01

鋼包的功能改變對耐火材料的影響

隨著二次精煉的發(fā)展，鋼包已從盛放鋼水的容器發(fā)展為二次精煉的重要冶金設(shè)備，隨之鋼包用耐火材料的使用條件也發(fā)生了明顯的變化，主要表現(xiàn)在如下方面：

(1)二次精煉鋼包的鋼液溫度明顯升高，通常比普通鋼包高出50~100℃，精煉過程中可能高出150℃以上，溫度越高，熔渣和鋼水對耐火材料的侵蝕明顯加快。

(2)二次精煉鋼包的鋼液循環(huán)運動加劇。由于噴吹氬氣、電磁攪拌和真空處理等技術(shù)的采用，鋼液對耐火材料的沖刷和磨損作用嚴重。

(3)二次精煉鋼包的爐渣的侵蝕性增強。二次精煉爐由于需要進行深脫硫、磷渣冶煉操作，所以爐渣的堿度高，渣量大，對耐火材料的侵蝕作用明顯加劇。

(4)二次精煉鋼包的盛鋼時間明顯延長，比普通鋼包延長1至數(shù)倍，結(jié)果使鋼包用耐火材料的使用壽命明顯變短。

(5)由于二次精煉鋼包很多情況都是在高溫真空下使用的，真空條件下，耐火材料的蒸發(fā)速率加快，同時也使得耐火材料的抗侵蝕性下降。

02

鋼包用耐火材料有哪些要求

鋼包二次精煉技術(shù)的發(fā)展，使得鋼包用耐火材料在使用過程中必須滿足如下要求：

(1)耐高溫。能經(jīng)受高溫鋼水長時間作用而不熔融軟化。

(2)耐熱沖擊，能反復(fù)隨鋼水的裝、出而不開裂剝落。

(3)耐熔渣的侵蝕，能承受熔渣和熔渣堿度變化對內(nèi)襯的侵蝕作用。

(4)具有足夠的高溫機械強度，能承受鋼水的攪動和沖刷作用。

(5)內(nèi)襯具有一定的膨脹性，在高溫鋼水作用下，內(nèi)襯之間緊密接觸而成為一個整體。

03

鋼包工作襯應(yīng)具備的條件

鋼包工作襯是接觸鋼水和爐渣的重要部位，在使用過程中受到鋼水和爐渣的侵蝕、沖刷、熔解以及熱震破壞的影響，所以在使用時應(yīng)具備如下條件：

(1)工作襯在施工工程中應(yīng)力求設(shè)備簡單，施工方便，能夠降低勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率。要具有良好的烘烤適應(yīng)性，減少烤包能耗的同時能夠增加鋼包的利用率，延長鋼包的使用周期，減少備用包的數(shù)量。

(2)在高溫使用條件下應(yīng)具有良好的高溫性能，不但要求有較高的耐火度和一定的高溫強度還必須有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，保證高溫條件下不會對鋼液產(chǎn)生二次氧化，不會對鋼液造成污染，不降低鋼坯的質(zhì)量。

(3)使用過程中應(yīng)具有良好的抗熔渣侵蝕和滲透的性能，以及耐鋼水和渣液沖刷的能力，有利于提高鋼包工作襯的使用壽命，減少鋼包耐火材料的消耗，減少耐火材料對鋼液的污染。

(4)工作襯應(yīng)具有良好的抗熱震性和良好的體積穩(wěn)定性，與鋼水接觸時不炸裂，保證鋼包具有良好的整體性。

(5)鋼包工作襯還應(yīng)具有較低的熱導(dǎo)率，較好的保溫性能，能夠減少中間包的熱損失，保持中間包鋼液溫度的穩(wěn)定。

(6)使用后的工作襯應(yīng)便于拆包，工作層和永久層易脫離，能夠減少作襯耐火材料對鋼包永久襯的損壞，有助于延長鋼包的使用壽命。

04

鋼包用耐火材料的損毀原因

鋼包周轉(zhuǎn)過程：轉(zhuǎn)爐/電爐出鋼→二次精煉處理→連鑄澆鋼→鋼包準備作業(yè)→等待出鋼。正常周轉(zhuǎn)時間根據(jù)鋼種和連鑄機的不同，需要時間100~140min。鋼包出鋼溫度1680-1700℃，盛鋼時間100~120min，全連鑄澆鋼作業(yè)典型鋼包渣成分(%):Al?O? 17%~26%，SiO? 8%~10%，CaO 42%~47%，MgO 5%~11%，F(xiàn)eO 18%~22%。如果冶煉硅鋼、橋梁鋼、汽車板鋼等超低碳鋼工藝必須經(jīng)過真空處理，同時采用對鋼包底部吹氬氣攪拌和LF爐通過電弧加熱、爐內(nèi)還原氣氛、造白渣精煉、氣體攪拌等手段，強化熱力學(xué)和動力學(xué)條件、脫硫、合金化、升溫等綜合精煉效果，因此熔渣堿度范圍大，鋼水和爐渣的溫度更高，鋼水在鋼包內(nèi)的滯留時間延長，熱震性強，攪拌力大，對鋼包的內(nèi)襯損壞加劇。

損毀原因如下：

首先，鋼包用來運輸高溫鋼水。在運輸過程中，1680℃左右的高溫鋼水和熔渣對其進行沖刷侵蝕，尤其是渣線部位，沖刷侵蝕比較嚴重，是決定一個罐使用壽命的重要因素。

其次，LF等爐外精煉處理對不燒磚損毀嚴重。

第三，在轉(zhuǎn)爐出鋼、流出鋼水時內(nèi)襯承受著劇烈的溫度變化，并由此引起內(nèi)襯材料的裂紋和剝落。

第四，鋼包在轉(zhuǎn)爐出鋼裝入鋼水時，高溫鋼水對其底部有強烈的機械沖刷，致使該部位內(nèi)襯材料易出現(xiàn)因熱沖擊造成的損毀。

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如何減少鋼包耐火材料結(jié)構(gòu)剝落

耐火材料在使用過程中，熔渣易于從加熱面滲透到其內(nèi)部的深處，使工作面附近的氣孔率顯著降低而致密化，生成很厚的變質(zhì)層。當(dāng)溫度劇烈變化時，在變質(zhì)層與原磚層之間交界處產(chǎn)生與工作面平行的龜裂而使磚剝落和損毀。減少耐火材料的結(jié)構(gòu)剝落，其辦法是減少爐渣滲入的深度，可以從如下幾方面著手：

(1)提高耐火材料的抗?fàn)t渣滲透性;

(2)降低耐火材料的氣孔率，降低爐渣的侵蝕通道;

(3)爐渣與耐火材料反應(yīng)形成高熔點的化合物擋墻，阻止渣的滲透;

(4)增加爐渣的黏度。爐渣的黏度越大，對耐火材料的侵蝕性越差。

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鋼包透氣磚的主要作用

鋼包透氣磚是二次精煉工藝中最關(guān)鍵的功能元件，其主要作用有如下幾個方面：

(1)可以調(diào)節(jié)鋼包內(nèi)鋼水溫度的均勻分布，以實現(xiàn)現(xiàn)有工藝最佳澆鑄溫度。

(2)通過吹氣攪拌可使鋼包中的合金和脫氧劑均勻分布。

(3)可以將鋼水中的非金屬夾雜帶入渣中以滿足鋼液要求的潔凈度。

為實現(xiàn)上述功能，需要將精煉所用的惰性氣體通過透氣磚吹入到鋼包中，在透氣磚與鋼水的接觸面即透氣磚的工作面上，在足夠的壓力下，吹出的大量氣泡形成氣體噴射束，對整個鋼包內(nèi)的鋼水進行攪拌，促使鋼水流動，使鋼包內(nèi)溫度和成分均勻化，同時不斷噴出的氣泡在界面作用下將鋼水中的非金屬夾雜帶入渣中，達到潔凈鋼水的目的。

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鋼包透氣磚應(yīng)具備的性能

透氣磚要滿足上述的冶金功能，必須具備如下幾方面的主要性能：

(1)良好的透氣性。透氣性是衡量透氣磚質(zhì)量的重要參數(shù)之一。研究表明：鋼水的攪拌能與吹入氣體的流量成正比;攪拌能直接影響鋼水的攪拌效率，只有足夠的攪拌才能使鋼水取得良好的攪拌效果。當(dāng)吹氬量一定時，吹出的氬氣泡越多，對鋼水的脫氣和攪拌越有利。

(2)高溫耐侵蝕性。精煉鋼包在溫度和時間方面都要求非常嚴格，最高溫度往往達到1750℃以上，精煉時間有時達到數(shù)十分鐘。在精煉操作過程中，熔渣堿度對透氣磚的壽命影響很大。所以，透氣磚會受到在高溫下滲透性很強的堿性渣的侵蝕，損毀速度快。

(3)高溫耐磨性。精煉鋼包底吹氬時，由于底吹氬的進行，鋼水在鋼包中的流動速度很快，鋼水對爐襯材料和底部透氣磚和座磚的沖刷磨損明顯加大。鋼包熱修時，為了清除透氣磚表面的殘鋼和殘渣，恢復(fù)透氣磚的透氣功能，需要對透氣磚表面進行吹氧清洗，使透氣磚表面黏附的鋼渣熔化;同時向透氣磚吹入噴吹氣體，吹走熔渣。在清理過程中，透氣磚受到高速氣流的沖刷作用，所以要求透氣磚具有良好的高溫耐磨性。

(4)抗熱震性好。由于是鋼包間歇操作，鋼包倒入鋼水時，透氣磚的端部受到高溫鋼水的作用，溫度陡然上升，吹氬氣時，受冷氣流冷卻，材料內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。同時，鋼包空包內(nèi)注入鋼水時，也會產(chǎn)生很大的溫度變化，所以透氣磚的使用條件非?？量?，極易產(chǎn)生熱剝落和結(jié)構(gòu)剝落。

(5)要求安裝簡便，安全可靠。透氣磚安裝在鋼包底部座磚的內(nèi)部，工作條件極為苛刻，鋼包透氣磚的壽命無法與整個鋼包壽命同步，因此需要對透氣磚進行更換。所以要求安裝操作簡單，使用安全可靠，避免有滲鋼和漏鋼事件的發(fā)生。

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鋼包透氣磚的常見分類

透氣磚經(jīng)過多年的發(fā)展，常見的結(jié)構(gòu)類型主要有三種，即彌散型、狹縫型和直通孔型。

彌散型透氣磚是透氣磚的最早形式。由于材料本身氣孔率高，所含有的大量氣孔為惰性氣體提供了通道。這種表面多孔的彌散型透氣磚缺點是強度低，抗沖刷性能差，易被鋼水和渣滲透而產(chǎn)生剝落，對鋼水的攪拌效果也較差。目前在國內(nèi)的鋼包透氣磚中很少使用。

狹縫式透氣磚包括兩種形式，一種是透氣磚中心部位由幾塊成型薄板拼裝形成狹縫，外部采用澆注料澆注而成，即所謂的“拼縫式”，這種透氣磚的缺點是吹入氣體的可控性差。另一種是在磚體中預(yù)澆注數(shù)十條直通狹縫，即通常所謂的“狹縫式”。狹縫式透氣磚與前者相比，具有壽命長，吹成率高，氣流量大，攪拌效果好等優(yōu)點。

直通孔型透氣磚由數(shù)量不等的細鋼管埋入磚中制成，氣體通道由許多筆直的微細管道組成，采用澆注法成型。與彌散型透氣磚相比，直通孔型透氣磚攪拌效果優(yōu)于前者使用壽命提高了2~3倍，然而其缺點是能提供的氣體流量有限，使用后期經(jīng)常由于透氣量變小或吹不通導(dǎo)致精煉失敗。

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鋼包透氣磚的安裝形式

透氣磚的安裝形式可以采用內(nèi)裝式和外裝式兩種。內(nèi)裝式是指將透氣磚與座磚在鋼包外預(yù)先組裝在一起，在砌筑鋼包時，清理好包底透氣磚的位置，砌筑好簾磚后將帶座磚的透氣磚吊裝至該位置，然后依次砌筑包底和包襯。外裝式由座磚、套磚和透氣磚組成。在砌筑鋼包時，在包底安裝好座磚后即可砌筑包底及包壁，最后將套磚和透氣磚外側(cè)均勻涂上火泥，依次用力裝入座中，再在套磚和透氣磚的底部封上墊磚，蓋上法蘭，烘烤。內(nèi)裝式透氣磚用于鋼包襯磚與透氣磚壽命同步的情況，而外裝式適合用于需經(jīng)常更換透氣磚的情況。由于內(nèi)裝式透氣磚的安全性低、可靠性差，更換麻煩，目前，幾乎所有的鋼包均使用外裝式透氣磚。

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安鋼包透氣磚的常見材質(zhì)

目前透氣磚的材質(zhì)有剛玉質(zhì)、鉻剛玉質(zhì)、高鋁質(zhì)和鎂鉻質(zhì)等。

A 剛玉-尖晶石體系透氣磚

單相剛玉質(zhì)澆注料的抗渣性和抗熱震性均不理想，而尖晶石材料具有良好的抗渣侵蝕性。按復(fù)相改性改善耐火材料性能的原理，在剛玉澆注料中加入高純電熔尖晶石，以改善剛玉澆注料的性能。原料方面以板狀剛玉為顆粒料，以電熔白剛玉、尖晶石、活性α-Al?O?微粉等為細粉，鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑。其優(yōu)點是抗熱震性、抗渣性明顯提高;缺點是透氣磚在高溫處理過程中，尖晶石發(fā)生體積變化，造成透氣磚體積穩(wěn)定性差，生產(chǎn)過程中不易控制。

B 剛玉-氧化鉻體系透氣磚

為了進一步提高透氣磚抵抗鋼渣的侵蝕能力，制品中加入一定量的氧化鉻微粉。其主要原料以板狀剛玉為顆粒料，板狀剛玉細粉、氧化鉻微粉為細粉，鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑。在高溫下氧化鉻、氧化鋁形成高溫固溶體，同時與少量的氧化鎂形成部分固溶體MgO·Cr?O?-MgO·Al?O?。這種固溶體對Fe?O?或爐渣的侵蝕及抵抗性顯著增強，且黏度非常大，從而在高溫下能夠有效地阻止鋼渣的滲透和侵蝕。同時，少量的Cr?O?還能夠抑制Al?O?過分增長，也減少了晶體內(nèi)的應(yīng)力，提高材料的物理性能。但如果加入量太多，剛玉晶粒生長受到過大的抑制，也將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而降低材料的物理性能。此外，Cr?O?價格比較高，加入量太多會大幅度增加成本;另外，Cr?O?對環(huán)境造成嚴重的污染。

C 剛玉-尖晶石體系透氣座磚

剛玉-尖晶石體系透氣座磚是應(yīng)用最為廣泛的材質(zhì)，主要原料以板狀剛玉、α-Al?O?微粉、尖晶石為主，純鋁酸鈣水泥結(jié)合。其優(yōu)點是由于尖晶石抵抗酸和堿的能力比較強，并且是高熔點化合物，具有良好的性能。鋁鎂尖晶石抵抗堿性熔渣的能力強，對鐵氧化物的作用也較穩(wěn)定，在高溫下與磁鐵礦接觸時會發(fā)生反應(yīng)而形成固溶體，透氣座磚高溫耐侵蝕性得以提高;同時，固溶MgO或Al?O?的尖晶石由于礦物之間膨脹系數(shù)的差異，其抗熱震性更好。缺點是MgO與Al?O?按理論組成形成尖晶石時，產(chǎn)生約8%的體積膨脹，因而燒成時較難致密化，透氣座磚體積變化難以控制。

D 剛玉-氧化鉻體系透氣座磚

剛玉-氧化鉻體系透氣座磚是在剛玉-尖晶石體系基礎(chǔ)上，為了提高透氣座磚高溫耐剝落性而產(chǎn)生的。主要原料以板狀剛玉、α-Al?O?微粉、工業(yè)氧化鉻、尖晶石為主，純鋁酸鈣水泥結(jié)合。其優(yōu)點是在尖晶石提高座磚性能的基礎(chǔ)上，通過Al?O?-Cr?O?形成的固溶體對氧化鐵爐渣的侵蝕抵抗性顯著增加，加入少Cr?O?能抑制氧化鋁晶體過分增長，從而減小了晶體內(nèi)部應(yīng)力，提高透氣座磚的抗熱震性、抗沖刷性及耐侵蝕性。缺點是Cr?O?加入過多，剛玉晶粒成長速度受到嚴重影響，從而降低材料的物理性能;另外，Cr?O?對環(huán)境污染嚴重，違背了國家可持續(xù)發(fā)展的要求。

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鋼包透氣磚的損毀機理

透氣磚的工作屬于不連續(xù)操作，在整個鋼包周轉(zhuǎn)周期內(nèi)的不同時間，會產(chǎn)生不同的物理和化學(xué)蝕損。從實踐來看，透氣磚的損毀可分為如下幾種：

(1)燒氧吹洗作用。在鋼包出鋼完畢至下次受鋼前，鋼包在熱修區(qū)接受熱修，此時需要對透氣磚采用氧氣灼燒吹洗工作面，以清理工作面上殘留的鋼和渣。燒氧吹洗對透氣磚的正常使用是有利的，該措施保證了透氣磚工作面的清潔和氣體通道的暢通，使鋼包周轉(zhuǎn)周期得以順利進行。但由于在熱修區(qū)很難準確把握透氣座磚工作面上殘留的鋼和渣的厚度，因此在清除掉殘留物后，會發(fā)生誤燒透氣磚的情況，當(dāng)包底狀況較差或熱修區(qū)操作者判斷失誤時情況可能更加嚴重，燒氧時溫度達到2000℃以上，高溫氣流對透氣磚是非常致命的，這幾分鐘的熔損量往往比正常精煉蝕損量要高2~3倍。

(2)機械磨損作用。出鋼過程中鋼水高速、強力對鋼罐底部的沖刷，也會加快透氣磚的損蝕。有人通過水力模型試驗對透氣磚損蝕情況的研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)?shù)退倭鲃拥臍饬魃淙胍合嗳鄢貢r，氣流回擊并擊打透氣磚前沿，給出氣口四周的耐火材料以一定的沖擊力。當(dāng)進一步提高氣體流速時，反向脈沖頻率降低，但反向沖擊強度進一步增大;另外，當(dāng)吹氬進入正常噴射狀態(tài)時，強烈的氣泡組成氣體噴射束，噴射束加強了鋼罐底部的攪拌，鋼罐底部液相運動加劇，二相卷流使透氣磚受到強烈的剪切和沖擊應(yīng)力作用。透氣磚高于座磚時受這種卷流的剪切、沖刷尤其明顯，高于座磚的部分一般在使用一次后即被沖刷掉，因此在新更換透氣磚的情況下，這種情況往往很容易發(fā)生;另外，精煉結(jié)束后若快速關(guān)閉閥門，鋼水的反向沖擊也會加速透氣磚損毀。

(3)熱應(yīng)力的作用。透氣磚工作面的耐火材料，尤其是出氣口四周的耐火材料，因與高溫鋼水直接接觸，受到高溫鋼水及不斷流出的冷氣流的影響，產(chǎn)生很大的溫度梯度。由于多次使用，透氣磚受到的急冷急熱作用大，尤其靠近出氣口部位所受到熱應(yīng)力更大，容易產(chǎn)生環(huán)狀裂紋而出現(xiàn)斷裂。

(4)化學(xué)侵蝕作用。透氣磚工作面與渣、鋼水接觸時間長，在整個包役中，熔渣不斷向磚中浸潤、滲透。鋼水、渣中氧化物MnO、MgO、SiO?、FeO、Fe?O?等與磚發(fā)生反應(yīng)：

12CaO+7Al?O?═12CaO·7Al?O?

FeO+Al?O?═FeO·Al?O?

2MnO+SiO?+Al?O?═2(MnO)·SiO?·Al?O?

生成的FeO·Al?O?、2(MnO)·SiO?·Al?O?、12CaO·7Al?O?等低熔物被沖刷而造成透氣磚被侵蝕。

12

提高鋼包透氣磚壽命的途徑

提高其使用壽命的途徑有以下幾種：(1)加入鋯基材料和板狀剛玉提高透氣磚的耐剝落性。(2)優(yōu)選超微粉。(3)鋼水的攪拌強度與吹氬量成正比。(4)均勻布料提高透氣磚的體積穩(wěn)定性。

除了上面幾點外，提高鋼包透氣磚壽命的措施還可參考以下幾點：

?優(yōu)化透氣磚的設(shè)計和材料?：通過調(diào)整透氣磚的材料和結(jié)構(gòu)，提高其抗沖刷性能。例如，可以在透氣磚中加入大顆粒骨料，增強其耐磨性?。此外，制作整體雙芯鋼包透氣磚，當(dāng)一個氣芯達到使用壽命時，可以將氣閥更換到另一個氣芯繼續(xù)使用，從而延長透氣磚的整體使用壽命?。

?改進安裝和砌筑方式?：確保透氣磚的安裝操作規(guī)范，避免局部懸空和錯位。在安裝前徹底清理鋼殼雜物，并用火泥等墊砂材料將底部找平，防止座磚底部出現(xiàn)局部懸空的情況。包底砌筑時要留有適當(dāng)?shù)目p隙并填充適當(dāng)?shù)奶羁p料，以減少膨脹對座磚的影響?。

?控制合理的底吹參數(shù)?：底吹壓力過高會導(dǎo)致鋼水劇烈翻滾，增加鋼水與空氣接觸的機會，導(dǎo)致二次氧化;壓力過低則會導(dǎo)致底吹失敗，影響冶金效果。因此，合理控制底吹參數(shù)是提高透氣磚壽命的關(guān)鍵?。

?定期維護和檢查?：定期檢查和維護底吹裝置，防止漏風(fēng)和氣體損失。及時更換損壞的部件，避免因設(shè)備故障導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷和成本增加?。

?優(yōu)化透氣磚的使用環(huán)境?：通過優(yōu)化透氣磚的使用環(huán)境，減少其對耐材的侵蝕。例如，優(yōu)化鋼包耐材，調(diào)整透氣磚材料，改變外部形狀等措施，可以提高鋼包的抗沖刷性能，從而延長其使用壽命?。