鋼水連鑄中間包用耐火材料的技術進步

徐平坤

（廣州耐火材料廠，廣東 廣州 510300）

中間包是煉鋼鋼包設備之后盛鋼水并將鋼水分流連續(xù)澆鑄的容器， 中間包是連鑄系統(tǒng)中鋼水成材前與耐火材料接觸的最后一個容器， 是連鑄工藝的重要部分，對鋼的質量有很大影響。隨著冶煉技術的進步和鋼包二次精煉技術的出現(xiàn)， 中間包擔負著許多重要功能，如提供穩(wěn)定的鋼水靜壓力，保持鋼水流速與流股的穩(wěn)定以減少湍流， 清除鋼水中非金屬夾雜物，凈化鋼水、保持鋼水溫度基本不變等，已成為鋼水成材前的鋼水精煉容器。 隨著中間包功能的增加，中間包用耐火材料品種增多，對耐火材料質量要求也越來越高。為了滿足中間包的使用要求，近年來我國開發(fā)了許多優(yōu)質耐火材料產(chǎn)品。

1 中間包內(nèi)襯耐火材料的發(fā)展歷程

傳統(tǒng)的中間包內(nèi)襯主要由永久襯及工作襯構成，其耐火材料為輕質磚、重質磚、絕熱板、涂料和干式料。 傳統(tǒng)永久襯均采用耐火磚砌筑，由于磚縫多，整體性差，容易造成穿包事故等。 近年來，隨著整體澆注技術在鋼包上成功應用， 中間包永久襯也采用不定形耐火材料的澆注料或搗打料。 我國連鑄中間包工作襯的發(fā)展大致如下。

1.1 硅質絕熱板時期

從20 世紀80 年代引進連鑄技術到1995 年，中間包工作襯主要用硅質絕熱板[1-2]，其主要原料是石英砂，加入一部分紙屑，粉狀的熱塑性酚醛樹脂加烏洛托品結合，真空吸濾成型，干燥后使用。 平均使用壽命6 h 左右， 最高不過10 h 左右。 硅質絕熱板使用壽命低，抗侵蝕差，并且對鋼水有污染，1995 年開始逐漸被鎂質或鎂鈣質涂料所取代。

1.2 鎂質或鎂鈣質涂料時期

2000 年前，我國連鑄中間包工作襯普遍采用鎂質或鎂鈣質涂料[3-5]，涂抹在中間包永久襯的表面上，厚度一般在35～40 mm。這類堿性涂料通常由燒結或電熔鎂砂或鎂鈣砂制備。但由于鎂鈣砂易水化，可以用生白云石引進CaO 或抗水化鎂鈣砂與鎂砂按一定比例配料。 涂料的臨界顆粒為3～5 mm，其中大于0.088 mm 占 60%～65%， 小于 0.088 mm 占 35%～40%。 有機纖維占0.5%～2.5%（天然植物加工的短纖維較好），隨著纖維加入量增加，體積密度降低，一般控制在1.9～2.3 g/cm3較好。外加劑主要有增塑劑，如軟質黏土、膨潤土、硅微粉、消石灰等，也起燒結作用。 中間包內(nèi)襯的CaO 含量越高，凈化鋼水的作用就越好。 但制備CaO 含量高的涂料有一定難度，一般涂料CaO 含量在10%～50%之間。

用鎂橄欖石代替鎂砂生產(chǎn)中間包涂料， 鎂橄欖石熱導率低，耐火度高，不水化，化學穩(wěn)定性好，具有良好的抗金屬熔液滲透性。 而且資源豐富， 分布廣泛，可以說是既節(jié)能環(huán)保，又可降低成本。 新疆八一鋼廠生產(chǎn)的鎂橄欖石質中間包涂料配方是： 鎂橄欖石 40%（2.5～0.5 mm），中檔燒結鎂砂 48%（0.5～0.088 mm），輕燒氧化鎂粉 5%（＜0.088 mm），外加七水硫酸鎂2.5%，紙纖維2%，硼砂和防爆纖維各0.1%。 根據(jù)季節(jié)不同可適當調整。 加水量25%左右，人工涂抹，附著性良好。使用壽命與鎂質涂料相當，可達10～14 h。其隔熱保溫性能比鎂質涂料更好。使用后翻包時，與永久襯之間易于分離。

1.3 濕式堿性噴涂料

濕式堿性噴涂料[6]一般用螺旋泵噴射施工，泥料噴射到永久襯上。噴涂料由燒結鎂砂或鎂鈣砂、結合劑、 增塑劑和有機纖維組成。 要求鎂砂的CaO/SiO2可控制在2 以上， 也可加入少量生白云石或石灰石細粉，提高CaO 含量。 不但有利鋼水凈化，還有利涂層解體脫落。 結合劑可采用速溶聚磷酸鹽或速溶水玻璃或復合聚磷酸鹽。增塑劑有軟質黏土、羧甲基纖維素、木質素磺酸鈣等。 加入有機纖維，一般以天然植物纖維為好，要求直徑 10～40 μm，長 1～5 mm，加入量在0.5%～3%之內(nèi)調控。 噴涂層厚度是按使用要求確定的，要求使用 20～30 爐次為 45～60 mm，使用30～40 爐次為 60～80 mm。

隨著鋼鐵冶金技術的進步， 不但要求中間包使用壽命長， 也對鋼的潔凈作用和保溫效果提出較高要求，于是有了超輕質（體積密度1.4 g/cm3）鎂質噴涂料。目前超輕質噴涂料的制造方法主要采用輕質骨料、添加纖維和調節(jié)粒度組成，加入發(fā)泡劑。如寶鋼電爐廠所用超輕質中間包噴涂料的配料比為：w（骨料+紙纖維+玻璃纖維）∶w（硅微粉）∶w（發(fā)泡劑烷基磺酸鹽FL）∶w（穩(wěn)泡劑胺類有機物 M）∶w（三聚磷酸鈉）∶w（其他添加物）=100∶3∶0.05∶0.02∶0.25∶0.05。 其噴涂料的理化指標為：w（MgO）=83.36%，w（CaO）=1.56%，w（SiO2）=5.66%，110 ℃經(jīng) 24 h 烘干的體積密度 1.45 g/cm3，耐壓強度 2.12 MPa，1 500 ℃，3 h 燒后的體積密度1.40 g/cm3，耐壓強度6.1 MPa。生產(chǎn)使用得出：采用螺旋攪拌機攪拌，濕法噴涂中間包的包壁和包底，均無裂紋，僅在包壁夾角處有一點小裂紋，屬允許范圍。濕法噴射通常用于新內(nèi)襯噴涂及內(nèi)襯損傷不大的區(qū)域，預防局部損壞的地方。

中間包涂料及噴涂料的使用壽命雖然比硅質絕熱板長些，平均使用壽命在10 h 左右，最高達24 h，并對鋼水有凈化作用。但噴涂時有勞動強度大、養(yǎng)護時間長、烘烤工藝復雜等缺點。

1.4 堿性干式料

2000 年以來，隨著中間包快速更換水口技術的推廣，對中間包工作襯提出更高要求，新型堿性干式料[7-9]得到應用和推廣。 干式料施工方便，烘烤簡單，勞動強度大幅度降低， 而且任何氣候條件下都可以施工，使用壽命長，可達到40 h 以上。

中間包堿性干式料是由燒結鎂砂、 鎂鈣砂或電熔鎂砂、鎂鈣砂及中、高溫燒結劑和少量低溫結合劑組成。 燒結劑有鎂鈣鐵砂、軟質黏土、硼酸鹽、鐵鱗等。 加入少量低溫結合劑的目的在于帶模烘烤200～300 ℃后產(chǎn)生強度，使襯體具有保型性，結合劑一般為粉狀酚醛樹脂。 山西某鋼鐵公司對中間包干式料進行研究得出：以電熔鎂砂為主要原料，骨料與基質料配比為 65∶35，其中骨料采用 5～3 mm、3～1 mm 和＜1 mm 三級顆粒級配； 基質料包括＜0.044 mm 和＜0.088 mm 兩種細粉；結合劑采用含有促硬劑的粉狀酚醛樹脂，加入量6%為宜；燒結劑為偏磷酸鹽，加入量2%為宜；改性劑為含Al2O3合成料，加入量3%為宜。其干式料理化指標見表1。電熔鎂砂干式料平均使用壽命40 h 以上，而燒結鎂砂干式料使用壽命可達24 h。

由于不用水調和，可用燒結鎂鈣砂配制CaO 含量不同的干式料，有利鋼水凈化，提高工作襯的使用壽命，可多爐連鑄，用后殘存內(nèi)襯容易拆除（脫落）。但是在燒成過程中， 酚醛樹脂分解出部分甲酚、甲醛、二甲酚等成分，對環(huán)境有較大污染。 并且固化后的殘?zhí)紝︿撍廴?，對低碳鋼等不適應。內(nèi)蒙古某耐材企業(yè)對鎂質干式料結合劑進行了探索， 得出以偏硅酸鹽、磷酸鹽和硼酸鹽復合添加，加入量6%左右效果好。 并且加入 α-Al2O3和 CaCO3混合微粉，在高溫下生成尖晶石，伴隨體積膨脹，補充體積收縮，使整體體積穩(wěn)定。 利用CaCO3分解產(chǎn)生部分微氣孔增加隔熱性能。

表1 電熔鎂砂干式料理化指標

浙江某集團公司對中間包干式料容易發(fā)生坍塌和局部剝落問題研究發(fā)現(xiàn)： 在干式料中引入玻璃纖維，同時加入防爆纖維，可以有效改善干式料坍塌和剝落問題，以及加入復合抗氧化劑Al 粉和Si 粉，加入硼酸促進鎂砂燒結等，也有一定效果。

寶鋼中間包鋼殼內(nèi)砌筑納米微孔隔熱板（5 mm厚）+漂珠磚（30 mm 厚）+永久襯澆注料（185 mm 厚）+工作襯涂料（40 mm），不僅包殼降溫明顯，而且減少了中間包澆鑄過程中鋼水溫度降低和溫度波動，提高了鑄坯品質。

2 擋渣堰（墻）

連鑄中間包設置擋渣堰（墻）[10]，可以改變鋼水在中間包的流動狀態(tài)，增加鋼水停留時間，促進鋼水中夾雜物上浮，起到凈化鋼水的作用。擋渣堰（墻）有高鋁質及鎂質兩種。高鋁質擋渣堰抗熱振性好，抗渣侵蝕和抗鋼水沖刷能力強。 鎂質擋渣堰能吸收鋼水中Al2O3、SiO2夾雜物，提高鋼水潔凈度，不會使鋼水二次氧化。我國鎂質擋渣堰采用電熔或燒結鎂砂、硅微粉的鎂質澆注料， 形成MgO-SiO2-H2O 系凝聚結合，并添加防爆劑、分散劑或2%鋼纖維。擋渣堰的技術指標見表2。

表2 擋渣堰的技術指標

鎂質擋渣堰使用時間長，容易沖穿；鋁鎂質擋渣堰耐侵蝕性較好，但對鋼水純凈度不如鎂質擋渣堰。采用復合型擋渣堰，即渣線采用鋁鎂質澆注料，鋼水區(qū)采用鎂質澆注料，經(jīng)振動成型，將兩種材料復合為一體而制成復合型擋渣堰， 使兩種澆注料很好地復合并有良好的施工性能，非常重要。因此要選擇好鎂質料的緩凝劑，外加質量分數(shù)0.15%多徑基酸鈉，選擇pH 值接近7 或稍大于7 的SiO2微粉， 減水劑為三聚磷酸鹽與有機減水劑復合， 使鎂質澆注料與鋁鎂質澆注料有相同的施工效果。 各鋼廠中間包的使用溫度、下渣量、渣液面上下波動幅度等不同，要根據(jù)實際情況確定兩種材料制作比例， 一般是上部三分之一為鋁鎂質，其余三分之二為鎂質澆注料。其兩種材料的配方見表3。

表3 復合擋渣堰兩種材料的配料比 （%）

3 過濾器

為了更好地凈化鋼水， 在中間包的隔壁墻上安裝能除去非金屬夾雜物的陶瓷過濾器[11]是有效措施之一。過濾器分為泡沫過濾器、網(wǎng)格過濾器和環(huán)形過濾器，其功能各有千秋。 結構形式有狹縫式、直通孔型和彌散型。 目前使用的材質主要有CaO 質、ZrO2質、Al2O3質、SiC 質和堇青石質等。 1988 年武鋼研制出石灰質過濾器， 非金屬夾雜物去除率大于10%～30%，“九五”攻關期間，開發(fā)出CaO 含量大于98%的高純直通孔型陶瓷過濾器， 在柳鋼板坯連鑄機10 t中間包上試驗，使用壽命與內(nèi)襯耐火材料同步（連鑄7～8 爐），過濾效率為 22.7%～40.0%。在寶鋼應用，降低鋼水中的非金屬夾雜物的效果也非常好。 鞍鋼三煉鋼廠在高鋁質擋渣堰上安裝w（CaO）＞97%的過濾器，使鋼中非金屬夾雜物降低13.1%。 鋼水流量的情況下，使用直通型過濾器；流量小時，選用泡沫型過濾器。CaO 質過濾器具有吸附鋼水夾雜物的作用，但制造難度比較大，其技術指標見表4。

表4 CaO 質陶瓷過濾器技術指標

4 底吹透氣磚

在中間包擋渣堰附近設置透氣磚吹入氬氣，使夾雜物含量比不吹氬氣的減少20%以上。 與其他方法只能除去較大夾雜物相比， 中間包吹氬技術對除去50 μm 左右微小夾雜物起著特殊重要作用，以保證特殊薄板鋼（如汽車板鋼）的質量。 這種透氣磚的氣道結構及使用操作方法與其他透氣磚不同， 吹氣方法也有多種，使氣體攜帶夾雜物上浮，不吹開保護渣，如埋設透氣管、安裝透氣梁，以及在擋渣堰內(nèi)或包底埋設透氣元件。

5 穩(wěn)流器

穩(wěn)流器[12]是穩(wěn)定鋼水注入中間包沖擊區(qū)的流動狀態(tài)、改善中間包鋼水流場、促進夾雜物上浮、防止鋼渣卷入鋼水、 造成連鑄鋼坯內(nèi)部質量缺陷的功能耐火材料。 山東某鋼廠采用大晶粒電熔鎂砂為主要原料，硅微粉為結合劑，加鋼纖維制造的穩(wěn)流器，使用效果較好，最高使用壽命達100 h。

6 氣幕擋墻

氣幕擋墻[13]位于中間包底部，應用氣幕向中間包內(nèi)鋼水吹氬，產(chǎn)生上浮氣泡，促使夾雜物上浮到表面渣層。氣幕擋墻上部致密層應有足夠的強度，在鋼水靜壓力下不開裂。 氣幕擋墻的工作壓力為0.2 MPa，透氣量5～10 L/min，其所用材料必須耐鋼水和熔渣侵蝕。

還有的在中間包設置鋼流緩沖器、透氣梁等。

7 覆蓋劑

中間包鋼液面散熱非常大， 約占中間包熱量損失的90%以上。 中間包鋼水覆蓋劑[14-15]對鋼水保溫，減少熱損失和澆鋼過程中的溫降， 吸收鋼液中上浮的夾雜物， 提高鋼水質量并防止中間包內(nèi)鋼水二次氧化起著重要作用，充分發(fā)揮了中間包的冶金功能。因此要求覆蓋劑對中間包內(nèi)襯和鋼包套管的侵蝕作用要小，并有良好的操作性。即在鋼液表面鋪展覆蓋良好，澆鋼過程不結殼，澆鋼結束后便于清理和不影響解包操作。

使用的覆蓋劑主要有單層式覆蓋劑（如碳化稻殼、復合渣）及雙層式覆蓋劑（碳化稻殼+復合渣）。 碳化稻殼保溫好，但不能凈化鋼水，對部分低碳鋼可能有增碳作用。 使用復合渣時，在鋼液表面形成液渣層，有利吸收和同化鋼水中上浮的夾雜物。 在復合渣表面再加上碳化稻殼或其他保溫材料， 則可同時實現(xiàn)保溫、凈化的功能。

傳統(tǒng)的中間包覆蓋劑在以硅質絕熱板為工作襯時，取得了較好的使用效果，但不適合鎂質中間包內(nèi)襯。 這種覆蓋劑是以CaO-Al2O3-SiO2三元系相圖為理論基礎， 為了適應中間包鎂質涂料內(nèi)襯，而改用MgO-Al2O3-SiO2系覆蓋劑，基料落在該三元系統(tǒng)中，控制其熔點在 1 200～1 450 ℃，不加 CaF2等助熔劑。 根據(jù)引流砂對覆蓋劑的影響，比較合適的熔點為1 350～1 450 ℃之間。 熔化速度在 20～30 ℃/s時比較合適；黏度在 1 450 ℃時為 1.0～1.2 Pa·s 比較合適。 黏度太大會造成結殼現(xiàn)象，有合適的黏度，可以隔熱保溫，防止鋼水二次氧化。

鎂質覆蓋劑的缺點：在使用過程中容易出現(xiàn)大面積燒結，尤其是用塞棒控制流速的中間包，大面積燒結會粘連塞棒。 有些人研究了石墨和鎂砂粉料量，以及鋼包渣種類和加入量等對中間包顆粒型鎂質覆蓋劑燒結性的影響。 結果表明：覆蓋劑顆粒內(nèi)添加一定量石墨（≤15%），可促進覆蓋劑顆粒間燒結。 在顆粒型鎂質覆蓋劑成品中，2～3 mm 和 1～2 mm 顆?；緹o粘結現(xiàn)象（顆粒是用細粉加3%淀粉，加水16%～24%， 混合均勻后用搖擺造粒機制備），0.6～1.0 mm顆粒有輕微粘結，＜0.6 mm 顆粒則燒結在一起。 因此細粉越多越容易燒結。鋼包渣加入量越大，覆蓋劑顆粒之間越容易燒結。

為了提高覆蓋劑對鋼水中夾雜物的吸附作用，有人研制了一種鈣質覆蓋劑， 同時在覆蓋劑中引入輕質保溫材料（珍珠巖和稻殼20%）及保氣劑，使上面粉狀層存在合理氣體量，增加保溫效果。同時引入復合碳原，碳含量越高，粒徑越小，降低熔化速度越強烈。 合適的熔化速度使覆蓋劑工作過程保持合理的三層狀結構，即熔融層、半熔層、粉狀層。這種覆蓋劑控制 w（CaO）=30%～45%、w（Al2O3）＜10%、w（SiO2）=5%～15%比較合適，實際使用效果良好。

天津鋼管公司通過添加適當?shù)南♂寗?引氣劑和保氣劑，優(yōu)化覆蓋劑的組成及熔化溫度、熔化速度和黏度。 研制的高鈣堿性覆蓋劑理化性能指標為：w（CaO）＞50%、w（SiO2）＜10%、w（C）＜12%，體積密度0.8～1.2 g/cm3，熔化溫度 1 300～1 400 ℃，黏度（1 450℃）0.8～1.2 Pa·s。 由于游離 CaO 含量較高，吸附鋼液中夾雜物能力強，SiO2含量低， 降低了渣的黏度，更容易吸附夾雜物。

8 包蓋

普遍用黏土質或高鋁礬土質預制件。

9 結語

中間包是連鑄工藝的重要設備， 所用耐火材料內(nèi)襯主要包括隔熱層、永久層和工作層。

（1）隔熱層（即保溫層，10～30 mm），緊挨鋼殼，主要作用是保溫，通常用石棉板保溫磚或輕質澆注料，硅酸鋁纖維氈，以及納米微孔隔熱板加輕質隔熱磚。

（2）永久層（100～200 mm）與保溫層接觸，主要起安全保護作用。 20 世紀70 年代主要用黏土磚砌筑， 后來使用高鋁磚，80 年代末使用澆注料整體澆注，一般為高鋁質或半輕質莫來石澆注料。

（3）工作層（20～50 mm）,與鋼水接觸，早期使用高鋁磚，后來采用絕熱板，再后來用耐火涂抹料和耐火噴涂料。 隨著多爐連鑄技術和水口快速更換技術發(fā)展，開始采用干式振動料。 絕熱板一般為硅質、鎂質及鎂橄欖石質，涂料及干式料多為鎂質、鎂鈣質及鎂鉻質。

（4）包底沖擊區(qū)多使用預制塊增強，一般為剛玉質和鎂質及澆注料，有的采用鋯英石磚或澆注料。

（5）擋渣堰一般用高鋁質、鋁鎂質和鎂質預制件。

（6）塞棒采用鋁炭質或鎂碳質材料。