尖晶石浇注料在80t钢包上的浇注试验

杨祝英

(天津工业职业学院天铁校区，河北056404)

0 引言

在所有的金属材料中，钢具有强度高、韧性好、容易加工和焊接良好等性能， 随着冶金技术工艺水平的不断提高， 可以通过在钢液中加入不同的合金元素并合理控制其相应比例， 以获得不同性能的合金钢，从而满足制造业对材料性能的各种不同要求。钢是一种用途广泛的优质材料， 涉及现代化建设的多个重要行业，品种齐全、用量巨大，在相当长的一段时期内， 钢铁行业仍将是我国重要的支柱产业之一。 炼钢技术的提高、工艺的改进显得尤为重要。

1 炼钢及其基本任务

1.1 炼钢

炼钢就是在炼钢炉内将废钢、铁水等原料经过冶炼成为化学成分符合要求，物理性能、化学性能，满足用户需要的钢。

1.2 炼钢的基本任务

(1)去除杂质，比如去除钢中硫(S)、磷(P)、氧(O)、氢(H)、氮(N)和夹杂物等。

(2)调整成分，将钢的成分(如碳、硅、锰等)调整到一定范围，以获得相应的不同性能。

(3)调整温度，调整钢的成分需要将钢液加热到1 500 ℃以上；浇铸成钢坯需要将出钢温度控制在1 600 ℃以上；同时还要满足在出钢时对加入的合金料进行加热升温，保证钢液温度达到出钢要求。

完成炼钢任务常采用的技术手段是： 供氧、造渣、升温、加脱氧剂和合金剂，所用到的主要设备是炼钢炉和钢包。

2 钢包的作用及其内衬损坏原因

2.1 钢包的主要作用

一炉钢在炼钢炉中炼好后通过钢包承接钢水送往吹氢、精炼和连铸平台，配合连铸完成浇钢任务。 在这期间，钢包的主要作用：

(1)盛放和输送钢液；

(2)进行钢水脱氧与合金化操作；

(3)完成钢水温度调整、成分均匀和夹杂物上浮作业；

(4)进行炉外精炼和真空处理。

钢包在工序间运行过程中，周转正常与否对炼钢和连铸的协调生产起着决定性的作用。 影响钢包正常运转的主要因素是钢包的使用寿命，而钢包耐火衬的寿命又决定了钢包的使用寿命，所以在生产过程中要不断地观察钢包耐火衬的物理、 化学变化，避免事故发生。

2.2 钢包内衬的损坏

在目前精炼比与连铸比不断提高的冶炼模式下， 钢包通常需要配合精炼要求完成电极加热、合金加料、吹氢搅拌、喂丝合金化、真空脱气等工序，这将导致高温钢水在钢包内停留时间长，导致蚀包严重。 一些钢厂通过减薄包衬对钢包进行扩容，导致包龄降低，钢包周转紧张，增加了耐材消耗和工人筑、拆包劳动强度，漏包事故时有发生，导致钢包损坏，影响钢铁生产和产量。

钢包损坏多发生在耐火衬的损坏上。 钢包耐火衬损坏的原因多种多样，包括化学蚀损、物理作用和人为因素等。

(1)化学蚀损有：

①耐火衬被熔渣中的化学成分侵蚀；

②受高温作用，耐火衬产生某些化学反应导致损坏。

(2)物理损坏有：

①钢包耐火材料被钢水机械冲刷而损坏；

②钢水的高温反复作用于包衬耐材，导致包衬开裂和剥落。

(3)人为因素，包括：

①对耐材的选择与搭配不当；

②对耐材的使用不当；

③对钢包耐火衬的砌筑方式和烘烤方式不当等。

为了提高钢包耐火衬的使用寿命，天津天铁冶金集团有限公司炼钢厂(以下简称“天铁炼钢厂”)采用高铝尖晶石浇注料对80T 钢包进行了整体浇注试验，效果良好。

3 尖晶石浇注料介绍

尖晶石质耐火材料是指以尖晶石族矿物为主要矿物组成的耐火原料。 尖晶石族矿物的化学通式为AB2O4， 其中A 为Mg2+、Fe2+、Zn2+、Mn2+、Co2+、Ni2+等二价金属阳离子，B 为Al3+、Fe3+、Cr3+等三价阳离子。 在该族矿物中，根据三价阳离子的不同，分别有以下三个系列：尖晶石系列、磁铁矿系列和铬铁矿系列。

由于高铝尖晶石是一种不含碳的耐火材料，且具有较好的抗热震稳定性、较强的耐蚀性能和耐磨性能等优点，更适于作承装低碳钢、超低碳钢的钢包内衬。 通过对此种材料化学性质的分析，依据在其中的含量，将此种耐火材料分为四种：1)方镁石-尖晶石耐材(Al2O3≤30%)；(2)尖晶石-方镁石耐材(30%＜Al2O3≤68%)；(3) 尖晶石质耐材(68%＜Al2O3≤70%)；(4)镁铝砖(Al2O3≤10%)。钢包内衬多用第一种。

自然环境中天然的镁铝尖晶石矿物含量极少，工业生产中多使用的是合成材料。 合成方法是：

MgO+Al2O3→MgO·Al2O3

Al2O3主要来源于工业氧化铝和特级高铝矾土等，MgO 的来源有菱镁矿和轻烧，MgO 粉等。 视原料种类不同，约在900～1 200 ℃时开始反应，1 400 ℃反应显著，1 550 ℃反应基本结束。 合成尖晶石的工艺方法主要有烧结法和电熔法。

3.1 烧结法

(1)一步烧结法将原料按照配比的要求进行配料，充分混合后再经细磨，然后进行压球(坯)，放入1 750 ℃以上的回转窑或竖炉中高温缎烧即可。

(2)二步烧结法将混合坯料首先在1 200～1 300℃的低温下进行预烧，得到活性尖晶石。再将活性尖晶石经细磨、压球(坯)后，于1 750 ℃的高温下缎烧可得密度达3.45 g/cm3的烧结尖晶石。

3.2 电熔法

利用熔化温度可达2 200 ℃的倾动式电炉或漩涡熔化炉进行熔化合成。 电熔法常选用轻烧氧化镁粉、缎烧氧化铝、精选铝矾土、工业氧化铝、高级纯氧化镁等作原料，选用时应注意将MgO 的含量控制在35%～50%之间，其含量过高或过低都将造成溶液粘度过高，影响钢包耐火衬的浇筑。

尖晶石的熔点高达2 135 ℃，化学稳定性好，对酸和碱都有一定的适应性， 抗含FeO 熔渣的能力强，热膨胀系数较小，抗热震性好。 采用高铝尖晶石浇注料时，通常将其制成超细粉末，直接加水通过振动成型使之凝聚结合。 该种耐火材料施工性能好，具有较高的致密度，烘烤时抗爆裂性好。 使用中蚀损均匀，抗开裂与剥落。 其高温性能、使用性能都优于用水玻璃为结合剂的铝镁质钢包浇注料。

天铁炼钢厂在80T 钢包上进行整体浇注试验取得满意的效果，钢包包龄增加，温降减少，生产节奏加快，吨钢成本降低，效益显著。

4 浇注试验

4.1 试验前的情况

自投产以来，天铁炼钢厂80 t 钢包一直采用河南巩义耐火材料厂生产的铝镁碳砖和铝镁不烧砖进行砌筑。 通过耐火砖砌筑的钢包工作衬在使用过程中容易出现裂缝、 侵蚀加快和剥落掉砖等问题，钢包在使用过程中存在较大的安全隐患，异常下线次数较多，小修补次数多，导致耐材消耗量大，钢包周转速度慢，影响钢的产量。 并且铝镁碳砖和铝镁不烧砖的性能特点是导热系数高， 钢包散热快，价格较高，约4 379 元/t，造成成本增加。在实际运行过程中， 钢包平均温降4～6 ℃/min， 最大温降14 ℃/min， 给炉前终点温度控制和炉后浇钢温度控制带来很大困难。 尤其是上连铸钢水，时常因钢水温度过低造成中断以致回炉。 另外，钢包寿命短，统计数字：平均钢包寿命32 次，最大寿命47 次，大部分钢包寿命在30 次以下。 另外，包壁粘渣较为严重，常因钢包粘渣粘钢而提前报废。 造成耐火材料消耗量很大，产品成本高。 为此，天铁炼钢厂技术科与炼钢车间耐火工段共同提出将砌筑包改为整体浇注包，并在7#、11#、12#钢包上进行整体浇注试验。

4.2 试验方案

4.2.1 试验材料、用具

(1)浇注料：采用冶金部洛耐院巩义市联营试验厂生产的高铝——尖晶石浇注料；

(2)350 kg 搅拌机一台；

(3)振动棒二个；

(4)模具一个。

4.2.2 浇注料的理化性能(见表1)

表1 浇注料的理化性能

4.2.3 包衬(容积10.84 m3，盛钢80 t)见图1。

图1

本次试验的7#、11#、12#钢包， 均按天铁炼钢厂现筑包工艺：即砌筑永久层后，使用现有浇注模具进行浇注，包壁及包底厚度参见图1 所示。

4.2.4 铸包及烘烤工艺见图2 所示

图2

4.3 试验条件

(1)钢包：80 t 容量钢包三个，钢包用钢包覆盖剂保温；

(2)45 t 氧气顶吹转炉两座，出钢温度1 740～1 780 ℃，吹氢处理后钢水温度1 610～1 680 ℃；

(3) 钢水在钢包内的停留时间： 模铸30～40 min；连铸50～70 min；

(4)钢种：普碳钢；

(5)每班最大生产量9 炉，停机较为频繁。

5 试验情况及小结

5.1 钢包包龄对比

本次试验主要考察了钢包的温降、寿命及挂渣情况。 从6 月份投入使用到7 月底，7#钢包包龄73 次；11#包包龄68 次；12#包包龄69 次。 平均包龄70 次， 平均温降1.4 ℃/min， 最大温降2.4 ℃/min，最小温降0.4 ℃/min，平均每包覆盖剂65 kg。钢包几乎无挂渣。

由于目前天铁炼钢厂生产的连续性不强，加上生产组织上的不完善，使钢包在使用过程中多次甩包处理：7#包甩包7 次、11#包甩包7 次，12#包甩包8 次，三个包累计甩包22 次。 主要原因是由于包底太厚，不能再继续使用。 其次是上下座砖蚀损严重，需要更换座砖。 钢水有时在包内停留时间过长，钢水冷凝粘结包壁，每次处理，对包壁都有不同程度的损伤，其中7#包与12#包，由于包底损伤较重，分别修补包底各一次。

停产之后， 我们对三个钢包分别做了鉴定，结果表明：整个包衬侵蚀均匀，三个钢包包衬的残余厚度基本上都在100mm 左右， 蚀损厚度平均1.2 mm/次，按此蚀损速度推算，包衬厚度低于40 mm 报废，那么三个钢包平均还可以再使用50 次左右。

5.2 用费对比

与现在用砌筑钢包相比，现在砌筑钢包平均寿命32 次，浇注包平均寿命按70 次计算，效益对照如表2。

表2 浇注、砌筑包衬经济效益对比

如果按年生产能力80 万吨计算， 一年可节约成本4178.4 万元。另外，还可减少用包500 余个，少清理拆包废渣6 000 余吨， 这种方法既降低了生产成本，又改善了工作环境，同时还减轻了工人劳动强度，提高了企业生产效益。

5.3 今后须改进的地方

在钢包使用过程中， 钢包座砖的寿命较低，导致钢包使用频率降低。 今后需要对钢包座砖的材质加以改进，或取消钢包座砖，直接浇注成型，可使座砖使用寿命与包衬寿命同步。

现在350 kg 搅拌机功率太低， 造成施工时间延长，以后施工过程中应该改用搅拌能力较高的搅拌机。

据业内人士分析： 目前虽然钢铁市场出现动荡，但是并不是夕阳产业，只是钢铁业在完成转型期出现的正常现象，并且在2018 年和2019 年全国钢铁发展态势已经出现前所未有的大好局面。 所以展望未来，钢铁仍将是最主要的结构材料和产量最大的功能材料，钢铁业仍然要继续发展。