宝钢转炉钢包用耐火材料的现状及发展趋势

摘要 综述了宝钢转炉钢包用耐火材料的变化过程及使用现状，重点介绍了近年来宝钢在钢包耐火材料使用上的一些技术进步，提出了存在的问题及对策，展望了今后宝钢转炉钢包的发展方向。

关键词 宝钢 转炉 钢包 耐火材料 使用现状 发展趋势

    　宝钢转炉炼钢系统包括300t和250t炼钢两部分。其中300t炼钢系统是宝钢一、二期工程建成的，设计产钢量671万t，实际产钢量在700万t以上，目前连铸比70%左右，精炼方式有RH、IR-UT，冶炼钢种以低碳钢、超低碳钢为主。

1 转炉钢包用耐火材料的发展历程
　　自1985年9月投产以来，宝钢300t钢包用耐火材料主要的变化过程如下：
　　渣线：蜡石砖（1985年9月至1988年）→锆质砖（1985年9月至1989年）→高铝砖（1986年6月至1990年2月）→镁碳砖（1989年7月至今）；
　　包壁：蜡石砖（1985年9月至1988年）→锆质砖（1985年9月至1989年）→高铝砖（1986年6月至今）→铝镁碳（1990年5月至1998年6月）→微膨胀高铝砖（1991年至1997年）→不烧铝镁砖（1998年6月至2002年4月）→铝镁尖晶石质浇注料（1995年10月至今）；
　　包底：蜡石砖（1985年9月至1991年12月）→蜡石-碳化硅砖（1991年11月至今）→铝镁尖晶石质浇注料（1999年至今）→铝镁质预制块和高铝不烧砖组合（2001年10月至今）。
　　在宝钢投产初期，使用蜡石砖的钢包平均包龄为38次，吨钢耐火材料平均消耗为5.9kg；使用进口的锆质砖为包壁和渣线砖，包底使用蜡石砖，平均寿命为90次，吨钢耐火材料平均消耗3.6kg；使用国内生产的高铝砖为包壁和渣线砖，包底砖采用蜡石砖后，平均包龄在50次左右，吨钢耐火材料消耗为5kg左右。1989年7月二期连铸投产后钢包包龄显著下降，包龄仅为30次左右，吨钢耐火材料消耗在10kg左右，高铝包的主要问题是剥落、粘渣及渗冷钢，导致钢包超重和拆包困难。1990年以后，宝钢与国内耐火材料生产厂及研究机构一起联合开发了包壁用铝镁（尖晶石）碳砖、微膨胀高铝砖，渣线用镁碳砖，包底用蜡石-碳化硅砖，同时提高钢包管理水平，使300t钢包包龄从30次左右逐步提高到100次以上，吨钢耐火材料消耗从10kg降低到3kg。

2 转炉钢包用耐火材料使用现状

　　永久层：包底永久层和大部分包壁永久层使用高铝质浇注料，另有一部分包壁永久层使用蜡石砖或高铝砖。
　　渣线：镁碳砖（碳含量14%，已实验过碳含量7%左右的镁碳砖）。
　　包壁工作层：主要有二种，一种是高铝砖，另一种是铝镁尖晶石质浇注料。使用时，高铝砖和浇注料的吨钢成本基本相当。
　　包底工作层：主要是蜡石-碳化硅砖，使用寿命较低，小修周期仅25次，导致包底耐火材料消耗较高。也有部分钢包使用整体浇注料，方法是在冲击区用预制块，四周用浇注料，寿命在70-100次。主要问题是钢包小修周期仅25次，挖修透气砖及水口座砖后容易导致冷钢和渣渗入，形成夹层结构，钢包重量增加，而且难以多次修理，耐火材料成本增加，无法推广应用。目前正在试验无碳包底砖。
　　表1是宝钢和国外某先进钢厂钢包（250t）各部位的耐火材料消耗情况。宝钢的生产工艺条件与国外某先进钢厂中的A厂二炼钢及B厂相似。

表1 宝钢与国外钢厂钢包吨钢耐火材料消耗 kg

　　宝钢钢包(300t)和国外钢厂(250t)的使用及维修情况如下：当渣线部分采用镁碳砖时，宝钢钢包寿命在100次以上，国外钢厂钢包寿命为144次；宝钢钢包包壁采用高铝材质时，寿命为105次，采用整体浇注时，寿命为160次，而国外钢包采用整体浇注时的寿命达到288次；宝钢钢包包底采用蜡石―碳化硅材质时，寿命为25次，国外钢包包底采用整体浇注，寿命为48次；宝钢钢包小修周期为25次，小修内容为包底全部，国外钢厂小修周期为48次，主修透气砖及水口。
3 转炉钢包用耐火材料的技术进步
3.1整体浇注技术的应用
　　宝钢300t钢包从1995年9月开始使用进口浇注料进行试验。用日本浇注料共浇注6个钢包，平均包龄217次，吨钢耐火材料消耗为1．94kg，用欧洲浇注料共浇注11个钢包，平均包龄251次，吨钢耐火材料消耗为1.84kg。为降低成本，宝钢从1996年12月先后试用了国内九家耐火材料厂生产的浇注料，到2000年6月，共使用了43个钢包，平均使用寿命258次，吨钢耐火材料平均消耗1.78kg，达到并超过了进口料的使用水平。
　　2000年300t钢包LF炉投产，整体浇注钢包包龄下降幅度较大，同时永久层改用整体浇注后，工作层厚度减薄，2001年平均包龄降到154.5次。根据这种状况，宝钢发明了一种全新的浇注方法，虽然包龄不高，2002年1―4月平均仅157.5次，但吨钢耐火材料消耗仅1.6kg，而且吨钢成本可比以往的浇注方法下降20％以上。
　　250t钢包2002年1-4月平均包龄214次，吨钢耐火材料消耗平均为1.99kg。
　　目前宝钢已拥有一套成熟的整体浇注钢包的施工、使用及维护技术，转炉钢包将在今后两年内全部改为整体浇注钢包。
3.2保温材料的开发应用
　　为减少钢包的过程温降，提高钢包包壳的使用寿命，宝钢与研究机构合作研究开发了一种钢包用保温板，保温板的性能为：110℃ 24h烘后的体积?密度为0.905g?cm^-3，110℃24h烘后压缩量20％时的压缩强度为2.16MPa，1100℃6h烧后线收缩率为1.86％，热面800℃时的热导率为0.138W?(m ^.K)^-1，ω(A1₂0₃+Si0₂)=98.51％。
　　开发的保温材料在转炉钢包上已得到全面应用。对于砖砌包，未使用保温板时，包壳平均温度为368℃，使用20mm厚保温板时，包壳平均温度下降到261℃；对于整体浇注包，未使用保温板时，包壳平均温度为377cC，使用20mm厚保温板时，包壳平均温度下降到272℃。
3.3 永久层浇注料的开发应用
　　永久层原来使用的是蜡石砖和高铝砖，每次大修时永久层均无法保留，严格意义上不能称永久层，只能称安全层，而蜡石砖和高铝砖砌筑的永久层由于有大量砖缝，安全层也并不安全。为使永久层既能长寿，又能安全，开发了一种供永久层使用的较为高档的高铝莫来石质浇注料，其特点是在浇注料厚度较薄的条件下具有高的强度、良好的热震稳定性及高温体积稳定性。钢包永久层整体浇注的好处主要有两点：一是提高钢包使用的安全可靠性；二是延长永久层使用寿命，降低工人劳动强度，使隔热保温材料可多次使用，降低钢包生产成本。目前永久层使用寿命最低为500次。
3.4低碳镁碳砖的应用
　　为减少耐火材料对钢水的污染，宝钢曾先后在钢包渣线上试验过镁锆质、铝镁质、铝铬质、镁铝质等多种材质的预制块，效果均不理想。在目前无碳材料不能满足渣线使用要求的情况下，宝钢进行了降低渣线镁碳砖中碳含量的试验，把渣线中的碳含量从14％左右降低到7％左右，为保证低碳镁碳砖有良好的抗热震性和抗熔损性，在结合剂和外加剂上进行了大量研究。低碳镁碳砖在300t钢包上进行了多次试验，结果证明低碳镁碳砖使用寿命可达110次左右，与普通镁碳砖相当，可基本满足300t钢包的使用要求。存在的问题是砖的质量不稳定，今后应开发质量稳定的低碳镁碳砖，最终使低碳镁碳砖完全取代普通镁碳砖。
3.5 包沿口可塑料及保护板的应用
　　以前当镁碳砖砌到最后一环时，与包沿口钢板之间的空隙约50mm的高度是用高铝质浇注料填充的，存在的问题是施工不方便，浪费较多，而且为了将浇注料灌人缝隙中，需要加入较多的水，容易导致镁碳砖的氧化，为此开发了一种高铝质的可塑料，特点是施工方便。钢包在使用中钢水和渣溢出会烧毁包沿口钢板，导致钢包提前送修，这种现象在300tLF钢包表现更明显。通过与上海贝尔耐火材料公司合作，开发了一种“L”型的包沿口保护板，达到了保护包沿口钢板的目的。
3.6 钢包修补料的开发及应用
　　早期包壁几乎不修补，后来在包壁熔损较为光滑时采用贴补的办法，贴补一层高铝砖后能使用50次左右。存在的问题是有时难以贴补，有时贴补后钢包壁易渗人钢水和渣，导致超重。1996年开始使用镁质及镁钙质喷补料对熔损严重部位进行喷补，喷补附着率在85％左右，喷补加水量为20％左右。存在的主要问题是喷补厚度有限，一般在30mm左右，而且镁质料容易粘渣，喷补表面无法清理。镁质料能使用15―25次，镁钙质料能使用5-20次。经过多次试验研究，开发了一种铝镁质修补料代替喷补料，加水量在7％左右，其特点是附着性好、耐熔损、易于施工，效果很理想。每次小修时均对包壁熔损较严重的部位进行修补，修补料使用寿命可达25次以上。修补料性能见表2。另外1400℃1h的高温抗折强度为1.9MPa，荷重软化温度T_0.6％=1350℃，T_2％=1450℃，ω(A1₂0₃)=89．51％，ω(MgO)=6．48％，ω(Si0₂)=1.21％。

表2 钢包修补料的理化性能

3.7 滑板材质的改进
针对现有钢包用铝碳锆滑板在使用中存在的问题，宝钢和上海永和耐火材料公司合作开发了采用烧结刚玉、锆刚玉、部分稳定氧化锆等低硅原料生产的新型铝碳锆质滑板，其性能指标与原来使用的普通铝碳锆滑板的对比见表3。

表3 铝碳锆滑板的性能对比

  　从性能指标来看，新型铝碳锆滑板与普通滑板 相差不大，但由于新型滑板中SiO2含量低，在使用 中抗熔损性能可能优于普通铝碳锆滑板。新型铝 碳锆滑板在宝钢300t钢包上应用，平均使用寿命 高于普通滑板30％左右。
3.8 钢包除渣剂的应用
　　300t钢包粘渣后重量增加，使得行车长期处 于超负荷状态，严重威胁着行车的运行安全，同时 也减少了钢包的有效容积，影响出钢量。另一方 面，考虑到行车的运行安全，粘渣超重的钢包只好 提前打掉，使钢包周转紧张，包龄降低，耐火材料消 耗增加。研究表明，粘渣的直接原因是渣冷凝后析 出高熔点相所致。粘渣主要是钢种(渣)、钢包热 状态和包衬耐火材料共同作用的结果，它不仅与钢 包渣中的A1203含量高有关，也与钢包热状态差和 渣、钢渗入耐火材料有关。其他原因包括连铸比逐 年提高，铝镇静钢比例较高，钢包小修次数多，耐火材料抗渗透性不足，保温剂影响等。
　　为减少钢包粘渣现象，采取了一些有效手段，如加快钢包红包周转，改变保温剂的化学组成。更重要的是开发了钢包除渣剂，采取化学办法使渣改性。通过使用除渣剂，钢包粘渣现象显著减少，砖砌钢包平均包龄从粘渣严重时的85次左右提高到了115次，降低了钢包生产成本，保证了行车的安全生产。目前钢包除渣剂已推广到同样存在粘渣和超重问题的250t钢包上使用。
4 存在的问题及对策
4.1 砖砌包比例较高
　　目前宝钢尚有相当一部分钢包使用高铝砖。在成本相当的情况下，砖砌包的吨钢耐火材料消耗比整体包高1 kg左右，继续使用高铝砖是不明智的。与整体浇注钢包相比，砖彻包有以下几点不足：一是熔损快，对钢水污染大；二是砌筑工作量大，维修困难；三是安全性差。因此，在有条件的钢包上应尽快全面使用整体浇注包。有一部分300t钢包的包壳由于使用时间较长，变形严重，已无法放人模芯浇注。对这部分包壳也已试验了预制砖，成本和消耗与整体包相当，甚至优于整体包，目前也在使用中，在取得了经验后有必要进一步推广。
4.2包底寿命低
　　目前，宝钢使用的包底砖是蜡石―碳化硅砖，使用寿命仅25次。这是钢包耐火材料中最差的一个环节，是耐火材料消耗高的主要原因。宝钢也在部分钢包上使用包底整体浇注，无法大量使用的主要原因是维修困难，由于小修周期仅25次，多次修理后冷钢夹层较多，寿命无法达到国外报道的125次以上，同时吨钢成本也是蜡石―碳化硅砖的2―3倍。目前正在试验的是冲击区用铝镁尖晶石质预制砖，四周用高铝质不烧砖，目标寿命可达50次。
4.3 小修周期过短
　　目前，宝钢钢包的小修周期是25次，而国际上先进钢厂一般在50次左右。小修周期短导致耐火材料消耗高，钢包热周转率低。限制钢包小修周期提高的主要障碍是上水口和透气砖的寿命低。对各种材质的上水口进行过试验，寿命均难有大的提高。开发了一种修理环，可使寿命达到25次以上。
目前正在研究上水口与座砖的结构，使之能在热态下更换，估计不久即可成功。国内外许多钢包都在实行透气砖的热态更换，宝钢也有必要尽快解决此问题。
4.4 特殊钢用耐火材料消耗高
　　某些钢种(如钢帘线钢和电工钢)对耐火材料的熔损特别大，尤其是钢帘线钢，对耐火材料有特殊要求，一般耐火材料不能使用，在冶炼这种钢时，渣线寿命有时连10次都达不到，钢包修理次数多，耐火材料消耗极高。虽然这种钢产量不大，但对钢包耐火材料消耗的影响很大。必须开发满足这些钢种冶炼要求的耐火材料。
4.5 维修判断技术及标准落后
　　要降低钢包耐火材料的消耗，必须有科学合理的残厚管理标准。由于钢包残厚基本上是人工判断的，具有随意性及风险性，操作人员往往更多地考虑钢包安全生产的重要性，而忽视成本。要降低钢包耐火材料的消耗，必须有先进的判断及维护技术，例如：采用激光测厚来保证钢包的安全使用；使用湿法喷涂技术来维护钢包内衬；透气砖热更换安全系统。通过提高耐火材料安全使用的可靠性，来减少耐火材料的浪费。
5 发展趋势
　　钢包耐火材料总的发展趋势是降低消耗、清洁钢包。降低消耗不仅可以降低成本，更重要的是可以减少对钢水的污染；清洁钢包一方面是要用无碳、熔损小的耐火材料，另一方面要减少钢包的粘渣。宝钢钢包耐火材料的使用要达到世界一流水平，在今后几年内必须做到以下几点：1)在工作层和永久层全面推广应用整体浇注技术；2)延长包底小修周期，除开发有宝钢特点的包底耐火材料外，必须引进或开发先进的维修技术，主要是激光测厚、透气砖热态更换及湿法喷涂技术；3)在稳定低碳镁碳砖质量的基础上开发无碳渣线材料。