100 t 钢包扩容设计与实践

张文祥 武晓阳 李 超 柳晓辉 张朝发 魏 军

（河钢股份有限公司唐山分公司）

0 前言

为满足生产需求，转炉后期有效容积增大后可以增加出钢量，但是转炉增产受现有钢包容量的限制，钢包装入量过大容易出现精炼炉溢渣现象，如果只是单纯减小钢包工作层的厚度，则会造成钢包包龄寿命的降低、耐材成本的升高。唐钢长材事业部2022年1月份起进行了月产45 万t规模生产，需转炉冶炼扩容，即每炉钢水量从现在的100 t 增至125 t，为适应转炉容量增加后的生产需要，钢包设计优化和改进势在必行，设计出了一种100 t 钢包可承装125 t 钢水的修砌方案并实践应用。

1 容积计算及耐材尺寸优化

钢包作为炼钢生产中必不可少的载体，是炼钢—连铸界面钢水承载和二次冶炼的重要容器，将各个工序有机联系起来，保证了炼钢有序进行。钢包不仅承接转炉冶炼完成的钢水，而且是精炼的重要设备，在满足装钢的同时，还要满足精炼工艺，如对钢包净空要求、钢包上部内径尺寸要求等。因此，对100 t 钢包进行设计和改进，容积需满足盛装转炉出钢量和精炼工艺的需求。

1.1 原100 t 钢包设计方案及砌筑要求

包壁设计：包壁永久层打结前在包壁上粘贴保温板，保温板采用纳米绝热材料，厚度为10 mm。永久层打结要求将胎模与四周保温板之间的间隔控制在（100±5）mm，浇注料搅拌时添加的水量控制在6.0%左右，以浇注料流动性作为最终判定依据，搅拌均匀，安放好新钢包胎具，按工艺要求操作。修包壁过渡层时使用80 mm 安全衬，钢包包壁工作层采用210 mm 包壁砖，渣线部位采用240 mm 镁碳砖，包壁安全衬和工作层之间采用40 mm 刚玉自流料，要求包沿高度小于120 mm。包壁总计厚度为440～470 mm。

包底设计：先打结100 mm 包底永久层，然后采用包底平铺层加立砌工作层的修砌方法。包底和水口座砖仍采用现有砌筑方法，即先装好透气座砖和水口座砖，透气座砖与包底砖之间的预留间隙，水口座砖与包底砖之间的预留间隙均为50～100 mm。包底砖砌筑完成后，透气座砖与包底砖周围的间隙、水口座砖与包底砖周围的间隙、包底砖与包壁永久层之间均用刚玉自流料填充，最后插砖、振捣密实，做到砖缝纵横错开、泥浆饱满，包底砌筑找正、卡牢，打结底料与透气砖座砖齐平。包底总厚度达到450 mm，满足了钢包净空高度400 mm，钢包容量100 t 的使用要求，同时也提高了钢包的使用安全性能。

1.2 主要设计参数

（1）100 t 钢包包体钢结构主要尺寸及工艺参数：上口外径3 760 mm，下口外径3 280 mm，钢包总高（不含罐脚）4 065 mm，钢液面净空高度400 mm，液态渣厚度150 mm，钢水比重6.9 t/m3。

（2）钢包容积公式[1-2]：

式中，H——钢包高度，mm；D——钢包上部直径，mm；D1——钢包下部直径，mm；V——钢包容积（包含耐材容积），mm3。

1.3 计算结果

钢包包底是一个相对复杂的部位，包含滑动系统，透气砖、水口座砖等，该设计改进是在包底耐材不变的前提下，按照上述钢包设计参数和容积公式进行理论计算得到的，原包壁耐材厚度D前=470 mm，V前表示原100 t 钢包容积，ΔDV为新增25 t 钢包容积，优化后的钢包容积V后为125 t，代入钢包容积公式计算得出D后=350 mm。因此DΔ=D前-D后=120 mm。

在现有钢包基础上增加25 t 钢水容量，需增大内径120 mm，即包壁耐材厚度总体需要减少120 mm，据此考虑去掉修包壁过渡层使用的80 mm安全衬，包壁安全衬与工作层之间的40 mm 刚玉自流料，并据此设计了新砌砖方案。此设计改进方案未考虑缩短钢包永久层厚度，所以对钢包包胎尺寸无影响，原有包胎可以继续使用，其他部位尺寸和结构不变。

2 砌筑工艺

2.1 钢包优化设计方案和砌筑要求

包壁设计：根据实际情况，确定通过减少钢包砌砖的厚度扩大钢包内径来实现扩容，去掉修包壁过渡层使用80 mm 安全衬，去掉包壁安全衬和工作层之间40 mm 刚玉自流料，钢包扩容后取消包沿砖，使用渣线砖代替，否则净空不能满足精炼要求。包壁总计厚度为320～350 mm，经计算，钢包净空高度为400 mm 时，钢包容量为126 t，达到了优化设计的要求，满足了钢水装入量。

原始设计方案中修砌顺序为保温板—永久层—安全衬—刚玉料—工作层，改进后的设计方案中修砌顺序为保温板—永久层—工作层，原始设计方案和改进后的设计方案如图1 所示。

包底采用重质料打结，平铺和立砌修砌方式，厚度为200 mm。包底和水口座砖仍采用现有砌筑方法，即先装好上、下座砖，再拼砌底部砖。砌砖时须用木榔头轻敲打紧，砖与砖之间的缝隙要小于2 mm，砖缝纵横错开，做到砖缝泥浆饱满，罐底砌筑找正、卡牢。钢包大修时，包底需重新打结底料；钢包小修更换水口座砖或透气砖时，需打结底料与透气砖座砖齐平。

2.2 钢包砖优化

钢包包壁砖采用200 mm 厚的铝镁碳砖，要求砖中碳含量提高2%，即含碳量为8%。渣线砖采用240 mm 厚的镁碳砖，要求砖中碳含量提高2%，即含碳量为14%，以提高砖的抗浸蚀能力[3-4]。钢包砖的理化指标见表1。

表1 钢包砖理化指标

3 钢包改进方案可行性校核

3.1 钢包空载和荷载情况下重心与耳轴位置

耳轴的位置对于整个钢包的倾倒过程来说是十分重要的。若耳轴的位置太低，则很可能由于操作不当导致钢液的过快倾倒；若耳轴的位置过高，则会增大倾倒钢液过程中所需要的倾翻力矩，进而增大起重机副钩的起重量，这样就造成了很大的能源浪费[5]。钢包设计耳轴中心应高于钢水罐满灌合成重心以上200～400 mm。改造后钢包重心与耳轴如图2 所示。对比改造前后钢包重心与耳轴位置，坐标原点位置：钢包耳轴连线中点（X=0，Y=0，Z=0）；改造前重心（mm）：X=-2.569 103，Y=-352.736 125，Z=-4.602 990；改造后重心（mm）：X=-2.569，Y=-364，Z=-4.52。

图2 改造后钢包重心与耳轴

计算表明，钢包重心与耳轴位置符合设计要求。

3.2 钢包倾翻力矩

钢包在倾倒过程中，其倾翻力矩由三部分构成：钢包空包引起的倾翻力矩、钢包耳轴的摩擦力矩、钢液引起的倾翻力矩。通过计算起重机副钩的起重量与倾翻角的关系，核定起重机副钩的起重吨位，当前80 t 副钩起重量完全能够满足扩容钢包倾翻要求。经验证，此改进方案不影响钢包相关设备诸如钢包车、龙门钩和连铸钢包回转台的承载能力，相关设备不需要改进，钢包扩容改造费用不需要增加[5-6]。

3.3 钢水装入量

钢包扩容前后，钢水装入量（钢包盛装钢水量）如图3 所示。

图3 钢包扩容前后钢水装入量对比

从图3 可以看出，通过钢包修砌工艺的调整改进，钢包钢水装入量较过去提高了25 t 左右，达到了预定目标。

3.4 钢水温降

此设计方案虽然去掉了安全衬砖，减少了保温板厚度，但浇注料具有气孔率高、体积密度小、导热系数小、重烧收缩小等优点，绝热保温效果好，钢包温降正常，未发生因钢包温降大而导致回炉钢水的现象。

3.5 钢包寿命对比

钢包扩容前2021 年10 月－2022 年1 月，钢包平均包龄为95.45 炉，精炼比28.92%。扩容优化后，2022 年2 月－5 月，钢包平均包龄为96.47炉，精炼比29.77%，钢包包龄使用平稳，无影响。扩容前后钢包寿命对比如图4 所示。

4 结论

（1）通过对100 t 钢包优化设计与改进，改进后的钢包完全满足承装125 t 钢水要求，未超出240 t 天车的承装能力。

图4 扩容前后钢包寿命对比

（2）原设计100 t 钢包总计耐材用量54.7 t，设计改进后钢包耐材用量减少到40.2 t，耐材消耗量降低，在保证钢包安全运行的基础上降低了耐材吨钢成本。同时由于单炉产量增加，吨钢动力费用和人工费用相应减少，有效降低了吨钢生产成本。

（3）改进后的设计方案增大了钢包的有效容积，提高了钢包装钢量，同时提高了钢包净空高度，有利于避免精炼炉溢渣，保证了钢水LF 精炼所需有效空间，对实现钢水炉外有效精炼，提高钢水质量，增加品种档次，提高品种比例具有重要意义。