功能材料在高炉炼铁中的应用

钢铁工业亦称黑色冶金工业，总部位于卢森堡的安赛乐米塔尔公司以粗钢产量9080万吨仍位居全球，我国的宝武集团产量6573万吨位居第二。我国前十大钢企产量占总产量的比例约为47.5%，整体呈现出“大而不强、小而不精”的发展现状。虽然钢铁产业是国民经济的重要支柱产业，在经济建设、社会发展、财政税收、国防建设以及稳定就业等方面发挥着重要作用，但是，钢铁产业长期粗放式发展积累的矛盾也日益突出，如高端产品不足、产能过剩、环保污染问题等，这些都严重地制约着我国钢铁产业的发展。随着去产能化、节能减排环保政策的进一步落实，钢企朝着集团化、绿色化、智能化方向发展。

钢铁生产的一个重要环节就是铁水炼制，尽管世界各国研究开发了很多炼铁方法，但由于高炉炼铁工艺相对简单，产量大，劳动生产率高，能耗相对低，故高炉炼铁仍是现代炼铁的主要方法，其产量占世界生铁总产量的95%以上。同时，高炉炼铁也是一个高能耗、重污染的生产过程。它是应用焦炭、铁矿石和熔剂在高炉内连续生产液态生铁的方法。

从炉顶（一般炉顶是由料种与料斗组成，现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶）不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂，从高炉下部的风口吹进热风（1000～1300摄氏度），喷入油、煤或天然气等燃料。装入高炉中的铁矿石，主要是铁和氧的化合物。在高温下，焦炭中和喷吹物中的碳及碳燃烧生成的一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来，得到铁，这个过程叫做还原。铁矿石通过还原反应炼出生铁，铁水从出铁口放出。铁矿石中的脉石、焦炭及喷吹物中的灰分与加入炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣，从出铁口和出渣口分别排出。煤气从炉顶导出，经除尘后，作为工业用煤气。

本文通过介绍高炉炼铁生产过程，介绍功能材料的使用，为生产过程实现节能降耗、绿色发展提供技术参考。

1、铁矿生产

从矿山开采的大块铁矿石含铁量不一样，需要进行破碎，筛选得到高品位、符合要求的矿粉，再通过烧结作用得到一定尺寸的烧结料供高炉使用。铁矿石破碎工艺流程中一般采用了喂料机、头破、二破、筛分、细碎、干选这几道工序，通常进入干选机的矿石粒度越细，含铁矿石被干选出的比例就越高，因此一些大型矿厂会增加一道磨粉的工艺。

铁矿石生产作业中头破一般选用颚式破碎机，大型的生产单位(尤其是国外大型矿山)采用旋回式破碎机。二破的选用一般有两种类型:要么是细颚破，要么是圆锥破碎机。筛分设备一般采用圆振动筛，将二破完成的物料进行筛分作业。一般可以将10mm或者更小的物料筛分后进行干选，10~40mm的物料筛分后进入细碎机进行细碎作业，40mm以上的物料返回到二破中进行回料破碎。细碎设备的类型比较多，一般分为锤破(立式、卧式)、高效细碎机、对辊式破碎机、短头圆锥破碎机，以及立轴冲击式超级细碎机。

这些机械设备在使用过程中都会出现因疲劳磨损而引起的开裂现象。这种开裂现象一方面是由于材料中的杂质引起的应力破损，另一方面是由于表面粗糙度不一致而引起。同时，设备表面磨蚀现象也非常严重。为解决设备的磨蚀问题，可以采用高质量的钢材设备，但价格昂贵。另一种比较经济的方法就是采用增设耐磨涂层，延长设备的使用寿命。可以采用北京志盛威华生产的高耐磨防腐涂料ZS－911。

ZS－911耐磨涂料采用无机-有机嫁接改性的树脂重新螯合作为成膜物质，加入刚玉、陶瓷微粉、球状石墨粉、钼粉等为填料。涂层耐温可以达到150℃，硬度高，致密防水，耐酸碱腐蚀，耐磨性能是16Mn钢的10倍、65Mn钢的9倍、耐火浇注料的50倍，随着使用温度的提高耐磨防水涂料的耐磨性能变化很小。可刷涂在防止汽蚀摩擦、滑动摩擦、硬度摩擦和撞击摩擦等耐磨环境中的各类物体表面。

2、选矿工艺

为了提高精铁矿的品位，降低铁矿石中的硅等杂质含量，需要对铁矿进行选矿操作。现有选矿工艺主要有：正反浮选、磁浮选、浮选柱、生物浮选、磁场筛选以及各种工艺的联合使用等。

在选矿过程中可能需要加入一定的选矿助剂，使体系呈现一定的酸碱性。同时，铁矿石中的一些氯化物、硫化物等介质对选矿设备产生腐蚀现象。很多选矿设备采用衬塑的方法防止腐蚀现象，延长设备使用寿命。但是内壁衬塑经常出现开裂、脱落现象，而且也不耐磨。如果采用ZS－1031耐磨防腐涂料或ZS－911耐磨防水涂料则可解决这一问题。

ZS－1031防腐耐磨陶瓷涂料具有更好的防腐耐磨性，高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷，使用温度高达600℃。具有极好的耐腐蚀性，除氢氟酸外，能耐其它各种酸的腐蚀，并能耐碱、各种金属的腐蚀，并具有优良的电绝缘性和耐辐射性。ZS－1031防腐耐磨陶瓷涂层能为选矿设备提供具有高耐磨性、抗冲击、耐酸碱、耐高温的保护涂层。另外，ZS-1031耐高温耐磨防腐涂料也可以涂刷在管道、化工设备、仓储、窑炉、医药、航天、污水等设备上保护基体，延长基体的使用寿命。

3、高炉炼铁

高炉炼铁是现代炼铁的主要方法，是钢铁生产的重工环节，其生产过程就是将铁矿石、焦炭、熔剂（石灰石）从炉顶加入，从下部风口吹进热风，喷入煤、天然气、可燃垃圾、重油等燃料，炼出的铁水从出铁口排出，产生的铁渣从出渣口不断排出，产生的煤气从炉顶导出。在高温下，焦炭中和喷吹物中的碳及生成的CO将铁矿石中的铁还原为单质铁。主要化学反应有：

2C O2＝2CO

Fe2O3 3CO=2Fe 3CO2

Fe3O4 4CO=3Fe 4CO2

Fe2O3 3C=2Fe 3CO

Fe3O4 4C=3Fe 4CO

高炉是炼铁工艺中的一个主要装置，由高炉炉型、炉衬、冷却装置、钢结构及基础等部分组成。高炉炉型是由耐火材料堆砌而成的圆形结构，分为五个部分，即炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸。目前，我国既有宝钢容积为4350m3的大型高炉，也有容积在500m3以下的小型炉。

不同的耐火材料其耐火度、耐蚀性、导热性及强度均不相同，价格差别也很大，因此在高炉的不同部位通常采用不同的耐火材料及组合方式。如炉腰部位通常会采用刚玉砖，而炉身的上半低温段可能会采用粘土砖或高铝砖。但是，不管采用何种耐火砖，其热辐射系数均较低，仅有0.5－0.8，而且其辐射系数会随温度升高而降低。这样会影响传热系数，造成能量浪费，通常可能采用涂刷高辐射系数的涂层来解决这一问题。

北京志盛威华生产的ZS－1061耐高温红外辐射涂料由陶瓷氧化物、碳化硅、纳米碳管、烧结剂和悬浮剂和志盛威华精制的高温溶液等加工而成，耐温1800℃，硬度达到7H，辐射系数高达0.9以上，而且不随温度升高而降低。可以在高炉耐火材料的内壁上涂刷红外辐射涂料，形成0.3～0.5mm抗热震佳、不龟裂、不脱落、耐高温氧化腐蚀的致密涂层，而且ZS－1061耐高温红外辐射涂料是一款水性环保型涂料，不污染环境、存放期长、使用寿命长，施工方便、操作简单，是志盛威华生产的一种全新节能材料。采用新型远红外陶瓷节能涂料的小型高温窑炉一般可获得节能15%左右，大型窑炉节能可以达到1%-2%。

高炉中不能被还原的杂质、熔剂（如石灰石、白云石）和其他灰份形成铁渣，从高炉底部的排渣口排出。排出的高温铁渣有时呈半融化状态，有很强的粘附性，一方面会堵塞排渣口，造成排渣困难，另一方面会粘附在附近设备上很难清除。北京志盛威华针对这一工况开发了一款耐高温水性防粘附涂料,型号为ZS－522。

ZS－522耐高温不附自洁涂料采用耐高温无机硅酸盐改性溶液、磷酸铝溶液、木质磺酸钠溶液混合为成膜物质，加入纳米石墨鳞片、碳化硅、碳化硼等材料精制而成。固化后的涂层光滑自洁、气密性好、粘结力强、坚实牢固、表面张力大、导热性能好、无毒无臭、不污染环境，对冶炼金属成份含量无任何影响。可以涂刷在和钢水、铁水、铝液、铜液、铅液和其他的高温金属溶液以及钢渣、铁渣、铝渣、铜渣、铅渣高温下粘附生产设备和仪器表面上，防止粘附，便于清洗。

4、煤气净化

从高炉炉顶排出的煤气中含有55%N2、15%CO2、25%CO和少量的H2、CH4、SO2、HCL、HF等成分，热值为3300－4200KJ/Nm3。为节约能源，需要对高炉煤气进行净化处理后加以利用。处理流程基本包含除尘、除油和脱硫等几部分。

从炼铁高炉炉顶排出的荒煤气温度一般为150－250℃，经重力除尘后温度进一步降低。在低温下，煤气中的酸性腐蚀介质严重腐蚀除尘设备。部分除尘设备采用常见的有机类防腐漆进行防腐，但有机类防腐漆通常不耐高温，易出现开裂、脱落的情况。志盛威华生产的ZS－1041烟气防腐涂料在除尘器防腐中已有广泛的运用，都取得了不错的防腐效果。

ZS－1041烟气防腐涂料不仅可用于除尘器的防腐，也可用于烟气、烟道、鼓风机、煤气管道等设备防腐。对于一些湿法脱硫设备，采用ZS－1041烟气防腐涂料和ZS－1042脱硫专用涂料的复合涂料，防腐效果更佳。

为了减轻灰尘的环境污染，从重力除尘和布袋除尘器中排出的灰尘采用气力输送的方式通过密闭管道输送到灰仓，加湿后通过搅拌车拉出厂区。在气力输送过程中，由于固体颗粒的磨擦作用，造成输料管道磨蚀严重，设备更换频繁。不仅增大了维修成本，而且也影响到生产的平稳运行。针对磨蚀问题，可采用志盛威华生产的耐磨防水涂料ZS－911或耐磨防腐涂料ZS－1031，可以很好的解决这一问题。

5、热风炉

热风炉是高炉炼铁生产的一个重要设备。高炉炼铁生产过程中，需要向高炉的内部鼓入大量的助燃空气，以促进高炉内炼铁反应的进行，由于高炉内部温度很高，鼓入常温空气将会导致高炉内部温度急剧下降，不利于炼铁反应的进行，因此需要鼓入高温的空气，热空气温度通常要求达到1200℃。热风炉的作用就是把鼓风加热到要求的温度，从而燃烧焦炭以把铁矿石还原成铁水。

目前，常见的高炉热风炉有内燃式、外燃式和顶燃式等三种类型的炉，在这3种炉中，顶燃式热风炉具有结构对称、工程量小、占地少、投资和维护费zui低、壳体内面积有效利用高、大墙内断面积可100%用于蓄热。较低的拱顶温度便可实现高风温，耐火材料工作条件明显改善，可同时做到高风温和长寿命，因此顶燃式热风炉是热风炉技术发展的主要方向。

热风炉采用重油、煤气等燃料，通过在炉内燃烧加热鼓风空气，使温度升至1250℃的热空气供高炉炼铁用。产生的高温烟气通过降温、除尘、脱硝、脱硫等处理达到排放标准后通过烟囱排放。

为了缩短送风时间，顶燃式热风炉内常常需要一些蓄热结构材料。目前常见的是采用墙体蓄热，由于墙体耐火砖材质原因，其蓄热效果并不理想。可采用辐射系数达到0.92以上的ZS－1061耐高温黑体涂料进行强化蓄热。在墙体的格子蓄热砖表面涂刷0.2－0.3mm厚的ZS－1061涂层，不仅可以增加蓄热量、缩短送风时间，而且可以提高炉膛温度、节省燃料，同时有利于减少烟气中氮氧化物含量，实现节能减排的效果。

结焦是热风炉运行中比较普遍的问题。在燃烧过程中，煤粉颗粒中所含的易熔或易气化的物质迅速挥发成气态进入烟气中，当温度降低时凝结或者黏附在换热管上。

烟气中一些低熔点氧化物、硫酸盐颗粒和一些未燃尽的焦炭在高温下呈熔融或半融化状态，具有较高的黏结力，容易黏附在换热管上形成结焦点。这些结焦点由于具有较高的粘附力，不断粘结烟气中的灰尘或其它固体颗粒，使结焦由点到面不断发展，结成大焦。炉管形成结焦后，一方面会降低换热效率，另一方面可能加剧炉管的高温腐蚀。可以涂刷ZS-1061耐高温远红外辐射涂料以解决结焦的问题。

ZS-1061耐高温远红外辐射涂料是经过纳米化加工而成的，因而具有了纳米材料共有的特点——表面能小的特性。这使得其涂层比原金属管壁表面的表面能大大减少，使得熔融的焦粒很难黏附在受热面上，防止了水冷壁的沾污，从而有效的避免或减少了结焦。即使有少量结焦，也因壁面表面能小，焦块在较小时就超过了附着力的临界值而自行脱落，因而无法形成大块的结焦。

在热风炉管壁上涂刷后，因ZS-耐高温远红外辐射涂料黑度为0.93，较常规水冷壁金属管材黑度高0.23，提高辐射换热，增大近壁区域和燃烧区域温度梯度。在适量提高炉管换热量的同时，相应降低排烟温度，减少或消除烟气中熔融灰渣的形成，使灰渣在接触屏过前就凝固，可避免或减少焦渣在后续设备表面形成。

热风炉出风温度通常都在1000℃以上，有些大型高炉要求送风温度达到1250℃。目前送风管道基本由耐火砖和浇注料堆砌而成，送风管表面温度200℃，特殊工况下可能达到400℃。高温表面不仅造成热量损失多、能耗大、设备检修频繁，而且可能存在一些安全隐患问题。

北京志盛威华积极响应国家提出的节能环保政策，开发了一款耐温高达2000℃的水性隔热保温涂料。ZS－1耐高温隔热保温涂料导热系数仅为0.03W/m.K，远低于耐火砖和浇注料的导热系数，隔热效果明显，在1100℃的物体表面涂上8mm厚涂层，物体表面的温度就能降低到100℃以内。由于ZS－1隔热涂层效果明显，在各种窑炉、锅炉、水泥回转窑、热力管道等高温设备上广泛应用。ZS－1耐高温隔热保温涂料也可利于铁水包和铁水运输罐车的隔热保温，都取得了很好的应用效果。

热风炉排烟温度通常达到400℃左右，通过除尘、除焦、脱硝、脱硫后的烟气温度基本在70－150℃。脱硫后烟气中通常还有少量的SO2、NO2、HCl等腐蚀介质。在低温下，这些腐蚀介质溶于水汽中形成露点腐蚀，严重腐蚀烟囱。在早期的烟囱防腐中，人们通常会选择聚脲、泡沫玻璃砖、玻璃鳞片、OM涂料或胶泥等材料，但是这些防腐材料容易出现开裂、脱落、防腐效果差等问题。随着ZS－1041烟气防腐涂料的推出，近几年国内的烟囱防腐材料基本都会选择综合性能优越的ZS－1041进行防腐。

6、循环水系统

在高炉炼铁过程中，为了保护高炉的耐火材料，延长使用寿命，需要用大量的水冷却耐火砖，产生的热水通过凉水塔进行冷却，循环使用。凉水塔通常采用钢架混凝土水泥建成，但循环水中的氯离子、硫离子等腐蚀介质会对混凝土和钢构件产生腐蚀作用，影响循环水系统的使用寿命。

混凝土呈碱性，由于溶于水中的二氧化碳、氯离子等酸性介质从混凝土微孔中渗入，经酸碱反应后混凝土呈中性而出现粉化现象，粉化后体积膨胀，进一步有利于二氧化碳、氯离子等酸性介质的渗入，形成恶性循环。混凝土中的钢材会遭受氯离子的电化学腐蚀作用而生锈，体积膨胀的铁锈使混凝胀裂，促进电化学腐蚀过程，加速混凝土结构的破坏。

ZS－711无机防腐涂料可以解决循环水系统中的腐蚀问题。与传统环氧、氯化橡胶、高氯化及聚氨酯或烯烃类聚合物防腐涂料相比，ZS-711无机防腐涂料使用寿命可提高两倍以上，而且防腐效果更好。只要在混凝土表面喷涂、刷涂或辊涂2－3遍，就会形成致密的防腐涂层，施工方便。

 

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