我国钢包用耐火材料的发展及技术进步

徐平坤

（广州耐火材料厂，广东 广州510300）

钢包，也称盛钢桶，是炼钢到浇钢过程中重要的热工设备。其内衬由耐火材料筑成，我国钢包用耐火材料消耗占钢铁冶金耐火材料总消耗的30%以上。提高钢包使用寿命，降低耐火材料消耗，不但能降低钢铁产品成本，还能提高钢铁的产量和质量，因此追求钢包高寿命是一贯的目标。

随着钢铁冶金技术的发展，连铸及炉外精炼比例增加，钢包已不再是单纯盛装钢水、运输钢水的容器。连铸钢包的钢水温度提高，停留时间延长。而炉外精炼不但要加热升温，还要对钢水进行吹氩搅拌、真空处理、吹氧脱碳、精炼脱硫、添加合金元素等处理工序，使用条件十分苛刻，要提高钢包的使用寿命，科技工作者做了大量工作。

1 钢包用耐火材料的发展历程[1-3]

20世纪50～60年代，我国浇钢采用锭模浇注，钢包内衬主要由黏土砖砌筑，使用寿命在10次左右；1968年武钢270 t钢包采用二等高铝砖内衬，使用寿命25.7次，是黏土砖的2.5倍；1972年洛耐院与福州耐火厂合作，利用福州当地的叶蜡石生产蜡石砖，在马钢15 t钢包上试用，寿命达66次，后来又先后在马钢、鞍钢等大型钢包上使用，其寿命普遍高于黏土砖和三等高铝砖；宝钢于1985～1988年使用日本进口的蜡石砖做钢包内衬，平均使用寿命38次。蜡石砖具有微膨胀特性，使钢包整体性好、侵蚀均匀、不挂渣、抗渣渗透性强、热导率小、比重轻、钢包不易超重等，可以说是钢包的理想内衬材料。可是蜡石砖的耐火性能差（耐火度在1 610～1 630℃），使用过程熔蚀严重，使用寿命低，发展连铸和炉外精炼，很少有人用蜡石砖。但通过使用蜡石砖给了我们有利启发：钢包内衬必须要整体性好，在持续加热过程中耐火材料有微膨胀性，以保持好的结构和体积稳定性，其次在使用温度下产生一定高黏度的液相，以缓冲使用结构的热应力。因此，开始研究不定形耐火材料内衬，使内衬的整体性更好。1974年冶建院与上耐一厂合作进行投射法筑衬试验，用水玻璃结合二等铝矾土熟料，投射15 t钢包，使用寿命达22次，但由于投射内衬的致密度和均匀性始终不够理想，影响寿命提高，在我国未获得进一步发展（西方国家的投射料主要是硅质和半硅质，原料来源容易，而且使用中粘渣轻）。逐渐采用机械化捣打的捣打料，鞍钢和南京某厂先后研制成功钢包专用捣打机，用铝镁质或高铝质捣打料，鞍钢200 t钢包寿命达85次，耐火材料单耗2.7 kg/t钢。但由于捣打机结构复杂，造价高，不同容量的钢包要求不同大小的捣打机等原因，推广困难。

振动浇注施工，不需要复杂的机械设备，施工效率高，施工的内衬均匀，无分层现象。特别是该法可以不拆除残存的内衬，仅对用后内衬上的残渣残钢清除，即可放入模胎，对整个内衬进行补浇，达到原来的厚度，和新内衬一样使用。洛耐院于1981年成功研制第一代水玻璃结合的铝镁质浇注料，在汉阳钢铁厂转炉10 t钢包、电炉18 t钢包使用，寿命达70次以上，耐火材料单耗4～5 kg/t钢，筑炉成本下降83%，经济效益十分显著。原冶金部于1983年召开一次全国中、小钢铁厂和耐火厂参加的钢包整体内衬经验交流会与推广会，随后一些钢铁厂学习汉阳经验，先后采用浇注整体钢包内衬。如攀钢145 t钢包、马钢平炉105 t钢包、太钢70 t钢包、以及唐钢、上钢、首钢等都投入了整体内衬的钢包。首钢45 t钢包还建成一条机械化施工流水线，在模框上装设了附着式振动器，甩掉人工操作的振动棒。汉阳钢铁厂确立单包周转，采用红包装钢，在降低出钢温度20～30℃情况下，内衬不挂渣也不存在冷钢问题。至1985年已在全国普遍推广，其包龄比砖砌钢包普遍提高3～4倍，耐火材料单耗下降60%～80%，经济效益十分明显。20世纪90年代，国内很多钢厂上马连铸及炉外精炼设备，对钢包用耐火材料提出更高的要求，一些耐火材料生产企业及科研院所对铝镁浇注料又进行了深入细致的研究，如骨料由原来的一级高铝矾土料提高到特级，以及高纯的刚玉；结合剂改用铝酸盐水泥或MgO-SiO2-H2O系结合；还有MgO的引入对浇注料性能影响等试验研究，取得一些好的成果。

一些大型钢包采用炉外精炼装置，普通浇注料无法满足工艺要求，钢包内衬采用砖砌。宝钢300 t钢包渣线1989年就开始用镁碳砖。20世纪90年代，宝钢与焦作耐火厂，洛耐院合作开发的铝镁碳砖，在300 t连铸钢包上使用，将一等高铝砖的寿命由20次提高到80次以上，最高126次，先后又在鞍钢、攀钢等许多钢厂的钢包上使用，使用效果都不错；河南某厂开发的高档铝镁不烧砖，采用刚玉、高纯电熔镁砂和高纯铝镁尖晶石等原料，高性能复合结合剂生产的产品，满足了洁净钢、低碳钢和超低碳钢的需要，在100 t钢包和LF精炼钢包上使用，寿命是铝镁碳砖的1.5倍；鞍钢200 t钢包一次包龄110次，最高128次，超过铝镁碳砖；由于增碳问题，开发了低碳镁碳砖，碳含量在5%左右，宝钢300 t钢包渣线寿命与普通镁碳砖相当；20世纪90年代初，洛耐院以合成镁钙砂和电熔镁砂为原料，以固体无机盐和无机盐溶液为结合剂开发了不烧镁钙砖，在40 tLF-VD精炼钢包使用40次以上，钢中氧含量从12.2×10-6下降到11.13×10-6，某耐火材料公司用无水树脂结合的不烧镁钙砖，在100 tLF钢包上使用寿命80～85次；21世纪初，首钢225 t钢包使用以无水树脂结合的不烧镁钙碳砖（渣线用镁碳砖），平均寿命116.8次，比铝镁碳砖提高37.57次，钢中的氧含量和非金属夹杂都有降低，还有一些钢厂在精炼钢包上使用不烧镁钙碳砖，取得良好效果。

宝钢300 t钢包从1995年开始使用进口浇注料，使用寿命从平均217次提高到251次，耐火材料消耗从1.94 kg/t钢提高到1.84 kg/t钢；1996年12月开始使用国产浇注料，到2000年平均寿命258次，耐火材料消耗1.78 kg/t钢，超过进口料水平。2000年300 t钢包LF炉投产，包龄平均下降到154.5次，宝钢采用一种新的浇注方法，平均包龄157.5次，耐火材料消耗仅1.6 kg/t钢，吨钢成本比以往下降20%以上。

现在，钢包基本上是复合筑包，即不同部位采用不同材质的耐火材料，工作层采用不同档次的铝镁浇注料或预制块或镁碳砖和铝镁碳砖，永久层从黏土砖到高铝砖，再到高铝质浇注料，目前在研究轻质保温浇注料等。

2 技术进步措施

2.1 浇注料套浇、喷补与减排降耗，提高钢包寿命

钢包采用浇注料的整体内衬比砖砌内衬消除砖缝，施工便于机械化，施工速度快，省工省力，降低筑衬成本，提高了使用寿命，减少耐火材料消耗。从20世纪80年代初的水玻璃结合铝镁浇注料到95攻关成功的高铝矾土基尖晶石浇注料，以及大型钢包用的刚玉—尖晶石浇注料都比砖砌内衬使用寿命高，耐火材料消耗降低。特别是采用套浇，即当内衬侵蚀超过原厚度一半时，清除包衬上的残渣残钢，先补浇包底，再坐上胎模补浇包壁，补浇后的内衬尺寸和新包内衬相同，经烘烤即可重新投入使用，使用次数与新包相仿。由于补浇用料只相当新内衬用料量的1/3～1/2，节约大量耐火材料消耗。在钢包没有严重冷钢冻结事故的情况下，套浇可以不断循环下去，这样就基本实现了残存耐火材料的零排放。例如[3-4]，莱钢130 t钢包采用剥皮套浇修砌工艺，并用喷补续衬焊接技术进行小修，经3次小修的4次包龄达190次以上，工作衬耐火材料消耗同比套浇工艺降低0.61 kg/t钢。然后再对工作衬进行剥皮套浇中修，再续衬3次小修，依此循环8～9个周期，可使钢包浇注工作衬寿命达1 500次以上。如果将浇注料进一步优化，套浇及喷补技术进一步提高，不但钢包寿命大大提高，而且基本做到残存耐火材料的零排放。我国小型钢包基本上都采用套浇工艺，大型钢包也做过套浇试验，效果很好，但没有在生产上全面推广。

还可用火焰喷补技术对钢包内衬进行修补[5]，使喷补料与钢包壁表面达到高附着率，喷补料与附着的内衬壁之间，很快形成强度较高的陶瓷结合新的内衬。例如，用镁碳砖或铝镁碳砖砌筑的连铸精炼钢包， 采用 MgO45%～55%，CaO20%～30%，FeO18%～24%，SiO24%～8%。引入 FeO、SiO2是为了使火焰喷补过程中形成液相，提高喷补料的附着率和烧结性。钢包火焰喷补属于先进技术，由机械化、自动化程度高的设备，将被侵蚀、损坏、耗损的内衬及时修复，大幅度提高钢包内衬寿命，使耐火材料内衬物尽其用，向钢包永久内衬，用后耐火材料零排放迈进。

田守信等人做了降低精炼钢包耐火材料单耗试验[6]：某钢厂电炉60 t LF钢包渣线为再生MgO-C料66%的再生MgO-C砖，熔池为再生料88%的再生MgO-C砖。为了降低对内衬的侵蚀，采取控制电炉末期渣量和渣中FeO含量，采用镁钙碳质改质剂，改善维护制度，用二等高铝砖对熔池贴补，使钢包寿命由40～50次提高到88次，耐火材料消耗由9.3 kg/t钢下降到5.6 kg/t钢。

宝钢邱文东提出钢包耐火材料的理想配置为[7]：包壁保温层厚30 mm，永久层整体浇注厚80～100 mm，工作层浇注厚180～210 mm，渣线采用低碳镁碳砖厚180～230 mm，包底整体浇注，根据包大小选择合适厚度。参考国外经验，制定修理模式（见表1），开发接续浇注修补技术，在不废弃原衬的情况下连续施工筑衬。

表1 钢包修理安排

2.2 钢包加盖，永久层隔热保温，回收余热，节能环保

我国钢铁冶金能耗比日本高50%，大型钢铁企业也高30%左右。其中钢包散热损失占很大比例，首先是敞开的钢包通过包口热辐射散热量占钢包散热的30%。到目前为止，我国个别钢厂实现钢包全程盖保温盖，钢包盖用含锆纤维折叠毯，保温效果明显。山钢[8]在120 t钢包全程加盖，经数据统计分析，运输过程温度损失约减少13℃，全程温度损失减少25℃，出钢温度在原来基础上下调25℃，提高了合金收得率，减轻钢水对内衬的侵蚀，转炉出钢口寿命提高10炉以上，延长钢包使用周期，减少炼钢炉料的使用量等。而大部分钢厂的一些钢包只是在烘烤、LF处理和浇铸等固定地方加盖，其他地方都是敞开的，应该引起重视。其次就是钢水通过包壁传热占钢包散热的30%～40%，在钢包壁内衬永久层选用热导率小的材料，在不增加，甚至减小包壁厚度的情况下，如何提高保温效果是多年来研究的课题。永久层从黏土砖到高铝砖，再到低水泥高铝浇注料，隔热保温效果都不太理想。后来一些钢厂在钢壳与永久层之间砌筑隔热材料，有的用泡沫轻质砖，有的用纤维毡或加绝热板等，但仍需砌一层安全衬，这样不但增加了砌筑工序，而且由于永久层与保温砖结合不好，增加了维修次数。因此有人研制出轻重质复合保温砖[9]，在大冶钢厂60 t钢包上试验，与黏土砖永久层相比，钢包外壳温度下降80℃以上，可降低出钢温度12℃左右。田守信[10]运用内衬四层砌筑方法，即在钢壳内表面涂层节能涂料，向内接着是10 mm厚纳米绝热板，再向内是75 mm厚的高强纳微米隔热浇注料，接着是工作衬，渣线工作衬为低热导率的镁碳砖，熔池为刚玉—尖晶石质不烧砖。其结果是渣线包壳温度225℃，熔池包壳200℃，包底壳170℃。而高强纳微米隔热浇注料和低热导率工作衬有效保护了纳米绝热板。

永久层采用粒状纤维浇注料的热导率为一般浇注料的一半左右[11]，永久层的实际温度在1 000～1 100℃，不会超过1 350℃，不会造成纤维烧结，其强度也完全没有问题，见表2。某钢厂200 t钢包原外壁温度260～280℃（有含锆纤维硬质板隔热），永久层用粒状纤维浇注料后，钢包外壁温度180～230℃。钢包覆盖剂的作用不可忽视，本钢研制的添加膨胀珍珠岩和膨胀石墨的钢包覆盖剂[12]，比传统的稻壳覆盖剂的钢水平均降温低0.4℃。

目前中、小转炉钢包，大都采用铝镁浇注料的整体内衬，永久层采用轻质浇注料。由于钢包外表面散热减少，可节能993.6 MJ/h，折合标准煤为33.9 kg。总之，各类大小的钢包在外壳与工作衬之间都采用了一些保温措施，但钢包余热回收利用也很重要，山东某钢厂将钢包烘烤过程中产生的废烟气引入铁合金料仓内[13]，烘烤铁合金或其他炼钢原材料，从而节能减排，提高钢水质量。浇完钢后的钢包余热却很少被关注，其实从包口辐射出大量热能，特别是浇钢完成后敞开包口，热量就白白损失，可以考虑在包口安装热交换器，回收余热，然后将热空气送到其他炉窑（如电厂锅炉）与燃气混合进行燃烧，节能环保。

表2 浇注料性能指标对比

2.3 不同精炼方法、不同钢种的钢包内衬用不同耐火材料

不同精炼设备有不同的精炼条件，对钢包的侵蚀也不同，如普通钢包渣线用镁碳砖一次性使用寿命达120次，而一般LF炉钢包一次性寿命为60次[14]。不同精炼设备钢包内衬侵蚀速度有差别，普通钢包∶LF∶LF-VD∶VOD=1∶2∶4∶8。LF-VD、VOD、RH、DH 等有真空处理功能，在高温真空条件下不宜选择添加铝粉、硅粉和碳化硼的耐火材料，这些易与氧化镁发生氧化还原反应，降低钢包使用寿命。而CaO不易与碳发生反应，MgO-CaO-C质耐火材料更适合在这些特殊条件下使用。

随钢种采用不同的耐火材料做钢包内衬，如汽车板钢等超低碳钢要用低碳和无碳耐火材料做钢包内衬、帘线钢要用无铝耐火材料，一般选用镁钙砖做钢包工作衬、不锈钢用镁钙砖等。精品钢包要用精品耐火材料精细打造，还应当采用无渣出钢技术，即良好的挡渣出钢，不但降低渣对钢包内衬的侵蚀，还能减少脱氧剂的用量。

2.4 钢包红包接钢，加速周转，防止粘渣

钢包使用高铝质及一些碱性耐火材料内衬，包壁容易粘渣或结瘤，随着使用次数增加，粘渣越积越厚，造成有效容积减少，空包重量增加，如果达到或超过行车起吊重量，就给生产带来安全隐患。粘渣严重的只好拆除，这样使包龄降低，耐火材料消耗增加。采用红包接钢，加快钢包周转，急冷急热减少，包衬裂纹减少，粘渣就轻[15]。山东某钢厂为加快钢包周转，编制了炼钢—精炼—连铸的钢包路径计划，有空包行走路径和重包行走路径计划。钢包有序调度，加大红包利用率，不但减轻钢包挂渣，还降低了能耗。

钢包挂渣的原因比较复杂，与炼钢工艺、钢种、耐火材料的材质和质量、钢包保温、钢包周转快慢等因素有关。其中加快周转、红包接钢是比较通用的办法。当然也有的耐火材料对所有钢种基本上都不粘渣，如蜡石砖。它的侵蚀机理是以熔蚀为主，与钢水熔渣接触形成黏度很高的液相层，阻止熔渣渗透，而且受热后具有微膨胀、内衬整体性好等优点。但其耐火性能差，当连铸和精炼上马后，蜡石砖被淘汰。

其次是钢包口结渣亦不能忽视，会使包口有效面积减小，造成倒渣不干净。往往采用烧氧切割或机械拆除，大多会破坏包衬，还消耗大量劳力。可以在包衬内表面涂抹或喷涂一层涂料，隔绝熔渣与包衬的接触，达到防止包衬粘渣的目的。方斌祥等人[16]以菱镁矿、石英、黏土、氧化铬微粉及磷酸盐为原料做出的防粘渣涂料，在宝钢精炼包的镁碳砖表面上涂覆3～5 mm厚，浇铸完成后，与黏附在镁碳砖表面的熔渣一起脱落，延长了渣线和包口镁碳砖的使用寿命。也有采用碳化硅和石墨等不易被熔渣润湿的物质，但价格较高。

3 讨论

（1）我国钢包用耐火材料的使用寿命，虽然比以前有大幅度提高，经过套浇寿命达千次以上，但比起先进国家的水平还有一定差距，最直观的经济指标是吨钢耐火材料消耗，先进国家钢包耐火材料消耗为1 kg/t钢以下，而我国最好的是2 kg/t钢左右，而大部分在4 kg/t钢，可见还有很大的潜力可挖。

（2）我国钢铁产能不能再扩大，企业之间竞争激烈，市场竞争和国家政策迫使钢铁行业经济转型，即由资源消耗和投资拉动型转化为降低消耗和服务效益型。耐火材料要接受很大的挑战，为钢铁行业节能降耗做贡献。降低耐火材料消耗，就要提高耐火材料质量，研究耐火材料的使用方法，减少耐火材料用量，也降低了钢铁成本。其次是钢包的节能降耗也大有潜力，比起日本，我国每吨钢要多消耗200～250 kg标准煤，应该进一步研究钢包保温隔热问题。

（3）钢铁行业要精细化管理，抛掉“粗放型管理”的老毛病，不能单靠补衬以增加使用次数，要精打细算，算出耐火材料的消耗量，热量损失量等，得出最佳的使用次数。要学习先进国家的经验，找出差距，以便迅速赶上、尽快达到或超出世界先进水平。

4 结语

（1）钢包是钢铁行业的重要热工设备，由锭模浇钢时期的单纯盛装钢水设备，发展到连续铸钢，炉外精炼的冶炼设备，使用条件十分苛刻，对耐火材料的要求越来越高。

（2）我国钢包用耐火材料在不断地发展和进步。从黏土砖、高铝砖、蜡石砖、铝镁砖、镁碳砖、镁钙砖、铝镁碳砖、镁白云石质砖、镁白云石碳砖等，钢包内衬耐火材料的使用寿命也从当年黏土砖使用寿命10次左右，发展到现在用碱性耐火材料的使用寿命普遍在150～200次。

（3）20世纪70年代开始对钢包内衬采用不定形耐火材料的试验研究，先后采用投射、捣打及浇注等施工方法，最后肯定了铝镁浇注料。中、小钢包普遍用铝矾土熟料加镁砂细粉，大钢包用刚玉与镁砂细粉配制的浇注料。再采用套浇及修补工艺，钢包使用寿命达2 000～3 000次，吨钢耐火材料消耗在2 kg以下，向永久内衬、残存耐火材料零排放迈进。

（4）钢包内衬的永久层普遍采取隔热保温措施，有的砌一层轻质保温砖，有的涂抹保温涂料及纳微米保温板，有的钢包加盖，有的钢厂加速钢包周转，红包接钢，使钢包散热损失减小，钢水温降变小，有利于节能降耗。

（5）我国钢包用耐火材料虽然取得很大的技术进步，但比起先进国家水平还有一些差距。钢铁企业、耐火企业应该努力赶上，达到或超过世界先进水平。作为钢铁生产大国和耐火材料生产大国，这是我们义不容辞的责任。