【案例】唐钢100t钢包扩容至130t设计与实践

为了实现月产45万t钢的规模生产，要求转炉冶炼扩容，即每炉钢水量从现在的100t增加到130t以上，根据转炉容量增加后的生产需要，设计出一种100t钢包可盛装130t钢水的修砌方案，此方案既不能因为钢包装入量过大造成精炼炉溢渣，也不能由于减小钢包工作层厚度，导致钢包包龄寿命的降低、耐材成本升高。

1 扩容计算方法

钢包作为炼钢生产中必不可少的载体，是炼钢-连铸界面钢水承载和二次冶金的重要容器，将各个生产工序有机联系起来，保证炼钢有序进行。钢包不仅承接转炉冶炼完成的钢水，而且是精炼的重要设备，在满足装钢的同时，还要满足精炼工艺，如对钢包净空要求、钢包上部内径尺寸要求等。因此，对100t钢包进行设计和改进，既要求容积满足盛装130t转炉出钢量，又需要适应和精炼工艺的需求。

1.1 主要设计参数

(1)100t钢包包体钢结构主要尺寸及工艺参数：上口外径为3760mm,下口外径为3280mm,钢包总高(不含罐脚)为4065mm,钢液面净空高度为400mm,液态渣厚度为150mm,钢水比重为6.9t/m³。

(2)钢包容积公式见式(1):

式中：H-钢包高度/mm;D-钢包上部直径/mm;D₁-钢包下部直径/mm

其修正公式见式(2)：

式中：K-修正系数，取值范围0.93～0.96;P-钢包额定容量/t。

1.2 计算结果

钢包包底是一个相对复杂的部位，包含滑动系统及透气砖、水口座砖等。本设计在保证钢包包底安全使用的前提下，采用浇注料包底代替钢包砖包底，并通过以上参数进行理论计算，经计算，在现有钢包基础上增加30t钢水容量，需增大内径120mm,即包壁耐材厚度总体减少120mm,新砌砖方案去掉了修包壁过渡层使用的80mm安全衬和包壁安全衬、工作层之间40mm刚玉自流料。此设计方案未缩短钢包永久层厚度，对钢包包胎尺寸无影响，原有包胎可以继续使用，其它部位尺寸和结构不变。

2 安全砌筑工艺

2.1 原100t钢包设计方案及砌筑工艺

包壁设计：包壁永久层打结前在包壁上粘贴保温层，保温层采用纳米绝热材料，厚度10mm。永久层打结要求胎模与四周保温板间隔控制在(100±5)mm范围内，浇注料搅拌时添加水量控制在6.0%左右，以浇注料流动性作为最终判定依据，搅拌均匀，安放好新钢包胎具。修包壁过渡层使用80mm保温砖，钢包包壁工作层采用210mm包壁砖、渣线部位采用240mm镁碳砖，包壁过渡层和工作层之间采用40mm刚玉自流料，包沿高度要求小于120mm。

包底设计：先打结100mm包底永久层，然后采用包底平铺层和包底立砌层组合修砌方法。钢包包底安装透气座砖和水口座砖，透气座砖和水口座砖与包底砖预留间隙50～100mm,包底砖砌筑完成后，用刚玉自流料填充包底砖、包壁永久层和水口座砖、透气座砖之间的间隙，最后插砖振捣密实，做到砖缝纵横错开，砖缝泥浆饱满，包底砌筑找正、卡牢，包底施工完成高度与透气座砖齐平，可以满足钢包净空高度为400mm,钢包容量为100t的使用要求。

2.2 钢包优化设计方案及砌筑工艺

包壁设计：根据当前的实际情况，确定通过减少钢包砌砖厚度扩大钢包内径的方案来实现扩容，去掉修包壁过渡层使用80mm保温砖，去掉包壁过渡层和工作层之间40mm刚玉自流料，钢包扩容后取消包沿砖，使用渣线砖代替，否则净空不能满足精炼要求。经计算，钢包净空高度为400mm时，钢包容量为132t,达到了优化设计的要求，满足了盛装130t钢水装入量的生产需求。原始设计方案和改进后设计方案见图1。

图1 钢包设计方案示意图

包底采用重质料打结，平铺和立砌修砌方式，厚为200mm。包底及水口座砖仍采用现有砌筑方法，即先装好上、下座砖，再拼砌底部砖。砌砖时须用木榔头轻敲打紧，砖与砖之间的缝隙要小于2mm,砖缝纵横错开，做到砖缝泥浆饱满，罐底砌筑找正、卡牢。钢包大修，包底需重新打结底料;小修更换水口座砖或透气座砖时，需打结底料与透气砖座砖齐平。

2.3 钢包砖优化

钢包包壁砖采用200mm厚的铝镁碳砖，要求碳含量提高2%,即含碳量为8%。渣线砖采用240mm厚的镁碳砖，要求砖中碳含量提高2%,即含碳量为14%,以提高砖的抗浸蚀能力。钢包砖的理化指标见表1。

表1 钢包砖理化指标

3 钢包改进后方案可行性校核

3.1 校核钢包重心与耳轴位置

耳轴的位置对于整个钢包的倾倒过程来说是十分重要的。若耳轴的位置太低，则很可能由于操作不当导致钢液倾倒得过快，若耳轴的位置过高，则会增大倾倒钢液过程中所需要的倾翻力矩，进而增大起重机副钩的起重量，这样就造成了很大的能源浪费。钢包设计耳轴中心应高于钢水罐满罐合成重心以上200～400mm。对比改造前、后钢包重心与耳轴位置如下。

(1)坐标原点位置：钢包耳轴连线中点。

(2)改造前重心的位置：

x=-2.569103mm

y=-352.736125mm

z=-4.602990mm

(3)改造后重心的位置：

x=-2.56900mm

y=-364mm

z=-4.52mm

计算结果表明：钢包重心与耳轴位置符合设计要求。

3.2 钢包倾翻力矩校核

钢包在倾倒过程中，其倾翻力矩是由钢包空包引起的倾翻力矩、钢包耳轴的摩擦力矩和钢液引起的倾翻力矩三部分构成。通过计算起重机副钩的起重量与倾翻角的关系，核定起重机副钩的起重吨位，当前80t副钩起重量完全能够满足扩容钢包倾翻要求。经验证，此改进方案不影响钢包相关设备诸如钢包车、龙门钩及连铸钢水包回转台承载能力，相关设备不需要改进，钢包扩容改造费用不需要增加。

3.3 钢水装入量

表2为钢包扩容前、后各20炉的转炉出钢量。从表2中可以看出通过钢包修砌工艺的调整改进，扩容前20炉平均转炉出钢量为100.77t,扩容后20炉平均转炉出钢量为130.93t,平均转炉出钢量较扩容前增加了30t左右，达到了预定目标。

表2 钢包2022年1月扩容前、2022年2月扩容后转炉出钢量对比

3.4 钢包温降

本设计方案虽然去掉包壁过渡层保温砖、减少保温层厚度，但浇注料具有显气孔率高、体积密度小、导热系数小、重烧收缩小等优点，绝热保温效果好，因此钢包温降正常。从2022年2～5月生产图表和数据来看，钢包均未发生因钢包温降大而导致回炉钢水的现象。

3.5 钢包寿命对比

钢包扩容前2021年10月～2022年1月，钢包平均包龄为115.45炉，精炼比28.92%;扩容优化后2022年2~5月，钢包平均包龄为116.31炉，精炼比29.77%，钢包使用平稳，未见明显影响。

4 结论

唐钢公司通过改变钢包耐火砖的材质和重新设计的钢包安全砌筑方式实现了转炉100t钢包扩容30t的预定目标，有效促进了炼钢产量的增加，促进钢产量的提高，目前已在唐钢公司推广应用。

(1)通过对100t钢包优化设计与改进，改进后的钢包完全满足盛装130t钢水要求，未超出240t天车的承载能力。

(2)原设计100t钢包总计耐材用量54.7t,改进设计后钢包耐材用量减少到40.2t,耐材消耗量下降，在保证钢包安全运行的基础上降低了耐材吨钢成本。同时由于单炉产量增加，吨钢动力费用和人工费用相应减少，可有效降低吨钢生产成本。

(3)本设计方案增大了钢包有效容积，提高了钢包装钢量，同时提高了钢包净空高度，有利于避免精炼炉溢渣，保证了钢水LF精炼所需要的有效空间，对实现钢水炉外有效精炼、提高钢水质量、增加品种档次、提高品种比例具有重要意义。