鋼包內襯材料的發(fā)展與展望

鋼包是煉鋼廠重要的熱工設備，包襯材料的選擇至關重要，其壽命長短不僅關系到耐火材料的消耗和煉鋼成本，而且直接影響鋼的產量和質量。因此延長包襯壽命歷年來一直是工作重點。隨著冶金技術的不斷發(fā)展，冶煉溫度的提高和連鑄比的增加，使得鋼水在鋼包中停留時間延長，尤其是利用鋼包進行爐外二次精煉(脫硫、吹氬處理等)后，LF、SKF和VD爐等精煉爐的使用，使得鋼包的使用條件越來越苛刻，內襯壽命不斷下降，這就要求內襯材料必須迅速發(fā)展，以適應冶煉條件的變化。

　　為了提高包襯壽命，國內外同行做了大量研究工作，主要從改進內襯材質、磚型、采用綜合內襯、不定形化以及施工方法等方面人手，現在有些鋼廠還對內襯進行表面處理，在不同時期均取得了一定的效果?！　′摪鼉纫r材料的發(fā)展：粘土磚、蠟石磚、(輕燒)高鋁磚、水玻璃結合不燒鋁鎂磚、輕燒白云石油磚、鎂磚→離心投射硅砂、機械化搗打(硅質、半硅質、高鋁質等)→水玻璃結合鋁鎂澆注料→水玻璃結合不燒尖晶石磚→高鋁尖晶石澆注料、鋁鎂澆注料(硅灰、高鋁水泥和純鋁酸鈣水泥結合)→高純尖晶石鋁鎂澆注料、鋁鎂碳襯磚和無碳磚。其中某些階段在有些鋼廠有交叉和反復。

　　1鋼包內襯材料的發(fā)展　　1.1粘土磚和高鋁磚等定型制品　　粘土磚和高鋁磚等定型制品主要是作為早期的鋼包內襯材料，由于手工砌筑內襯，不僅筑襯時間長、工效低、勞動強度大和成本高，而且由于整體性差和不能從根本上消除磚縫帶來的危害，一般使用壽命和耐火材料利用率較低。在當時使用條件不太苛刻的情況下，粘土磚平均一次性包齡只有10次左右，高鋁磚也只在20次左右，耐火材料利用率不到50%，且磚型較多(10多種)，砌筑很不方便。這些不僅浪費了大量耐火材料，增加了拆襯和砌襯勞動強度，而且由于耐火材料大量熔損帶進鋼中的非金屬夾雜物增加，還導致鋼錠質量下降。

　　1.2不定形鋼包內襯材料　　不定形鋼包內襯材料的制備與應用技術是在近30年前后快速發(fā)展起來的，它的出現使勞動生產率、施工效率、使用壽命、安全性等都大大提高。與此有關的理論有：粉體工學、膠體化學、流變學、熱(動)力學、施工和烘烤技術及材料選擇等。另外超細粉、非氧化物材料(碳、碳化物、氮化物、塞隆、阿隆等)、不同作用的添加劑以及先進的施工方法的使用都使得不定型鋼包內襯材料不斷更新換代。國內外使用不定型耐火材料，采用機械化筑造整體內襯的工藝有過三種方法：離心投射、機械化搗打、振動澆注。在各個時期都取得了不同程度的效果。

　　1.2.1離心投射筑襯法　　離心投射筑襯法*初起源于西德，由于硅砂或硅石價格低廉，加之機械化筑襯，故發(fā)展較快，歐洲各鋼廠及美國和日本都做了技術引進?！　∑淙秉c是抗渣蝕性能差，在鋼包上使用壽命并不高(15～20次，經修補*高可達30～40次)。但由于粘渣輕，成本低，直到上世紀80年代歐洲在普通鋼包上仍側重于使用硅質和半硅質料作為投射料。

　　1974年，中國開始試驗投射筑襯法，采用水玻璃作結合劑。其壽命由磚砌襯的12次提高到22次?！　⊥渡浞m然實現了機械化筑襯，提高了施工速度，減少了筑襯工時和勞動強度，并在一定程度上提高了內襯壽命，降低了筑襯綜合成本，但是由于受施工方法所限，投射的內襯致密度和均勻性始終不夠理想，因此影響了內襯壽命進一步提高，在中國未能得到發(fā)展和廣泛使用。

　　1.2.2機械化搗打筑襯法　　機械化搗打是繼投射法后迅速發(fā)展起來的一種整體筑襯法。上世紀70年代中期，隨著國外不同類型的自動化搗打機的研制成功，搗打實現了機械化，內襯密度和使用壽命都有很大提高。日本使用的鋯英石和葉蠟石質搗打料，在當時的使用條件下，可使包襯壽命提高到60次以上，經過修補許多可達到100次以上。

　　中國于上世紀70年代后期開始試驗搗打施工法，一般是人工搗打，直到1981年鞍鋼研制的搗打機才在其三煉鋼正式投入使用。當時200t鋼包搗打內襯經過數次小修后，平均使用壽命可達85次。

　　機械化搗打施工法雖在中國已取得成功，并在鞍鋼等投入實際使用，但搗打法也是一種施工技術要求較高的方法，搗打機本身結構復雜;不同容量的鋼包又要求不同大小的搗打機配合，才能發(fā)揮良好的施工效果，而且搗打機造價高，還要有其他大型機械(拆包機)配合。故一次性投資大，上馬不大容易，再加上機械拆包，當時在中國尚未很好解決，故搗打施工法在我國推廣遇到了一定困難。

　　1.2.3振動澆注施工法　　振動澆注施工是繼搗打施工法之后迅速發(fā)展起來的，其特點是：施工簡便，設備投資低，施工效率高，內襯質地均勻無分層現象，可以不拆除殘襯，僅對用后內襯上的局部殘渣和廢鋼進行清除后，即可放人胎模，對整個內襯進行補澆，耐火材料得到了充分利用，噸鋼單耗大大降低。此方法目前在馬鋼二鋼廠還在使用，俗稱“剝皮和套澆”?！　〔捎谜駝訚沧⒎òl(fā)展較快的是日本，如在?？蛏涎b有附著式振動器等，靠模框振動代替人工操縱的振動棒，這樣可有效提高筑包工效，縮短施工時間。

　　洛耐院于1981年研制成功**代鋁鎂澆注料(水玻璃結合)，平均一次性壽命(中間不經修補)達到70次以上。1984年，馬鋼與洛耐院合作，在70t鋼包上進行了試驗，內襯壽命由磚砌襯的20次提高到74次，筑襯成本下降86%。

　　由于是用水玻璃作結合劑，其高溫機械強度差，耐鋼水沖刷性能不好，鋼包噸位越大，出鋼時鋼水沖擊力越大，鋼包迎鋼面和包底更易侵蝕。還有含水量大(加水量5%～10%，比搗打料高)，增加了烘包困難。故當時在中國沒能得到**推廣，有些鋼廠又回到砌磚法，只不過在材質和工藝上有所提高，如馬鋼使用的水玻璃結合不燒尖晶石磚，其使用壽命一般在40爐左右。

　　隨著技術的發(fā)展，人們開始使用高鋁水泥作結合劑的高鋁尖晶石澆注料，其顆粒級配仍較粗，有些廠家使用普遍礬士統(tǒng)料，尖晶石檔次也不高，加之高鋁水泥雜質多，導致澆注料基質中低熔相多，使用壽命不高，一般在60爐左右。

　　隨著流變學、膠體化學和烘烤技術等理論的發(fā)展，尤其是硅灰和α-Al203等超細粉以及高效減水劑的使用，加之對材料的精心選擇和對顆粒級配的優(yōu)化，使得不定形鋼包內襯材料發(fā)生了巨大變化。以硅灰結合為代表的新一代鋁鎂澆注料應運而生，其骨料開始使用特優(yōu)礬土和電熔剛玉(后來有些使用板狀剛玉和高純尖晶石)，基質選用電熔剛玉和電熔鎂砂，結合劑選用硅灰或純鋁酸鈣水泥，并采用多級顆粒級配，特別是超大顆粒的使用，使得鋼包內襯的抗剝落能力**提高，α-Al203等超細粉和高效減水劑的使用，使得澆注料的加水量、流動性和高溫性能也得到了顯著改善，這些都大大提高了鋼包澆注料的使用壽命。

　　馬鋼耐火材料公司于1997年開始生產的鋁鎂澆注料在馬鋼一、二鋼廠使用壽命一般在80爐左右，在三鋼廠使用壽命在70爐左右。隨著煉鋼工藝的發(fā)展以及生產節(jié)奏的加快，2003～2004年，為了適應二鋼廠鋼包擴容，包壁厚度平均減薄50mm這一變化，開發(fā)的Ⅱ型料仍能保持平均使用壽命80爐的水平。

　　2003年，馬鋼借鑒金屬塑性相這一耐火材料領域的前沿理論，并以新型納米材料為結合劑，開發(fā)成功的130爐次**鋼包澆注料在三鋼廠當時的冶煉條件下，使用壽命達到了130爐次，后隨著冶煉條件的變化，尤其是上LF爐次數的增加，使用壽命逐漸穩(wěn)定在90～100爐。2004年，隨著技術的進步，馬鋼開始在三鋼廠使用鋁鎂炭磚，使用壽命一般在100爐左右。

　　1.3現代鋼包內襯材料　　由于現在鋼包已成為重要的精煉設備，鋁硅質耐火材料已不能適應現代冶煉條件，因而鎂炭磚、高純鋁鎂(尖晶石)澆注料、鋁鎂炭襯磚和無碳磚等就成為了現代鋼包的重要內襯材料。它們通常根據具體的使用情況配合使用，如包底和包壁用高純鋁鎂(尖晶石)澆注料或鋁鎂炭襯磚，渣線用鎂炭磚。由于冶金工藝、操作條件以及應用觀念的差異，不同地區(qū)和不同鋼廠的鋼包，其內襯材質存在很大差別。

　　2展望　　鋼包內襯材料正在迅速發(fā)展，其材質在向**次、高純度、高性能方向發(fā)展，隨著納米技術和表面處理技術的應用，以及對陶瓷技術的借鑒，使得鋼包內襯材料的生產、應用和維護有向精細化方向發(fā)展的趨勢?！　?.1高純鋼包澆注料　　為了適應電工鋼等低碳鋼的冶煉需要，隨著技術的進步以及各種新材料的出現，以板狀剛玉、電熔剛玉、高純尖晶石、各種氧化鋁微粉、新型納米結合劑和高效減水劑等為原料開發(fā)的高純鋁鎂(尖晶石)澆注料將會得到廣泛應用。

　　2.2含碳鋼包澆注料　　由于砌磚法勞動強度大，工作效率低等種種不足，*終在非低碳鋼鋼包上鋁鎂炭磚可能會被含碳鋼包澆注料所取代。目前含碳鋼包澆注料的開發(fā)與應用存在的主要技術難點是水對石墨表面不潤濕，使石墨在澆注料中難于分散，影響了澆注料的流動性?！　‰S著納米技術和表面處理技術的發(fā)展，現在有人通過各種無機鹽的水解，在天然鱗片石墨表面包覆納米氧化物薄膜，達到對石墨表面改性處理的目的，從而大大改善含碳澆注料的性能。通常作為納米氧化物薄膜的材料有Al203、Cr203、Ti02和Zr02薄膜，具有化學吸附的特性。其中包覆Al203的石墨其懸浮液的粘度和沉降體積值*小，表現出更為良好的親水性。

　　2.3局部維護與處理　　鋼包在使用時，由于鋼水和渣的流(攪)動，使鋼包內襯侵蝕很不均勻，而鋼包停止使用，除了座磚和透氣磚的原因，往往是由于內襯*薄弱的地方不能使用導致的，而此時大部分部位仍然有很大富余，這就很不經濟，也導致資源的大量浪費。從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，應使鋼包內襯保持同步蝕損，這就要對鋼包內襯進行局部處理?！　∪缭谠€鎂炭磚的表面涂刷一層表面處理材料，增強鎂炭磚的抗氧化和抗侵蝕能力;借鑒陶瓷高溫焊補技術，投射高溫自流料或利用機械手對鋼包內襯(尤其是渣線部位)進行高溫局部修補;還可借鑒轉爐濺渣護爐技術，采用適當工藝，對鋼包內襯進行濺(搖)渣保護，也可直接噴射高溫修補料(而不是被淘汰的噴補料泥槳)，對鋼包內襯進行保護?！　∵€可利用特殊裝備與鋼包在使用過程中的擴容相配合，調節(jié)渣線的高度，充分利用每一層渣線磚，保持渣線磚的同步蝕損。

　　3結語　　隨著納米技術和表面處理技術的應用，鋼包內襯材料已向**次、高純度、高性能方向發(fā)展，其生產、應用和維護也在向精細化方向發(fā)展。我們相信隨著新理論、新觀念、新技術、新工藝、新材料和新設備的不斷出現和發(fā)展，鋼包內襯材料必將取得飛速發(fā)展。