钢包是炼钢厂重要的热工设备，主要由包壳、耐火材料内衬和SN机构组成。冶金技术不断发展，冶炼温度提高和连铸比增加，钢水在钢包中停留时间延长。钢包内衬使用状况直接影响炼钢的案例生产和物流顺畅，因此找耐火材料网认为在确保安全使用的前提下追求钢包寿命的不断提高，降低耐火材料吨钢消耗和成本，提高热周转率是耐火材料行业需要重点考虑的事情。

钢包内衬耐材组合设计

钢包内衬又可以分为工作层和永久层，视包底和包壁蚀损机理的差异而采用不同的材质体系和施工方式。

选用永久层材料时，要考虑保温和抗钢水渗透两方面的因素，高铝浇注料做永久层，其高温强度大，热稳定性好，抗钢水渗透能力较强，保温性适中。为增强其保温性能，在高铝浇注料和钢壳之间砌筑一层18mm莫来石轻质砖，钢包周转过程中外壳温度在220~400℃之间。这样既降低了漏钢的概率，同时钢水在整个精炼、浇注过程中热损失小，有利于低温出钢、降低能耗。

包底工作层各部位的耐火材料有不同的损毁机理。包底承受钢水冲击和较大静压力，需要高荷软、低蠕变和热稳定性好的耐火材料，选用刚玉浇注料。为提高抗冲刷性能，在冲击区放置大的预制块;为方便拆修和预留一定膨胀缝，在透气座砖和水口座砖周围砌筑镁碳砖。

包壁工作层在精炼时受钢水吸碳作用和翻滚冲刷以及炉渣侵蚀，该部位耐火材料应有良好的耐冲刷、抗侵蚀、抗氧化的性能，并且要求热膨胀率低，以保持包壁无裂缝，选用刚玉浇注料(整体浇注钢包)或预制块(砖砌钢包)。渣线部位砌筑镁碳砖渣线部位受炉渣侵蚀和电弧的灼烧脱碳，要求耐火材料有较强的抗氧化、抗侵蚀能力。

钢包内衬的损毁机理

1、永久层损毁

以宝钢钢包为例，宝钢钢包永久层使用寿命一般在600~800炉次，即四个大修周期。

大修时发现包壁永久层有许多纵横交错的裂缝，并随着大修次数的增加裂缝加宽加深，有时涌入工作层的冷钢也会渗入到永久层裂缝内，影响钢包使用安全。裂纹的产生常见原因包括：低强度的纤维板受挤压后体积收缩给永久层膨胀创造了条件;永久层浇注料使用过程中本身具有一定收缩性，包壁永久层浇注厚度偏薄且厚度不均;钢包包壳发生高温形变，中修更换渣线镁碳砖拆砖时的机械振动也会加速永久层裂纹的发展。

2、工作层损毁

精炼处理时需要在钢包中进行脱硫、脱氧、脱碳、脱气、合金成分微调、去除非金属杂质、夹杂物变性处理、钢水温度控制等操作。不同的精炼方式钢包工作层的损毁程序也不尽相同。主要损毁形式如下：

渣线：侵蚀(主要原因)、剥落、冲刷、水化(次要原因)

包壁：侵蚀(主要原因)、冲刷、水化(次要原因 )

包底：冲刷(主要原因)、侵蚀、水化(次要原因)

水口系统：冲刷(主要原因)、剥落、侵蚀(次要原因)

吹氩系统：剥落(主要原因)、冲刷(次要原因)

1)侵蚀

对于钢包工作层内衬的侵蚀主要有两种:化学侵蚀和氧化侵蚀。

化学侵蚀：氧化铁或渣中的酸性物质(如二氧化硅)与耐火材料内衬发生反应，氧化铁、二氧化硅、氧化钙、氧化镁之间均有化学反应，这些反应使钢包内衬变为熔渣导致耐火材料的损毁。

FeO+MgO=FeOMgO

SiO2+2MgO=2MgOSiO2

CaO+SiO2+MgO=CaOMgOSiO2

氧化反应：氧化侵蚀是钢包耐火内衬的一种特殊形式，一般指耐火砖中的碳与氧化铁或空气中的氧气发生反应而造成的侵蚀。渣中的氧化铁与砖热面层的石墨或者树脂发生反应，氧气又对砖衬表面的石墨或碳结合剂进行侵蚀，这两种情况下，就造成耐火砖的内部结构疏松、强度降低，并最终导致耐火砖衬被熔渣或钢水冲蚀。这种侵蚀现象在钢包内耐火材料的所有部位都有发生，以渣线部位最为严重。

FeO+C=Fe+CO

O2+2C=2CO

2)冲刷

冲刷是由于钢水或熔渣流过耐火材料表面所产生的物理磨损或者冲刷内衬。对于采用偏心底出钢使用的钢包，钢水对包底钢水冲击区、水口滑板和高于包底的透气砖等部位影响较大。LF和CAS处理的钢包，由于钢包底吹氩工艺的强搅拌作用，加剧钢水对钢包包壁局部部位的冲刷作用。

3)剥落

剥落是由于耐火材料衬受急冷急热导致耐火材料衬产生应力而造成的。当应力超过耐火材料的强度时，就导致耐材内部产生裂纹。随着这些裂纹的扩展、相交并贯通，耐材的碎片将会部分或完全剥落，水口座砖和透气座砖上经常会发生这种现象。

4)水化

钢包工作衬在砌筑中采用火泥湿砌工艺，永久衬采用浇注料打结，在烘烤前和烘烤中水分或水蒸气与镁碳砖中的MgO发生反应而水化。水化的耐火材料耐钢渣和钢水渗透性很差，物理和化学性能减弱，并且会加快钢包内衬的侵蚀速度。

MgO+H2O=Mg(OH)2

通过以上对钢包内衬损毁机理的分析，我们不难发现钢包工作层各部位的耐火材料损毁的机理不同，因此需要对钢包内衬进行全过程的管理，从材料的选择、砌筑施工、烘烤、运行以及发现问题后的检测、维修等。当钢包使用到一定次数需要维修时，仔细检测内衬各部位的残余厚度、分析损毁情况，结合包役使用中的数据进行认真分析，即可掌握钢包内衬各部位耐火材料的损毁规律。

2.1 铁水包包底抗侵蚀性差

耐材侵蚀分为物理侵蚀和化学侵蚀，物理侵蚀是指耐材受到冲击和其他机械作用的侵蚀； 而化学侵蚀是指耐材在高温载荷的作用下，其温度场及应力场的变化对耐材的侵蚀。钢水包包底主要是物理侵蚀。钢水包在使用过程中，包底工作层抗侵蚀性、抗冲击性较差，在高温钢水冲击与侵蚀下，出现较大面积的耐材脱落现象，脱层厚度为100 mm～150 mm.脱层部位多集中于钢水冲击位置(如图2所示) ，给钢水包安全使用带来极大隐患。

2.2 钢水包透气砖与包龄不同步

狭缝式透气砖因供气可调范围大，抗侵蚀性能好等优点，被广泛应用为炼钢工序的底吹元件。但是，底吹透气砖性能的优劣直接影响钢包底吹效果及使用情况，钢包在线全程底吹过程中，时常有底吹不开、透气量小、透气性差的现象发生，导致钢包被迫下线，影响钢包包龄，造成透气砖与钢包寿命不同步。

2.3 钢包下线停用不及时

由于没有专门用于测量包底的设备，包况(包底、包壁、透气砖、水口座砖) 的侵蚀全部由热修滑板工凭经验和空包重量(带包盖) 进行判断。由于热修工之间的水平存在差异，每个钢包的状况也不尽相同，且钢包在热态下，热修工处于钢包的炙烤之中，也不易观察，时常导致判断失误，从而出现钢包停用时间过早或过晚的现象。钢包停用过早，影响钢包寿命； 钢包停用过晚，会存在钢包事故隐患。

3 改进措施

3.1 钢水包包底修砌工艺的改进

改进前，浇注料包包底冲击区采用浇注料(高铝料) 振捣或浇注后比包底高出 100 mm，呈坡状形态。在使用过程中，由于长期受到钢水的冲刷、侵蚀，非常容易在冲击区部位出现凹坑，造成包底薄，埋下事故隐患。

改进后，采用包底冲击区部位预埋机压预制冲击块的修砌形式，代替原有坡状高铝料，预制块成分为镁碳质，冲压强度为1700 N。施工方案： 在包底浇注完300 mm 的浇注料后，将预制冲击块固定好后，镶嵌在包底冲击区，然后再浇注300 mm 厚的浇注料，周边用振动棒振实。施工完毕后，冲击区预制块高出包底 150 mm。

3.2 对透气砖的改进

针对透气砖透气性差、使用寿命与钢包包底不同步的情况，主要采取以下措施： ( 1) 增加透气砖狭缝数量，由原来的 20 条增加到 36 条； ( 2) 将透气砖狭缝的宽度由 0.13 mm 增大到 0.20 mm; ( 3) 将原有透气砖砖芯的材质由刚玉质改为铬刚玉质。

通过改进透气砖狭缝和材质工艺，提高透气砖透气性和使用寿命，经过与透气砖厂家共同研究，制定出透气砖砖芯理化指标作为定期检验的依据，具体理化指标见表 4。

3.3 浇注料包停用不及时的改善

增加测量尺对包底、透气砖厚度的测量，减少凭经验判断的误差。针对浇注料包停用不及时的现象，设立一个合理测量包底的设备( 挡火板和测量标尺) ，以减少甚至杜绝钢包停用过早或过晚的现象，消除对生产的影响，使钢包的停用做到安全、合理，达到钢包停用的最佳状态。测量尺增加前、后钢包的包况检查方式如图 4 所示。

技术方案： 对包龄≥70 炉的或者有特殊情况的浇注料包，必须组织当班人员对包底和两个透气砖的最低点进行最少一次的测量。测量前，必须用大氧管将包底和两个透气砖处粘附的废钢渣吹扫干净(禁止点火) ，吹扫透气砖的同时接好氮气反吹。

参照标准： 包底≥300 mm，透气砖≥250 mm，包壁≥130 mm，带包盖( 无包沿) ≥46.5 t。

测量尺尺寸： 测量包底按照 2 700 mm 长度设计，测量透气砖按照 2 750 mm 长度设计。

4 改进效果

(1) 通过采取在包底镶嵌冲击块的措施，使得浇注料钢包在使用过程中耐钢水冲刷、侵蚀程度加大，冲击区出现凹坑现象减缓。

(2) 透气砖耐侵蚀程度有了很大提高，并且透气量达到转炉底吹要求，使用寿命能够达到与包龄同步。

(3)通过对使用测量设备前、后下线钢包的残厚测量数据进行对比，可以看出： 使用测量设备后，下线钢包的残厚更加符合浇注料包的下线标准要求(包底厚度280±20 mm，透气砖厚度160±20 mm)，有效降低了钢包停用过早或过晚的出现频率，消除了对生产的影响，使得钢包停用更为安全、合理，达到一个最佳的经济包龄，并且通过对拆包后残厚数据的测量发现，利用测量尺测量的数据与规定残厚数据更加吻合。

(4) 浇注料钢包整体包龄从原有平均80炉左右的较低水平提高到现在的平均100炉以上的较高水平，最高包龄达到了125 炉。

炉外精炼是近年来发展起来的一种新的冶金工艺。所谓炉外精炼就是把一般熔炼炉中要完成的脱气、排除杂质、调整成分和温度等项精炼任务，几乎全部地或部分地移至炉外进行。钢水炉外精炼又称二次炼钢，因钢水多数在钢包内进行精炼，所以也叫钢包冶金。

在炉外精炼过程中，钢包、透气砖和喷枪这三个部位用耐火材料的工况环境非常恶劣，对耐火材料的冲刷或者侵蚀严重。因此，在耐火材料的选材上尤为重要。

1、钢包内衬耐火材料

传统上，钢包是炼钢炉与铸锭之间的储运容器，可是炉外精炼就是在钢包中进一步精炼。因此钢包内衬的使用条件大大恶化，钢液温度升高，在钢包中停留时间延长，钢液和熔渣对耐火材料的冲刷、侵蚀等更加严重，以往的耐火材料不能满足炉外精炼的需要，为此，我国开发了多种钢包内衬耐火材料，满足钢厂需要。主要有以下几种：

(1)铝镁碳砖

1990年宝钢300t钢包试用铝镁碳砖后，迅速推广到许多钢厂，成为我国大中型钢包内衬的主要耐火材料。当时宝钢300t钢包壁使用铝镁碳砖，渣线使用镁碳砖，出钢温度1660～1670℃，在钢包内对钢液进行RH真空脱气，KIP和CAS法炉外精炼处理，铝镁碳砖表面仅粘有薄的熔渣层，抗侵蚀性好，无炉渣渗透，无热震损毁现象，侵蚀均匀，平均使用寿命80次，最高126次。铝镁碳砖系由高铝熟料+镁砂+石墨+抗氧化剂+酚醛树脂结合剂的混合料成型的不烧耐火制品，工艺比较简单，成本不高，容易被用户接受。

(2)铝镁尖晶石浇注料

20世纪90年代中期，为了适应炉外精炼，一些大、中型钢包内衬采用高档铝镁尖晶石浇注料，其原料是电熔刚玉、烧结刚玉、高纯电熔镁砂、高纯铝镁尖晶石等，用纯铝酸钙水泥、高纯SiO2、Al2O3微粉结合的浇注料。宝钢300t钢包使用到2000年，平均寿命为258次；首钢90tLF精炼钢包寿命达138次，侵蚀率0.62mm/次；本钢使用的预制件寿命为118次，最高达126次。

(3)镁钙质耐火材料

太钢以普通白云石为原料，中温沥青结合的白云石捣打料，在70t钢包上使用，平均寿命76次，最高112次；洛耐院曾以合成镁钙砂和电熔镁砂为原料，以固体无机盐和无机盐溶液为结合剂，开发的不烧镁钙砖，在40t的LF-VD精炼包上使用，寿命40次以上，钢中的氧含量从12.2×10-6下降到11.13×10-6;21世纪初，首钢以合成镁钙砂、电熔镁砂、高纯石墨为原料，以无水树脂为结合剂，开发出不烧镁钙碳砖，在225t钢包非渣线部位(渣线部位为镁碳砖)使用，平均寿命116.8次，与原铝镁碳砖相比，在包壁减薄20mm的情况下，平均寿命提高35.57次，且钢中的氧含量和非金属夹杂物都降低。还有些钢厂在SKF和LF-VD等多种钢包渣线部位用镁钙碳砖，也取得良好的使用效果。

(4)降低精炼钢包耐火材料消耗

我国精炼钢包达70%以上，钢包用耐火材料消耗占钢铁冶金耐火材料总消耗的30%以上，随着精炼比例增加，钢包用耐火材料单耗在增加。我国耐火材料消耗量一般认为在20kg/t钢，而国外先进国家在6～8kg/t钢，降低钢包耐火材料消耗，起着降低成本、节能减排的重要作用。

田守信等人在精炼比例100%的60tLF钢包上做降低耐火材料消耗的研究：渣线采用再生料66%的镁碳砖，熔池采用再生料88%的铝镁碳砖。

降低单耗的措施是：根据钢包操作条件设计镁碳砖；提高渣中钙含量，降低侵蚀速率，包的前期渣有较高FeO含量，使砖中碳易被氧化，要提高镁碳砖的抗氧化性，采用提高萤石渣粘度添加剂。为了降低成本，选用用后镁碳砖；改善操作条件，采用出钢留渣操作，通过改善泡沫渣等方法，减少炉渣FeO含量，钢包寿命提高20%;不用SiC脱氧剂，改用碳含量15%(w)的镁钙碳质钢包改质剂，渣线镁碳砖寿命提高15%;改善维护制度，用厚40mm的二级高铝砖对熔池贴补，寿命提高45%以上。这样一来，钢包寿命由40～50次，提高到88次，再扣除使用再生料，吨钢耐火材料资源性消耗由9.3kg下降到1.4kg，下降85%。

2、吹氩透气砖

钢包底吹氩工艺在炉外精炼中广泛应用，透气砖是这一工艺的关键功能耐火材料。目前钢包底透气砖成为限制钢包寿命提高的瓶颈因素。透气砖的使用过程为间歇式重复使用。影响透气砖使用寿命的诸多因素中，热剥落和氧气清洗是导致透气砖损毁的重要原因。透气砖的材质主要是铬刚玉质和刚玉-尖晶石质，通常采用浇注成型，高温烧成工艺。由于铬刚玉在高温烧成过程中形成六价铬，污染环境，逐渐被刚玉-尖晶石质取代。为了提高透气砖使用寿命，优化配料组成，改变水泥加入量来调整浇注料中基质CaO含量，使基质中形成较多CA6，提高抗热震性及强化结构作用，调整尖晶石粒度及加入量，添加适量ZrO2或锆刚玉，优化烧成温度等措施，优化透气砖的性能。

还有的是非氧化物(Si3N4;Sialon)结合的刚玉质透气砖，现场使用表明：抗热震优异，与钢液不润湿等特点，在使用过程中吹通率高，吹氧清洗容易，蚀损率低，使用寿命明星提高。

3、喷枪用耐火材料

通过喷枪向钢液中喷吹粉状处理剂，对钢液进行精炼处理。如SL法的粉状精炼剂CaSi，用氩气通过插入钢包深处的喷枪吹入钢液中，经过气体搅拌，精炼剂与钢液充分混合与反应。喷射冶金喷枪耐火材料使用条件苛刻，钢液温度高，炉渣侵蚀和热震损毁严重。洛耐院研制的整体喷枪结构，渣线部位采用刚玉质浇注料，渣线以上和以下采用Al2O3含量70%～80%的浇注料，在40tSL喷射冶金装置中使用，喷枪的使用寿命15～19次，总喷吹时间95min。宝钢的喷枪采用Al2O3含量不低于99%的电熔刚玉，添加耐热钢纤维增强的耐火浇注料，使用寿命10～20次，总吹炼时间100min/支，最高188min/支。