延长钢包使用寿命 用耐火耐高温

钢包也叫盛钢桶,是冶金工业的重要容器件，起着储存、转运钢水的作用，同时还要进行炉外精炼的双重任务。
一、概述
随着炼钢技术的发展，我国的钢包用耐火材料也得到了很好的发展。如果钢包使用寿命的长短，不仅关系到耐火材料的消耗，而且直接影响炼钢的正常生产。特别是随着转炉寿命的提高，连铸比的增加和炉外精炼技术的进步，钢包处于容量大、钢种多、温度高、时间长等日益苛刻的使用条件，对钢包用耐火材料的要求也不断提高，所以世界各国都在积极研究开发各种钢包新材质耐火材料，以提高现有耐火材料的质量，延长耐火材料的使用寿命，降低耐火材料的吨耗。国内知名的某高温涂料研发生产企业，针对冶炼行业的实际情况，开发的ZS系列耐火耐高温钢包涂料，耐温可以达到1800℃，抗冲击，是钢包极好地耐高温材料。
二、钢包工况要求
根据钢厂冶炼工艺不同可以分为：转炉钢包、电炉钢包；
根据冶金作用可以分为：普通钢包、精炼钢包；
根据材料及施工方法不同可以分为：浇注钢包、砖砌钢包；
根据容量大小不同可以分为：50t以上的为大钢包、50t以下的为小钢包。
钢水包用于炼钢厂、铸造厂在平炉、电炉或转炉前承接钢水、进行浇注作业。
结构特点：结构形式有塞杆式及滑动水口式，龙门架配有脱勾式于轴承式两种，其中塞杆式钢包的升降机构中置有滑杆奸细消除机构，以保证多次使用后，塞杆中心与水口中心的一致性钢包一般采用的耐火材料有以下几种：铝—尖晶石—碳砖；MgO—CaO—C系材料，如镁碳砖、镁钙碳砖、镁白云石砖等MgO—Cr2O3—Al2O3系材料，如镁铬砖、方镁石——尖晶石砖。炉渣碱度较低而波动大的部位使用效果比较好，炉渣碱度较高的部位一般使用MgO—CaO—C效果比较好。总结发现，不管采用哪种耐火耐高温材料，必须具备以下特点：
(1)材料耐高温，能经受高温钢水长时间作用而不熔融软化；
(2)材料耐热冲击，能反复承受钢水的装、出而不开裂剥落；
(3)材料耐熔渣的侵蚀，能承受熔渣对钢包内衬的侵蚀作用；
(4)安全系数高，要求钢包在使用过程中间不红包、不漏钢，保证安全作业；
(5)钢包材料内衬具有一定的膨胀性，在高温钢水作用下，内衬之间紧密接触而成为一个整体；
(6)具有足够的高温机械强度，能承受钢水的搅动和冲刷作用。
(7)耐火材料成本和其它要求。
三、钢包的使用要求
另外钢包在使用时，钢壳温度不能过高，以防止钢壳变形及保证在钢包周围工作的人和设备的安全，通常要求小于等于300℃。资料介绍，对于钢包包壳的温度要小于包壳材质的蠕变温度，一般应小于300-350℃(碳钢的蠕变温度300-350℃，合金钢的蠕变温度为350-400℃)所以通常在设计钢包内衬时要根据耐火材料的导热系数合理计算出钢壳表面温度，从而达到预期目的。
最新的钢包耐火隔热保温涂料，涂料为水性无机涂料，采用特制的高温溶液并选用纳米陶瓷空心微珠、硅铝纤维等为无机原料精加工而成，耐温幅度在-80—1800℃，导热系数只有0.03W/m.K，ZS-1耐高温隔热保温涂料能有效抑制并屏蔽红外线的辐射热和热量的传导热，隔热保温抑制效率可达90％左右，可抑制高温物体的热辐射和热量的传导散失，钢包表面涂刷一定厚度的ZS-1耐高温隔热保温涂料，1100℃的模具表面涂上8mm高温隔热保温涂料模具涂料表面温度就能降低到100℃以内。
钢包的使用现状
钢包的使用条件苛刻：出钢温度偏高(>1700℃)，每日的受钢次数低(仅5ch)，从而使砌块既要承受高温钢流的冲刷，还要承受急冷急热可能造成的裂纹和剥离。
所以先进的生产工艺和设备需要相应的优质耐火材料相配合，炉外精炼苛刻的工艺条件对耐火材料提出了更高的要求，耐火材料的使用寿命已成为制约炉外精炼处理能否正常进行的关键环节。因此，只有不断研制开发新产品，改进提高现有产品的性能，发挥耐火材料衬里的全部效能，获最佳的经济效益，才能满足炼钢生产的需要。
炉外精炼作为电炉转炉——模铸(连铸)生产的中间环节，起到提高产量、保证质量、净化钢水及调节成份的作用。因此，在模铸(连铸)生产中，要提供化学成份、气体含量及夹杂物合格的钢水，必须进行炉外精炼。炉外精炼一般有四种形式：VHD、VOD、LF、VD。
目前，炉外精炼钢包衬主要以镁碳砖为主。近年来，由于冶炼低碳钢、超低碳钢和提高钢包寿命的需要，已开发出无碳钢包衬，使炉外精炼钢包寿命大幅度提高。同时，钢包衬的无碳化、碱性化也是冶炼洁净钢的新需要，是钢包衬用耐材的发展方向。无碳材料有整体浇注料(主要为刚玉一尖晶石质、刚玉一氧化镁质浇注料)、浇注预制块、无碳机压成型砖(铝镁质或铝尖晶石质)。所用钢包内衬耐材的纵剖面图：净空、渣线、水口部位采用MgO—C质耐材，在钢液熔池部位的侧壁、包底、钢流冲击砌块则采用了A12O3一MgO质耐材；另外，抗钢流冲击砌块设置在包底的中央部位。
四、钢包的维护
钢包在需要维修的各个部位中，次数最多的是钢流冲击砌块占了64.8％；其次分别是渣线(占20％)、侧壁和包底(占10％)、水口(占5.2％)。因此，为了延长钢包寿命，首先就需要改善该砌块的材质。
其损坏形态如图所示：钢包在实际使用了15ch后，由于出钢时砌块承受钢流的冲击大，故使用之初就在其中央部产生了裂纹，龟裂的扩展就造成了材料的剥落，从而缩短了使用寿命。因此，提高耐材的耐剥离性十分重要。ZS-1071耐高温无机粘合剂耐温可以达到1800℃，耐高温无机粘合剂粘结力强耐蚀性，而且可以再高温下保持良好的粘接性能和抗腐蚀性，使用寿命长是钢包维修的极好地修补、粘结材料。
钢流冲刷砌块的损坏形态，承受钢流冲击后，砌块上产生龟裂，主要是冲击造成的机械剥离和熔渣引起的结构性剥离。为了抑制这种破坏，是实现浇注块的低水分化、提高其强度，并将之致密化以抑制渣的浸润。在减少浇注块的水分时，为了提高材料的流动性，将用作填充料的氧化铝(Al23O3)从电熔Al203改为烧结A1203；而且，还将加入的有机纤维量减少了25％。
由于改善了材料本身的流动性，可将施工时的加水量从原来的4.2％减至3.8％，从而降低了表观气孔率，提高了抗压强度；另外，为了缓和致密化造成材料膨胀量的增大，将氧化镁(Mg0)加入量从原来的8.1％减至6.2％。而且，针对钢包研究开发的ZS-522耐高温自洁不粘覆涂料涂层表面不易被其他粘性物质所粘附或粘着后易被除去的特种功能涂料。此功能涂料因其所形成涂层的耐温高、表面能极低、摩擦系数小、易滑动、排斥力强等防粘自洁性特点。
耐高温自洁不粘覆涂料耐温高，采用特质的耐高温溶液，耐温可以高达2000℃，抗熔融液、抗高温渣性好，耐熔渣浸蚀和金属水浸泡，具有不粘高温下金属水、渣的性能。ZS-522耐高温自洁不粘覆涂料高温熔融下光滑自洁、气密性好、粘结力强、涂层坚实牢固、表面张力大、导热性能好、无毒无臭，不污染环境，对冶炼金属成份含量无任何影响。
在我国一般其公称容量在50吨以下的不带精炼的转炉普通钢包，其工作衬一般采用浇注料整体浇灌成型。工作衬一次性使用寿命一般在50-60次左右，最高在70-80次左右，甚至个别钢厂有在100次以上的。为降低吨钢耐材消耗，许多钢厂钢包工作衬在使用一定次数后，将残衬表面的残钢、残渣清理掉，俗称剥皮，然后再坐上胎模浇灌一定厚度的浇注料，待烘烤后继续投入使用，可大大降低成本，该过程也叫套浇，其第1次留下的残衬相当于永久衬，能维持2-3个包役。钢包工作衬的材质有铝镁质、高铝尖晶石质等，按结合剂可分为低水泥、超低水泥和无水泥耐火浇注料。有的钢包上也涂刷耐高温封闭涂料，耐温到1700℃，涂料涂刷方便，使用寿命长，耐酸碱、抗老化、抗冲击耐磨，可以很好的保持基体不钢水侵蚀，延长钢包的使用寿命。
五、钢包耐火材料总结
由上面分析可知，钢包包龄综合提高是炼钢技术水平提高的永无止境的要求，因此必需研究钢包用耐火材料寿命的瓶颈。但要保证熔池工作层与渣线工作层的侵蚀速度保持一致是比较困难的，因为渣线工作层寿命大大低于熔池工作层的寿命，所以追求包龄的经济性，其关键是提高渣线工作层的寿命，具体的技术措施主要包括以下4个方面的改进：
(1)对钢包现场的工艺参数及相关技术条件进行研究，合理选择与之相适应的耐火材料；
(2)优化钢包砌筑方案，采用不同部位使用不同材质的耐火材料，根据不同的侵蚀特征使用不同形状和厚度的耐火材料；
(3)在使用时要强化钢包管理，保持钢包使用的连续性，减少因急冷急热导致耐火材料的剥落现象。
换言之，在设计钢包时要根据不同部位使用的耐火材料的侵蚀速率，与最初预计的使用寿命来计算出各部位所需要的厚度，在有必要的地方如渣线和包底冲击区要适当加厚设计，或是选用好的、最新的耐火耐高温那材料，保证他们同步损毁。