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鋼包內耐材工藝的優(yōu)化設計方向及應用
來源：易耐網(wǎng)編輯：易耐網(wǎng)發(fā)布時間：2022/10/9
近兩年來，在國內環(huán)保治理常態(tài)化與耐材行業(yè)碳達峰的雙重管控下，以鎂砂、礬石、剛玉為代表的耐火原料廠家，原料價格上漲已經成為普遍共識，耐火材料行業(yè)的生產成本居高不下。同時，國內鋼包耐材的中標價卻越來越低，承包廠家的競爭越來越激烈。日益上漲的原材料價格與越來越低的中標價構成鮮明的矛盾，新材料或新工藝技術的應用是解決該矛盾的最佳途徑。在鋼包用耐材上，可工業(yè)化大批量使用的物美價廉的新材料（除山西某鋼廠整體搗打干式料包襯外），一直少有報道。優(yōu)化工藝設計就成為目前降低鋼包整體耐材成本的最有效途徑。
1 鋼包用耐火原料與中標價現(xiàn)狀
隨著礦山的綜合治理、工業(yè)電力的漲價疊加2030工業(yè)領域碳達峰的國家政策，耐火原料價格持續(xù)在高位運行，下降空間有限。近兩年來，97電熔鎂砂（塊）每t價格穩(wěn)定在4 000～5 000元，88礬石（塊）每t價格在2 300～3 000元，板剛玉（段砂）每t價格在5 200～5 700元。除少數(shù)自有礦山的耐材廠家外，90%以上耐材廠家，議價空間有限。2021年，鋼包承包的價格持續(xù)在刷新低價。達州某鋼廠80 t澆注料鋼包（非精煉），中標含稅價每t為5.15元，由撫順某耐材廠家獨家承包。澆注料鋼包（非精煉）是鋁鎂體系，根據(jù)冶煉工藝或出鋼溫度區(qū)別，主原料就是85/88礬石，礬石的生產基地主要在山西、貴州，而中標承包廠家是在東北?，F(xiàn)場水洗發(fā)現(xiàn)，該澆注料廠家顆粒均是廢剛玉。石家莊某鋼廠120 t普煉鋼包，中標含稅價每t為5.8元，由新密某耐材廠家承包。普煉鋼包是鎂碳體系，主原料就是97電熔鎂砂，鎂砂的生產基地主要在營口大石橋一帶，而中標承包廠家是在河南。實地切開發(fā)現(xiàn)，該鎂碳磚廠家顆粒普遍泛灰白，這是廢鎂碳磚重復利用后最明顯的特征。以前面提到的兩家耐材廠家為例，分別在普煉澆注鋼包和普煉砌筑鋼包上，有工藝設計獨門的優(yōu)勢，在普煉澆注鋼包和普煉砌筑鋼包承包招投標領域，幾乎很少遇到勢均力敵的對手。經剖析與實踐應用相結合，發(fā)現(xiàn)利用深加工的廢磚，優(yōu)化工藝設計，可以更簡單直接有效的降低鋼包承包的綜合成本。
2 鋼包用耐火材料應用現(xiàn)狀
絕熱層，主流耐材廠家普遍采用納米絕熱板，厚度尺寸有5、10 mm不等。正常情況，鋼廠沒有特殊要求，絕熱層總厚度不超過10 mm。通常建議，現(xiàn)場施工優(yōu)先選用5 mm納米絕熱板，雙層錯縫交叉施工，隔熱效果更好。10 mm絕熱板，看似施工方便快捷、價位稍微便宜一點，實際施工中發(fā)現(xiàn)，對工人的責任心要求很高，絕熱板縫隙問題不好解決。因絕熱板材質超出作者認知范圍，不再贅述。
永久層，主要有整體澆注、以磚代模、磚砌等三種施工方式。整體澆注與以磚代模，均采用澆注施工，只是區(qū)別點在于有無永久層模具。根據(jù)鋼包大小不同，永久層模具普遍價位在4萬～10萬不等。受制于鋼廠和耐材廠家雙方降本的共同需求，目前普遍以磚代模，邊砌筑工作層邊施工永久層澆注料，通常是在工作層磚施工6～8層，進行澆注一次，高度在600～800 mm，鋼廠有特殊要求除外。
永久層澆注料主要有水泥結合、硅灰結合兩大體系，依據(jù)耐材廠家的技術水平或鋼廠招標要求不同，所選材質也不盡相同。磚砌永久層，有半鎂片（厚度30 mm）、高鋁質（厚度40～80 mm）、鎂碳質（厚度40～80 mm）、鋁鎂質（40～80 mm）等，具體使用，根據(jù)現(xiàn)場實際情況來定。
工作層，鋼包現(xiàn)場有四種施工方式，或整體澆注，或包底包壁澆注、渣線砌磚，或包底澆注、包壁渣線砌磚，或整體砌磚等。最特殊的是山西某鋼廠80 t鋼包采用整體搗打干式料包襯，壽命也能達到120爐左右，受限于資料技術有限，不再贅述。
澆注類鋼包可分為兩種，一種是非精煉的鋼包，大部分是整體澆注的形式，以冶煉建材鋼（如Q235B、Q195）為主，通常在40～120 t左右，冶煉溫度不超過1 600℃，為均勻鋼水成分，只進行簡單的爐后吹氬處理，吹氬時間通常不超過5 min，包齡在150～200爐不等。這類材質通常以88礬石、中檔鎂砂為主，采用鎂硅水結合體系，以Mg O-Al2O3-SiO2相圖為基礎來優(yōu)化工藝設計。根據(jù)冶煉工藝的不同，骨料可選85/88礬石、棕剛玉等，基質類可選棕剛玉粉、亞白剛玉粉、礬土尖晶石粉、88礬石粉、鋁微粉、硅微粉等。
另一種是精煉鋼包，大部分是包底包壁澆注，渣線磚砌的形式，以冶煉潔凈鋼為主（如IF、X80），通常在150～300 t左右，冶煉溫度在1 650℃左右，精煉方式以LF或LF+RH居多，LF精煉時間在30～45 min左右，LF+RH精煉時間在60～90 min左右，包齡在120～160爐左右。這類材質通常以板剛玉、76/78尖晶石為主，采用低水泥結合體系，以Mg O-Al2O3-CaO相圖為基礎來優(yōu)化工藝設計。根據(jù)冶煉工藝的不同，骨料可選板剛玉、白剛玉等，基質類可選板剛玉粉、白剛玉粉、鋁微粉、尖晶石粉、電熔鎂砂粉、71水泥等。
磚砌類鋼包分類應用同上，區(qū)別在于冶煉工藝的不同，材質設計不盡相同。渣線磚設計基于精煉方式和渣系不同，大體可以分為LF+VD、LF、普煉等三類；包壁磚設計基于鋼種和吹氬攪拌時間不同，大體可分為高檔與普通材質兩類；包底磚設計基于出鋼口孔徑和沖擊部位不同，大體可分為沖擊和非沖擊區(qū)兩類。
鋼包內功能性原件，透氣磚與水口座磚，如何做到穩(wěn)定、長壽命應用一直是各耐材廠家追求的目標，也是鋼廠對耐材廠家的最低要求，同時也是制約包齡的關鍵因素。多年來材質沒有大的變化。透氣磚類材質還是骨料以板剛玉為主，基質有板剛玉粉、尖晶石粉、氧化鉻綠、71水泥等。澆注料類水口座磚材質同上。機壓類水口座磚材質與高檔渣線磚類似，區(qū)別之處在于基質得到進一步加強，目的是提高抗沖刷性能。
近兩年來，以往透氣磚骨料用的有從日本、法國進口或購進青島安邁板剛玉，生產與議價均受限，值得欣喜的是，山東某集團生產的板剛玉，也能大批量應用?；|用的尖晶石微粉，東北地區(qū)、浙江、武漢均有公司可以生產，且已經大批量應用。
3 鋼包用耐材優(yōu)化工藝設計的前提
3.1 鋼包用耐材損毀因素永久層澆注料的正常損毀，多與長期反復使用，熱震裂紋擴大有關。
在一個包役（鋼廠通常規(guī)定永久層使用周期>8次，必須拆除）中，在鋼殼、絕熱層、自身應力的共同作用下，永久層出現(xiàn)裂紋是不可避免的，通常在第4次使用時，就或多或少出現(xiàn)。這也就是為何鋼廠總強調工作層磚侵蝕完畢后，永久層澆注必須保證1爐壽命的主要原因。這個理由在實際應用中，顯的牽強。事實上，只要磚侵蝕完畢，現(xiàn)場沒有提前發(fā)現(xiàn)并采取措施，漏包幾乎是不可避免。
永久層磚損毀多與整體性差，機器拆包有關。含碳質永久層磚，損毀多與石墨氧化，強度急劇降低有關，尤其是廢鎂碳磚顆粒成型的永久層磚，使用1～2爐后，磚呈疏松狀，幾乎沒有強度；用新顆粒或廢棄不含碳的鋁鎂材料成型的磚，相對穩(wěn)定性較好，但整體使用效果不如澆注料。
LF+VD工藝條件下，渣線磚的損毀是高溫（通常在1 650℃），真空減壓（脫氫、脫氮）下，不僅在磚內的有Mg O+C的直接反應[1]，還有精煉渣系與磚的反應，同時在強攪拌（全程吹氬），強電?。?gt;2 000℃）下，還有物理攪拌和電磁場[2]等共同導致的。
LF/LF+RH工藝條件下，渣線磚的損毀主要與LF爐的精煉渣（渣系、粘度）、吹氬攪拌強度（透氣磚吹氬壓力大?。?，精煉時間長短，鋼水溫度高低等導致的熔損和滲透有關。RH（真空循環(huán)脫氫），通常是在浸漬管內進行，不吹氬，只是簡單的液面波動，對渣線磚的損毀影響有限。
非精煉條件下，渣線磚的損毀，主要與渣系熔損和滲透有關。包壁磚（含碳、無碳）或澆注（礬石鎂砂、剛玉尖晶石）包壁的損毀均與熔損和滲透有關。精煉類冶煉方式，只考慮攪拌強度和時間等因素加快包壁的侵蝕作用。包底磚（含碳、無碳）或澆注（礬石鎂砂、剛玉尖晶石）包底的損毀主要與高溫沖刷有關。其次是材質的熱震穩(wěn)定性，影響著包底的裂紋或斷磚等，這些會加速包底的侵蝕。透氣磚的損毀主要與熱修燒氧、吹氬攪拌、滲透熔損、應力斷裂有關。前三個因素均是現(xiàn)場因素，可改變性有限。斷裂往往是內外應力共同作用的結果，可以通過更換材質、調整溫度、改變尺寸外形等優(yōu)化工藝設計的方法來解決。
3.2 提升廢磚處理的檔次
廢磚的處理核心“除雜質”和“提純”。
“除雜質”，無非就是采用物理或化學方法來處理。鋼包利用的廢磚，在揀選階段多用物理用法來處理變質層；破碎前后，用水化方式來處理Al3C4和AlN等。
“提純”就是提高回收廢磚中主材質顆粒的純度，減少假顆粒，減少低熔物。通常情況下，廢磚采用的是二級處理，粗破用鄂破，細破有對輥、圓錐破、復合破、沖擊破，甚至有些廠家用球磨、碾機等進行再次處理，進一步假顆粒比例，以獲得更高的純度等，進而能夠使處理后廢磚的加入量，盡可能多的代替原始材質顆粒，做到100%替代。
由于廢磚的硬度不同，含碳質廢磚的處理與廢剛玉質的處理設備不同。含碳質廢磚，在進行揀選“鋁質”與“鎂質”分類的前提下，不同的處理設備，獲得的主顆粒純度也不相同。采用鄂破+對輥的處理，MgO含量（w）通常不超過70%,C含量偏高，且假顆粒偏多；采用鄂破+對輥+碾機的處理，Mg O含量（w）通常不超過75%,C含量偏高，且假顆粒偏少；采用鄂破+圓錐破+碾機或球磨的方式，Mg O含量（w）通常在80%以上，C含量偏低，且假顆粒很少。
考慮到耐材廠家制取的廢磚顆粒不同，有的是6～1、≤1 mm，有的是6～3、3～1、≤1 mm，有的是≤6、≤5 mm等，均有適合自己的工藝設計。為了進一步提高廢磚加入量的比例，降低工作層的綜合成本，耐材廠家采用鄂破+圓錐破+碾機或球磨的方式更容易實現(xiàn)。剛玉質廢磚，實際生產中，采用鄂破+沖擊破的方式，比鄂破+對輥的產能高2～3倍，且假顆粒更少，顆粒純度更高，Al2O3+MgO≥92%，代替剛玉顆粒的比例更高。
4 鋼包用耐材優(yōu)化工藝方向與具體應用
4.1 永久層優(yōu)化工藝設計及應用：
澆注料首選鎂硅水結合體系。根據(jù)鋼包大小和精煉與否來設計材質，在鋼廠沒有特殊要求情況下，120t鋼包以下，可以采用三級鋁石/廢磚顆粒+燒結鎂砂粉+硅灰的工藝設計；120 t鋼包以上，可以采用80以上礬石/廢磚顆粒+中檔鎂砂粉+硅灰的工藝設計。永久層的環(huán)境溫度<1 350℃，在材質相同條件下，無論常溫、中溫、高溫燒后抗折和耐壓強度，鎂硅水結合體系>水泥結合>溶膠結合[3]。從實際應用來看，常溫烘烤、高溫燒后強度，廢尖晶石顆粒>廢高鋁磚，推薦加入比例60%～70%。
機壓永久層磚，首選水玻璃結合的鋁鎂材質，可以使用回收后的廢尖晶石磚、廢高鋁磚、廢鎂磚等等，降低永久層綜合成本，推薦加入比例80%～90%，在河南某鋼廠100 t轉爐鋼包正常使用。半鎂片，強度低，易斷裂，只是單純的降低永久層厚度；含碳永久層磚，導熱系數(shù)大，均不推薦使用。
4.2 鎂碳磚優(yōu)化工藝設計及應用
LF+VD工藝條件下，渣線磚通常是97電熔鎂砂與98大結晶復合，選取優(yōu)質石墨等制作而成，骨料部分引進20%左右的高檔廢磚（Mg O>80%,Al<4%）。在湖南某鋼廠100 t鋼包，山東某特鋼廠90 t鋼包均能夠滿足現(xiàn)場使用。LF/LF+RH工藝條件下，渣線磚通常是由97電熔鎂砂與少量石墨制作而成，骨料部分引進40%～60%的高檔廢磚（Mg O>80%,Al<4%）。在河北某鋼廠300 t鋼包，山東某鋼廠220 t鋼包，均能夠滿足現(xiàn)場使用。非精煉條件下，渣線磚通常是由廢磚顆粒與少量石墨組成，骨料和基質部分引進60%～80%左右的高檔廢磚（Mg O>80%,Al<4%）。包壁磚，通常是由廢磚顆粒與微量石墨組成，骨料和基質部分引進40%～90%左右的高檔廢磚（Mg O>80%,Al<4%）。在100%LF+VD或加廢鋼過多的冶煉，或減薄尺寸來增加承鋼量時，包壁磚也有部分用全新料。具體加入比例，根據(jù)鋼廠冶煉工藝來進行調整。有生產條件的耐材廠家，能夠做到1個鋼廠1個包壁工藝，真正的把包壁磚成本降到最低。鋁鎂碳材質的沖擊區(qū)磚，顆粒部分廢剛玉磚（Al2O3+MgO>92%）與廢磚（Mg O>80%,Al<4%）可以復合使用，混合加入比例在30%～60%。鎂碳材質的沖擊區(qū)包底磚，廢磚（Mg O>80%,AI<4%），加入比例在40%～70%。非沖擊區(qū)磚，廢磚比例最高能夠達到90%。
從上文提到的新密某耐材廠家的承包價格分析來看，綜合成本每t不到3 000元，參考易耐網(wǎng)今年3月份97電熔鎂砂（塊）每t為4 300～4 400元，95石墨每t為4 500～4 900元，推斷廢磚加入量（w)>65%。
4.3 澆注料優(yōu)化工藝設計及應用
非精煉鋼包澆注料，通常是由礬石顆粒與廢剛玉顆粒組成，骨料和基質部分引進40%～70%左右的廢剛玉磚（Al2O3+MgO>92%）。從上文提到的東北某耐材廠家的承包價格分析來看，綜合成本每t不到2 100元，參考易耐網(wǎng)今年3月份85礬石（塊）每t在2 030～2 080元，95中檔（塊）每t在2 800～3 000元，推斷廢磚加入量（w)>60%。精煉鋼包澆注料，通常是由板剛玉、白剛玉顆粒與97電熔鎂砂（≤1 mm、200目）、76尖晶石粉等組成的低水泥澆注料工藝，顆粒部分可以引進15%～35%廢剛玉磚（Al2O3+Mg O>92%）。在湖南某100 t鋼包已工業(yè)化使用1 a，與正常澆注料壽命相比，幾乎沒有差別，使用中無剝落、無裂紋，成本每t下降1 000元，獲得很好地經濟效益。值得注意的是，廢剛玉磚在此類澆注料工藝中比例的多少，與基質燒結性好壞有關，這是優(yōu)化此類工藝最關鍵的環(huán)節(jié)。在實際應用中，納米級鋁微粉、90MA尖晶石超細粉，都能起到良好的燒結效果。
4.4 透氣芯優(yōu)化工藝設計及應用
免燒透氣芯，在國內應用中優(yōu)缺點都很明顯，因質量不穩(wěn)定原因，一直都存在異議。隨著近兩年來，生產控制流程的不斷改進，工藝配方的不斷優(yōu)化，免燒透氣芯的質量穩(wěn)定性，越來越好，應用也是越來越穩(wěn)定。從實際應用來看，河北某鋼廠240 t鋼包，精煉時間30～45 min，使用25～30爐；山東某鋼廠140 t鋼包，精煉時間45～60 min，使用30～35爐；山東某特鋼廠120 t鋼包，精煉時間30～45 min，兩塊交替使用55～60爐，均能滿足現(xiàn)場的使用要求。整體燒成透氣芯的加工周期在30～45 d，整體免燒透氣芯的加工周期在15～25 d，大大縮短交工周期，同時取消裝殼、高溫燒成等兩個工序，既避免火泥縫存在的安全隱患，又降低綜合能耗，免燒透氣芯是優(yōu)化工藝設計的方向。與燒成透氣芯相比，更嚴格的原材料控制、更嚴格的加水量控制、更嚴格的低溫處理是保證免燒透氣芯體積穩(wěn)定性與質量穩(wěn)定性的根本。
5 結語
在國內明確鋼鐵行業(yè)2030“碳達峰”的大背景下，綠色耐材工廠的升級之路，同時開啟。耐材工廠需要大量資金投入的升級改造，與鋼包整體承包價格的屢創(chuàng)新低，導致現(xiàn)金流越來越緊張，優(yōu)化工藝設計，切實降低噸鋼成本，成為鋼包耐材工廠生存下去的唯一選擇。通過說明鋼包內耐材應用現(xiàn)狀，分析鋼包內耐材的主要損毀因素，提出提升廢磚深處理的方法與必要性，結合實際應用，指出鋼包內耐材優(yōu)化工藝設計的方向，為該行業(yè)的提升發(fā)展貢獻智慧。
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