板狀剛玉在鋼包無水泥干式噴補(bǔ)料中的應(yīng)用

徐 勇，劉 星，李正欽，張熙亮，沈 鋼

（1.武漢如星科技有限公司，湖北 武漢430415；2.阿泰歐法鋁業(yè)（上海）有限公司，上海200041）

鋼包工作層襯體材料在近六十年內(nèi)歷經(jīng)了三次巨大的演變， 三次演變各引領(lǐng)了將近二十年的材質(zhì)演變。

第一次是在上世紀(jì)60～70年代：由于連續(xù)鑄造與二次精煉工藝的發(fā)展， 鋼包也從原有的轉(zhuǎn)運(yùn)容器發(fā)展為冶煉容器。 其襯體材質(zhì)也由原來的葉蠟石/火黏土質(zhì)，逐漸轉(zhuǎn)向更高純的鋁/鎂/鈣/碳體系等材質(zhì)。

第二次是在上世紀(jì)80～90年代：潔凈鋼的需求，確立了新材料——富鋁尖晶石的開發(fā)與無碳質(zhì)鋁鎂體系襯體材質(zhì)的演進(jìn)[1]。

第三次是在2000～2020年代：因應(yīng)環(huán)保的訴求，如節(jié)能減排、低碳足跡與低廢棄物等；相較于定型磚制品，有將近30%～40%是丟掉的。而不定形襯體，可透過套澆及襯體修復(fù)手段， 建立合理化修護(hù)模式管理，達(dá)到較低的廢棄量（降低至15%～10%以下）。

雖說鋼包襯體是朝著不定形化的鋁鎂體系材質(zhì)演進(jìn)，但并非所有鋼廠皆具備鋼包不定形化的條件，其往往受制于：

（1）鋼包包位與烤包器。 相較于定型磚襯體，澆注料襯體的施工周期與烘包時(shí)間較長(zhǎng)， 工作包位與行車周轉(zhuǎn)及烘包器的調(diào)度，皆需考慮。

（2）鋼包變形的問題。幾乎所有鋼包在運(yùn)行一段時(shí)間后，由于高溫與應(yīng)力壓迫，在耳軸方向會(huì)內(nèi)壓變形，而鋼包胎模尺寸是固定的，這會(huì)造成澆注后工作襯體的厚度減薄，進(jìn)而影響使用壽命與操作的安全。

（3）鋼包殘厚的判修。無磚縫的一體化不定形包襯的殘厚判定較不容易，需借助熱成像儀、雷射殘厚測(cè)定儀或其他適合的輔助工具與判修經(jīng)驗(yàn)。

（4）綜合管理能力。鋼包不定形化最核心的競(jìng)爭(zhēng)力是在于管理；從包襯設(shè)計(jì)、材質(zhì)選用、施工烘爐控制，至合理化修護(hù)模式建立等。 而適當(dāng)?shù)母墒絿娧a(bǔ)料在建立合理的修護(hù)模式中，扮演了相當(dāng)重要的角色。

1 干式（干法）噴補(bǔ)介紹

1.1 干式噴補(bǔ)機(jī)介紹

所謂的干式噴補(bǔ)料， 是采用耐火骨料與細(xì)粉基質(zhì)鍵結(jié)的混合，使用壓縮空氣作為送料機(jī)制，無論是輕質(zhì)或重質(zhì)澆注料，無論是否有使用預(yù)潤(rùn)濕作業(yè)（國(guó)內(nèi)有人誤稱為半干法噴補(bǔ)），利用噴補(bǔ)機(jī)施工，使用壓縮空氣在料管中傳輸材料， 在槍頭加水混合后噴射而出的施工方式； 或也可為一種特殊設(shè)計(jì)的可塑料，借由噴補(bǔ)機(jī)與高量壓縮空氣在料管中傳輸材料，噴射而出的施工方式。 按照不同鍵結(jié)形態(tài)，可分為水合鍵、化學(xué)鍵和陶瓷鍵的干式噴補(bǔ)料。

干式噴補(bǔ)機(jī)可分成兩大類： 第一種為壓力罐式噴補(bǔ)機(jī)（見圖1）；第二種為重力式噴補(bǔ)機(jī)（見圖2）。

圖1 壓力罐式噴補(bǔ)機(jī)

圖2 重力式噴補(bǔ)機(jī)

壓力罐式噴補(bǔ)機(jī)的原理較簡(jiǎn)單，較少機(jī)械磨損，但需注意送料的連續(xù)性與材料在罐體內(nèi)的架橋防范機(jī)制。而重力式噴補(bǔ)機(jī)的機(jī)械磨損較大，尤其是布料器的橡膠磨擦墊片需即時(shí)更換，但其機(jī)動(dòng)性較高。在本應(yīng)用上，是以重力式噴補(bǔ)機(jī)為主體。

1.2 干式噴補(bǔ)料介紹

傳統(tǒng)干式噴補(bǔ)料的機(jī)械性能與耐用效果遠(yuǎn)不如澆注料襯體，與濕法噴補(bǔ)也有相當(dāng)大的差距；主要原因在于：干式噴補(bǔ)料在料管的流速可達(dá)100 m/s，而在短短的槍頭加水潤(rùn)濕，實(shí)為不易；故而加水量是影響其性能的致命硬傷[2]。

表1 為三種鋼包施工方案的比較。

表1 不同施工方案的比較

1.3 干式噴補(bǔ)料的制約因素

下列四個(gè)因素主要制約著干式噴補(bǔ)料的發(fā)展與進(jìn)步：

（1）干式噴補(bǔ)機(jī)本體結(jié)構(gòu)

在1950年代，美國(guó)派力固公司運(yùn)用建筑行業(yè)用的干式噴補(bǔ)機(jī)， 成功地發(fā)展出耐火材料配方的干式噴補(bǔ)料，至今已超過了60年。

在這60年中，雖干式噴補(bǔ)機(jī)的外觀貌似無太大變化，但實(shí)質(zhì)上有相當(dāng)多的改善。 國(guó)內(nèi)早期引進(jìn)并仿制美國(guó)Reed gun 干式噴補(bǔ)機(jī)，而國(guó)內(nèi)的機(jī)型并未與時(shí)俱進(jìn)，跟新型的機(jī)種已有落差，會(huì)明顯影響噴補(bǔ)機(jī)料的使用效果。

在布料器的形狀，尺寸，驅(qū)動(dòng)，送料設(shè)計(jì)與料管尺寸配合；在水環(huán)的設(shè)計(jì)，水室混合與槍膛尺寸，出料槍頭等關(guān)鍵部件，有非常不同的設(shè)計(jì)。

如何能穩(wěn)定并連續(xù)的出/送料，并能用最低水量或液體進(jìn)行噴補(bǔ)，這是噴補(bǔ)機(jī)改造的關(guān)鍵。

（2）干式噴補(bǔ)機(jī)的操作參數(shù)設(shè)定與調(diào)整

①風(fēng)壓不是太大問題，重點(diǎn)是耗用風(fēng)量的問題，是否有足夠的風(fēng)量供應(yīng)與外備氣罐。

②高壓水泵是絕對(duì)必要的。

③布料器轉(zhuǎn)速與風(fēng)壓調(diào)節(jié)。

④如何能穩(wěn)定并連續(xù)的出/送料，并能用最低水量或液體噴補(bǔ)， 這是噴補(bǔ)機(jī)的操作參數(shù)設(shè)定與調(diào)整的關(guān)鍵。

（3）操作人員的培訓(xùn)

①操作人員是否能遵照指示作業(yè)。

②是否熟練。

③如何能穩(wěn)定并連續(xù)的出/送料，并能用最低水量或液體噴補(bǔ)，這是噴補(bǔ)機(jī)的操作人員的培訓(xùn)關(guān)鍵。

（4）實(shí)驗(yàn)室的制樣手法與配方調(diào)整

在實(shí)驗(yàn)室的條件下， 是無法進(jìn)行模擬噴補(bǔ)制樣的，主要是無法在極短的時(shí)間內(nèi)，例如在1 s 內(nèi)完成材料的潤(rùn)濕與成型。

當(dāng)然，有發(fā)展一些特殊的實(shí)驗(yàn)室制樣方法，但并不在本文中探討。

本文中的樣品制作，是透過實(shí)際噴補(bǔ)作業(yè)時(shí)，噴入預(yù)備好的模具內(nèi)，然后整理平表面而成型（見圖3）。 雖然此制樣方法較為不便，但可參照性較高。

圖3 噴補(bǔ)制樣現(xiàn)場(chǎng)圖

盡管樣品是透過實(shí)際噴補(bǔ)作業(yè)制作， 但前面所提三點(diǎn)仍然是制樣的關(guān)鍵。

2 鋼包包襯材質(zhì)演變介紹

綜觀新材料–富鋁尖晶石與鋁鎂體系襯體材質(zhì)在鋼包襯體的近四十年的演進(jìn)，可以總結(jié)成圖4。

圖4 鋼包襯體材料的演變示意圖

（1）第一階段

在1980年代，針對(duì)潔凈鋼的需求，富鋁尖晶石新材料被開發(fā)出來運(yùn)用于中/低水泥澆注料的鋼包襯體。

主要的理論基礎(chǔ)是： 具有結(jié)晶晶格缺陷的富鋁尖晶石，可以吸附爐渣中的一氧化鐵，降低爐渣的粘度與滲透能力； 在鋼包襯體熱面鋁酸鈣水泥中的六鋁酸鈣水泥CA6生成，膨漲致密化熱面結(jié)構(gòu)。

（2）第二階段

在1990年代中，為降低成本及改善鋼包包壁熱剛性剝落的問題， 發(fā)展出低水泥或超低水泥鋁鎂質(zhì)或復(fù)配尖晶石質(zhì)材料。

至此，形成了包底采用熱鋼性的尖晶石質(zhì)材料，包壁包底采用熱塑性的鋁鎂質(zhì)材料。

（3）第三階段

在無水泥體系中的鎂硅水鍵結(jié)[3]或可水合的氧化鋁鍵結(jié)[4]早已有發(fā)展。

在2000年，鋼包包襯應(yīng)用此技術(shù)，發(fā)展出無水泥的鋁鎂質(zhì)或復(fù)配尖晶石質(zhì)材料。

主要鍵結(jié)以鎂硅水體系或可水合的氧化鋁為主體。

3 板狀剛玉介紹

板狀剛玉是一種純凈的、不添加MgO、B2O3等添加劑而燒成收縮徹底的燒結(jié)剛玉， 是以進(jìn)口工業(yè)氧化鋁為原料，經(jīng)超高溫豎窯快速燒結(jié)而成。其具有結(jié)晶粗大、發(fā)育良好的α-Al2O3晶體結(jié)構(gòu)，Al2O3的含量在99%以上。 顯微結(jié)構(gòu)呈充分發(fā)育的板片狀晶體緊密排列，晶體尺寸范圍廣，氣孔小、晶間和晶內(nèi)閉氣孔較多。具有高純、低堿、高強(qiáng)度、高抗熱振、耐侵蝕、體積穩(wěn)定性好和重?zé)湛s極小等特點(diǎn)。 其技術(shù)參數(shù)和顯微照片分別見表2 和圖5。

主要用作氧化鋁基和含氧化鋁耐火材料的骨料和細(xì)粉，廣泛應(yīng)用于冶金（如鋼包內(nèi)襯、滑板、透氣磚、座磚、連鑄“三大件”等）、陶瓷、石化、玻璃等行業(yè)。

板狀剛玉主要用作氧化鋁基和含氧化鋁耐火材料的骨料和細(xì)粉，既可作為主成分用于鋁碳質(zhì)、鋁鎂碳質(zhì)、鎂鋁碳質(zhì)、鎂尖晶石質(zhì)、鋁鉻質(zhì)耐火磚中，也可作為富化氧化鋁成分引入到高鋁不定形耐火材料中，可以廣泛應(yīng)用于鋼鐵、鑄造、陶瓷、石化、玻璃等行業(yè)， 其中在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用幾乎涵蓋了煉鐵煉鋼的全過程。 板狀剛玉所制得耐火材料在鋼鐵工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀見表3。

表2 板狀剛玉技術(shù)參數(shù)

圖5 板狀剛玉的顯微照片

4 無水泥鋁鎂干式噴補(bǔ)料與低水泥尖晶石及鋁鎂澆注料的比較

雖然干式噴補(bǔ)料在應(yīng)用上有其方便性與快速性，但在水泥鍵結(jié)體系下，由于干式噴補(bǔ)料的先天劣勢(shì)（硅灰、黏土或膨潤(rùn)土為主的增稠/增塑劑的添加，極不利于干式噴補(bǔ)料的高溫性能， 使得鋁酸鈣水泥的添加量需要較高才能達(dá)到相應(yīng)的機(jī)械性能），是遠(yuǎn)無法與低水泥及超低水泥澆注料的耐用性能相抗衡的；唯有從特殊基質(zhì)鍵結(jié)上，尋找改進(jìn)方案。

表3 板狀剛玉耐火材料在鋼鐵工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

我們引入一種特殊的氧化鋁微粉， 其具有與硅灰或黏土類似的特性，如：高活性和高比表面積、快速潤(rùn)濕性、 低需水性與高粘性， 可部分或全部取代硅灰及粘土在干式噴補(bǔ)料中的功用。 引入此種氧化鋁微粉， 不僅可以實(shí)現(xiàn)低硅灰含量無水泥的鎂硅水鍵結(jié)， 而且其高活性可與特殊二氧化硅形成沸石結(jié)構(gòu)[5-6]， 彌補(bǔ)無水泥干式噴補(bǔ)料在低/中溫的機(jī)械性能。 表4 和表5 分別為無水泥干式噴補(bǔ)料與低水泥尖晶石及鋁鎂澆注料的配比及物理性能的對(duì)比。

從表5 可以看出， 盡管無水泥干式噴補(bǔ)料的加水量較高，并且有反彈掉落量，但其整體的物理性能，包括機(jī)械強(qiáng)度、顯氣孔率和體積密度，都是不錯(cuò)的。

表6 和圖6 分別為轉(zhuǎn)爐終渣的化學(xué)成分和無水泥干式噴補(bǔ)料的靜態(tài)坩堝轉(zhuǎn)爐爐渣侵蝕剖面圖。 從圖6 可以看出，在1550 ℃保溫3 h 后的剝面結(jié)果顯示其優(yōu)良的抗渣侵蝕能力。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5.1 在某鋼廠100 t 鋼包的實(shí)際應(yīng)用

某鋼廠100 t 鋼包的基本工況信息為：轉(zhuǎn)爐最大出鋼量為110 t，平均冶煉周期為42 min，平均出鋼溫度為1650 ℃。 LF 平均精煉周期為60 min，平均溫度為1575 ℃。 連鑄平均澆鋼時(shí)間為40 min。

圖7 為100 t 鋼包包襯襯體設(shè)計(jì)： 包底為100 mm 安全襯高鋁質(zhì)澆注料+300 mm 工作襯鋁鎂澆注料。 包壁為5 mm 保溫陶瓷纖維紙+95 mm 安全襯+180 mm 工作襯鋁鎂澆注料。 200/180 mm 渣線鎂碳磚。 水口/透氣與其座磚同步。

表4 無水泥干式噴補(bǔ)料與低水泥尖晶石及鋁鎂澆注料的配比 （wt%）

表5 物理性能對(duì)比

表6 轉(zhuǎn)爐爐渣的化學(xué)成分 （wt%）

圖6 坩堝爐渣侵蝕剖面

圖7 100 t 鋼包耐材襯體設(shè)計(jì)示意圖

其原有的修護(hù)模式為：

新包襯第1~60 次下線中修時(shí)，更換渣線磚，更換座磚及水口，包底用澆注料補(bǔ)修，包壁用干式噴補(bǔ)補(bǔ)修（每次約1.2～1.5 t，30～50 mm 厚）；使用約40 次后，第二次下線中修，操作與第一次一致；再使用約40 次后，第三次下線大修，渣線磚與包底工作襯更換，包壁套澆。

一爐役的使用次數(shù)為140 次。 包壁干式噴補(bǔ)料施工時(shí)，粉塵大、反彈掉落高、耐用性能不佳，大概在使用10～20 次時(shí)，已全然無殘留。

使用新的無水泥鋁鎂干式噴補(bǔ)料的改善結(jié)果如下：

包壁干式噴補(bǔ)料施工時(shí)粉塵量與反彈量明顯地改善。圖8 為實(shí)際鋼包噴補(bǔ)作業(yè)時(shí)的照片，可清楚見到低粉塵與低反彈。 在相同使用條件下， 鋼包使用40 次后，仍然在大面積的包壁上，清晰可見此新的無水泥鋁鎂干式噴補(bǔ)料的殘留， 其殘留厚度在10～30 mm 厚。 如圖9 所示，為實(shí)際鋼包使用30 次時(shí)的照片， 包壁清晰可見此新的無水泥鋁鎂干式噴補(bǔ)料的殘留。

圖8 無水泥鋁鎂干式噴補(bǔ)料在鋼包上噴補(bǔ)作業(yè)時(shí)的照片

圖9 無水泥鋁鎂干式噴補(bǔ)料在鋼包上使用30 回時(shí)的照片

其卓越的改善效果，將鋼包的修護(hù)模式改變?yōu)椋貉娱L(zhǎng)下線修護(hù)為70-70-60 次。從140 次的大修使用壽命周期，延長(zhǎng)至200 次，甚至達(dá)到220 次。

此改善不僅降低了耐材使用單耗（節(jié)省了15%以上的包壁及包底澆注料與補(bǔ)修材料），延長(zhǎng)了使用壽命（提高了50%）， 而且對(duì)于鋼廠的生產(chǎn)調(diào)度有很大的幫助。

5.2 在某鋼廠200 t 鋼包的實(shí)際應(yīng)用

某鋼廠200 t 鋼包的修護(hù)模式為（參照上述）55-55-55-55 次，一爐役大修爐齡壽命為220 次。

在使用新的無水泥鋁鎂干式噴補(bǔ)料取代舊的中水泥鍵鋁鎂復(fù)配尖晶石噴補(bǔ)料后， 其修護(hù)模式更改為55-55-55-55-55-55 次，一爐役大修爐齡壽命延長(zhǎng)至340 次，甚至達(dá)到380 次。

6 結(jié)語

鋼包襯體材料的演變， 是朝著鋁鎂質(zhì)不定形的方向發(fā)展；但其所面臨的挑戰(zhàn)為：包位周轉(zhuǎn)、施工周期、烘包、包殼變形、判修與管理等。

干式噴補(bǔ)作業(yè)有著容易、快速及便捷的優(yōu)勢(shì)，但在鋼包的應(yīng)用上，受制于其不耐用性能。

采用板狀剛玉為主原料以及引入特殊氧化鋁微粉，發(fā)展出的無水泥鋁鎂干式噴補(bǔ)料，因其卓越的耐用性能，不僅可延長(zhǎng)鋼包使用壽命，在某種程度上，可局部或全面地取代套澆，改變鋼包的修護(hù)模式。