随着我国钢铁工业的迅速发展，高炉逐渐大型化，如宝钢湛江、首钢京唐、沙钢等企业一批特大高炉的相继投产。在高炉大型化的同时，高炉操作技术也有了很大进步，如高冶炼强度、高压高风温富氧操作等；同时高炉的出渣铁次数逐渐减少，但是每次出渣量和出铁量增大，渣铁对炮泥的冲刷性增强。因此，特大型高炉的正常生产对炮泥的性能提出了更高的要求。由于有水炮泥抗渣铁侵蚀能力差、体积密度小和升温速度慢炮泥未烧结铁口发红等问题已经无法满足特大型高炉对炮泥性能的要求[1]，逐渐开发出了高质量的无水炮泥，同时，也有学者对其进行了深入的研究。本文总结了前人对炮泥成分对其性能影响的研究现状，可以深入理解炮泥成分对其性能的影响机理，以确定炮泥适当的成分，为研究出高质量环保型炮泥提供借鉴，同时有利于炉前操作时调整炮泥成分。

1高炉对炮泥性能的要求

物质组成对其性能具有重要影响。无水炮泥主要由三部分组成，分别为耐火骨料和微粉、添加剂和结合剂。目前，主要添加原料包括碳化硅、氮化硅等，耐火骨料主要为刚玉、矾土和高铝粉煤灰等，传统炮泥结合剂主要以焦油和沥青为主[2]。由于焦油在高温状态下分解出烟雾，污染环境，同时对职工健康造成影响，现在已开发出树脂结合剂等环保结合剂[3]。

高炉顺行及铁口维护与炮泥性能密切相关。炮泥性能主要包括抗压强度、抗折强度、抗渣和铁水的侵蚀性、耐火度和体积稳定性等性能[4]。炮泥的抗渣铁侵蚀性能要好，炮泥在出铁过程中受到高炉渣和铁水的冲刷，抗渣铁侵蚀性较差的炮泥将会导致出铁口扩大，有可能出铁过程失控，危及炉前安全；炮泥要具有良好的作业性，在炉前有利于工人将炮泥挤压进入到出铁口中；炮泥的体积在不同温度下变化要小，即保证炮泥进入出铁口在高温下空隙要小，防止渣铁渗出；炮泥的耐火度要高，即在高温条件下不发生熔化；常温下炮泥的可塑性要好，好的可塑性有利于炮泥填充到出铁口，有利于孔内的旧炮泥和新炮泥相互接触并粘结在一起；炮泥的开口性能要好，出铁时有利于开口机的钻眼[5]。

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2 炮泥成分对其性能影响

物质的组成决定了其微观结构，微观结构对其性能具有重要的影响，改变炮泥的成分，炮泥的性能发生改变。

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由于氮化硅具有较高的耐火度和较好的耐蚀性，所以氮化硅可作为耐火材料的原料[18]，同时也可将氮化硅加入到炮泥中。徐国涛等人采用电子探针和能谱等手段研究了氮化硅对炮泥性能的影响，研究发现：在炮泥中加入氮化硅可提高炮泥的抗压强度和增加炮泥中的气孔，有利于改善炮泥的开口性能和透气性能，在还原气氛下生成了铝硅酸盐和碳单质，同时烧结过程中产生氮气，增加了炮泥的气孔和防止碳素被氧化[19]。

2.1 铝质耐火骨料与细粉对炮泥性能的影响

我国高铝矾土储量丰富，主要分布在山西、河南和贵州等地，近几年，我国的矾土料也广泛应用到高铝耐火材料中[10]，同时也加入到炮泥中。李克芬研究了不同矾土量对炮泥性能的影响，研究发现：随着炮泥中矾土含量的增加，炮泥的抗压强度和抗折强度先降低后增加，烧后体积收缩减小，显微气孔增多[11]。邱海龙等人研究了不同矾土料对炮泥性能的影响，研究发现：在同等焦油加入量的前提下，矾土均质料的可塑性比矾土熟料好，即矾土均质料致密度较高；同时加入矾土均质料的炮泥具有较高的高温抗折强度和常温耐压强度，性能稳定，即矾土均质料中含有大量的莫来石相，细磨均匀化在高温条件下有利于莫来石相的生成与长大，莫来石柱状晶体穿插在炮泥结构中(微观形貌图如图1所示)，使炮泥的强度提高[12]。

焦油成分比较复杂，主要由芳香羟和脂肪羟等有机物组成[28-30]。目前高炉炮泥的结合剂中还需要加入较大比例的焦油。谢威通过改变炮泥中焦油含量研究焦油量对炮泥性能的影响，研究发现：当焦油量由18%提高到20%，炮泥的塑性不断提高，炮泥的体积密度先增大后减小，即在烧结过程发生碳化，体积収缩，同时炮泥中的SiO2和Al2O3发生反应生成莫来石，造成体积膨胀，同时炮泥的抗折强度逐渐降低[31]。邱海龙等人采用3种不同的焦油加入到炮泥中研究不同焦油对炮泥性能的影响，发现：焦油中β-树脂含量越高，炮泥的结构更加致密、可塑性越好，体积密度越大，同时结焦值较高的焦油加入到炮泥中可提高炮泥的强度，即焦油挥发后残碳量高，有利于形成碳结合网络，所以炮泥的耐压强度高[32]。

耐火材料中加入的刚玉主要有电熔或烧结白刚玉、棕刚玉和矾土基刚玉[7]，高端炮泥主要采用白刚玉，而一般炮泥中采用棕刚玉，刚玉在炮泥中起到了骨架的作用[8]，张君博等人研究了棕刚玉粒度对炮泥性能的影响，发现：随着刚玉粒度的增大，经过焙烧后炮泥的抗折强度和抗压强度明显的降低，在高温状态下强度的获得主要依靠烧结，由于粒度增大，降低了刚玉的比表面积，导致其烧结活性降低，所以抗折强度和抗压强度降低[9]。

  

图1 3种不同含铝原料炮泥试样微观形貌图

由于氧化铝的熔点较高，达到了2 050 ℃，同时氧化铝性能较好，原料丰富，价格低廉，因而广泛应用到耐火材料中[6]，同时也应用到无水炮泥中。氧化铝主要以刚玉、高铝粉煤灰和矾土矿的形式加入到炮泥中。

结合剂的好坏对炮泥的可塑性具有重要的影响。目前，结合剂主要有焦油、沥青和酚醛树脂。前两者成本较低，操作简单，但是也有一定的缺点，如硬化速度慢，挥发分含量高，对环境污染严重，特别是对炉前工人身体危害大[26,27]。

2.2 焦粉对炮泥性能的影响

目前，氮化硅价格比较高，而氮化硅铁价格较低，很多企业以氮化硅铁的形式将氮化硅加入到炮泥中[18,19]，同时，学者也做了大量的研究工作。陈俊红[20]等人以沥青、棕刚玉、碳化硅等为原料，研究了氮化硅铁对炮泥性能的影响，研究发现：当温度较低时，炮泥中氮化硅铁含量低于24%时，炮泥在800 ℃对其抗折强度影响较小，在1 200 ℃时，炮泥中12%的氮化硅铁对其抗折强度影响较为明显，氮化硅铁加入量≥ 12%时，对1 000 ℃以上的高温抗折强度的提高效果即已显现，尤其对1 400 ℃的高温抗折强度的提高非常显著。氮化硅铁加入量≥ 12%时,有助于提高炮泥的高温抗折强度,提高耐冲刷性,延长出铁时间，氮化硅铁加入量对炮泥抗熔渣侵蚀性的影响不明显。周永平采用扫面电镜、XRD等手段研究了氮化硅铁对铝碳质炮泥性能的影响，研究发现：炮泥的抗渣侵蚀能力和强度随着氮化硅铁含量的增加先增大后降低，即加入氮化硅铁使炮泥中生成了强度较高的AlN和SiC，使骨料结构的强度提高，同时炮泥的气孔增多，所以强度先增大后减小；氮化硅是强共价键化合物，使炮泥与渣相润湿角大，同时与其他物质在高温状态下发生反应产生气体，阻碍了渣相的接触，但是气孔随着氮化硅铁含量的增加而增多，过多的铁元素在高温时产生液相，所以抗渣侵蚀能力降低[21]。陈博采用热力学计算和试验研究了不同氮化硅铁对炮泥性能的影响，研究发现：炮泥的体积密度随着氮化硅铁含量的增加而降低，同时随着温度由1 200 ℃升高到1 400 ℃时，炮泥的体积密度逐渐降低，主要由于炮泥中残余的树脂和沥青发生反应所导致；炮泥的显气孔率随着氮化硅铁含量的增加呈现出先升高后降低；随着氮化硅铁含量增加的增加，炮泥抗压强度先降低后增加；炮泥的抗渣强度几乎不受氮化硅铁含量的影响，氮化硅铁可与炮泥中的碳反应生成N2和SiC，而SiC可强化炮泥基质[22]。

2.3 Si4N3对炮泥性能的影响

近日，上海振华重工正式发布全新一代无人驾驶跨运车和智能集卡。据了解，该无人驾驶跨运车主要分为一过三和一过一两种型号。一过三跨运车自重69吨，额定载荷50吨、16米高、5米宽、10米长，配置双箱可分离吊具。大车速度每小时24公里，起升速度每分钟24米，内侧转弯半径仅为3.3米。一过一跨运车除了高度为10.5米，自重58吨，其他参数与一过三相同。振华重工最新推出的智能集卡解决方案，为港口自动化、智能化升级改造提供一种全新的、低成本、影响最小的水平运输自动化解决方案。该无人驾驶集卡系统解决方案采用了振华重工自主研发的车队管理系统，集成了车辆群控等核心算法模块。

在炮泥中加入焦粉不仅可以改善炮泥的透气性，有利于挥发物的排出，而且在高温环境下产生还原性气氛，防止其他物质的氧化，同时还可与其他含碳物结合形成碳结合相，有利于提高炮泥的强度[15]，前人也对其进行了深入研究。魏军从研究了焦粉对无水炮泥性能的影响，研究发现：炮泥的显微气孔随着焦粉含量增加而增加，炮泥的透气性变好，抗折强度和抗压强度随着焦粉增多而逐渐降低[16]。李克芬将焦炭含量由10%增加到50%，炮泥的体积密度、抗折强度和耐压强度呈现出降低的趋势，而显微气孔逐渐升高，即其透气性增加，但是加入过多导致炮泥的强度和抗渣铁侵蚀能力降低[11]。同时王鹏研究了3种不同粒度分布的焦炭对炮泥性能的影响，研究发现：焦粒的平均粒径越大，炮泥的马夏值越大，粒径娇小焦炭炮泥的可塑性较好，但炮泥可出现潮泥，即焦炭为多孔结构，在混料中吸附了较多的结合剂，导致炮泥的可塑性降低，同时平均粒径较大的焦炭可降低与铁水接触炮泥的过烧结程度，使炮泥的收缩较小，降低了铁水渗出的概率[17]。

其中，η为能量转换效率，Gt为发送天线增益，Gr为接收天线增益，Lp表示极化损耗，λ为波长，ε是避免上述公式中d过小时捕获功率无穷大的调整参数，d0是充电半径(节点与小车距离大于d0时能量捕获功率近似为0).

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2.4 SiC对炮泥性能的影响

碳化硅具有抗震性好，导热系数高、强度高和耐磨损等良好的高温性能，已在冶金、化工等工业作为耐火材料应用广泛[23]，在冶金中将碳化硅加入到炮泥中可改善炮泥的性能，前人也对其进行了研究。甘菲芳利用热解碳源和硅酸盐矿物合成SiC-C复合添加剂并将其加入到炮泥中研究SiC-C复合添加剂对炮泥性能的影响，发现：随着SiC-C复合添加剂含量由10%增加到35%，炮泥的强度逐渐的升高；炮泥的抗渣铁侵蚀能力随着SiC-C复合添加剂含量的增加而增强，即SiC-C复合添加剂进入到炮泥中主要以针状的碳化硅形式存在，碳主要以多孔而坚硬的碳粒和石墨粉的形式存在，SiC以原位生成，其活性好，有利于烧结反应的进行，而石墨抗渣、铁和抗氧化能力强，因此有利于提高炮泥的抗渣铁侵蚀能力和抗压强度[24]。杨利鹏等人以碳化硅复合超微粉的形式加碳化硅到炮泥中研究碳化硅对其性能的影响，研究发现：经埋碳热处理的试样的气孔率随着碳化硅复合微粉含量的增加而降低，当碳化硅复合微粉含量低于7%，体积密度、抗折强度和抗压强度随着碳化硅复合微粉含量的增加而增加，当碳化硅复合微粉含量超过7%，高温抗折强度略有降低，当即碳化硅复合微粉粒度较小，有利于填充到炮泥的空隙中，同时碳化硅复合超微粉中的硅粉可促进炮泥的烧结，使显微气孔减少，同时在高温条件下单质硅与碳反应生成原位碳化硅形成网络结构，强化了炮泥的组织结构，使炮泥的强度得到了提高[25]。

2.5 结合剂对炮泥性能的影响

火力发电厂的粉煤灰中含有较高的Al2O3，目前主要以堆放为主，将高Al2O3的粉煤灰加入到炮泥中可提高二次资源利用率，同时可减少土地的占用[13]，也有学者对其进行了研究。张健等人将高铝粉煤灰加入到炮泥中研究高铝粉煤灰对炮泥性能的影响，发现：随着炮泥中高铝粉煤灰含量的增加，炮泥的体积密度逐渐升高，抗折强度逐渐降低，对炮泥抗渣侵蚀能力几乎无影响，高铝粉煤灰加入到炮泥中降低了沥青对炮泥骨料和粉料的润湿性，使炮泥的综合性能降低，煅烧后炮泥的强度降低[14]。

定义1 复杂情境 协同过滤推荐系统中用户情感、社交圈、用户位置、基础设施和物理条件等信息的集合，用向量表示为

沥青作为石产品中最复杂的产品，富集了原油中主要的缩合芳羟化合物和杂原子[33]，在炮泥中加入沥青可改善炮泥的性能。梁向荣等人研究了沥青加入量对炮泥性能的影响，研究发现：炮泥的抗渣铁侵蚀能力随着沥青含量的增加呈现出增高的趋势，沥青加入到炮泥中，沥青在物料颗粒间被碳化，形成结合碳，而碳结合的强度比较高，所以炮泥的抗渣铁侵蚀能力得到提高[34]。同时，范咏莲[35]等人研究了沥青软化点对炮泥性能的影响，发现：沥青的软化点对炮泥的可塑性没有相关的影响，当炮泥热处理温度为200 ℃时，沥青的软化点对炮泥的强度影响较小，经过热处理为1 000 ℃或1 450 ℃时，炮泥的抗压强度随着沥青软化点的升高而呈现出增大的趋势，随着沥青软化值的升高，沥青的结焦值也增加，有利于沥青在高温结焦碳化，形成焦化网络结构，所以炮泥的强度比较高。

酚醛树脂在高温状态下强度高、硬度大的优良性能，已作为良好的结合剂应用到耐火材料领域，同时也将酚醛树脂加入到炮泥中[36]。作为一种新型环保的结合剂，也有学者研究了树脂对炮泥性能的影响。刘兴平[37]将树脂结合剂替代蒽油和焦油混合结合剂来研究树脂对炮泥性能的影响，研究发现：随着树脂含量的增加，炮泥的耐压强度和抗折强度都有一定的提高，但是炮泥的可塑性略有降低。

不仅有学者研究了树脂含量对炮泥性能的影响，同时还有学者研究了树脂粘度对炮泥性能的影响。张亚彬[27]等人采用4种不同粘度的树脂加入到炮泥中研究树脂粘度对炮泥性能得意影响，研究发现：在塑性保持一定情况下，粘度越大，需要加入的树脂含量越高，即树脂主要起到了分散和结合的作用，在混战过程结合剂包裹着骨料颗粒表面中形成薄膜，减小颗粒间的摩擦力，树脂的润湿性和流动性随着树脂粘度的增大而变差；经过热处理后，炮泥的气孔率随着树脂粘度的增大而增大，体积密度随着树脂粘度的增大而减小，同时炮泥的抗折强度和抗压强度随着树脂粘度的增大都呈现出降低的趋势，树脂中的挥发物含量随着粘度的增大而增多，高温挥发后气孔增多，所以强度降低。

3 结论

(1)炮泥的成分对其在铁口的冶金性能具有重要作用。刚玉在炮泥中可提高炮泥的耐火度，同时其粒度较大，在炮泥中起到了骨架作用，降低了炮泥的可塑性，矾土和高铝粉煤灰粒度较细，加入后可提高炮泥的密度和强度，即在高温条件下生成莫来石。

(2)炮泥中加入氮化硅，可提高炮泥的强度，即在还原性气氛下生成AlN和SiC，同时产生N2，炮泥的气孔增多透气性提高，使强度降低；碳化硅加入炮泥可提高炮泥的抗渣铁侵蚀能力，焦炭加入到炮泥中与其他含碳物料在高温状态下形成碳结合相，可提高炮泥的强度，同时可改善炮泥的透气性；结合剂的加入可改善炮泥的可塑性，同时结合剂中碳与焦炭等物质中碳形成结合碳，在一定程度上增强炮泥的抗渣铁侵蚀能力。

(3)虽然无水炮泥的研究有了一定的进步，但是部分炮泥质量差，同时严重污染环境，因此有必要开发出高质量低耗环保型炮泥。

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