提高钢包保温性能的新型永久层耐火浇注料

钢包是炼钢过程中必不可少的容器，随着炼技术的不断发展，特别是炉外精炼LF和RH等处理，其作用从最简单的盛接钢水发展到了承担一定冶炼功能的熔炉。钢水在钢包中长时间停留必然会造成钢水温度的散失，而导热高的包衬会导致钢水散热损失加剧，钢包壳体变形更加严重，钢水温降速率增大，造成包壁严重挂渣、结瘤、结冷钢。

过度的低温，甚至迫使中包断流终浇，不仅影响铸坯质量，钢水收得率低，也增加了生产成本。因此保温钢包越来越成为钢厂的需求。保温钢包耐材结构模式通常是轻质绝热板或纳米板+永久层浇注料+工作层耐材。

最起保温作用的绝热板它本身需要一层耐火材料来保护，该材料一要保护绝热材料不受太大压力，二要保护绝热材料不超过使用温度(如必须1000℃以下)，那么钢包永久层浇注料就是这种重要的材料。保温钢包理想的永久层耐材应该具有良好的热稳定性、保温性、抗侵蚀性，具有应用安全可靠，结构完整，使用寿命长等特点。为了保持钢包良好的保温性能，减少钢水温降，在本次工作中对新型的CA6浇注料和轻质莫来石浇注料分别进行了性能评估，并在钢包上应用，达到了比较好的综合保温效果。

1、试验过程

目前钢包永久层材料多为普通高铝浇注料，主要原料为矾土。这种耐火浇注料使用过程中存在以下不足之处：第一、热导率较高，使用过程中造成能量的损耗；第二、耐火度低，如果工作层使用出现异常，钢水直接接触永久层时，出现穿包漏钢的概率较大，安全系数低；第三、体积密度较大，钢包空包重量较大。所以对于钢包保温的特殊要求是不满足的，需要开发出新型的综合性能优异的永久层浇注料。本文对新型CA6浇注料和轻质莫来石浇注料进行了制样与测试试验。

1）原料及试验方案

本试验所用的主要原料及其化学组成见表1。

其中CA6原料(CaAl12O19，简写为CA6）是CaO-Al₂O₃系中Al₂O₃含量最高的铝酸钙相，其熔点1875℃，热膨胀系数为8.0×10-6℃⁻¹，颗粒的体积密度为2.70g·cm⁻³，显气孔率26.8%。该料耐火性能与板状刚玉相似，而导热系数只有刚玉的1/3，是近年来兴起的一种新型优质保温原料。CA6浇注料以CA6为骨料，基质部分采用板状刚玉细粉、氧化铝粉和铝酸钙水泥为结合剂制成。球形轻质莫来石颗粒的体积密度为1.59g·cm⁻³，显气孔率38.9%。轻质莫来石浇注料是采用微孔化的M70球形轻质莫来石球为骨料，基质部分采用板状刚玉细粉、氧化铝粉和铝酸钙水泥为结合剂制成，以保证较好的抗渣侵蚀性能，以提高永久层的安全性。

2）试验过程和性能检测

对2种浇注料进行浇注成型后分别进行物理性能测试及抗侵蚀试验。物理测试方法均按国标或行业标准方法进行。

2、材料性能结果与分析

1）物理性能

由表2可知不同钢包永久层浇注料的性能是有差异的。

轻质莫来石浇注料体积密度为2.17g·cm⁻³，单重较目前使用的高铝浇注料降低24%，同时热导率降低16%，可以达到钢包轻量化和低导热系数的目的。CA6浇注料也比普通高铝浇注料轻5.6%，热导率降低26%。

2）抗侵蚀试验

将原钢包永久层浇注料B、新型的CA6浇注料C、轻质莫来石浇注料3#分别浇注成坩埚。加入转炉终渣，进行1500℃保温3h条件下坩埚抗渣侵蚀试验。观察不同材料的抗熔损与渗透情况。完成试验后坩埚剖开，侵蚀状况见以下图1：

注1：常规使用的高铝浇注料

注2：CA6浇注料

注3：轻质莫来石浇注料

CA6浇注料抗侵蚀渗透最优，坩埚孔内剩余大量的渣；轻质莫来石浇注料抗侵蚀和抗渗透能力其次；普通高铝永久层浇注料渣与耐火材料边界不清晰，坩埚耐火材料与渣熔融在一起，抗渗透比抗侵蚀稍好些，说明1500℃下高铝浇注料已经出现了较多的液相，因此该料需要改进提高其耐高温性能，这对钢包的安全性非常重要。球形轻质莫来石的微孔化对抗侵蚀及渗透性提高有利，因此该轻质料也可以将保温和抗侵蚀性表现得比较好。

3、应用情况

以上3种浇注料在300t钢包上进行施工应用。保温钢包永久层轻质莫来石浇注料、CA6浇注料目标要求是抗钢水侵蚀性和保温性两者兼顾都较好，同时炉役过程结构整体性好、保温效果稳定。经过3个炉役后不同钢包永久层表面状况见以下照片：

图2：不同永久层浇注料300t钢包应用后照片

以上钢包永久层在炉役后期均出现了不同程度的裂纹，这和材料的热震性、强度及拆包过程中损坏状况有关。对于如何减少保温钢包永久层材料开裂的综合技术还是需要进一步深化研究。

从各包各个炉役渣线的平均温度看，不保温钢包渣线钢壳都在320℃以上，而采用保温的4个试验包渣线平均温度在280℃以下，一般渣线钢壳温度下降50～100℃。包壁部位钢壳温降在20～50℃之间，视绝热材料与永久层材料配置不同而稍有差别。保温试验包的绝热材料在炉役期状态保持良好，渣线、包壁钢壳的平均温度都比普通钢包低，说明永久层起到了良好保护作用。为了安全保证，目前新的永久层材料在2个炉役后裂缝较明显的情况还是需要优化改善的，确保可以应用到4个炉役。

4、结论

保温型钢包已成为钢铁企业节能环保、提升钢产品质量的一种重要技术措施，钢包永久层材料被赋予更高的要求。开发的CA6浇注料与轻质莫来石浇注料强度等物理性能达到钢包永久层的应用要求，同时比常规的高铝浇注料有更好的保温性与抗侵蚀性，可以起到保护绝热材料的作用，使钢包在炉役期过程中保持良好的保温性。对于减少保温钢包永久层材料开裂的综合技术还需要进一步深化研究。