【案例】120吨钢包包衬保温结构优化研究

问题的提出

武汉钢铁有限公司条材厂一炼钢年产量245万吨，主要品种有HRB400系列、HRB500、电缆钢、轨道钢、帘线钢和轴承钢等，正在开发的新品种有电磁圆钢、电极钢、高级别电缆钢等。在实际生产中，存在钢包保温性能差，钢水温降大等问题;同时因120吨钢包容积偏小，导致转炉出钢量受限，制约了转炉生产效率的发挥。为了降低冶炼成本，急需进行钢包保温扩容。

为提高钢包保温效果，国内外钢企开展了以铝镁尖晶石浇注料工作层、高碳镁碳砖渣线、六铝酸钙(CA6)浇注料永久层、纳米保温板保温层等为特征的钢包耐火衬复合结构以及工作层、永久层减薄为特征的钢包扩容研究,通过材料优化与结构设计提升保温性能。但在实际生产中仍存在诸多问题,主要有：(1)耐材抗渣性与热震稳定性难以兼顾，如：镁铝尖晶石(MA)浇注料抗热震性优异，但抗渣侵蚀能力较弱;六铝酸钙(CA6)浇注料抗渣性能和保温好，但热震稳定性不足;(2)渣线高碳镁碳砖虽然热震稳定性优，但导热率高、氧化剥落和熔渣侵蚀严重;(3)钢包扩容与保温匹配困难，钢包工作层与永久层的减薄扩容，导致扩容后工作层有效工作厚度减少、永久层与保温层界面温度上升，不仅影响钢包寿命，而且还使纳米保温板高温粉化，钢包耐火衬复合结构稳定性急剧下降。因而，有必要开展钢包保温与扩容协同设计技术研究。

针对武钢有限条材厂一炼钢(下文简称一炼钢)的钢包改造需求，以及国内外钢包扩容保温现有技术的不足，基于钢包复合包衬结构和钢包扩容保温协同设计理念，制定了钢包耐火衬“1650纤维板+纳米保温板”双层结构保温层、低导热六铝酸钙(CA6)浇注料永久层、低碳镁碳砖渣线协同保温和工作层减薄扩容实施方案，并与现运行钢包进行了工业性对比试验。

生产现状

2.1 现运行钢包基本情况

一炼钢产品品种多，冶金工艺流程复杂，钢包传搁时间长。因钢包保温性能差，钢水温降大，导致转炉出钢温度高，连铸中间包钢水温度波动大，炉后LF钢水加热升温频繁，严重制约了钢包周转率与寿命的提升，导致钢包耐火材料消耗、钢水加热升温电耗与炼钢工序成本居高不下。表1为一炼钢的主要炼钢工艺参数。图1为现运行钢包耐火衬结构示意图，其保温层采用6mm厚纳米保温板，永久层为铝质浇注料，工作层为刚玉尖晶石预制砖，渣线砖为镁碳砖。表2为现运行钢包耐火衬各部位材料配置情况。在目前仅采用纳米保温层进行钢包强化保温的复合耐火衬结构条件下，因工作层和永久层隔热性能弱，纳米保温板服役温度高，尤其是在钢包服役周期的后期，因工作层显著减薄，纳米保温板服役温度更高，会引发纳米保温板中SiO₂气凝胶纳米孔结构的塌陷、粉化，导致保温隔热性能丧失。

表1 炼钢主要参数

图1 现运行钢包耐火衬结构示意图

表2 现运行钢包耐火衬各部位材料配置

目前一炼钢钢包执行钢包小修、中修、大修和全修的修砌管理模式，其中，钢包小修为钢包三孔(指钢包水口和透气砖，下同)拆除更换，其余部分继续投入使用;中修为钢包渣线、包沿浇注料、包底和三孔拆除更换，其余部分继续投入使用;钢包大修为钢包工作层和三孔全部拆除重新砌筑，完成一个钢包的大修包役周期，一般3-4次中修后进行大修;全修为钢包耐火衬(工作层、永久层、保温层)全部拆除，重新砌筑钢包耐火衬，全修包寿命要求为1000炉。

2.2 现运行钢包存在的主要问题

为了研究钢包的保温性能，保证钢水温降跟踪测量数据的有效性，及钢水过程温降的可比性，特对过程温降作如下定义：

(1)出钢温降，指转炉出钢与钢包氩站进站测温差值;

(2)吹氩温降，指氩站进站与氩站出站的测温差值;

(3)离站温降，指氩站离站与连铸开浇的测温差值;

(4)中间包钢水温降，指浇注过程中间包液面稳定后与钢包钢水浇净全过程中间包内钢水的测温差值。

一炼钢转炉流程各工序钢包温降统计结果见表3。

表3 现运行钢包工艺过程温降统计

由表1、表3可见，一炼钢在现有钢包耐火衬结构与材料配置条件下，实际生产存在以下问题：

(1)钢包容量低：转炉出钢量为114-118吨，不能满足高效生产需求;(2)钢铸界面温降大：平均出钢温降为70-80℃,远高于国内外出钢温降50℃的先进水平。(3)钢包寿命低：钢包大修平均寿命仅为120炉左右，钢包耐材消耗高;钢包周转率低，仅为3炉/日，导致钢包上线运转数量多;(4)LF炉精炼比例高：在目前钢包温降水平条件下，为保证钢水浇铸的过热度，不得不进行钢水LF炉加热升温，导致LF炉精炼比例居高不下。

钢包包衬结构优化

3.1 优化设计方案

针对一炼钢120吨钢包存在的保温性能差、容量不足的问题，基于复合耐火衬协同保温设计理念，制定了活包底钢包复合耐火衬结构设计方案，即“1650纤维板+纳米保温板”双层复合保温层结构，采用低导热率微孔刚玉尖晶石预制砖工作层和六铝酸钙浇注料辅助保温结构，工作层与永久层减薄扩容，将钢包装钢容量提升到125吨。通过包壳内壁粘贴极低导热率的纳米隔热板(其使用温度1000℃),实现超保温功能;通过纳米保温板表面粘贴低导热高强度高耐火度的1650纤维板(其耐火度为1650℃,使用温度为1450℃),降低纳米隔热板热面工作温度，提高复合保温层面服役温度、保温性能与结构强度。通过板/片状晶体结构六铝酸钙的高耐火度、高强度、较低密度和导热率等性能，实现永久层的辅助隔热功能。通过微孔刚玉的微细气孔结构，提高微孔刚玉尖晶石预制砖热震稳定性，降低微孔刚玉尖晶石预制砖导热率，详见图2。通过上述钢包耐火衬结构设计，实现了钢包耐火衬的复合协同保温功能。钢包复合耐火衬材料与规格配置如表4所示。

图2 试验钢包衬结构局部示意图

表4 试验钢包各部位材料与规格配置情况

3.2 试验钢包耐火衬保温效果与复合保温层结构安全性分析

基于上述钢包包衬的复合协同保温功能化设计，开展了试验钢包服役条件下包衬各功能层界面温度的计算，着重分析钢包服役过程中工作层侵蚀剥落减薄对包衬综合保温性能与复合保温层结构安全性的影响。

试验钢包包衬的工作层、永久层、保温层传热路径如图3所示。基于设计的钢包包衬复合层结构(图2)和钢包耐火衬传热路径(图3),按照“钢液一微孔刚玉尖晶石预制砖工作层一六铝酸钙浇注永久层一1650纤维板+纳米保温板保温层一钢壳”的传热路径，定义各层热面温度tn,其中，t₁为与钢液接触的工作层热面温度，因钢液与工作层换热系数大，界面温差小，取钢液温度作为t₁工作层热面温度，t₂永久层热面温度，t₃为保温层1650纤维板热面温度，t4为保温层纳米保温板热面温度。试验钢包耐火衬用各种主要材料导热率如表5所示。

图3 钢包耐火衬传热路径示意图

表5 各种主要材料导热率数据表

采用一维稳态传热计算公式，对试验钢包包衬各层界面温度进行计算。

式中，q为热量，W;t。为各衬体界面温度，℃;dn为各层衬体设计厚度，m;λ。为各设计衬体的热导率，W/(m·K)。

以钢液温度分别为1600℃和1650℃为边界条件，根据钢包实际生产运行过程中包壳外表面温度实际监测数据、包壳外表面最高警戒温度以及国内多家钢铁企业文献报道数据，设定包壳外表面温度为250℃、300℃、350℃。表6、表7为不同钢壳外表面设定温度时，钢包包衬各层的热面温度。

表6 不同钢壳外表面设定景区时钢包包衬各层热面温度(钢液1650℃)

表7 不同钢壳外表面设定温度时钢包包衬各层热面温度(钢液1600℃)

此外，为了模拟钢包工作层侵蚀剥落减薄对各层热面温度的影响，按照钢包熔池工作层残厚80一120mm时下线大修的钢包管理制度，特对熔池残厚为100mm时，钢液温度1600℃条件下钢包包衬各层热面温度进行了计算，详见表8。

表8 不同钢壳外表面设定温度时钢包包衬各层热面温度(残厚100mm、钢液1600℃)

由表6、表7可见，随着钢液温度的升高，钢包包衬的各层热面温度升高;随着包壳表面散热强度的增大，即包壳外表面设定温度升高，钢包包衬的各层热面温度升高。在钢液温度1650℃和1600℃条件下，设计的试验钢包包衬1650纤维板热面温度最高为903℃,远低于其1450℃的使用温度，纳米保温板热面最高温度为777.4℃,低于其最高使用温度1000℃。由此可见，本钢包包衬复合层结构设计能够达到一炼钢120吨钢包扩容保温的实际生产需求。

由表8可见，在钢包大修服役后期工作层残厚100mm时，1600℃条件下，本钢包包衬设计方案中的1650纤维板热面温度最高为1110℃,低于其1450℃的使用温度，纳米保温板热面最高温度为990℃,略低于其最高使用温度1000℃。若钢液温度提高至1650℃或钢包包衬工作层残厚减薄至80mm时，纳米保温板热面最高温度将超过其最高使用温度1000℃,导致纳米保温板高温粉化，不仅影响钢包保温性能，而且还将损害包衬的整体性结构。由此可见，强化钢包管理、降低转炉出钢温度是保证纳米保温板超保温性能的重要手段。

3.3 钢包耐火衬砌筑与试验

根据本钢包扩容保温耐火衬复合层结构设计方案，完成了试验钢包的砌筑与上线运行。具体砌筑过程与试验过程记录照片如图4～图7所示。

图4 复合保温层施工过程

图5 试验钢包永久层与工作层施工

图6 试验钢包渣线低碳镁碳砖施工

图7 试验钢包上线运行第3炉(左)和第60炉(右)工作层表面状况

由图4～图6可见，设计的钢包扩容保温包衬复合层结构砌筑施工简便易行，砌筑施工质量控制简单，与常规钢包包衬砌筑施工难易程度相当。由图7可见，钢包服役过程中，包衬工作层与渣线表面光滑平整，其中，低碳镁碳砖([C]=6.5%-7.5%)渣线未出现常规高碳镁碳砖([C]=12%—14%)渣线“馒头状”破损现象，且钢包大修周期服役寿命延长约10%。

3.4 应用效果

试验过程中，对试验钢包与现运行其它常规钢包进行全过程对比试验跟踪。主要生产品种为HRB400、HRB500钢种，试验钢包采集数据炉数140炉，平均装钢量122.5吨/包;常规钢包采集数据炉数1094炉，平均装钢量116.5吨/包。相关记录数据对比如图8、图9所示。

图8 试验钢包与常规钢包同期钢水温降对比

图9 试验钢包与正常钢包同期浇注中间包钢水温降对比

由图8可见，与常规钢包相比，试验钢包出钢温度降低5℃,氩站到站温度、氩站离站温度、中包温度分别提高5℃、5℃和8℃。试验钢包的出钢温降为68℃,正常钢包的出钢温降为78℃。试验钢包中包平均温度为1539℃,比常规钢包中包平均温度为1530℃高9℃,结合试验钢包平均出钢温度降低5℃,试验钢包钢铸界面综合传搁温降可降低14℃,有效地避免了钢水LF精炼炉的加热升温。

由图9可见，试验钢包的中间包平均温降为4℃,比常规钢包中间包平均温降的5.6℃低1.6℃,因而，试验钢包更有利于中间包钢水温度稳定，克服常规钢包生产过程中频繁出现的中间包低温断浇问题，提高了生产效率，降低了生产成本。

综上所述，试验钢包通过包衬复合层结构的扩容保温设计，不仅达成了钢包装钢量提高5吨以上的扩容目标，而且钢铸界面温降减少14℃、中间包温降减少1.6℃,实现了钢包高效保温的目标。

结 论

通过钢包耐火衬复合层结构的协同保温扩容设计及其工业性试验，达到了武钢有限条材厂一炼钢120吨钢包扩容保温的改造目标，并且钢包大修周期服役寿命延长约10%。主要结论如下：

(1)钢包耐火衬的微孔刚玉尖晶石预制砖工作层、六铝酸钙浇注永久层、1650纤维板+纳米保温板的复合层结构，实现了纳米保温板的超保温、1650纤维板的高效保温以及工作层、永久层的辅助保温的多层协同功能，有效降低钢包散热损失;同时，通过强化钢包管理、降低转炉出钢温度，可实现纳米保温板的长寿化和超保温性能稳定。

(2)钢包耐火衬协同保温扩容的复合层结构可使转炉出钢温降控制在68℃以内，钢铸界面温降减少14℃,中间包温降减少1.6℃。

(3)钢包耐火衬工作层与永久层减薄结构设计，可提高钢包装钢量5吨以上。

文章作者：

沈继胜（武钢有限技术中心）

杨政宏、徐华伟、金从进、姜爱君（江苏嘉耐高温材料股份有限公司）