鋼包耐火材料長壽化的工藝探索

黃東平 張彥恒 楊曉東 白宏宇

1）攀鋼集團西昌鋼釩有限公司 煉鋼廠 四川西昌 615000

2）偃師中岳耐火材料有限公司 河南洛陽 471924

攀鋼集團西昌鋼釩有限公司（以下簡稱西昌公司）于2011年底投產(chǎn)，產(chǎn)品均為板材，主要裝備有3座1 750 m3高爐、2座200 t提釩轉(zhuǎn)爐、3套鐵水預(yù)處理脫硫站、2座200 t煉鋼轉(zhuǎn)爐、2座200 t雙工位LF精煉爐、1座200 t雙工位RH精煉爐、2臺兩機兩流板坯連鑄機。工藝流程示意圖見圖1。

圖1 西昌公司煉鋼廠工藝流程示意圖

由于西昌公司的高爐采用釩鈦磁鐵礦冶煉，所以鐵水的V、Ti含量較高，S含量平均達(dá)0．081%（w），因此，鐵水均需進(jìn)行預(yù)處理脫S，且鐵水經(jīng)提釩轉(zhuǎn)爐冶煉后，C損失約1．0%（w）。西昌公司高爐的鐵水及半鋼水具體情況見表1。

表1 西昌公司高爐鐵水及半鋼水情況

2011年底投產(chǎn)至2015年底，由于設(shè)備缺陷多，出鋼時間偏長，鋼包烘烤溫度低等因素，造成了鋼水在轉(zhuǎn)爐爐后溫度平均僅有1 592℃。鋼廠所有的鋼種均需通過LF精煉爐處理，LF精煉升溫時間平均達(dá)到14 min，加上鋼包材質(zhì)不高，鋼包的平均大修壽命僅為102次。部分鋼種經(jīng)LF精煉爐深脫硫（如X80管線鋼等）后，鋼包渣線侵蝕嚴(yán)重，偶有渣線穿鋼等事故發(fā)生，造成鋼包提前下線。

2016年后，低硫品種鋼、IF鋼、鈣處理鋼的比例進(jìn)一步增加。LF精煉爐脫硫比例增加，精煉造渣螢石用量也增加，這都加劇了渣線的侵蝕。同時，IF鋼要求嚴(yán)控鋼水增碳量，要盡可能縮減渣線鎂碳磚的使用層數(shù)。2018年后，煉鋼廠通過開展穩(wěn)定轉(zhuǎn)爐裝入量，優(yōu)化轉(zhuǎn)爐出鋼溫度，改進(jìn)LF精煉造渣劑，改進(jìn)鋼包砌筑工藝，提升無碳鋼包磚和渣線磚原材料檔次等一系列工作，逐步提高鋼包壽命。截至2021年，鋼包工作襯壽命從102次提高至200次以上，渣線壽命從65次提高至100次以上，連續(xù)3年未出現(xiàn)鋼包發(fā)紅和漏鋼事故，且工作襯殘厚保持在70 mm以上。

1 鋼包壽命的影響因素

影響鋼包耐火材料使用壽命的因素較多，材質(zhì)、砌筑方式、爐渣成分、精煉工藝、盛鋼時間及溫度控制等都會影響鋼包壽命。從耐火材料使用情況來看，鋼包渣線、座磚、包底沖擊區(qū)是工作環(huán)境最苛刻的區(qū)域，侵蝕最嚴(yán)重，是影響鋼包耐火材料使用壽命的關(guān)鍵。

1．1 精煉工藝

LF精煉爐處理鋼水需要起弧、加熱和造渣，電弧和爐渣會加劇鋼包耐火材料的侵蝕，特別是精煉脫硫的鋼種，因爐渣與鋼水充分?jǐn)嚢?，渣線部位往往侵蝕更為嚴(yán)重。RH精煉爐處理的鋼水，鋼渣界面反應(yīng)弱，渣線部位侵蝕較小。CAS（密封吹氬合金成分調(diào)整站）或吹氬站處理的鋼水溫度低，處理時間短，渣與鋼水?dāng)嚢璨粍×?，渣線部位侵蝕也較小。因此，LF精煉處理比例增加，鋼包壽命則降低。

1．2 鋼包砌筑工藝

鋼包工作襯砌筑一般為先砌筑包底，再砌筑包壁，以確保包底工作襯不會出現(xiàn)上浮風(fēng)險。包底沖擊區(qū)砌筑無碳鋼包磚，包底與水口座磚、透氣座磚周圍間隙采用剛玉質(zhì)澆注料整體澆注。在實際應(yīng)用過程中，包底和包壁襯磚不斷減薄，容易導(dǎo)致包底與包壁之間露出接縫。由于包底與包壁之間接縫一般較大，因此，接縫處會存在鉆鋼導(dǎo)致漏鋼的風(fēng)險。

1．3 包襯材質(zhì)

在實際應(yīng)用過程中，包壁無碳鋼包磚剝落比較嚴(yán)重，輕微剝落一般為10～20 mm，嚴(yán)重剝落達(dá)到30～50 mm，使包壁局部較薄，致使鋼包大修。而包底使用無碳鋼包磚抗鋼水沖刷性能較差，一般較難實現(xiàn)與包壁無碳鋼包磚工作襯壽命同步，中途小修過程中需要拆除包底重新砌筑。

鋼包渣線磚一般都采用鎂碳磚，鎂碳磚在使用過程中表層的碳會被氧化。鋼渣熔點較低，在精煉過程中因底吹氬及液面波動導(dǎo)致渣線鎂碳磚與鋼渣液面接觸區(qū)域被侵蝕而出現(xiàn)凹槽，造成鋼包小修次數(shù)增加。

水口座磚需承受澆鋼過程鋼水沖刷，透氣座磚需承受底吹氬氣流與鋼水?dāng)嚢枞蹞p。因此，鋼包工作襯會因水口座磚和透氣座磚壽命低導(dǎo)致提前下線小修。

1．4 其他因素

部分鋼廠采用內(nèi)裝式透氣磚，壽命約為30～50爐，因此，需要下線更換透氣磚而導(dǎo)致鋼包小修。一般鋼廠鋼包在上線前都會將鋼包烘烤至800℃以上，最好能達(dá)到1 000℃以上［1］。如果上線前鋼包工作襯溫度過低，出鋼時會因鋼水與工作襯溫差過大導(dǎo)致耐火材料剝落。鋼包在線周轉(zhuǎn)過程中如果出現(xiàn)臨時停用，應(yīng)將鋼包放置在烘烤器下大火烘烤保溫，以避免因空罐放置時間長，當(dāng)再次出鋼時導(dǎo)致工作襯升溫快，致使耐火材料剝落。

2 提高鋼包壽命的措施

2．1 優(yōu)化鋼包砌筑方式

西昌公司200 t鋼包永久襯采用鋁鈣系澆注料來代替原來使用的微孔輕質(zhì)莫來石澆注料，包壁采用無碳鋼包磚，包底沖擊區(qū)采用抗沖擊鋁鎂碳磚，非沖擊區(qū)采用包底無碳鋼包磚，渣線采用鎂碳磚進(jìn)行綜合砌筑。優(yōu)化前鋼包工作襯的厚度：包底350 mm，包壁210 mm，渣線230 mm；優(yōu)化后鋼包工作襯的厚度：包底450 mm，包壁210 mm，渣線230 mm。鋼包優(yōu)化前砌筑方式示意圖見圖2，優(yōu)化后砌筑方式示意圖見圖3。

圖2 200 t鋼包優(yōu)化前砌筑方式示意圖

圖3 200 t鋼包優(yōu)化后砌筑方式示意圖

優(yōu)化前，鋼包采用先砌筑包底再砌筑包壁，在使用過程中，隨著包壁和包底不斷減薄，包壁與包底之間的接縫位置容易出現(xiàn)鉆鋼現(xiàn)象。優(yōu)化后，鋼包采用先砌筑包壁再砌筑包底，包壁與包底之間的間隙采用剛玉質(zhì)澆注料填縫，使用過程中，如包底剛玉質(zhì)澆注料出現(xiàn)局部熔損，在小修過程中進(jìn)行填補修復(fù)。從使用效果來看，先砌筑包壁再砌筑包底不會出現(xiàn)包底上浮的現(xiàn)象，改進(jìn)后包底與包壁之間的接縫未出現(xiàn)鉆鋼現(xiàn)象。

2．2 鋼包材質(zhì)的改進(jìn)

為提高無碳鋼包磚抗鋼水沖刷性能，采用板狀剛玉替代原來的白剛玉和棕剛玉作為主原料制作無碳鋼包磚。為了提高無碳鋼包磚抗熱震性能，避免因無碳鋼包磚剝落導(dǎo)致鋼包壽命下降，在無碳鋼包磚粉料中添加板狀剛玉粉料，降低白剛玉、棕剛玉粉料的使用比例，以此來提高無碳預(yù)制鋼包磚的抗熱震性能。對改進(jìn)前后無碳鋼包磚開展了抗渣試驗對比。圖4為改進(jìn)前無碳鋼包磚靜態(tài)抗渣試驗照片?？梢钥闯觯轰撛鼘o碳鋼包磚基質(zhì)滲透比較明顯，鋼渣滲透到基質(zhì)中形成了變質(zhì)層。圖5為改進(jìn)后無碳鋼包磚靜態(tài)抗渣試驗照片。可以看出：鋼渣對無碳鋼包磚未出現(xiàn)明顯滲透，未形成變質(zhì)層。

圖4 改進(jìn)前無碳鋼包磚抗渣試驗照片（1 600℃，3 h）

圖5 改進(jìn)后無碳鋼包磚抗渣試驗照片（1 600℃，3 h）

為進(jìn)一步提高渣線磚抵抗低熔點鋼渣的侵蝕，采用98．5大結(jié)晶鎂砂替代主原料中的97電熔鎂砂。對改進(jìn)前后渣線磚開展了抗渣試驗對比，從圖6改進(jìn)前渣線磚的靜態(tài)抗渣來看，鋼渣對磚沒有明顯侵蝕，渣和磚的界面比較清楚，有局部輕微侵蝕凹坑，氧化脫碳層較小，渣線鎂碳磚的抗渣性能優(yōu)良。從圖7改進(jìn)后渣線磚的靜態(tài)抗渣試驗照片來看，主原料采用98．5大結(jié)晶鎂砂，晶粒尺寸大，氣孔率低，抗侵蝕性較好，鋼渣對磚沒有明顯侵蝕，渣和磚的界面清楚，沒有侵蝕凹槽，氧化脫碳層非常小，抗渣性能較好。通過現(xiàn)場應(yīng)用驗證，當(dāng)渣線磚中加入了35%～40%（w）的98．5大結(jié)晶鎂砂替代主原料當(dāng)中的部分97電熔鎂砂，渣線磚使用壽命由原來的60～70次提高到100～110次。當(dāng)渣線磚主原料全部采用98．5大結(jié)晶鎂砂來替代97電熔鎂砂，其使用壽命可以提高到140～150次。由于本廠鋼包大修壽命為200次，渣線磚按照改進(jìn)后100～110次的方案進(jìn)行配置，一個大修周期內(nèi)更換1次渣線磚比較經(jīng)濟合理。

圖6 改進(jìn)前渣線磚抗渣試驗照片（1 600℃，3 h）

圖7 改進(jìn)后渣線磚抗渣試驗照片（1 600℃，3 h）

對水口座磚材質(zhì)和成型工藝進(jìn)行改進(jìn)。水口座磚中心內(nèi)腔采用鉻剛玉材質(zhì)整體燒制成型，座磚外壁采用剛玉質(zhì)澆注料二次澆注成型。至此，水口座磚壽命從70次提高到100次以上，實現(xiàn)了100～110次更換渣線磚的同時更換透氣座磚和水口座磚。

2．3 鋼包大小修工藝優(yōu)化

由于鋼包出鋼過程中鋼水落差大，而剛玉尖晶石質(zhì)的無碳鋼包磚抗鋼水沖刷性能較差，因此，包底承受轉(zhuǎn)爐出鋼過程鋼水沖擊區(qū)由厚度為350 mm的包底無碳鋼包磚改為厚度為450 mm的抗沖擊鋁鎂碳磚；包底非沖擊區(qū)依然采用厚度為350 mm的包底無碳鋼包磚。改進(jìn)后，包底壽命從70爐提高到了200爐以上，下線大修時包底殘厚為200～260 mm，實現(xiàn)了包底、包壁工作襯壽命同步。

由于西昌公司鋼包水口座磚距離包壁較近，在澆鋼過程中，水口座磚位置的鋼水產(chǎn)生渦流，使得水口座磚附近包壁不斷受鋼水渦流沖刷，導(dǎo)致靠近水口座磚附近的包壁侵蝕較快。從鋼包下線的殘厚來看，水口座磚位置的包壁最薄。為此，在水口座磚四周安裝6～8塊抗沖擊鋁鎂碳磚，布置3～4個高于座磚上端面的局部凸點，從而破壞水口座磚上方鋼水產(chǎn)生的渦流。從實施效果來看，水口座磚附近的包壁與其余位置包壁殘厚基本一致，未出現(xiàn)明顯被侵蝕的凹坑。

2．4 鋼包烘烤工藝優(yōu)化

第一代鋼包烘烤器火焰長度不能沖抵至包底，導(dǎo)致包底烘烤溫度偏低。將其升級為無換向閥、無引風(fēng)機的第三代節(jié)能烘烤器后，其火焰強度好，火焰長度可以直接沖抵至包底。大火烘烤期間，鋼包內(nèi)襯升溫快，鋼包烘烤效果好，使包底和包壁上線前溫度從原來的800℃上升至1 000℃以上。鋼包在線周轉(zhuǎn)過程中如需要臨時停罐時，則采用大火進(jìn)行烘烤保溫，從而避免包襯溫降過大。

2．5 精煉工藝路徑優(yōu)化

經(jīng)LF精煉易造成鎂碳磚氧化、脫碳。LF精煉時爐渣在高溫下黏度比較低，在脫碳層中的滲透能力較強，使得熔渣容易滲入到方鎂石的晶界處離解鎂砂顆粒［2］。因此，采用LF精煉工藝路徑時渣線用鎂碳磚的使用壽命比較低。國內(nèi)部分鋼廠實踐表明，LF精煉比例增加，鋼包用耐火材料的使用壽命降低明顯。

通常，鋼種的精煉工藝路徑由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)決定。從2013年～2021年西昌公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化發(fā)現(xiàn)，普碳鋼的比例逐年呈降低趨勢，其余品種逐年增加。普碳鋼可采用LF精煉爐或吹氬站簡單處理，而其余鋼種則需LF爐、RH爐或LF＋RH爐深度精煉。

通常，鋼水在鋼包內(nèi)停留時間從低到高的排序是：經(jīng)BOF－RH－CC工藝路徑小于BOF－LF－CC工藝路徑小于BOF－LF－RH－CC工藝路徑。典型鋼種如低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼采用BOF－RH－CC工藝路徑，其鋼水在鋼包內(nèi)停留時間小于BOF－LF－CC工藝路徑，且RH爐精煉處理不需要使用電弧加熱，不需要爐渣脫氧和攪拌，對鋼包耐火材料的侵蝕速率降低。部分質(zhì)量要求不高的鋼種，如普碳鋼系列，可采用吹氬站處理后直接上連鑄機的工藝路徑，這樣既提升效率，又減少對鋼包耐火材料的侵蝕。

2．6 精煉造渣工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)的精煉造渣劑為螢石和石灰，但螢石對耐火材料的侵蝕嚴(yán)重。不使用含氟化物的材料進(jìn)行煉鋼和精煉已經(jīng)是當(dāng)今冶煉工藝發(fā)展的趨勢［3］。CaOAl2O3基低氟化物或無氟化物造渣劑精煉效果不穩(wěn)定是目前亟需解決的問題。為提高造渣效果，采用了CaO－Al2O3－SiO2基造渣劑，并加入少量NaCO3。此造渣劑替代螢石加入LF精煉爐中進(jìn)行造渣，加入量控制在噸鋼0．5～1．0 kg。使用此造渣劑后，渣線部位無明顯侵蝕，與使用螢石作造渣劑相比改善明顯。西昌公司開發(fā)的造渣劑的化學(xué)組成（w）為：CaO≤10．0%，Al2O3≤50．0%，Na2O ≤1．5%，MgO ≤10．0%，F(xiàn)eO≤3．0%，SiO2≤10．0%。

3 實施效果

通過以上措施的實施，鋼包的使用狀況得到逐步改善，鋼包的大修壽命從2015年的102次提升到現(xiàn)在的201次，鋼包小修壽命從2015年的51次提升到現(xiàn)在的100次。包壁磚的平均侵蝕速率從2015年的每次1．47 mm降低至0．67 mm；渣線磚的平均侵蝕速率從2015年的每次3．27 mm降低至1．75 mm。對2015和2021年鋼包下線后的殘余厚度進(jìn)行測量的結(jié)果見表3。

表2 大小修時鋼包工作襯部位殘余厚度

4 結(jié)語

（1）通過對鋼包砌筑鋼包材質(zhì)大小修工藝LF精煉造渣制度和精煉工藝路徑等采取優(yōu)化措施，逐步提升鋼包壽命至200次以上，下線后鋼包包壁磚殘厚可達(dá)70 mm以上，鋼水潔凈度得到提高。

（2）無碳鋼包磚主原料采用板狀剛玉，粉料中添加部分板狀剛玉粉后無碳鋼包磚抗渣性提高，無碳鋼包磚使用壽命提高。

（3）渣線磚中加98．5大結(jié)晶鎂砂，晶粒尺寸大，氣孔率低，抗鋼渣侵蝕性較好，渣線磚使用壽命提高。