能面临严峻挑战。铁水一旦渗透到炭砖内部，将引发炭砖的侵蚀、剥落甚至损坏，严重影响高炉的正常生产与寿命。

湖北地区拥有丰富的金属冶炼电炉原料资源，这些原料在化学组成、矿物相结构等方面具有独特性质。基于此，探索利用湖北地区金属冶炼电炉原料制备粘土质浇注料，并将其应用于提升高炉炉缸微孔炭砖抗铁水渗透性能，具有重要的地域资源利用价值与工业实践意义。

二、湖北地区金属冶炼电炉原料特性分析

湖北地区的金属冶炼电炉原料种类繁多，主要包括电炉渣、电炉粉尘、废旧电极碎屑等。这些原料经过详细的化学成分分析与矿物相检测，呈现出以下特点：

（一）化学成分

电炉渣主要由钙、硅、铝、镁等氧化物组成，其含量因冶炼金属种类与工艺差异而有所不同。例如，在冶炼某些合金钢时产生的电炉渣，CaO 含量可达 30% - 50%，SiO₂含量在 10% - 20%之间，同时还含有一定量的 Al₂O₃和 MgO。电炉粉尘中富含金属氧化物与少量的硫化物，其中铁、锌等金属氧化物含量较高。废旧电极碎屑则以碳素材料为主，含有少量的灰分成分。

（二）矿物相结构

电炉渣在冷却过程中形成了多种矿物相，如硅酸二钙（β - C₂S）、硅酸三钙（C₃S）、铝酸钙（CA）等，这些矿物相具有较高的熔点与较好的化学稳定性。电炉粉尘中的金属氧化物多以微小颗粒形式存在，具有较大的比表面积与活性。废旧电极碎屑中的碳素材料以石墨化程度不同的形态存在，其结构特征对浇注料的性能产生重要影响。

三、粘土质浇注料的制备

（一）原料配比设计

根据湖北地区金属冶炼电炉原料的特性，结合粘土质浇注料的性能要求，进行了详细的原料配比设计。以粘土为主要粘结剂，加入适量的电炉渣、电炉粉尘与废旧电极碎屑作为功能性添加剂。其中，粘土含量控制在 40% - 60%，以确保浇注料具有良好的粘结性与成型性；电炉渣添加量在 10% - 20%之间，利用其丰富的钙、硅、铝等氧化物成分，调节浇注料的矿物组成与高温性能；电炉粉尘添加量为 5% - 10%，其金属氧化物可增强浇注料的抗氧化性与高温强度；废旧电极碎屑添加量在 5% - 10%，利用其碳素材料提高浇注料的导热性与抗热震性。

（二）制备工艺

首先，将各种原料按照设计配比进行精确称量。然后，将粘土与其他原料充分混合均匀，采用强制式搅拌机进行搅拌，搅拌时间控制在 10 - 15 分钟，确保原料混合的均一性。接着，加入适量的结合剂（如铝酸盐水泥）与水，继续搅拌 5 - 10 分钟，使浇注料具有适宜的施工稠度。将搅拌好的浇注料倒入模具中，采用振动成型工艺制备试样，成型后的试样在室温下养护 24 小时，然后进行脱模，放入干燥箱中在 110℃下干燥 24 小时，最后在高温电阻炉中进行煅烧，煅烧温度控制在 1300℃ - 1500℃，保温时间为 3 - 5 小时，使其形成稳定的矿物结构与性能。

四、粘土质浇注料对高炉炉缸微孔炭砖抗铁水渗透性能的影响

（一）试验方法

为了评估粘土质浇注料对高炉炉缸微孔炭砖抗铁水渗透性能的影响，采用了静态铁水渗透试验。将制备好的微孔炭砖试样与涂抹了粘土质浇注料的微孔炭砖试样分别置于特制的铁水渗透装置中，在一定的温度（1500℃ - 1600℃）与铁水压力（0.5 - 2.0 MPa）条件下，使铁水与试样接触，持续渗透一定时间（3 - 5 小时），然后取出试样，沿垂直于铁水渗透方向切割，观察铁水渗透深度与渗透层的微观结构。

（二）试验结果与分析

1. 渗透深度对比：未涂抹粘土质浇注料的微孔炭砖试样，在铁水渗透试验后，铁水渗透深度较大，部分试样的渗透深度达到 10 - 15 mm。而涂抹了粘土质浇注料的微孔炭砖试样，铁水渗透深度显著减小，大部分试样的渗透深度控制在 3 - 5 mm 以内。这表明粘土质浇注料在微孔炭砖表面形成了一层有效的阻挡层，能够抑制铁水的渗透。

2. 渗透层微观结构分析：通过扫描电子显微镜（SEM）对铁水渗透层进行微观结构分析发现，未涂抹浇注料的微孔炭砖渗透层中，铁水沿着炭砖的气孔与微裂纹侵入，形成了大量的铁水填充通道，并且与炭砖中的碳素材料发生了明显的化学反应，导致炭砖结构的破坏。而涂抹了粘土质浇注料的微孔炭砖渗透层中，浇注料与炭砖结合紧密，形成了一层致密的反应层。该反应层主要由铁水与浇注料中的氧化物反应生成的低熔点矿物相以及未反应的浇注料颗粒组成，这些物质填充了炭砖表面的气孔与微裂纹，阻止了铁水的进一步渗透。同时，浇注料中的碳素材料与铁水之间的相互作用也得到了一定程度的控制，减少了碳素材料的氧化与溶解。

五、提升抗铁水渗透性能的机理探讨

（一）物理阻挡作用

粘土质浇注料在微孔炭砖表面形成了一层具有一定厚度与致密度的涂层。这层涂层能够覆盖炭砖表面的气孔与微裂纹，增加铁水渗透的阻力。当铁水接触到浇注料涂层时，由于涂层的致密性，铁水难以直接进入炭砖内部，从而起到了物理阻挡的作用。

（二）化学反应与矿物相形成

在高温铁水作用下，粘土质浇注料中的各种氧化物与铁水发生化学反应。例如，浇注料中的 CaO 与铁水中的 FeO 反应生成铁酸钙（CaO·Fe₂O₃），Al₂O₃与 FeO 反应生成铝酸铁（FeO·Al₂O₃）等。这些反应生成的矿物相具有较高的熔点与较好的化学稳定性，它们在浇注料与炭砖界面处形成了一层致密的反应层，进一步阻止了铁水的渗透。同时，这些矿物相的形成也改变了浇注料与炭砖的化学组成与结构，提高了材料的整体耐高温性能与抗侵蚀性能。

（三）热震稳定性与整体性维护

湖北地区金属冶炼电炉原料制备的粘土质浇注料具有良好的热震稳定性。在高炉炉缸内，温度波动频繁，浇注料能够承受这种热震作用而不开裂、不剥落。这保证了浇注料涂层的完整性，使其能够持续发挥对微孔炭砖的抗铁水渗透保护作用。此外，浇注料与微孔炭砖之间通过合理的配比与制备工艺，实现了良好的结合，形成了一个整体防护体系，共同抵御铁水的渗透与侵蚀。

六、结论

通过对湖北地区金属冶炼电炉原料的特性分析、粘土质浇注料的制备以及其对高炉炉缸微孔炭砖抗铁水渗透性能的研究，得出以下结论：

（一）原料优势

湖北地区的金属冶炼电炉原料具有丰富的化学成分与多样的矿物相结构，为粘土质浇注料的制备提供了丰富的资源与独特的性能调控手段。

（二）性能提升显著

利用湖北地区金属冶炼电炉原料