首钢京唐一包到底耐火材料应用技术的研究

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首钢京唐一包到底耐火材料应用技术的研究


大中型钢铁厂的铁水运输，普遍采用高炉→鱼雷罐车→铁水包→转炉的生产组织模式。虽然此种模式具有机动性能好、铁水温降小等诸多优点，还具有铁水预处理、调整铁水温度和成分以及缓冲等功能。但是，它与现代冶金工艺所追求的高效益、低能耗的目标相比仍有一定差距，主要表现在铁水运输环节多、生产效率较低、能耗高、三脱效果较差、一次性投资大、运行成本较高等方面。为了克服上述问题，首钢京唐钢铁公司采用了铁水包多功能化工艺技术，即一包到底。为配合一包到底新工艺新技术的应用，首钢也进行了相适应的耐火材料应用技术的研究。

首钢京唐一包到底工艺路线  

一包到底，即采用一种具备铁水的盛接、运输、缓冲贮存、铁水预处理、转炉兑铁和铁水保温等多功能的盛铁容器──铁水包，将高炉出来的铁水，在经过必要工艺流程处理后，以不更换该铁水包的生产组织模式，直接兑入转炉内冶炼，该冶金流的工艺过程被称为“一包到底”铁水运输技术。  

京唐公司一包到底工艺采用了铁水包从高炉计重盛铁→包车运输→炼钢作业区→前扒渣→KR搅拌脱硫→二次扒渣→兑入转炉冶炼的路线。根据首钢京唐炼铁采用5500m3大型高炉、炼钢采用300吨转炉实际，采用了300吨铁水包和铁水包车，在1435mm标准轨距上运输。  

一包到底工艺技术减少了铁水倒罐操作，缩短工艺流程，不但降低了对环境的污染，有利于铁水脱硫处理和转炉多加废钢，稳定入炉铁水成分、温度和重量，还降低了铁水消耗和能源消耗。  

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一包到底耐火材料损毁机理  

尽管一包到底工艺技术具有优势，但是，却给耐火材料带来了诸多负面影响。与鱼雷罐耐火材料相比，一包到底铁水包耐火材料更易损毁，寿命较低，其主要影响因素有以下几个方面：  

一是熔渣侵蚀。化学分析表明，铁渣中含有大量的CaO和FeO等氧化物。现场取样分析显示，与渣相接触的铝碳化硅碳砖体一侧，Ca浓度明显升高。这说明渣中的Ca渗透到了渣线和包壁的砖体中；与包壁砖比较，渣线砖中的Ca渗入到砖体深度更深；渗透到砖体中的CaO与砖中的Al2O3和SiO2反应，生成低熔点的化合物钙黄长石Ca2Al2SiO7或钙长石CaAl2Si2O8。此外，残砖侵蚀层内部有一定量的金属Fe存在，预示渣中的FeO可能渗透到铝碳化硅碳材料中，并与材料中的SiC和C成分发生了反应。上述因素会造成材料组织劣化，引起结构性剥落，由此缩短包衬使用寿命。  

二是脱硫剂化学侵蚀。脱硫剂对包衬的侵蚀的主要渠道是通过界面反应形成界面反应产物和共融物，或因反应产物熔点低而溶蚀，或因共融物共融点低而被冲刷掉，或因反应产物与包衬材质特性相异，而从包衬砖本体变质剥离，最终造成了铁水包衬的损坏。脱硫剂化学成分以CaO为主，还含有CaF2，与铝碳化硅碳砖中的Al2O3和SiO2的等氧化物发生反应，可能生成低熔点或低共融点的物质。显然，CaF2与包衬中Al2O3和SiO2共融点都低于铁水温度，因而CaF2将对包衬有较大损害，容易造成耐火材料熔蚀。砖衬中的Al2O3和SiO2与CaO反应性较强，反应产物的熔点或共融点大多低于铁水温度，因此，砖衬在使用中容易受到脱硫剂的化学侵蚀而损坏。  

三是热剥裂。加盖和不加盖铁水包内的耐火材料表面温度有较大差异。铁水包铁水兑入转炉后，正常空包时间为2个多小时，铁水包中的耐火材料表面温度下降到了800℃～600℃，冬季会更低。此时，一旦重新装入铁水，耐火材料温差将达到700℃～900℃。包衬受到强烈的急冷急热影响，由表面和内部的膨胀差产生应变，极易造成包衬表面剥裂，进而剥落。  

四是铁水机械冲刷或冲击。京唐高炉出铁摆动溜槽出口至铁水包包底高度约为6.5米，当铁水从摆动溜槽流出时，以自由落体方式直达包底区域，对铁水包包底和包壁造成强烈的冲击。  

五是渣铁机械冲击。为了消化库存渣铁，京唐公司将渣铁粒度分为3级，除了小粒度的渣铁供烧结配料外，中间粒度10mm~40mm的渣铁装袋后，在炼钢作业区由起重机吊运袋装渣铁加入空铁水包内，较大粒度40mm~200mm的渣铁在炼铁作业区从铁沟加入铁水包内。加入渣铁的过程中，掉落的渣铁将对铁水包内耐火材料形成严重的机械冲击。  

六是可逆热膨胀。耐火材料一般具有可逆热膨胀特性，即热胀冷缩。装满铁水时，铁水包衬高度方向可能产生约40mm的膨胀量，考虑钢壳膨胀和砖缝的吸收，其膨胀量仍然可观；而空包时，包衬温度降低到800℃～600℃。如此反复冷热，可能造成包壁和渣线砖的整体结构的破坏，导致包壁或渣线出现横向裂缝，而裂缝处极易出现钻铁现象，从而可能对工作衬和永久衬造成损坏，严重时，将导致漏包事故的发生。  

七是机械剥裂。受铝碳化硅碳材料的热膨胀和钢壳轻微的变形等因素影响，铁水包内的耐火材料会受到较大的局部挤压力，此时包壁极易出现裂纹。

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优化耐火材料的应用  

对一包到底耐火材料的要求。基于损毁机理的分析，可认为一包到底铁水包耐火材料应具备如下特性：一是优异的抗熔渣性能；二是与脱硫剂低的反应性，耐脱硫剂的侵蚀作用；三是优异的抗热震性能，不发生开裂和剥落；四是高的强度，优异的抗机械冲刷或冲击性能；五是低热膨胀性能；六是低的气孔率。  

现行一包到底铁水包耐火材料的配置。在现行京唐一包到底铁水包耐火材料的配置中，包沿和包底采用铝硅系浇注料，包壁保温层采用纳米绝热板，永久层采用叶蜡石砖双层错砌，渣线和包壁工作层采用铝碳化硅碳砖竖宽砖型平砌，围罐砖采用加长铝碳化硅碳砖平砌，包底工作层采用底层竖宽砖型平砌和上层竖厚砖型侧砌。  

一包到底铁水包耐火材料应用实践。投产前期，京唐一包到底铁水包寿命偏低，通过采取砖型设计和砌筑优化、工作衬材质和配置优化、永久层材质和配置优化、保温性能优化、铁水包运行管理优化等多项措施，逐步延长了铁水包寿命，目前平均寿命达到210次。  

砖型设计和砌筑。京唐公司铁水包耐火材料内衬结构，原设计为紧贴钢壳的外层20mm厚的耐火纤维毡，中间72mm厚的永久层浇注料和145mm厚的包壁工作层铝碳化硅碳砖或165mm厚的渣线工作层。包壁和渣线砖采用竖厚砖型侧砌，侧砌砖有较多的竖直缝，上下层竖缝交错不好，容易钻铁，大小头砖体性能的均一性也较差。耐火纤维毡强度低，在烘烤和使用过程中，受到铁水、工作层和永久层浇注料的挤压而收缩变形，从而导致工作层的砖缝开裂，永久层产生较大较宽的裂纹，使得铁水包在使用初期就多次出现漏铁事故。目前，包壁和渣线砖改用160mm厚的砖竖宽砖型平砌。平砌砖有较少的竖直缝，上下层竖缝好交错，竖直缝较少，大小头砖体性能均一性较好，对延长铁水包寿命有利。为了提高保温性能，紧贴钢壳放置了纳米绝热板。为了提高使用的安全性，将永久层改为2层错缝砌筑的叶蜡石砖。  

工作衬材质和配置。对于一包到底铁水包用铝碳化硅碳砖，结合渣线、包壁和包底等不同使用部位的实际损毁差异，针对性地分别配以不同性能的材料。对于渣线部位，着重考虑抗渣侵蚀性能和耐冲刷性；包壁部位则侧重考虑抗脱硫剂侵蚀、抗剥落性和体积稳定性；包底充分考虑到材料耐冲刷或冲击性和蠕变性，以缓和受铁时产生的冲击应力和膨胀应力。  

在材料的选择上，考虑了以下几个方面：铁包渣线材质由Al2O3-SiO2-SiC-C体系改为低SiO2的Al2O3-SiC-C体系，即采用低硅的铝碳化硅碳砖；基质部分采用纯度较高的刚玉原料，使材料的SiO2含量尽可能低，减小熔渣对材料的侵蚀。添加了合理量的SiC、石墨和金属抗氧化剂，以增大材料表面与渣、铁水的浸润角，有效防止渣和铁水的渗入，平衡了材料的抗侵蚀性、抗氧化性和抗机械冲击性能；采用树脂结合体系，高压成型，降低材料的显气孔率，有利于减少熔渣和脱硫剂的渗透；高温下，材料内部可形成有效的C-C结合，保证了高的强度，有利于提高抗冲击性能。  

永久层材质和配置。为了提高使用的安全性，永久层由浇注料改用叶蜡石砖。叶腊石砖具有较好的抗铁渣侵蚀能力，能够有效阻隔铁水的穿漏；具有一定膨胀性，使用中可弥合砌缝，有助于减少砖缝钻铁的可能；在砌筑结构上通过两层错缝砌筑，可以防止永久层贯通缝的形成。  

铁水包保温。通过采用纳米绝热板和铁水包加盖使用，优化保温性能。铁水包加盖除了可以减少铁水温降以外，还可以提高空包耐火材料表面温度，减少热震损坏。  

铁水包运行管理。京唐公司通过缩短铁水包在炼钢区域的停留时间、运输送重包时间、高炉下空包等待时间，加强对管控中心铁钢分调的管理，积极组织协调炼钢、炼铁、运输各个部门相关人员，提高铁水包的周转率，减少铁水包周转包数，使得铁水包周转率由过去的3次/天提高到4.5次/天以上。  

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对未来的展望  

材质改进。耐火氧化物抵抗预处理剂能力的强弱顺序为：MgO＞Al2O3＞CaO＞SiO2。经抗渣试验分析，与铝碳化硅碳质耐火材料相比，镁碳化硅碳质耐火材料有更好的抗熔渣性能。因此，为延长渣线寿命，拟在京唐一包到底铁水包渣线部位试验镁碳化硅碳质耐火材料，以期提高渣线砖抗侵蚀能力。  

热态清渣。目前，渣线砖黏渣较为严重，在冷态机械清理时，极易造成渣线砖断裂和松动，而热态清渣可以减少对渣线砖的损坏，但限于场地，尚未实现热态机械清渣，拟协商在炼钢作业区布置热态清渣设施。