大中型鋼鐵廠的鐵水運(yùn)輸，普遍采用高爐→魚雷罐車→鐵水包→轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)組織模式。雖然此種模式具有機(jī)動性能好、鐵水溫降小等諸多優(yōu)點(diǎn)，還具有鐵水預(yù)處理、調(diào)整鐵水溫度和成分以及緩沖等功能。但是，它與現(xiàn)代冶金工藝所追求的高效益、低能耗的目標(biāo)相比仍有一定差距，主要表現(xiàn)在鐵水運(yùn)輸環(huán)節(jié)多、生產(chǎn)效率較低、能耗高、三脫效果較差、一次性投資大、運(yùn)行成本較高等方面。為了克服上述問題，首鋼京唐鋼鐵公司采用了鐵水包多功能化工藝技術(shù)，即一包到底。為配合一包到底新工藝新技術(shù)的應(yīng)用，首鋼也進(jìn)行了相適應(yīng)的耐火材料應(yīng)用技術(shù)的研究。
首鋼京唐一包到底工藝路線
一包到底，即采用一種具備鐵水的盛接、運(yùn)輸、緩沖貯存、鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐兌鐵和鐵水保溫等多功能的盛鐵容器──鐵水包，將高爐出來的鐵水，在經(jīng)過必要工藝流程處理后，以不更換該鐵水包的生產(chǎn)組織模式，直接兌入轉(zhuǎn)爐內(nèi)冶煉，該冶金流的工藝過程被稱為"一包到底"鐵水運(yùn)輸技術(shù)。
京唐公司一包到底工藝采用了鐵水包從高爐計重盛鐵→包車運(yùn)輸→煉鋼作業(yè)區(qū)→前扒渣→KR攪拌脫硫→二次扒渣→兌入轉(zhuǎn)爐冶煉的路線。根據(jù)首鋼京唐煉鐵采用5500m3大型高爐、煉鋼采用300噸轉(zhuǎn)爐實(shí)際，采用了300噸鐵水包和鐵水包車，在1435mm標(biāo)準(zhǔn)軌距上運(yùn)輸。
一包到底工藝技術(shù)減少了鐵水倒罐操作，縮短工藝流程，不但降低了對環(huán)境的污染，有利于鐵水脫硫處理和轉(zhuǎn)爐多加廢鋼，穩(wěn)定入爐鐵水成分、溫度和重量，還降低了鐵水消耗和能源消耗。
一包到底耐火材料損毀機(jī)理
盡管一包到底工藝技術(shù)具有優(yōu)勢，但是，卻給耐火材料帶來了諸多負(fù)面影響。與魚雷罐耐火材料相比，一包到底鐵水包耐火材料更易損毀，壽命較低，其主要影響因素有以下幾個方面：
一是熔渣侵蝕。化學(xué)分析表明，鐵渣中含有大量的CaO和FeO等氧化物�，F(xiàn)場取樣分析顯示，與渣相接觸的鋁碳化硅碳磚體一側(cè)，Ca濃度明顯升高。這說明渣中的Ca滲透到了渣線和包壁的磚體中；與包壁磚比較，渣線磚中的Ca滲入到磚體深度更深；滲透到磚體中的CaO與磚中的Al2O3和SiO2反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)的化合物鈣黃長石Ca2Al2SiO7或鈣長石CaAl2Si2O8。此外，殘磚侵蝕層內(nèi)部有一定量的金屬Fe存在，預(yù)示渣中的FeO可能滲透到鋁碳化硅碳材料中，并與材料中的SiC和C成分發(fā)生了反應(yīng)。上述因素會造成材料組織劣化，引起結(jié)構(gòu)性剝落，由此縮短包襯使用壽命。
二是脫硫劑化學(xué)侵蝕。脫硫劑對包襯的侵蝕的主要渠道是通過界面反應(yīng)形成界面反應(yīng)產(chǎn)物和共融物，或因反應(yīng)產(chǎn)物熔點(diǎn)低而溶蝕，或因共融物共融點(diǎn)低而被沖刷掉，或因反應(yīng)產(chǎn)物與包襯材質(zhì)特性相異，而從包襯磚本體變質(zhì)剝離，最終造成了鐵水包襯的損壞。脫硫劑化學(xué)成分以CaO為主，還含有CaF2，與鋁碳化硅碳磚中的Al2O3和SiO2的等氧化物發(fā)生反應(yīng)，可能生成低熔點(diǎn)或低共融點(diǎn)的物質(zhì)。顯然，CaF2與包襯中Al2O3和SiO2共融點(diǎn)都低于鐵水溫度，因而CaF2將對包襯有較大損害，容易造成耐火材料熔蝕。磚襯中的Al2O3和SiO2與CaO反應(yīng)性較強(qiáng)，反應(yīng)產(chǎn)物的熔點(diǎn)或共融點(diǎn)大多低于鐵水溫度，因此，磚襯在使用中容易受到脫硫劑的化學(xué)侵蝕而損壞。
三是熱剝裂。加蓋和不加蓋鐵水包內(nèi)的耐火材料表面溫度有較大差異。鐵水包鐵水兌入轉(zhuǎn)爐后，正�？瞻鼤r間為2個多小時，鐵水包中的耐火材料表面溫度下降到了800℃～600℃，冬季會更低。此時，一旦重新裝入鐵水，耐火材料溫差將達(dá)到700℃～900℃。包襯受到強(qiáng)烈的急冷急熱影響，由表面和內(nèi)部的膨脹差產(chǎn)生應(yīng)變，極易造成包襯表面剝裂，進(jìn)而剝落。
四是鐵水機(jī)械沖刷或沖擊。京唐高爐出鐵擺動溜槽出口至鐵水包包底高度約為6.5米，當(dāng)鐵水從擺動溜槽流出時，以自由落體方式直達(dá)包底區(qū)域，對鐵水包包底和包壁造成強(qiáng)烈的沖擊。
五是渣鐵機(jī)械沖擊。為了消化庫存渣鐵，京唐公司將渣鐵粒度分為3級，除了小粒度的渣鐵供燒結(jié)配料外，中間粒度10mm~40mm的渣鐵裝袋后，在煉鋼作業(yè)區(qū)由起重機(jī)吊運(yùn)袋裝渣鐵加入空鐵水包內(nèi)，較大粒度40mm~200mm的渣鐵在煉鐵作業(yè)區(qū)從鐵溝加入鐵水包內(nèi)。加入渣鐵的過程中，掉落的渣鐵將對鐵水包內(nèi)耐火材料形成嚴(yán)重的機(jī)械沖擊。
六是可逆熱膨脹。耐火材料一般具有可逆熱膨脹特性，即熱脹冷縮。裝滿鐵水時，鐵水包襯高度方向可能產(chǎn)生約40mm的膨脹量，考慮鋼殼膨脹和磚縫的吸收，其膨脹量仍然可觀；而空包時，包襯溫度降低到800℃～600℃。如此反復(fù)冷熱，可能造成包壁和渣線磚的整體結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致包壁或渣線出現(xiàn)橫向裂縫，而裂縫處極易出現(xiàn)鉆鐵現(xiàn)象，從而可能對工作襯和永久襯造成損壞，嚴(yán)重時，將導(dǎo)致漏包事故的發(fā)生。
七是機(jī)械剝裂。受鋁碳化硅碳材料的熱膨脹和鋼殼輕微的變形等因素影響，鐵水包內(nèi)的耐火材料會受到較大的局部擠壓力，此時包壁極易出現(xiàn)裂紋。
優(yōu)化耐火材料的應(yīng)用
對一包到底耐火材料的要求�；趽p毀機(jī)理的分析，可認(rèn)為一包到底鐵水包耐火材料應(yīng)具備如下特性：一是優(yōu)異的抗熔渣性能；二是與脫硫劑低的反應(yīng)性，耐脫硫劑的侵蝕作用；三是優(yōu)異的抗熱震性能，不發(fā)生開裂和剝落；四是高的強(qiáng)度，優(yōu)異的抗機(jī)械沖刷或沖擊性能；五是低熱膨脹性能；六是低的氣孔率。
現(xiàn)行一包到底鐵水包耐火材料的配置。在現(xiàn)行京唐一包到底鐵水包耐火材料的配置中，包沿和包底采用鋁硅系澆注料，包壁保溫層采用納米絕熱板，永久層采用葉蠟石磚雙層錯砌，渣線和包壁工作層采用鋁碳化硅碳磚豎寬磚型平砌，圍罐磚采用加長鋁碳化硅碳磚平砌，包底工作層采用底層豎寬磚型平砌和上層豎厚磚型側(cè)砌。
一包到底鐵水包耐火材料應(yīng)用實(shí)踐。投產(chǎn)前期，京唐一包到底鐵水包壽命偏低，通過采取磚型設(shè)計和砌筑優(yōu)化、工作襯材質(zhì)和配置優(yōu)化、永久層材質(zhì)和配置優(yōu)化、保溫性能優(yōu)化、鐵水包運(yùn)行管理優(yōu)化等多項(xiàng)措施，逐步延長了鐵水包壽命，目前平均壽命達(dá)到210次。
磚型設(shè)計和砌筑。京唐公司鐵水包耐火材料內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，原設(shè)計為緊貼鋼殼的外層20mm厚的耐火纖維氈，中間72mm厚的永久層澆注料和145mm厚的包壁工作層鋁碳化硅碳磚或165mm厚的渣線工作層。包壁和渣線磚采用豎厚磚型側(cè)砌，側(cè)砌磚有較多的豎直縫，上下層豎縫交錯不好，容易鉆鐵，大小頭磚體性能的均一性也較差。耐火纖維氈強(qiáng)度低，在烘烤和使用過程中，受到鐵水、工作層和永久層澆注料的擠壓而收縮變形，從而導(dǎo)致工作層的磚縫開裂，永久層產(chǎn)生較大較寬的裂紋，使得鐵水包在使用初期就多次出現(xiàn)漏鐵事故。目前，包壁和渣線磚改用160mm厚的磚豎寬磚型平砌。平砌磚有較少的豎直縫，上下層豎縫好交錯，豎直縫較少，大小頭磚體性能均一性較好，對延長鐵水包壽命有利。為了提高保溫性能，緊貼鋼殼放置了納米絕熱板。為了提高使用的安全性，將永久層改為2層錯縫砌筑的葉蠟石磚。
工作襯材質(zhì)和配置。對于一包到底鐵水包用鋁碳化硅碳磚，結(jié)合渣線、包壁和包底等不同使用部位的實(shí)際損毀差異，針對性地分別配以不同性能的材料。對于渣線部位，著重考慮抗渣侵蝕性能和耐沖刷性；包壁部位則側(cè)重考慮抗脫硫劑侵蝕、抗剝落性和體積穩(wěn)定性；包底充分考慮到材料耐沖刷或沖擊性和蠕變性，以緩和受鐵時產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力和膨脹應(yīng)力。
在材料的選擇上，考慮了以下幾個方面：鐵包渣線材質(zhì)由Al2O3-SiO2-SiC-C體系改為低SiO2的Al2O3-SiC-C體系，即采用低硅的鋁碳化硅碳磚；基質(zhì)部分采用純度較高的剛玉原料，使材料的SiO2含量盡可能低，減小熔渣對材料的侵蝕。添加了合理量的SiC、石墨和金屬抗氧化劑，以增大材料表面與渣、鐵水的浸潤角，有效防止渣和鐵水的滲入，平衡了材料的抗侵蝕性、抗氧化性和抗機(jī)械沖擊性能；采用樹脂結(jié)合體系，高壓成型，降低材料的顯氣孔率，有利于減少熔渣和脫硫劑的滲透；高溫下，材料內(nèi)部可形成有效的C-C結(jié)合，保證了高的強(qiáng)度，有利于提高抗沖擊性能。
永久層材質(zhì)和配置。為了提高使用的安全性，永久層由澆注料改用葉蠟石磚。葉臘石磚具有較好的抗鐵渣侵蝕能力，能夠有效阻隔鐵水的穿漏；具有一定膨脹性，使用中可彌合砌縫，有助于減少磚縫鉆鐵的可能；在砌筑結(jié)構(gòu)上通過兩層錯縫砌筑，可以防止永久層貫通縫的形成。
鐵水包保溫。通過采用納米絕熱板和鐵水包加蓋使用，優(yōu)化保溫性能。鐵水包加蓋除了可以減少鐵水溫降以外，還可以提高空包耐火材料表面溫度，減少熱震損壞。
鐵水包運(yùn)行管理。京唐公司通過縮短鐵水包在煉鋼區(qū)域的停留時間、運(yùn)輸送重包時間、高爐下空包等待時間，加強(qiáng)對管控中心鐵鋼分調(diào)的管理，積極組織協(xié)調(diào)煉鋼、煉鐵、運(yùn)輸各個部門相關(guān)人員，提高鐵水包的周轉(zhuǎn)率，減少鐵水包周轉(zhuǎn)包數(shù)，使得鐵水包周轉(zhuǎn)率由過去的3次/天提高到4.5次/天以上。
對未來的展望
材質(zhì)改進(jìn)。耐火氧化物抵抗預(yù)處理劑能力的強(qiáng)弱順序?yàn)椋篗gO＞Al2O3＞CaO＞SiO2。經(jīng)抗渣試驗(yàn)分析，與鋁碳化硅碳質(zhì)耐火材料相比，鎂碳化硅碳質(zhì)耐火材料有更好的抗熔渣性能。因此，為延長渣線壽命，擬在京唐一包到底鐵水包渣線部位試驗(yàn)鎂碳化硅碳質(zhì)耐火材料，以期提高渣線磚抗侵蝕能力。
熱態(tài)清渣。目前，渣線磚黏渣較為嚴(yán)重，在冷態(tài)機(jī)械清理時，極易造成渣線磚斷裂和松動，而熱態(tài)清渣可以減少對渣線磚的損壞，但限于場地，尚未實(shí)現(xiàn)熱態(tài)機(jī)械清渣，擬協(xié)商在煉鋼作業(yè)區(qū)布置熱態(tài)清渣設(shè)施。（來源：中國鋼鐵新聞網(wǎng)）【中國耐火材料網(wǎng)】