我國鋼包用耐火材料的發(fā)展及技術(shù)進步

徐平坤

（廣州耐火材料廠，廣東 廣州510300）

鋼包，也稱盛鋼桶，是煉鋼到澆鋼過程中重要的熱工設備。其內(nèi)襯由耐火材料筑成，我國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。提高鋼包使用壽命，降低耐火材料消耗，不但能降低鋼鐵產(chǎn)品成本，還能提高鋼鐵的產(chǎn)量和質(zhì)量，因此追求鋼包高壽命是一貫的目標。

隨著鋼鐵冶金技術(shù)的發(fā)展，連鑄及爐外精煉比例增加，鋼包已不再是單純盛裝鋼水、運輸鋼水的容器。連鑄鋼包的鋼水溫度提高，停留時間延長。而爐外精煉不但要加熱升溫，還要對鋼水進行吹氬攪拌、真空處理、吹氧脫碳、精煉脫硫、添加合金元素等處理工序，使用條件十分苛刻，要提高鋼包的使用壽命，科技工作者做了大量工作。

1 鋼包用耐火材料的發(fā)展歷程[1-3]

20世紀50～60年代，我國澆鋼采用錠模澆注，鋼包內(nèi)襯主要由黏土磚砌筑，使用壽命在10次左右；1968年武鋼270 t鋼包采用二等高鋁磚內(nèi)襯，使用壽命25.7次，是黏土磚的2.5倍；1972年洛耐院與福州耐火廠合作，利用福州當?shù)氐娜~蠟石生產(chǎn)蠟石磚，在馬鋼15 t鋼包上試用，壽命達66次，后來又先后在馬鋼、鞍鋼等大型鋼包上使用，其壽命普遍高于黏土磚和三等高鋁磚；寶鋼于1985～1988年使用日本進口的蠟石磚做鋼包內(nèi)襯，平均使用壽命38次。蠟石磚具有微膨脹特性，使鋼包整體性好、侵蝕均勻、不掛渣、抗渣滲透性強、熱導率小、比重輕、鋼包不易超重等，可以說是鋼包的理想內(nèi)襯材料?？墒窍炇u的耐火性能差（耐火度在1 610～1 630℃），使用過程熔蝕嚴重，使用壽命低，發(fā)展連鑄和爐外精煉，很少有人用蠟石磚。但通過使用蠟石磚給了我們有利啟發(fā)：鋼包內(nèi)襯必須要整體性好，在持續(xù)加熱過程中耐火材料有微膨脹性，以保持好的結(jié)構(gòu)和體積穩(wěn)定性，其次在使用溫度下產(chǎn)生一定高黏度的液相，以緩沖使用結(jié)構(gòu)的熱應力。因此，開始研究不定形耐火材料內(nèi)襯，使內(nèi)襯的整體性更好。1974年冶建院與上耐一廠合作進行投射法筑襯試驗，用水玻璃結(jié)合二等鋁礬土熟料，投射15 t鋼包，使用壽命達22次，但由于投射內(nèi)襯的致密度和均勻性始終不夠理想，影響壽命提高，在我國未獲得進一步發(fā)展（西方國家的投射料主要是硅質(zhì)和半硅質(zhì)，原料來源容易，而且使用中粘渣輕）。逐漸采用機械化搗打的搗打料，鞍鋼和南京某廠先后研制成功鋼包專用搗打機，用鋁鎂質(zhì)或高鋁質(zhì)搗打料，鞍鋼200 t鋼包壽命達85次，耐火材料單耗2.7 kg/t鋼。但由于搗打機結(jié)構(gòu)復雜，造價高，不同容量的鋼包要求不同大小的搗打機等原因，推廣困難。

振動澆注施工，不需要復雜的機械設備，施工效率高，施工的內(nèi)襯均勻，無分層現(xiàn)象。特別是該法可以不拆除殘存的內(nèi)襯，僅對用后內(nèi)襯上的殘渣殘鋼清除，即可放入模胎，對整個內(nèi)襯進行補澆，達到原來的厚度，和新內(nèi)襯一樣使用。洛耐院于1981年成功研制第一代水玻璃結(jié)合的鋁鎂質(zhì)澆注料，在漢陽鋼鐵廠轉(zhuǎn)爐10 t鋼包、電爐18 t鋼包使用，壽命達70次以上，耐火材料單耗4～5 kg/t鋼，筑爐成本下降83%，經(jīng)濟效益十分顯著。原冶金部于1983年召開一次全國中、小鋼鐵廠和耐火廠參加的鋼包整體內(nèi)襯經(jīng)驗交流會與推廣會，隨后一些鋼鐵廠學習漢陽經(jīng)驗，先后采用澆注整體鋼包內(nèi)襯。如攀鋼145 t鋼包、馬鋼平爐105 t鋼包、太鋼70 t鋼包、以及唐鋼、上鋼、首鋼等都投入了整體內(nèi)襯的鋼包。首鋼45 t鋼包還建成一條機械化施工流水線，在?？蛏涎b設了附著式振動器，甩掉人工操作的振動棒。漢陽鋼鐵廠確立單包周轉(zhuǎn)，采用紅包裝鋼，在降低出鋼溫度20～30℃情況下，內(nèi)襯不掛渣也不存在冷鋼問題。至1985年已在全國普遍推廣，其包齡比磚砌鋼包普遍提高3～4倍，耐火材料單耗下降60%～80%，經(jīng)濟效益十分明顯。20世紀90年代，國內(nèi)很多鋼廠上馬連鑄及爐外精煉設備，對鋼包用耐火材料提出更高的要求，一些耐火材料生產(chǎn)企業(yè)及科研院所對鋁鎂澆注料又進行了深入細致的研究，如骨料由原來的一級高鋁礬土料提高到特級，以及高純的剛玉；結(jié)合劑改用鋁酸鹽水泥或MgO-SiO2-H2O系結(jié)合；還有MgO的引入對澆注料性能影響等試驗研究，取得一些好的成果。

一些大型鋼包采用爐外精煉裝置，普通澆注料無法滿足工藝要求，鋼包內(nèi)襯采用磚砌。寶鋼300 t鋼包渣線1989年就開始用鎂碳磚。20世紀90年代，寶鋼與焦作耐火廠，洛耐院合作開發(fā)的鋁鎂碳磚，在300 t連鑄鋼包上使用，將一等高鋁磚的壽命由20次提高到80次以上，最高126次，先后又在鞍鋼、攀鋼等許多鋼廠的鋼包上使用，使用效果都不錯；河南某廠開發(fā)的高檔鋁鎂不燒磚，采用剛玉、高純電熔鎂砂和高純鋁鎂尖晶石等原料，高性能復合結(jié)合劑生產(chǎn)的產(chǎn)品，滿足了潔凈鋼、低碳鋼和超低碳鋼的需要，在100 t鋼包和LF精煉鋼包上使用，壽命是鋁鎂碳磚的1.5倍；鞍鋼200 t鋼包一次包齡110次，最高128次，超過鋁鎂碳磚；由于增碳問題，開發(fā)了低碳鎂碳磚，碳含量在5%左右，寶鋼300 t鋼包渣線壽命與普通鎂碳磚相當；20世紀90年代初，洛耐院以合成鎂鈣砂和電熔鎂砂為原料，以固體無機鹽和無機鹽溶液為結(jié)合劑開發(fā)了不燒鎂鈣磚，在40 tLF-VD精煉鋼包使用40次以上，鋼中氧含量從12.2×10-6下降到11.13×10-6，某耐火材料公司用無水樹脂結(jié)合的不燒鎂鈣磚，在100 tLF鋼包上使用壽命80～85次；21世紀初，首鋼225 t鋼包使用以無水樹脂結(jié)合的不燒鎂鈣碳磚（渣線用鎂碳磚），平均壽命116.8次，比鋁鎂碳磚提高37.57次，鋼中的氧含量和非金屬夾雜都有降低，還有一些鋼廠在精煉鋼包上使用不燒鎂鈣碳磚，取得良好效果。

寶鋼300 t鋼包從1995年開始使用進口澆注料，使用壽命從平均217次提高到251次，耐火材料消耗從1.94 kg/t鋼提高到1.84 kg/t鋼；1996年12月開始使用國產(chǎn)澆注料，到2000年平均壽命258次，耐火材料消耗1.78 kg/t鋼，超過進口料水平。2000年300 t鋼包LF爐投產(chǎn)，包齡平均下降到154.5次，寶鋼采用一種新的澆注方法，平均包齡157.5次，耐火材料消耗僅1.6 kg/t鋼，噸鋼成本比以往下降20%以上。

現(xiàn)在，鋼包基本上是復合筑包，即不同部位采用不同材質(zhì)的耐火材料，工作層采用不同檔次的鋁鎂澆注料或預制塊或鎂碳磚和鋁鎂碳磚，永久層從黏土磚到高鋁磚，再到高鋁質(zhì)澆注料，目前在研究輕質(zhì)保溫澆注料等。

2 技術(shù)進步措施

2.1 澆注料套澆、噴補與減排降耗，提高鋼包壽命

鋼包采用澆注料的整體內(nèi)襯比磚砌內(nèi)襯消除磚縫，施工便于機械化，施工速度快，省工省力，降低筑襯成本，提高了使用壽命，減少耐火材料消耗。從20世紀80年代初的水玻璃結(jié)合鋁鎂澆注料到95攻關(guān)成功的高鋁礬土基尖晶石澆注料，以及大型鋼包用的剛玉—尖晶石澆注料都比磚砌內(nèi)襯使用壽命高，耐火材料消耗降低。特別是采用套澆，即當內(nèi)襯侵蝕超過原厚度一半時，清除包襯上的殘渣殘鋼，先補澆包底，再坐上胎模補澆包壁，補澆后的內(nèi)襯尺寸和新包內(nèi)襯相同，經(jīng)烘烤即可重新投入使用，使用次數(shù)與新包相仿。由于補澆用料只相當新內(nèi)襯用料量的1/3～1/2，節(jié)約大量耐火材料消耗。在鋼包沒有嚴重冷鋼凍結(jié)事故的情況下，套澆可以不斷循環(huán)下去，這樣就基本實現(xiàn)了殘存耐火材料的零排放。例如[3-4]，萊鋼130 t鋼包采用剝皮套澆修砌工藝，并用噴補續(xù)襯焊接技術(shù)進行小修，經(jīng)3次小修的4次包齡達190次以上，工作襯耐火材料消耗同比套澆工藝降低0.61 kg/t鋼。然后再對工作襯進行剝皮套澆中修，再續(xù)襯3次小修，依此循環(huán)8～9個周期，可使鋼包澆注工作襯壽命達1 500次以上。如果將澆注料進一步優(yōu)化，套澆及噴補技術(shù)進一步提高，不但鋼包壽命大大提高，而且基本做到殘存耐火材料的零排放。我國小型鋼包基本上都采用套澆工藝，大型鋼包也做過套澆試驗，效果很好，但沒有在生產(chǎn)上全面推廣。

還可用火焰噴補技術(shù)對鋼包內(nèi)襯進行修補[5]，使噴補料與鋼包壁表面達到高附著率，噴補料與附著的內(nèi)襯壁之間，很快形成強度較高的陶瓷結(jié)合新的內(nèi)襯。例如，用鎂碳磚或鋁鎂碳磚砌筑的連鑄精煉鋼包， 采用 MgO45%～55%，CaO20%～30%，F(xiàn)eO18%～24%，SiO24%～8%。引入 FeO、SiO2是為了使火焰噴補過程中形成液相，提高噴補料的附著率和燒結(jié)性。鋼包火焰噴補屬于先進技術(shù)，由機械化、自動化程度高的設備，將被侵蝕、損壞、耗損的內(nèi)襯及時修復，大幅度提高鋼包內(nèi)襯壽命，使耐火材料內(nèi)襯物盡其用，向鋼包永久內(nèi)襯，用后耐火材料零排放邁進。

田守信等人做了降低精煉鋼包耐火材料單耗試驗[6]：某鋼廠電爐60 t LF鋼包渣線為再生MgO-C料66%的再生MgO-C磚，熔池為再生料88%的再生MgO-C磚。為了降低對內(nèi)襯的侵蝕，采取控制電爐末期渣量和渣中FeO含量，采用鎂鈣碳質(zhì)改質(zhì)劑，改善維護制度，用二等高鋁磚對熔池貼補，使鋼包壽命由40～50次提高到88次，耐火材料消耗由9.3 kg/t鋼下降到5.6 kg/t鋼。

寶鋼邱文東提出鋼包耐火材料的理想配置為[7]：包壁保溫層厚30 mm，永久層整體澆注厚80～100 mm，工作層澆注厚180～210 mm，渣線采用低碳鎂碳磚厚180～230 mm，包底整體澆注，根據(jù)包大小選擇合適厚度。參考國外經(jīng)驗，制定修理模式（見表1），開發(fā)接續(xù)澆注修補技術(shù)，在不廢棄原襯的情況下連續(xù)施工筑襯。

表1 鋼包修理安排

2.2 鋼包加蓋，永久層隔熱保溫，回收余熱，節(jié)能環(huán)保

我國鋼鐵冶金能耗比日本高50%，大型鋼鐵企業(yè)也高30%左右。其中鋼包散熱損失占很大比例，首先是敞開的鋼包通過包口熱輻射散熱量占鋼包散熱的30%。到目前為止，我國個別鋼廠實現(xiàn)鋼包全程蓋保溫蓋，鋼包蓋用含鋯纖維折疊毯，保溫效果明顯。山鋼[8]在120 t鋼包全程加蓋，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，運輸過程溫度損失約減少13℃，全程溫度損失減少25℃，出鋼溫度在原來基礎(chǔ)上下調(diào)25℃，提高了合金收得率，減輕鋼水對內(nèi)襯的侵蝕，轉(zhuǎn)爐出鋼口壽命提高10爐以上，延長鋼包使用周期，減少煉鋼爐料的使用量等。而大部分鋼廠的一些鋼包只是在烘烤、LF處理和澆鑄等固定地方加蓋，其他地方都是敞開的，應該引起重視。其次就是鋼水通過包壁傳熱占鋼包散熱的30%～40%，在鋼包壁內(nèi)襯永久層選用熱導率小的材料，在不增加，甚至減小包壁厚度的情況下，如何提高保溫效果是多年來研究的課題。永久層從黏土磚到高鋁磚，再到低水泥高鋁澆注料，隔熱保溫效果都不太理想。后來一些鋼廠在鋼殼與永久層之間砌筑隔熱材料，有的用泡沫輕質(zhì)磚，有的用纖維氈或加絕熱板等，但仍需砌一層安全襯，這樣不但增加了砌筑工序，而且由于永久層與保溫磚結(jié)合不好，增加了維修次數(shù)。因此有人研制出輕重質(zhì)復合保溫磚[9]，在大冶鋼廠60 t鋼包上試驗，與黏土磚永久層相比，鋼包外殼溫度下降80℃以上，可降低出鋼溫度12℃左右。田守信[10]運用內(nèi)襯四層砌筑方法，即在鋼殼內(nèi)表面涂層節(jié)能涂料，向內(nèi)接著是10 mm厚納米絕熱板，再向內(nèi)是75 mm厚的高強納微米隔熱澆注料，接著是工作襯，渣線工作襯為低熱導率的鎂碳磚，熔池為剛玉—尖晶石質(zhì)不燒磚。其結(jié)果是渣線包殼溫度225℃，熔池包殼200℃，包底殼170℃。而高強納微米隔熱澆注料和低熱導率工作襯有效保護了納米絕熱板。

永久層采用粒狀纖維澆注料的熱導率為一般澆注料的一半左右[11]，永久層的實際溫度在1 000～1 100℃，不會超過1 350℃，不會造成纖維燒結(jié)，其強度也完全沒有問題，見表2。某鋼廠200 t鋼包原外壁溫度260～280℃（有含鋯纖維硬質(zhì)板隔熱），永久層用粒狀纖維澆注料后，鋼包外壁溫度180～230℃。鋼包覆蓋劑的作用不可忽視，本鋼研制的添加膨脹珍珠巖和膨脹石墨的鋼包覆蓋劑[12]，比傳統(tǒng)的稻殼覆蓋劑的鋼水平均降溫低0.4℃。

目前中、小轉(zhuǎn)爐鋼包，大都采用鋁鎂澆注料的整體內(nèi)襯，永久層采用輕質(zhì)澆注料。由于鋼包外表面散熱減少，可節(jié)能993.6 MJ/h，折合標準煤為33.9 kg?？傊?，各類大小的鋼包在外殼與工作襯之間都采用了一些保溫措施，但鋼包余熱回收利用也很重要，山東某鋼廠將鋼包烘烤過程中產(chǎn)生的廢煙氣引入鐵合金料倉內(nèi)[13]，烘烤鐵合金或其他煉鋼原材料，從而節(jié)能減排，提高鋼水質(zhì)量。澆完鋼后的鋼包余熱卻很少被關(guān)注，其實從包口輻射出大量熱能，特別是澆鋼完成后敞開包口，熱量就白白損失，可以考慮在包口安裝熱交換器，回收余熱，然后將熱空氣送到其他爐窯（如電廠鍋爐）與燃氣混合進行燃燒，節(jié)能環(huán)保。

表2 澆注料性能指標對比

2.3 不同精煉方法、不同鋼種的鋼包內(nèi)襯用不同耐火材料

不同精煉設備有不同的精煉條件，對鋼包的侵蝕也不同，如普通鋼包渣線用鎂碳磚一次性使用壽命達120次，而一般LF爐鋼包一次性壽命為60次[14]。不同精煉設備鋼包內(nèi)襯侵蝕速度有差別，普通鋼包∶LF∶LF-VD∶VOD=1∶2∶4∶8。LF-VD、VOD、RH、DH 等有真空處理功能，在高溫真空條件下不宜選擇添加鋁粉、硅粉和碳化硼的耐火材料，這些易與氧化鎂發(fā)生氧化還原反應，降低鋼包使用壽命。而CaO不易與碳發(fā)生反應，MgO-CaO-C質(zhì)耐火材料更適合在這些特殊條件下使用。

隨鋼種采用不同的耐火材料做鋼包內(nèi)襯，如汽車板鋼等超低碳鋼要用低碳和無碳耐火材料做鋼包內(nèi)襯、簾線鋼要用無鋁耐火材料，一般選用鎂鈣磚做鋼包工作襯、不銹鋼用鎂鈣磚等。精品鋼包要用精品耐火材料精細打造，還應當采用無渣出鋼技術(shù)，即良好的擋渣出鋼，不但降低渣對鋼包內(nèi)襯的侵蝕，還能減少脫氧劑的用量。

2.4 鋼包紅包接鋼，加速周轉(zhuǎn)，防止粘渣

鋼包使用高鋁質(zhì)及一些堿性耐火材料內(nèi)襯，包壁容易粘渣或結(jié)瘤，隨著使用次數(shù)增加，粘渣越積越厚，造成有效容積減少，空包重量增加，如果達到或超過行車起吊重量，就給生產(chǎn)帶來安全隱患。粘渣嚴重的只好拆除，這樣使包齡降低，耐火材料消耗增加。采用紅包接鋼，加快鋼包周轉(zhuǎn)，急冷急熱減少，包襯裂紋減少，粘渣就輕[15]。山東某鋼廠為加快鋼包周轉(zhuǎn)，編制了煉鋼—精煉—連鑄的鋼包路徑計劃，有空包行走路徑和重包行走路徑計劃。鋼包有序調(diào)度，加大紅包利用率，不但減輕鋼包掛渣，還降低了能耗。

鋼包掛渣的原因比較復雜，與煉鋼工藝、鋼種、耐火材料的材質(zhì)和質(zhì)量、鋼包保溫、鋼包周轉(zhuǎn)快慢等因素有關(guān)。其中加快周轉(zhuǎn)、紅包接鋼是比較通用的辦法。當然也有的耐火材料對所有鋼種基本上都不粘渣，如蠟石磚。它的侵蝕機理是以熔蝕為主，與鋼水熔渣接觸形成黏度很高的液相層，阻止熔渣滲透，而且受熱后具有微膨脹、內(nèi)襯整體性好等優(yōu)點。但其耐火性能差，當連鑄和精煉上馬后，蠟石磚被淘汰。

其次是鋼包口結(jié)渣亦不能忽視，會使包口有效面積減小，造成倒渣不干凈。往往采用燒氧切割或機械拆除，大多會破壞包襯，還消耗大量勞力?？梢栽诎r內(nèi)表面涂抹或噴涂一層涂料，隔絕熔渣與包襯的接觸，達到防止包襯粘渣的目的。方斌祥等人[16]以菱鎂礦、石英、黏土、氧化鉻微粉及磷酸鹽為原料做出的防粘渣涂料，在寶鋼精煉包的鎂碳磚表面上涂覆3～5 mm厚，澆鑄完成后，與黏附在鎂碳磚表面的熔渣一起脫落，延長了渣線和包口鎂碳磚的使用壽命。也有采用碳化硅和石墨等不易被熔渣潤濕的物質(zhì)，但價格較高。

3 討論

（1）我國鋼包用耐火材料的使用壽命，雖然比以前有大幅度提高，經(jīng)過套澆壽命達千次以上，但比起先進國家的水平還有一定差距，最直觀的經(jīng)濟指標是噸鋼耐火材料消耗，先進國家鋼包耐火材料消耗為1 kg/t鋼以下，而我國最好的是2 kg/t鋼左右，而大部分在4 kg/t鋼，可見還有很大的潛力可挖。

（2）我國鋼鐵產(chǎn)能不能再擴大，企業(yè)之間競爭激烈，市場競爭和國家政策迫使鋼鐵行業(yè)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，即由資源消耗和投資拉動型轉(zhuǎn)化為降低消耗和服務效益型。耐火材料要接受很大的挑戰(zhàn)，為鋼鐵行業(yè)節(jié)能降耗做貢獻。降低耐火材料消耗，就要提高耐火材料質(zhì)量，研究耐火材料的使用方法，減少耐火材料用量，也降低了鋼鐵成本。其次是鋼包的節(jié)能降耗也大有潛力，比起日本，我國每噸鋼要多消耗200～250 kg標準煤，應該進一步研究鋼包保溫隔熱問題。

（3）鋼鐵行業(yè)要精細化管理，拋掉“粗放型管理”的老毛病，不能單靠補襯以增加使用次數(shù)，要精打細算，算出耐火材料的消耗量，熱量損失量等，得出最佳的使用次數(shù)。要學習先進國家的經(jīng)驗，找出差距，以便迅速趕上、盡快達到或超出世界先進水平。

4 結(jié)語

（1）鋼包是鋼鐵行業(yè)的重要熱工設備，由錠模澆鋼時期的單純盛裝鋼水設備，發(fā)展到連續(xù)鑄鋼，爐外精煉的冶煉設備，使用條件十分苛刻，對耐火材料的要求越來越高。

（2）我國鋼包用耐火材料在不斷地發(fā)展和進步。從黏土磚、高鋁磚、蠟石磚、鋁鎂磚、鎂碳磚、鎂鈣磚、鋁鎂碳磚、鎂白云石質(zhì)磚、鎂白云石碳磚等，鋼包內(nèi)襯耐火材料的使用壽命也從當年黏土磚使用壽命10次左右，發(fā)展到現(xiàn)在用堿性耐火材料的使用壽命普遍在150～200次。

（3）20世紀70年代開始對鋼包內(nèi)襯采用不定形耐火材料的試驗研究，先后采用投射、搗打及澆注等施工方法，最后肯定了鋁鎂澆注料。中、小鋼包普遍用鋁礬土熟料加鎂砂細粉，大鋼包用剛玉與鎂砂細粉配制的澆注料。再采用套澆及修補工藝，鋼包使用壽命達2 000～3 000次，噸鋼耐火材料消耗在2 kg以下，向永久內(nèi)襯、殘存耐火材料零排放邁進。

（4）鋼包內(nèi)襯的永久層普遍采取隔熱保溫措施，有的砌一層輕質(zhì)保溫磚，有的涂抹保溫涂料及納微米保溫板，有的鋼包加蓋，有的鋼廠加速鋼包周轉(zhuǎn)，紅包接鋼，使鋼包散熱損失減小，鋼水溫降變小，有利于節(jié)能降耗。

（5）我國鋼包用耐火材料雖然取得很大的技術(shù)進步，但比起先進國家水平還有一些差距。鋼鐵企業(yè)、耐火企業(yè)應該努力趕上，達到或超過世界先進水平。作為鋼鐵生產(chǎn)大國和耐火材料生產(chǎn)大國，這是我們義不容辭的責任。