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鋼包是煉鋼廠重要的熱工設(shè)備，主要由包殼、耐火材料內(nèi)襯和SN機(jī)構(gòu)組成。冶金技術(shù)不斷發(fā)展，冶煉溫度提高和連鑄比增加，鋼水在鋼包中停留時(shí)間延長(zhǎng)。鋼包內(nèi)襯使用狀況直接影響煉鋼的案例生產(chǎn)和物流順暢，因此找耐火材料網(wǎng)認(rèn)為在確保安全使用的前提下追求鋼包壽命的不斷提高，降低耐火材料噸鋼消耗和成本，提高熱周轉(zhuǎn)率是耐火材料行業(yè)需要重點(diǎn)考慮的事情。

鋼包內(nèi)襯耐材組合設(shè)計(jì)

鋼包內(nèi)襯又可以分為工作層和永久層，視包底和包壁蝕損機(jī)理的差異而采用不同的材質(zhì)體系和施工方式。

選用永久層材料時(shí)，要考慮保溫和抗鋼水滲透兩方面的因素，高鋁澆注料做永久層，其高溫強(qiáng)度大，熱穩(wěn)定性好，抗鋼水滲透能力較強(qiáng)，保溫性適中。為增強(qiáng)其保溫性能，在高鋁澆注料和鋼殼之間砌筑一層18mm莫來(lái)石輕質(zhì)磚，鋼包周轉(zhuǎn)過(guò)程中外殼溫度在220~400℃之間。這樣既降低了漏鋼的概率，同時(shí)鋼水在整個(gè)精煉、澆注過(guò)程中熱損失小，有利于低溫出鋼、降低能耗。

包底工作層各部位的耐火材料有不同的損毀機(jī)理。包底承受鋼水沖擊和較大靜壓力，需要高荷軟、低蠕變和熱穩(wěn)定性好的耐火材料，選用剛玉澆注料。為提高抗沖刷性能，在沖擊區(qū)放置大的預(yù)制塊;為方便拆修和預(yù)留一定膨脹縫，在透氣座磚和水口座磚周圍砌筑鎂碳磚。

包壁工作層在精煉時(shí)受鋼水吸碳作用和翻滾沖刷以及爐渣侵蝕，該部位耐火材料應(yīng)有良好的耐沖刷、抗侵蝕、抗氧化的性能，并且要求熱膨脹率低，以保持包壁無(wú)裂縫，選用剛玉澆注料(整體澆注鋼包)或預(yù)制塊(磚砌鋼包)。渣線部位砌筑鎂碳磚渣線部位受爐渣侵蝕和電弧的灼燒脫碳，要求耐火材料有較強(qiáng)的抗氧化、抗侵蝕能力。

鋼包內(nèi)襯的損毀機(jī)理

1、永久層損毀

以寶鋼鋼包為例，寶鋼鋼包永久層使用壽命一般在600~800爐次，即四個(gè)大修周期。

大修時(shí)發(fā)現(xiàn)包壁永久層有許多縱橫交錯(cuò)的裂縫，并隨著大修次數(shù)的增加裂縫加寬加深，有時(shí)涌入工作層的冷鋼也會(huì)滲入到永久層裂縫內(nèi)，影響鋼包使用安全。裂紋的產(chǎn)生常見(jiàn)原因包括：低強(qiáng)度的纖維板受擠壓后體積收縮給永久層膨脹創(chuàng)造了條件;永久層澆注料使用過(guò)程中本身具有一定收縮性，包壁永久層澆注厚度偏薄且厚度不均;鋼包包殼發(fā)生高溫形變，中修更換渣線鎂碳磚拆磚時(shí)的機(jī)械振動(dòng)也會(huì)加速永久層裂紋的發(fā)展。

2、工作層損毀

精煉處理時(shí)需要在鋼包中進(jìn)行脫硫、脫氧、脫碳、脫氣、合金成分微調(diào)、去除非金屬雜質(zhì)、夾雜物變性處理、鋼水溫度控制等操作。不同的精煉方式鋼包工作層的損毀程序也不盡相同。主要損毀形式如下：

渣線：侵蝕(主要原因)、剝落、沖刷、水化(次要原因)

包壁：侵蝕(主要原因)、沖刷、水化(次要原因 )

包底：沖刷(主要原因)、侵蝕、水化(次要原因)

水口系統(tǒng)：沖刷(主要原因)、剝落、侵蝕(次要原因)

吹氬系統(tǒng)：剝落(主要原因)、沖刷(次要原因)

1)侵蝕

對(duì)于鋼包工作層內(nèi)襯的侵蝕主要有兩種:化學(xué)侵蝕和氧化侵蝕。

化學(xué)侵蝕：氧化鐵或渣中的酸性物質(zhì)(如二氧化硅)與耐火材料內(nèi)襯發(fā)生反應(yīng)，氧化鐵、二氧化硅、氧化鈣、氧化鎂之間均有化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)使鋼包內(nèi)襯變?yōu)槿墼鼘?dǎo)致耐火材料的損毀。

FeO+MgO=FeOMgO

SiO2+2MgO=2MgOSiO2

CaO+SiO2+MgO=CaOMgOSiO2

氧化反應(yīng)：氧化侵蝕是鋼包耐火內(nèi)襯的一種特殊形式，一般指耐火磚中的碳與氧化鐵或空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)而造成的侵蝕。渣中的氧化鐵與磚熱面層的石墨或者樹(shù)脂發(fā)生反應(yīng)，氧氣又對(duì)磚襯表面的石墨或碳結(jié)合劑進(jìn)行侵蝕，這兩種情況下，就造成耐火磚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度降低，并最終導(dǎo)致耐火磚襯被熔渣或鋼水沖蝕。這種侵蝕現(xiàn)象在鋼包內(nèi)耐火材料的所有部位都有發(fā)生，以渣線部位最為嚴(yán)重。

FeO+C=Fe+CO

O2+2C=2CO

2)沖刷

沖刷是由于鋼水或熔渣流過(guò)耐火材料表面所產(chǎn)生的物理磨損或者沖刷內(nèi)襯。對(duì)于采用偏心底出鋼使用的鋼包，鋼水對(duì)包底鋼水沖擊區(qū)、水口滑板和高于包底的透氣磚等部位影響較大。LF和CAS處理的鋼包，由于鋼包底吹氬工藝的強(qiáng)攪拌作用，加劇鋼水對(duì)鋼包包壁局部部位的沖刷作用。

3)剝落

剝落是由于耐火材料襯受急冷急熱導(dǎo)致耐火材料襯產(chǎn)生應(yīng)力而造成的。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)耐火材料的強(qiáng)度時(shí)，就導(dǎo)致耐材內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。隨著這些裂紋的擴(kuò)展、相交并貫通，耐材的碎片將會(huì)部分或完全剝落，水口座磚和透氣座磚上經(jīng)常會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。

4)水化

鋼包工作襯在砌筑中采用火泥濕砌工藝，永久襯采用澆注料打結(jié)，在烘烤前和烘烤中水分或水蒸氣與鎂碳磚中的MgO發(fā)生反應(yīng)而水化。水化的耐火材料耐鋼渣和鋼水滲透性很差，物理和化學(xué)性能減弱，并且會(huì)加快鋼包內(nèi)襯的侵蝕速度。

MgO+H2O=Mg(OH)2

通過(guò)以上對(duì)鋼包內(nèi)襯損毀機(jī)理的分析，我們不難發(fā)現(xiàn)鋼包工作層各部位的耐火材料損毀的機(jī)理不同，因此需要對(duì)鋼包內(nèi)襯進(jìn)行全過(guò)程的管理，從材料的選擇、砌筑施工、烘烤、運(yùn)行以及發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后的檢測(cè)、維修等。當(dāng)鋼包使用到一定次數(shù)需要維修時(shí)，仔細(xì)檢測(cè)內(nèi)襯各部位的殘余厚度、分析損毀情況，結(jié)合包役使用中的數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真分析，即可掌握鋼包內(nèi)襯各部位耐火材料的損毀規(guī)律。

2.1 鐵水包包底抗侵蝕性差

耐材侵蝕分為物理侵蝕和化學(xué)侵蝕，物理侵蝕是指耐材受到?jīng)_擊和其他機(jī)械作用的侵蝕； 而化學(xué)侵蝕是指耐材在高溫載荷的作用下，其溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的變化對(duì)耐材的侵蝕。鋼水包包底主要是物理侵蝕。鋼水包在使用過(guò)程中，包底工作層抗侵蝕性、抗沖擊性較差，在高溫鋼水沖擊與侵蝕下，出現(xiàn)較大面積的耐材脫落現(xiàn)象，脫層厚度為100 mm～150 mm.脫層部位多集中于鋼水沖擊位置(如圖2所示) ，給鋼水包安全使用帶來(lái)極大隱患。

2.2 鋼水包透氣磚與包齡不同步

狹縫式透氣磚因供氣可調(diào)范圍大，抗侵蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用為煉鋼工序的底吹元件。但是，底吹透氣磚性能的優(yōu)劣直接影響鋼包底吹效果及使用情況，鋼包在線全程底吹過(guò)程中，時(shí)常有底吹不開(kāi)、透氣量小、透氣性差的現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致鋼包被迫下線，影響鋼包包齡，造成透氣磚與鋼包壽命不同步。

2.3 鋼包下線停用不及時(shí)

由于沒(méi)有專門用于測(cè)量包底的設(shè)備，包況(包底、包壁、透氣磚、水口座磚) 的侵蝕全部由熱修滑板工憑經(jīng)驗(yàn)和空包重量(帶包蓋) 進(jìn)行判斷。由于熱修工之間的水平存在差異，每個(gè)鋼包的狀況也不盡相同，且鋼包在熱態(tài)下，熱修工處于鋼包的炙烤之中，也不易觀察，時(shí)常導(dǎo)致判斷失誤，從而出現(xiàn)鋼包停用時(shí)間過(guò)早或過(guò)晚的現(xiàn)象。鋼包停用過(guò)早，影響鋼包壽命； 鋼包停用過(guò)晚，會(huì)存在鋼包事故隱患。

3 改進(jìn)措施

3.1 鋼水包包底修砌工藝的改進(jìn)

改進(jìn)前，澆注料包包底沖擊區(qū)采用澆注料(高鋁料) 振搗或澆注后比包底高出 100 mm，呈坡?tīng)钚螒B(tài)。在使用過(guò)程中，由于長(zhǎng)期受到鋼水的沖刷、侵蝕，非常容易在沖擊區(qū)部位出現(xiàn)凹坑，造成包底薄，埋下事故隱患。

改進(jìn)后，采用包底沖擊區(qū)部位預(yù)埋機(jī)壓預(yù)制沖擊塊的修砌形式，代替原有坡?tīng)罡咪X料，預(yù)制塊成分為鎂碳質(zhì)，沖壓強(qiáng)度為1700 N。施工方案： 在包底澆注完300 mm 的澆注料后，將預(yù)制沖擊塊固定好后，鑲嵌在包底沖擊區(qū)，然后再澆注300 mm 厚的澆注料，周邊用振動(dòng)棒振實(shí)。施工完畢后，沖擊區(qū)預(yù)制塊高出包底 150 mm。

3.2 對(duì)透氣磚的改進(jìn)

針對(duì)透氣磚透氣性差、使用壽命與鋼包包底不同步的情況，主要采取以下措施： ( 1) 增加透氣磚狹縫數(shù)量，由原來(lái)的 20 條增加到 36 條； ( 2) 將透氣磚狹縫的寬度由 0.13 mm 增大到 0.20 mm; ( 3) 將原有透氣磚磚芯的材質(zhì)由剛玉質(zhì)改為鉻剛玉質(zhì)。

通過(guò)改進(jìn)透氣磚狹縫和材質(zhì)工藝，提高透氣磚透氣性和使用壽命，經(jīng)過(guò)與透氣磚廠家共同研究，制定出透氣磚磚芯理化指標(biāo)作為定期檢驗(yàn)的依據(jù)，具體理化指標(biāo)見(jiàn)表 4。

3.3 澆注料包停用不及時(shí)的改善

增加測(cè)量尺對(duì)包底、透氣磚厚度的測(cè)量，減少憑經(jīng)驗(yàn)判斷的誤差。針對(duì)澆注料包停用不及時(shí)的現(xiàn)象，設(shè)立一個(gè)合理測(cè)量包底的設(shè)備( 擋火板和測(cè)量標(biāo)尺) ，以減少甚至杜絕鋼包停用過(guò)早或過(guò)晚的現(xiàn)象，消除對(duì)生產(chǎn)的影響，使鋼包的停用做到安全、合理，達(dá)到鋼包停用的最佳狀態(tài)。測(cè)量尺增加前、后鋼包的包況檢查方式如圖 4 所示。

技術(shù)方案： 對(duì)包齡≥70 爐的或者有特殊情況的澆注料包，必須組織當(dāng)班人員對(duì)包底和兩個(gè)透氣磚的最低點(diǎn)進(jìn)行最少一次的測(cè)量。測(cè)量前，必須用大氧管將包底和兩個(gè)透氣磚處粘附的廢鋼渣吹掃干凈(禁止點(diǎn)火) ，吹掃透氣磚的同時(shí)接好氮?dú)夥创怠?/div>

爐外精煉是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的冶金工藝。所謂爐外精煉就是把一般熔煉爐中要完成的脫氣、排除雜質(zhì)、調(diào)整成分和溫度等項(xiàng)精煉任務(wù)，幾乎全部地或部分地移至爐外進(jìn)行。鋼水爐外精煉又稱二次煉鋼，因鋼水多數(shù)在鋼包內(nèi)進(jìn)行精煉，所以也叫鋼包冶金。

在爐外精煉過(guò)程中，鋼包、透氣磚和噴槍這三個(gè)部位用耐火材料的工況環(huán)境非常惡劣，對(duì)耐火材料的沖刷或者侵蝕嚴(yán)重。因此，在耐火材料的選材上尤為重要。

1、鋼包內(nèi)襯耐火材料

傳統(tǒng)上，鋼包是煉鋼爐與鑄錠之間的儲(chǔ)運(yùn)容器，可是爐外精煉就是在鋼包中進(jìn)一步精煉。因此鋼包內(nèi)襯的使用條件大大惡化，鋼液溫度升高，在鋼包中停留時(shí)間延長(zhǎng)，鋼液和熔渣對(duì)耐火材料的沖刷、侵蝕等更加嚴(yán)重，以往的耐火材料不能滿足爐外精煉的需要，為此，我國(guó)開(kāi)發(fā)了多種鋼包內(nèi)襯耐火材料，滿足鋼廠需要。主要有以下幾種：

(1)鋁鎂碳磚

1990年寶鋼300t鋼包試用鋁鎂碳磚后，迅速推廣到許多鋼廠，成為我國(guó)大中型鋼包內(nèi)襯的主要耐火材料。當(dāng)時(shí)寶鋼300t鋼包壁使用鋁鎂碳磚，渣線使用鎂碳磚，出鋼溫度1660～1670℃，在鋼包內(nèi)對(duì)鋼液進(jìn)行RH真空脫氣，KIP和CAS法爐外精煉處理，鋁鎂碳磚表面僅粘有薄的熔渣層，抗侵蝕性好，無(wú)爐渣滲透，無(wú)熱震損毀現(xiàn)象，侵蝕均勻，平均使用壽命80次，最高126次。鋁鎂碳磚系由高鋁熟料+鎂砂+石墨+抗氧化劑+酚醛樹(shù)脂結(jié)合劑的混合料成型的不燒耐火制品，工藝比較簡(jiǎn)單，成本不高，容易被用戶接受。

(2)鋁鎂尖晶石澆注料

20世紀(jì)90年代中期，為了適應(yīng)爐外精煉，一些大、中型鋼包內(nèi)襯采用高檔鋁鎂尖晶石澆注料，其原料是電熔剛玉、燒結(jié)剛玉、高純電熔鎂砂、高純鋁鎂尖晶石等，用純鋁酸鈣水泥、高純SiO2、Al2O3微粉結(jié)合的澆注料。寶鋼300t鋼包使用到2000年，平均壽命為258次；首鋼90tLF精煉鋼包壽命達(dá)138次，侵蝕率0.62mm/次；本鋼使用的預(yù)制件壽命為118次，最高達(dá)126次。

(3)鎂鈣質(zhì)耐火材料

太鋼以普通白云石為原料，中溫瀝青結(jié)合的白云石搗打料，在70t鋼包上使用，平均壽命76次，最高112次；洛耐院曾以合成鎂鈣砂和電熔鎂砂為原料，以固體無(wú)機(jī)鹽和無(wú)機(jī)鹽溶液為結(jié)合劑，開(kāi)發(fā)的不燒鎂鈣磚，在40t的LF-VD精煉包上使用，壽命40次以上，鋼中的氧含量從12.2×10-6下降到11.13×10-6;21世紀(jì)初，首鋼以合成鎂鈣砂、電熔鎂砂、高純石墨為原料，以無(wú)水樹(shù)脂為結(jié)合劑，開(kāi)發(fā)出不燒鎂鈣碳磚，在225t鋼包非渣線部位(渣線部位為鎂碳磚)使用，平均壽命116.8次，與原鋁鎂碳磚相比，在包壁減薄20mm的情況下，平均壽命提高35.57次，且鋼中的氧含量和非金屬夾雜物都降低。還有些鋼廠在SKF和LF-VD等多種鋼包渣線部位用鎂鈣碳磚，也取得良好的使用效果。

(4)降低精煉鋼包耐火材料消耗

我國(guó)精煉鋼包達(dá)70%以上，鋼包用耐火材料消耗占鋼鐵冶金耐火材料總消耗的30%以上，隨著精煉比例增加，鋼包用耐火材料單耗在增加。我國(guó)耐火材料消耗量一般認(rèn)為在20kg/t鋼，而國(guó)外先進(jìn)國(guó)家在6～8kg/t鋼，降低鋼包耐火材料消耗，起著降低成本、節(jié)能減排的重要作用。

田守信等人在精煉比例100%的60tLF鋼包上做降低耐火材料消耗的研究：渣線采用再生料66%的鎂碳磚，熔池采用再生料88%的鋁鎂碳磚。

降低單耗的措施是：根據(jù)鋼包操作條件設(shè)計(jì)鎂碳磚；提高渣中鈣含量，降低侵蝕速率，包的前期渣有較高FeO含量，使磚中碳易被氧化，要提高鎂碳磚的抗氧化性，采用提高螢石渣粘度添加劑。為了降低成本，選用用后鎂碳磚；改善操作條件，采用出鋼留渣操作，通過(guò)改善泡沫渣等方法，減少爐渣FeO含量，鋼包壽命提高20%;不用SiC脫氧劑，改用碳含量15%(w)的鎂鈣碳質(zhì)鋼包改質(zhì)劑，渣線鎂碳磚壽命提高15%;改善維護(hù)制度，用厚40mm的二級(jí)高鋁磚對(duì)熔池貼補(bǔ)，壽命提高45%以上。這樣一來(lái)，鋼包壽命由40～50次，提高到88次，再扣除使用再生料，噸鋼耐火材料資源性消耗由9.3kg下降到1.4kg，下降85%。

2、吹氬透氣磚

鋼包底吹氬工藝在爐外精煉中廣泛應(yīng)用，透氣磚是這一工藝的關(guān)鍵功能耐火材料。目前鋼包底透氣磚成為限制鋼包壽命提高的瓶頸因素。透氣磚的使用過(guò)程為間歇式重復(fù)使用。影響透氣磚使用壽命的諸多因素中，熱剝落和氧氣清洗是導(dǎo)致透氣磚損毀的重要原因。透氣磚的材質(zhì)主要是鉻剛玉質(zhì)和剛玉-尖晶石質(zhì)，通常采用澆注成型，高溫?zé)晒に?。由于鉻剛玉在高溫?zé)蛇^(guò)程中形成六價(jià)鉻，污染環(huán)境，逐漸被剛玉-尖晶石質(zhì)取代。為了提高透氣磚使用壽命，優(yōu)化配料組成，改變水泥加入量來(lái)調(diào)整澆注料中基質(zhì)CaO含量，使基質(zhì)中形成較多CA6，提高抗熱震性及強(qiáng)化結(jié)構(gòu)作用，調(diào)整尖晶石粒度及加入量，添加適量ZrO2或鋯剛玉，優(yōu)化燒成溫度等措施，優(yōu)化透氣磚的性能。

還有的是非氧化物(Si3N4;Sialon)結(jié)合的剛玉質(zhì)透氣磚，現(xiàn)場(chǎng)使用表明：抗熱震優(yōu)異，與鋼液不潤(rùn)濕等特點(diǎn)，在使用過(guò)程中吹通率高，吹氧清洗容易，蝕損率低，使用壽命明星提高。

3、噴槍用耐火材料

通過(guò)噴槍向鋼液中噴吹粉狀處理劑，對(duì)鋼液進(jìn)行精煉處理。如SL法的粉狀精煉劑CaSi，用氬氣通過(guò)插入鋼包深處的噴槍吹入鋼液中，經(jīng)過(guò)氣體攪拌，精煉劑與鋼液充分混合與反應(yīng)。噴射冶金噴槍耐火材料使用條件苛刻，鋼液溫度高，爐渣侵蝕和熱震損毀嚴(yán)重。洛耐院研制的整體噴槍結(jié)構(gòu)，渣線部位采用剛玉質(zhì)澆注料，渣線以上和以下采用Al2O3含量70%～80%的澆注料，在40tSL噴射冶金裝置中使用，噴槍的使用壽命15～19次，總噴吹時(shí)間95min。寶鋼的噴槍采用Al2O3含量不低于99%的電熔剛玉，添加耐熱鋼纖維增強(qiáng)的耐火澆注料，使用壽命10～20次，總吹煉時(shí)間100min/支，最高188min/支。