钢包耐火材料的改善
2008.10.20
前言
原来，日新制钢公司吴制铁所一炼钢车间所用钢包，在承受钢流冲击部位一直使用预制砌块(p reastblock)。
使用钢包时，钢流冲击砌块的剥离成了限制钢包寿命提高的主要障碍，从而使得钢包寿命近几年来一直踏步不前。
因此，对此砌块耐材质量进行了以下改善：首先是为了提高砌块的耐蚀性、耐热冲击性而使之在浇注施工时进行低水分化；进而为了抑制低水含量引发的内应力，在耐材内加入0.4wt％的木片，缓和了内应力而抑制了龟裂。
从而将钢包寿命提高了5％。
2 一炼钢车间钢包使用状况
如表1所示，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。
表1 钢包使用条件
3 钢包内衬纵剖面图
图1为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。
图1 钢包内衬断面
4 钢包维修图表及维修部位
表2为钢包维修图表：钢包每使用50～55ch即进行一次中修，经三次中修后，在寿命为210 ch左右时再进行周期性整体维修(即大修)。
对钢流冲击砌块和水口砖，每次中修都要更换；而对于包底、侧壁、渣线部位耐材，则在第二次中修时进行增厚或更换。
表2 钢包修理图表
图2表示钢包开始维修时需要维修的部位。
由图2中数据可知：在需要维修的各个部位中，次数最多的是钢流冲击砌块、46次、占了64.8％；其次分别是渣线(占20％)、侧壁和包底(占1 0％)、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。
图2 钢包开始维修时的凹槽部位
5 砌块寿命的提高
5.1 砌块的损坏形态
其损坏形态如图3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。
图3 钢流冲刷砌块的损坏形态
5.2 砌块用浇注块的低水分化
5.2.1 低水分施工浇注块的开发
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％。
表3为低水分材料与原来材料的质量特性对比。
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％。
表3 低水分材料的质量特性
★未加粗粒、SUS纤维时
5.2.2 低水分施工浇注块的使用效果
图4为低水分材料实际使用时的外观照片：在使用12ch的初期，砌块中央部产生了龟裂；在使用的中～末期的43ch时,初期发生的中央部龟裂扩展了，表面的凹凸也变大了；在其后的51c h时，部分材料完全剥离，露出了永久(Permanent)层砖，故停用维修。
图4 实际使用时的低水分材的外观图片
从使用时的状态观察而判断低水分材的损坏不是熔损而是碎裂造成的，即因材料致密化而使膨胀增大，所产生的内应力未被吸收，从而造成了龟裂，当裂纹扩展至工作面时，材料就会产生大的剥落。
5.3 加入木片的砌块用浇注块的开发
5.3.1 木片加入量的研究
因材料的低水分化而导致其致密化时，弊端是因材料膨胀量和强度的增大而使其内应力增大，从而引发了龟裂。
因此，其对策是在材料的内部加入木片，以吸收膨胀量和内应力，从而抑制龟裂的发生。
在添加了木片的研究中，进行了材料的残余膨胀的对比试验。
图5为其试验条件；图6为其试验结果。
试验是在进行了1500℃×3h的3个周期反复加热后，测定了材料的残余膨胀。
结果查明：材料的残余膨胀量，有随木片加入量的增加而下降的倾向；然而，当木片加入量>0.4wt％时，此倾向就变小了。
故将木片的实际加入量选定为0.4wt％。
图5 残余膨胀比较试验条件
图6 残余膨胀比较试验结果
在添加木片时，为了使材料更低水分化、提高耐蚀性，并抑制过烧结，决定将A1203超微粉更换为强酸洗的低氧化钠铝钒土(1ow soda)，就可以在加水量3.6％的条件下施工。
另外，为了实现材料的低膨胀化，决定将材料中的MgO含量从低水分材的6.2％减至5.3％。
表4为木片添加材料的质量特性：材料进一步低水分化的结果，是可以提高其抗压强度而降低其表观气孔率。
表4 木片添加材料的质量特性
★未加粗粒、SUS纤维、木片时
图7为添加木片的抗钢流冲击砌块干燥后的施工体外周部与中央部断面照片；表5为该砌块上、中、下部的物性值。
表5 钢流冲击砌块不同部位物性值
图7中的黑色部分为木片所在位置，干燥时烧损而成了孔隙，木片按纵、横、斜方向不均匀地分散，即使外周和中央部也无明显偏聚。
然而，在距底面30㎜处没有木片，如表6所示的表观气孔率也低，这是施工振动使木片上浮所致，但木片在整体结构中还是分散的。
图7 加入了木片的钢流冲击砌块的断面照片
5.3.2 加入木片的浇注块的实用结果
图8表示实际使用木片添加材时的外观照片：在使用中期(经27ch后)砌块发生的龟裂也小，工作面上未见剥离而是保持了平滑状态，充分说明添加的木片确实具有抑制材料表面产生龟裂的效果。
图8 实际使用加入木片材时的外观照片
即使是在使用末期(使用54ch后)，砌块中央部的龟裂也较细。
未发现会导致材料大剥离的龟裂产生，且其表面也很平滑。
图9表示原来材料与木片添加材料使用后的外观照片对比：前者使用48ch后，最薄的残余厚度仅30mm，表面凹凸也大，且产生了很多与工作面不平行的龟裂，从而造成砌块的剥离损坏；
而后者就是在使用了59ch之后，最薄处仍厚达60mm，无大的龟裂，且可以确认是木片所在位置阻止了龟裂扩展。
图9 材料用后的外观照片
图10表示砌块分别使用原来材、低水分材和木片添加材时的使用寿命对比：前者寿命的波动大(范围33～62ch)，平均值低到46.1ch；低水分材因致密化造成的膨胀大并引发了内应力，从而出现了明显剥离，寿命较原来材也没提高，试验2次就中止了；后者的寿命高(平均53.5ch)，且波动小(47～60ch)。
图10 不同材料钢流冲击砌块的使用寿命比较
图11表示一炼钢车间钢包寿命和成本的变化：因添加木片砌块的开发和钢包其它耐材的改善，使钢包寿命从210ch提高至铲了220ch，即提高了大约5％，而且，还有进一步提高的潜力；钢包成本至2004年下半年也比原来大约下降了8％左右。
图11 一炼钢车间钢包寿命和成本的变化
6 结语
日新制钢公司·吴制铁所一炼钢车间在提高本来就已经处于200ch较先进水平的钢包寿命时，针对性地对抗钢流冲击砌块的质量进行了改善，结果如下：
(1)为了抑制砌块的龟裂剥离，首先是降低浇注块施工水分以使之致密化并提高抗压强度，还相应调整了MgO、Al203用料及有机纤维加入量。
结果，因膨胀和内应力增大，改善效果不理想。
(2)在试验研究基础上，决定向材料中加入了0.4wt％的木片，同时调整A1203用料和MgO含量，结果改善了砌块用材料的一系列物性值，从而使已处于高水平的钢包寿命提高了5％，成本下降了8％。