100 t 鋼包擴(kuò)容設(shè)計(jì)與實(shí)踐

張文祥 武曉陽 李 超 柳曉輝 張朝發(fā) 魏 軍

（河鋼股份有限公司唐山分公司）

0 前言

為滿足生產(chǎn)需求，轉(zhuǎn)爐后期有效容積增大后可以增加出鋼量，但是轉(zhuǎn)爐增產(chǎn)受現(xiàn)有鋼包容量的限制，鋼包裝入量過大容易出現(xiàn)精煉爐溢渣現(xiàn)象，如果只是單純減小鋼包工作層的厚度，則會造成鋼包包齡壽命的降低、耐材成本的升高。唐鋼長材事業(yè)部2022年1月份起進(jìn)行了月產(chǎn)45 萬t規(guī)模生產(chǎn)，需轉(zhuǎn)爐冶煉擴(kuò)容，即每爐鋼水量從現(xiàn)在的100 t 增至125 t，為適應(yīng)轉(zhuǎn)爐容量增加后的生產(chǎn)需要，鋼包設(shè)計(jì)優(yōu)化和改進(jìn)勢在必行，設(shè)計(jì)出了一種100 t 鋼包可承裝125 t 鋼水的修砌方案并實(shí)踐應(yīng)用。

1 容積計(jì)算及耐材尺寸優(yōu)化

鋼包作為煉鋼生產(chǎn)中必不可少的載體，是煉鋼—連鑄界面鋼水承載和二次冶煉的重要容器，將各個工序有機(jī)聯(lián)系起來，保證了煉鋼有序進(jìn)行。鋼包不僅承接轉(zhuǎn)爐冶煉完成的鋼水，而且是精煉的重要設(shè)備，在滿足裝鋼的同時，還要滿足精煉工藝，如對鋼包凈空要求、鋼包上部內(nèi)徑尺寸要求等。因此，對100 t 鋼包進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，容積需滿足盛裝轉(zhuǎn)爐出鋼量和精煉工藝的需求。

1.1 原100 t 鋼包設(shè)計(jì)方案及砌筑要求

包壁設(shè)計(jì)：包壁永久層打結(jié)前在包壁上粘貼保溫板，保溫板采用納米絕熱材料，厚度為10 mm。永久層打結(jié)要求將胎模與四周保溫板之間的間隔控制在（100±5）mm，澆注料攪拌時添加的水量控制在6.0%左右，以澆注料流動性作為最終判定依據(jù)，攪拌均勻，安放好新鋼包胎具，按工藝要求操作。修包壁過渡層時使用80 mm 安全襯，鋼包包壁工作層采用210 mm 包壁磚，渣線部位采用240 mm 鎂碳磚，包壁安全襯和工作層之間采用40 mm 剛玉自流料，要求包沿高度小于120 mm。包壁總計(jì)厚度為440～470 mm。

包底設(shè)計(jì)：先打結(jié)100 mm 包底永久層，然后采用包底平鋪層加立砌工作層的修砌方法。包底和水口座磚仍采用現(xiàn)有砌筑方法，即先裝好透氣座磚和水口座磚，透氣座磚與包底磚之間的預(yù)留間隙，水口座磚與包底磚之間的預(yù)留間隙均為50～100 mm。包底磚砌筑完成后，透氣座磚與包底磚周圍的間隙、水口座磚與包底磚周圍的間隙、包底磚與包壁永久層之間均用剛玉自流料填充，最后插磚、振搗密實(shí)，做到磚縫縱橫錯開、泥漿飽滿，包底砌筑找正、卡牢，打結(jié)底料與透氣磚座磚齊平。包底總厚度達(dá)到450 mm，滿足了鋼包凈空高度400 mm，鋼包容量100 t 的使用要求，同時也提高了鋼包的使用安全性能。

1.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）100 t 鋼包包體鋼結(jié)構(gòu)主要尺寸及工藝參數(shù)：上口外徑3 760 mm，下口外徑3 280 mm，鋼包總高（不含罐腳）4 065 mm，鋼液面凈空高度400 mm，液態(tài)渣厚度150 mm，鋼水比重6.9 t/m3。

（2）鋼包容積公式[1-2]：

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

1.3 計(jì)算結(jié)果

鋼包包底是一個相對復(fù)雜的部位，包含滑動系統(tǒng)，透氣磚、水口座磚等，該設(shè)計(jì)改進(jìn)是在包底耐材不變的前提下，按照上述鋼包設(shè)計(jì)參數(shù)和容積公式進(jìn)行理論計(jì)算得到的，原包壁耐材厚度D前=470 mm，V前表示原100 t 鋼包容積，ΔDV為新增25 t 鋼包容積，優(yōu)化后的鋼包容積V后為125 t，代入鋼包容積公式計(jì)算得出D后=350 mm。因此DΔ=D前-D后=120 mm。

在現(xiàn)有鋼包基礎(chǔ)上增加25 t 鋼水容量，需增大內(nèi)徑120 mm，即包壁耐材厚度總體需要減少120 mm，據(jù)此考慮去掉修包壁過渡層使用的80 mm安全襯，包壁安全襯與工作層之間的40 mm 剛玉自流料，并據(jù)此設(shè)計(jì)了新砌磚方案。此設(shè)計(jì)改進(jìn)方案未考慮縮短鋼包永久層厚度，所以對鋼包包胎尺寸無影響，原有包胎可以繼續(xù)使用，其他部位尺寸和結(jié)構(gòu)不變。

2 砌筑工藝

2.1 鋼包優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和砌筑要求

包壁設(shè)計(jì)：根據(jù)實(shí)際情況，確定通過減少鋼包砌磚的厚度擴(kuò)大鋼包內(nèi)徑來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容，去掉修包壁過渡層使用80 mm 安全襯，去掉包壁安全襯和工作層之間40 mm 剛玉自流料，鋼包擴(kuò)容后取消包沿磚，使用渣線磚代替，否則凈空不能滿足精煉要求。包壁總計(jì)厚度為320～350 mm，經(jīng)計(jì)算，鋼包凈空高度為400 mm 時，鋼包容量為126 t，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，滿足了鋼水裝入量。

原始設(shè)計(jì)方案中修砌順序?yàn)楸匕濉谰脤印踩r—剛玉料—工作層，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案中修砌順序?yàn)楸匕濉谰脤印ぷ鲗樱荚O(shè)計(jì)方案和改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

包底采用重質(zhì)料打結(jié)，平鋪和立砌修砌方式，厚度為200 mm。包底和水口座磚仍采用現(xiàn)有砌筑方法，即先裝好上、下座磚，再拼砌底部磚。砌磚時須用木榔頭輕敲打緊，磚與磚之間的縫隙要小于2 mm，磚縫縱橫錯開，做到磚縫泥漿飽滿，罐底砌筑找正、卡牢。鋼包大修時，包底需重新打結(jié)底料；鋼包小修更換水口座磚或透氣磚時，需打結(jié)底料與透氣磚座磚齊平。

2.2 鋼包磚優(yōu)化

鋼包包壁磚采用200 mm 厚的鋁鎂碳磚，要求磚中碳含量提高2%，即含碳量為8%。渣線磚采用240 mm 厚的鎂碳磚，要求磚中碳含量提高2%，即含碳量為14%，以提高磚的抗浸蝕能力[3-4]。鋼包磚的理化指標(biāo)見表1。

表1 鋼包磚理化指標(biāo)

3 鋼包改進(jìn)方案可行性校核

3.1 鋼包空載和荷載情況下重心與耳軸位置

耳軸的位置對于整個鋼包的傾倒過程來說是十分重要的。若耳軸的位置太低，則很可能由于操作不當(dāng)導(dǎo)致鋼液的過快傾倒；若耳軸的位置過高，則會增大傾倒鋼液過程中所需要的傾翻力矩，進(jìn)而增大起重機(jī)副鉤的起重量，這樣就造成了很大的能源浪費(fèi)[5]。鋼包設(shè)計(jì)耳軸中心應(yīng)高于鋼水罐滿灌合成重心以上200～400 mm。改造后鋼包重心與耳軸如圖2 所示。對比改造前后鋼包重心與耳軸位置，坐標(biāo)原點(diǎn)位置：鋼包耳軸連線中點(diǎn)（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。

圖2 改造后鋼包重心與耳軸

計(jì)算表明，鋼包重心與耳軸位置符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 鋼包傾翻力矩

鋼包在傾倒過程中，其傾翻力矩由三部分構(gòu)成：鋼包空包引起的傾翻力矩、鋼包耳軸的摩擦力矩、鋼液引起的傾翻力矩。通過計(jì)算起重機(jī)副鉤的起重量與傾翻角的關(guān)系，核定起重機(jī)副鉤的起重噸位，當(dāng)前80 t 副鉤起重量完全能夠滿足擴(kuò)容鋼包傾翻要求。經(jīng)驗(yàn)證，此改進(jìn)方案不影響鋼包相關(guān)設(shè)備諸如鋼包車、龍門鉤和連鑄鋼包回轉(zhuǎn)臺的承載能力，相關(guān)設(shè)備不需要改進(jìn)，鋼包擴(kuò)容改造費(fèi)用不需要增加[5-6]。

3.3 鋼水裝入量

鋼包擴(kuò)容前后，鋼水裝入量（鋼包盛裝鋼水量）如圖3 所示。

圖3 鋼包擴(kuò)容前后鋼水裝入量對比

從圖3 可以看出，通過鋼包修砌工藝的調(diào)整改進(jìn)，鋼包鋼水裝入量較過去提高了25 t 左右，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。

3.4 鋼水溫降

此設(shè)計(jì)方案雖然去掉了安全襯磚，減少了保溫板厚度，但澆注料具有氣孔率高、體積密度小、導(dǎo)熱系數(shù)小、重?zé)湛s小等優(yōu)點(diǎn)，絕熱保溫效果好，鋼包溫降正常，未發(fā)生因鋼包溫降大而導(dǎo)致回爐鋼水的現(xiàn)象。

3.5 鋼包壽命對比

鋼包擴(kuò)容前2021 年10 月－2022 年1 月，鋼包平均包齡為95.45 爐，精煉比28.92%。擴(kuò)容優(yōu)化后，2022 年2 月－5 月，鋼包平均包齡為96.47爐，精煉比29.77%，鋼包包齡使用平穩(wěn)，無影響。擴(kuò)容前后鋼包壽命對比如圖4 所示。

4 結(jié)論

（1）通過對100 t 鋼包優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)，改進(jìn)后的鋼包完全滿足承裝125 t 鋼水要求，未超出240 t 天車的承裝能力。

圖4 擴(kuò)容前后鋼包壽命對比

（2）原設(shè)計(jì)100 t 鋼包總計(jì)耐材用量54.7 t，設(shè)計(jì)改進(jìn)后鋼包耐材用量減少到40.2 t，耐材消耗量降低，在保證鋼包安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上降低了耐材噸鋼成本。同時由于單爐產(chǎn)量增加，噸鋼動力費(fèi)用和人工費(fèi)用相應(yīng)減少，有效降低了噸鋼生產(chǎn)成本。

（3）改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案增大了鋼包的有效容積，提高了鋼包裝鋼量，同時提高了鋼包凈空高度，有利于避免精煉爐溢渣，保證了鋼水LF 精煉所需有效空間，對實(shí)現(xiàn)鋼水爐外有效精煉，提高鋼水質(zhì)量，增加品種檔次，提高品種比例具有重要意義。