楊祝英

(天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院天鐵校區(qū)，河北056404)

0 引言

在所有的金屬材料中，鋼具有強(qiáng)度高、韌性好、容易加工和焊接良好等性能， 隨著冶金技術(shù)工藝水平的不斷提高， 可以通過在鋼液中加入不同的合金元素并合理控制其相應(yīng)比例， 以獲得不同性能的合金鋼，從而滿足制造業(yè)對(duì)材料性能的各種不同要求。鋼是一種用途廣泛的優(yōu)質(zhì)材料， 涉及現(xiàn)代化建設(shè)的多個(gè)重要行業(yè)，品種齊全、用量巨大，在相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)， 鋼鐵行業(yè)仍將是我國重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一。 煉鋼技術(shù)的提高、工藝的改進(jìn)顯得尤為重要。

1 煉鋼及其基本任務(wù)

1.1 煉鋼

煉鋼就是在煉鋼爐內(nèi)將廢鋼、鐵水等原料經(jīng)過冶煉成為化學(xué)成分符合要求，物理性能、化學(xué)性能，滿足用戶需要的鋼。

1.2 煉鋼的基本任務(wù)

(1)去除雜質(zhì)，比如去除鋼中硫(S)、磷(P)、氧(O)、氫(H)、氮(N)和夾雜物等。

(2)調(diào)整成分，將鋼的成分(如碳、硅、錳等)調(diào)整到一定范圍，以獲得相應(yīng)的不同性能。

(3)調(diào)整溫度，調(diào)整鋼的成分需要將鋼液加熱到1 500 ℃以上；澆鑄成鋼坯需要將出鋼溫度控制在1 600 ℃以上；同時(shí)還要滿足在出鋼時(shí)對(duì)加入的合金料進(jìn)行加熱升溫，保證鋼液溫度達(dá)到出鋼要求。

完成煉鋼任務(wù)常采用的技術(shù)手段是： 供氧、造渣、升溫、加脫氧劑和合金劑，所用到的主要設(shè)備是煉鋼爐和鋼包。

2 鋼包的作用及其內(nèi)襯損壞原因

2.1 鋼包的主要作用

一爐鋼在煉鋼爐中煉好后通過鋼包承接鋼水送往吹氫、精煉和連鑄平臺(tái)，配合連鑄完成澆鋼任務(wù)。 在這期間，鋼包的主要作用：

(1)盛放和輸送鋼液；

(2)進(jìn)行鋼水脫氧與合金化操作；

(3)完成鋼水溫度調(diào)整、成分均勻和夾雜物上浮作業(yè)；

(4)進(jìn)行爐外精煉和真空處理。

鋼包在工序間運(yùn)行過程中，周轉(zhuǎn)正常與否對(duì)煉鋼和連鑄的協(xié)調(diào)生產(chǎn)起著決定性的作用。 影響鋼包正常運(yùn)轉(zhuǎn)的主要因素是鋼包的使用壽命，而鋼包耐火襯的壽命又決定了鋼包的使用壽命，所以在生產(chǎn)過程中要不斷地觀察鋼包耐火襯的物理、 化學(xué)變化，避免事故發(fā)生。

2.2 鋼包內(nèi)襯的損壞

在目前精煉比與連鑄比不斷提高的冶煉模式下， 鋼包通常需要配合精煉要求完成電極加熱、合金加料、吹氫攪拌、喂絲合金化、真空脫氣等工序，這將導(dǎo)致高溫鋼水在鋼包內(nèi)停留時(shí)間長，導(dǎo)致蝕包嚴(yán)重。 一些鋼廠通過減薄包襯對(duì)鋼包進(jìn)行擴(kuò)容，導(dǎo)致包齡降低，鋼包周轉(zhuǎn)緊張，增加了耐材消耗和工人筑、拆包勞動(dòng)強(qiáng)度，漏包事故時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致鋼包損壞，影響鋼鐵生產(chǎn)和產(chǎn)量。

鋼包損壞多發(fā)生在耐火襯的損壞上。 鋼包耐火襯損壞的原因多種多樣，包括化學(xué)蝕損、物理作用和人為因素等。

(1)化學(xué)蝕損有：

①耐火襯被熔渣中的化學(xué)成分侵蝕；

②受高溫作用，耐火襯產(chǎn)生某些化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致?lián)p壞。

(2)物理損壞有：

①鋼包耐火材料被鋼水機(jī)械沖刷而損壞；

②鋼水的高溫反復(fù)作用于包襯耐材，導(dǎo)致包襯開裂和剝落。

(3)人為因素，包括：

①對(duì)耐材的選擇與搭配不當(dāng)；

②對(duì)耐材的使用不當(dāng)；

③對(duì)鋼包耐火襯的砌筑方式和烘烤方式不當(dāng)?shù)取?/p>

為了提高鋼包耐火襯的使用壽命，天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司煉鋼廠(以下簡稱“天鐵煉鋼廠”)采用高鋁尖晶石澆注料對(duì)80T 鋼包進(jìn)行了整體澆注試驗(yàn)，效果良好。

3 尖晶石澆注料介紹

尖晶石質(zhì)耐火材料是指以尖晶石族礦物為主要礦物組成的耐火原料。 尖晶石族礦物的化學(xué)通式為AB2O4， 其中A 為Mg2+、Fe2+、Zn2+、Mn2+、Co2+、Ni2+等二價(jià)金屬陽離子，B 為Al3+、Fe3+、Cr3+等三價(jià)陽離子。 在該族礦物中，根據(jù)三價(jià)陽離子的不同，分別有以下三個(gè)系列：尖晶石系列、磁鐵礦系列和鉻鐵礦系列。

由于高鋁尖晶石是一種不含碳的耐火材料，且具有較好的抗熱震穩(wěn)定性、較強(qiáng)的耐蝕性能和耐磨性能等優(yōu)點(diǎn)，更適于作承裝低碳鋼、超低碳鋼的鋼包內(nèi)襯。 通過對(duì)此種材料化學(xué)性質(zhì)的分析，依據(jù)在其中的含量，將此種耐火材料分為四種：1)方鎂石-尖晶石耐材(Al2O3≤30%)；(2)尖晶石-方鎂石耐材(30%＜Al2O3≤68%)；(3) 尖晶石質(zhì)耐材(68%＜Al2O3≤70%)；(4)鎂鋁磚(Al2O3≤10%)。鋼包內(nèi)襯多用第一種。

自然環(huán)境中天然的鎂鋁尖晶石礦物含量極少，工業(yè)生產(chǎn)中多使用的是合成材料。 合成方法是：

MgO+Al2O3→MgO·Al2O3

Al2O3主要來源于工業(yè)氧化鋁和特級(jí)高鋁礬土等，MgO 的來源有菱鎂礦和輕燒，MgO 粉等。 視原料種類不同，約在900～1 200 ℃時(shí)開始反應(yīng)，1 400 ℃反應(yīng)顯著，1 550 ℃反應(yīng)基本結(jié)束。 合成尖晶石的工藝方法主要有燒結(jié)法和電熔法。

3.1 燒結(jié)法

(1)一步燒結(jié)法將原料按照配比的要求進(jìn)行配料，充分混合后再經(jīng)細(xì)磨，然后進(jìn)行壓球(坯)，放入1 750 ℃以上的回轉(zhuǎn)窯或豎爐中高溫緞燒即可。

(2)二步燒結(jié)法將混合坯料首先在1 200～1 300℃的低溫下進(jìn)行預(yù)燒，得到活性尖晶石。再將活性尖晶石經(jīng)細(xì)磨、壓球(坯)后，于1 750 ℃的高溫下緞燒可得密度達(dá)3.45 g/cm3的燒結(jié)尖晶石。

3.2 電熔法

利用熔化溫度可達(dá)2 200 ℃的傾動(dòng)式電爐或漩渦熔化爐進(jìn)行熔化合成。 電熔法常選用輕燒氧化鎂粉、緞燒氧化鋁、精選鋁礬土、工業(yè)氧化鋁、高級(jí)純氧化鎂等作原料，選用時(shí)應(yīng)注意將MgO 的含量控制在35%～50%之間，其含量過高或過低都將造成溶液粘度過高，影響鋼包耐火襯的澆筑。

尖晶石的熔點(diǎn)高達(dá)2 135 ℃，化學(xué)穩(wěn)定性好，對(duì)酸和堿都有一定的適應(yīng)性， 抗含F(xiàn)eO 熔渣的能力強(qiáng)，熱膨脹系數(shù)較小，抗熱震性好。 采用高鋁尖晶石澆注料時(shí)，通常將其制成超細(xì)粉末，直接加水通過振動(dòng)成型使之凝聚結(jié)合。 該種耐火材料施工性能好，具有較高的致密度，烘烤時(shí)抗爆裂性好。 使用中蝕損均勻，抗開裂與剝落。 其高溫性能、使用性能都優(yōu)于用水玻璃為結(jié)合劑的鋁鎂質(zhì)鋼包澆注料。

天鐵煉鋼廠在80T 鋼包上進(jìn)行整體澆注試驗(yàn)取得滿意的效果，鋼包包齡增加，溫降減少，生產(chǎn)節(jié)奏加快，噸鋼成本降低，效益顯著。

4 澆注試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)前的情況

自投產(chǎn)以來，天鐵煉鋼廠80 t 鋼包一直采用河南鞏義耐火材料廠生產(chǎn)的鋁鎂碳磚和鋁鎂不燒磚進(jìn)行砌筑。 通過耐火磚砌筑的鋼包工作襯在使用過程中容易出現(xiàn)裂縫、 侵蝕加快和剝落掉磚等問題，鋼包在使用過程中存在較大的安全隱患，異常下線次數(shù)較多，小修補(bǔ)次數(shù)多，導(dǎo)致耐材消耗量大，鋼包周轉(zhuǎn)速度慢，影響鋼的產(chǎn)量。 并且鋁鎂碳磚和鋁鎂不燒磚的性能特點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)高， 鋼包散熱快，價(jià)格較高，約4 379 元/t，造成成本增加。在實(shí)際運(yùn)行過程中， 鋼包平均溫降4～6 ℃/min， 最大溫降14 ℃/min， 給爐前終點(diǎn)溫度控制和爐后澆鋼溫度控制帶來很大困難。 尤其是上連鑄鋼水，時(shí)常因鋼水溫度過低造成中斷以致回爐。 另外，鋼包壽命短，統(tǒng)計(jì)數(shù)字：平均鋼包壽命32 次，最大壽命47 次，大部分鋼包壽命在30 次以下。 另外，包壁粘渣較為嚴(yán)重，常因鋼包粘渣粘鋼而提前報(bào)廢。 造成耐火材料消耗量很大，產(chǎn)品成本高。 為此，天鐵煉鋼廠技術(shù)科與煉鋼車間耐火工段共同提出將砌筑包改為整體澆注包，并在7#、11#、12#鋼包上進(jìn)行整體澆注試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)方案

4.2.1 試驗(yàn)材料、用具

(1)澆注料：采用冶金部洛耐院鞏義市聯(lián)營試驗(yàn)廠生產(chǎn)的高鋁——尖晶石澆注料；

(2)350 kg 攪拌機(jī)一臺(tái)；

(3)振動(dòng)棒二個(gè)；

(4)模具一個(gè)。

4.2.2 澆注料的理化性能(見表1)

表1 澆注料的理化性能

4.2.3 包襯(容積10.84 m3，盛鋼80 t)見圖1。

圖1

本次試驗(yàn)的7#、11#、12#鋼包， 均按天鐵煉鋼廠現(xiàn)筑包工藝：即砌筑永久層后，使用現(xiàn)有澆注模具進(jìn)行澆注，包壁及包底厚度參見圖1 所示。

4.2.4 鑄包及烘烤工藝見圖2 所示

圖2

4.3 試驗(yàn)條件

(1)鋼包：80 t 容量鋼包三個(gè)，鋼包用鋼包覆蓋劑保溫；

(2)45 t 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐兩座，出鋼溫度1 740～1 780 ℃，吹氫處理后鋼水溫度1 610～1 680 ℃；

(3) 鋼水在鋼包內(nèi)的停留時(shí)間： 模鑄30～40 min；連鑄50～70 min；

(4)鋼種：普碳鋼；

(5)每班最大生產(chǎn)量9 爐，停機(jī)較為頻繁。

5 試驗(yàn)情況及小結(jié)

5.1 鋼包包齡對(duì)比

本次試驗(yàn)主要考察了鋼包的溫降、壽命及掛渣情況。 從6 月份投入使用到7 月底，7#鋼包包齡73 次；11#包包齡68 次；12#包包齡69 次。 平均包齡70 次， 平均溫降1.4 ℃/min， 最大溫降2.4 ℃/min，最小溫降0.4 ℃/min，平均每包覆蓋劑65 kg。鋼包幾乎無掛渣。

由于目前天鐵煉鋼廠生產(chǎn)的連續(xù)性不強(qiáng)，加上生產(chǎn)組織上的不完善，使鋼包在使用過程中多次甩包處理：7#包甩包7 次、11#包甩包7 次，12#包甩包8 次，三個(gè)包累計(jì)甩包22 次。 主要原因是由于包底太厚，不能再繼續(xù)使用。 其次是上下座磚蝕損嚴(yán)重，需要更換座磚。 鋼水有時(shí)在包內(nèi)停留時(shí)間過長，鋼水冷凝粘結(jié)包壁，每次處理，對(duì)包壁都有不同程度的損傷，其中7#包與12#包，由于包底損傷較重，分別修補(bǔ)包底各一次。

停產(chǎn)之后， 我們對(duì)三個(gè)鋼包分別做了鑒定，結(jié)果表明：整個(gè)包襯侵蝕均勻，三個(gè)鋼包包襯的殘余厚度基本上都在100mm 左右， 蝕損厚度平均1.2 mm/次，按此蝕損速度推算，包襯厚度低于40 mm 報(bào)廢，那么三個(gè)鋼包平均還可以再使用50 次左右。

5.2 用費(fèi)對(duì)比

與現(xiàn)在用砌筑鋼包相比，現(xiàn)在砌筑鋼包平均壽命32 次，澆注包平均壽命按70 次計(jì)算，效益對(duì)照如表2。

表2 澆注、砌筑包襯經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

如果按年生產(chǎn)能力80 萬噸計(jì)算， 一年可節(jié)約成本4178.4 萬元。另外，還可減少用包500 余個(gè)，少清理拆包廢渣6 000 余噸， 這種方法既降低了生產(chǎn)成本，又改善了工作環(huán)境，同時(shí)還減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了企業(yè)生產(chǎn)效益。

5.3 今后須改進(jìn)的地方

在鋼包使用過程中， 鋼包座磚的壽命較低，導(dǎo)致鋼包使用頻率降低。 今后需要對(duì)鋼包座磚的材質(zhì)加以改進(jìn)，或取消鋼包座磚，直接澆注成型，可使座磚使用壽命與包襯壽命同步。

現(xiàn)在350 kg 攪拌機(jī)功率太低， 造成施工時(shí)間延長，以后施工過程中應(yīng)該改用攪拌能力較高的攪拌機(jī)。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析： 目前雖然鋼鐵市場(chǎng)出現(xiàn)動(dòng)蕩，但是并不是夕陽產(chǎn)業(yè)，只是鋼鐵業(yè)在完成轉(zhuǎn)型期出現(xiàn)的正?，F(xiàn)象，并且在2018 年和2019 年全國鋼鐵發(fā)展態(tài)勢(shì)已經(jīng)出現(xiàn)前所未有的大好局面。 所以展望未來，鋼鐵仍將是最主要的結(jié)構(gòu)材料和產(chǎn)量最大的功能材料，鋼鐵業(yè)仍然要繼續(xù)發(fā)展。