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钢包的功能改变对耐火材料的影响

随着二次精炼的发展，钢包已从盛放钢水的容器发展为二次精炼的重要冶金设备，随之钢包用耐火材料的使用条件也发生了明显的变化，主要表现在如下方面：

(1)二次精炼钢包的钢液温度明显升高，通常比普通钢包高出50~100℃，精炼过程中可能高出150℃以上，温度越高，熔渣和钢水对耐火材料的侵蚀明显加快。

(2)二次精炼钢包的钢液循环运动加剧。由于喷吹氩气、电磁搅拌和真空处理等技术的采用，钢液对耐火材料的冲刷和磨损作用严重。

(3)二次精炼钢包的炉渣的侵蚀性增强。二次精炼炉由于需要进行深脱硫、磷渣冶炼操作，所以炉渣的碱度高，渣量大，对耐火材料的侵蚀作用明显加剧。

(4)二次精炼钢包的盛钢时间明显延长，比普通钢包延长1至数倍，结果使钢包用耐火材料的使用寿命明显变短。

(5)由于二次精炼钢包很多情况都是在高温真空下使用的，真空条件下，耐火材料的蒸发速率加快，同时也使得耐火材料的抗侵蚀性下降。

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钢包用耐火材料有哪些要求

钢包二次精炼技术的发展，使得钢包用耐火材料在使用过程中必须满足如下要求：

(1)耐高温。能经受高温钢水长时间作用而不熔融软化。

(2)耐热冲击，能反复随钢水的装、出而不开裂剥落。

(3)耐熔渣的侵蚀，能承受熔渣和熔渣碱度变化对内衬的侵蚀作用。

(4)具有足够的高温机械强度，能承受钢水的搅动和冲刷作用。

(5)内衬具有一定的膨胀性，在高温钢水作用下，内衬之间紧密接触而成为一个整体。

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钢包工作衬应具备的条件

钢包工作衬是接触钢水和炉渣的重要部位，在使用过程中受到钢水和炉渣的侵蚀、冲刷、熔解以及热震破坏的影响，所以在使用时应具备如下条件：

(1)工作衬在施工工程中应力求设备简单，施工方便，能够降低劳动强度，提高劳动生产率。要具有良好的烘烤适应性，减少烤包能耗的同时能够增加钢包的利用率，延长钢包的使用周期，减少备用包的数量。

(2)在高温使用条件下应具有良好的高温性能，不但要求有较高的耐火度和一定的高温强度还必须有良好的化学稳定性，保证高温条件下不会对钢液产生二次氧化，不会对钢液造成污染，不降低钢坯的质量。

(3)使用过程中应具有良好的抗熔渣侵蚀和渗透的性能，以及耐钢水和渣液冲刷的能力，有利于提高钢包工作衬的使用寿命，减少钢包耐火材料的消耗，减少耐火材料对钢液的污染。

(4)工作衬应具有良好的抗热震性和良好的体积稳定性，与钢水接触时不炸裂，保证钢包具有良好的整体性。

(5)钢包工作衬还应具有较低的热导率，较好的保温性能，能够减少中间包的热损失，保持中间包钢液温度的稳定。

(6)使用后的工作衬应便于拆包，工作层和永久层易脱离，能够减少作衬耐火材料对钢包永久衬的损坏，有助于延长钢包的使用寿命。

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钢包用耐火材料的损毁原因

钢包周转过程：转炉/电炉出钢→二次精炼处理→连铸浇钢→钢包准备作业→等待出钢。正常周转时间根据钢种和连铸机的不同，需要时间100~140min。钢包出钢温度1680-1700℃，盛钢时间100~120min，全连铸浇钢作业典型钢包渣成分(%):Al₂O₃ 17%~26%，SiO₂ 8%~10%，CaO 42%~47%，MgO 5%~11%，FeO 18%~22%。如果冶炼硅钢、桥梁钢、汽车板钢等超低碳钢工艺必须经过真空处理，同时采用对钢包底部吹氩气搅拌和LF炉通过电弧加热、炉内还原气氛、造白渣精炼、气体搅拌等手段，强化热力学和动力学条件、脱硫、合金化、升温等综合精炼效果，因此熔渣碱度范围大，钢水和炉渣的温度更高，钢水在钢包内的滞留时间延长，热震性强，搅拌力大，对钢包的内衬损坏加剧。

损毁原因如下：

首先，钢包用来运输高温钢水。在运输过程中，1680℃左右的高温钢水和熔渣对其进行冲刷侵蚀，尤其是渣线部位，冲刷侵蚀比较严重，是决定一个罐使用寿命的重要因素。

其次，LF等炉外精炼处理对不烧砖损毁严重。

第三，在转炉出钢、流出钢水时内衬承受着剧烈的温度变化，并由此引起内衬材料的裂纹和剥落。

第四，钢包在转炉出钢装入钢水时，高温钢水对其底部有强烈的机械冲刷，致使该部位内衬材料易出现因热冲击造成的损毁。

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如何减少钢包耐火材料结构剥落

耐火材料在使用过程中，熔渣易于从加热面渗透到其内部的深处，使工作面附近的气孔率显著降低而致密化，生成很厚的变质层。当温度剧烈变化时，在变质层与原砖层之间交界处产生与工作面平行的龟裂而使砖剥落和损毁。减少耐火材料的结构剥落，其办法是减少炉渣渗入的深度，可以从如下几方面着手：

(1)提高耐火材料的抗炉渣渗透性;

(2)降低耐火材料的气孔率，降低炉渣的侵蚀通道;

(3)炉渣与耐火材料反应形成高熔点的化合物挡墙，阻止渣的渗透;

(4)增加炉渣的黏度。炉渣的黏度越大，对耐火材料的侵蚀性越差。

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钢包透气砖的主要作用

钢包透气砖是二次精炼工艺中最关键的功能元件，其主要作用有如下几个方面：

(1)可以调节钢包内钢水温度的均匀分布，以实现现有工艺最佳浇铸温度。

(2)通过吹气搅拌可使钢包中的合金和脱氧剂均匀分布。

(3)可以将钢水中的非金属夹杂带入渣中以满足钢液要求的洁净度。

为实现上述功能，需要将精炼所用的惰性气体通过透气砖吹入到钢包中，在透气砖与钢水的接触面即透气砖的工作面上，在足够的压力下，吹出的大量气泡形成气体喷射束，对整个钢包内的钢水进行搅拌，促使钢水流动，使钢包内温度和成分均匀化，同时不断喷出的气泡在界面作用下将钢水中的非金属夹杂带入渣中，达到洁净钢水的目的。

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钢包透气砖应具备的性能

透气砖要满足上述的冶金功能，必须具备如下几方面的主要性能：

(1)良好的透气性。透气性是衡量透气砖质量的重要参数之一。研究表明：钢水的搅拌能与吹入气体的流量成正比;搅拌能直接影响钢水的搅拌效率，只有足够的搅拌才能使钢水取得良好的搅拌效果。当吹氩量一定时，吹出的氩气泡越多，对钢水的脱气和搅拌越有利。

(2)高温耐侵蚀性。精炼钢包在温度和时间方面都要求非常严格，最高温度往往达到1750℃以上，精炼时间有时达到数十分钟。在精炼操作过程中，熔渣碱度对透气砖的寿命影响很大。所以，透气砖会受到在高温下渗透性很强的碱性渣的侵蚀，损毁速度快。

(3)高温耐磨性。精炼钢包底吹氩时，由于底吹氩的进行，钢水在钢包中的流动速度很快，钢水对炉衬材料和底部透气砖和座砖的冲刷磨损明显加大。钢包热修时，为了清除透气砖表面的残钢和残渣，恢复透气砖的透气功能，需要对透气砖表面进行吹氧清洗，使透气砖表面黏附的钢渣熔化;同时向透气砖吹入喷吹气体，吹走熔渣。在清理过程中，透气砖受到高速气流的冲刷作用，所以要求透气砖具有良好的高温耐磨性。

(4)抗热震性好。由于是钢包间歇操作，钢包倒入钢水时，透气砖的端部受到高温钢水的作用，温度陡然上升，吹氩气时，受冷气流冷却，材料内部产生很大的热应力。同时，钢包空包内注入钢水时，也会产生很大的温度变化，所以透气砖的使用条件非常苛刻，极易产生热剥落和结构剥落。

(5)要求安装简便，安全可靠。透气砖安装在钢包底部座砖的内部，工作条件极为苛刻，钢包透气砖的寿命无法与整个钢包寿命同步，因此需要对透气砖进行更换。所以要求安装操作简单，使用安全可靠，避免有渗钢和漏钢事件的发生。

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钢包透气砖的常见分类

透气砖经过多年的发展，常见的结构类型主要有三种，即弥散型、狭缝型和直通孔型。

弥散型透气砖是透气砖的最早形式。由于材料本身气孔率高，所含有的大量气孔为惰性气体提供了通道。这种表面多孔的弥散型透气砖缺点是强度低，抗冲刷性能差，易被钢水和渣渗透而产生剥落，对钢水的搅拌效果也较差。目前在国内的钢包透气砖中很少使用。

狭缝式透气砖包括两种形式，一种是透气砖中心部位由几块成型薄板拼装形成狭缝，外部采用浇注料浇注而成，即所谓的“拼缝式”，这种透气砖的缺点是吹入气体的可控性差。另一种是在砖体中预浇注数十条直通狭缝，即通常所谓的“狭缝式”。狭缝式透气砖与前者相比，具有寿命长，吹成率高，气流量大，搅拌效果好等优点。

直通孔型透气砖由数量不等的细钢管埋入砖中制成，气体通道由许多笔直的微细管道组成，采用浇注法成型。与弥散型透气砖相比，直通孔型透气砖搅拌效果优于前者使用寿命提高了2~3倍，然而其缺点是能提供的气体流量有限，使用后期经常由于透气量变小或吹不通导致精炼失败。

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钢包透气砖的安装形式

透气砖的安装形式可以采用内装式和外装式两种。内装式是指将透气砖与座砖在钢包外预先组装在一起，在砌筑钢包时，清理好包底透气砖的位置，砌筑好帘砖后将带座砖的透气砖吊装至该位置，然后依次砌筑包底和包衬。外装式由座砖、套砖和透气砖组成。在砌筑钢包时，在包底安装好座砖后即可砌筑包底及包壁，最后将套砖和透气砖外侧均匀涂上火泥，依次用力装入座中，再在套砖和透气砖的底部封上垫砖，盖上法兰，烘烤。内装式透气砖用于钢包衬砖与透气砖寿命同步的情况，而外装式适合用于需经常更换透气砖的情况。由于内装式透气砖的安全性低、可靠性差，更换麻烦，目前，几乎所有的钢包均使用外装式透气砖。

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安钢包透气砖的常见材质

目前透气砖的材质有刚玉质、铬刚玉质、高铝质和镁铬质等。

A 刚玉-尖晶石体系透气砖

单相刚玉质浇注料的抗渣性和抗热震性均不理想，而尖晶石材料具有良好的抗渣侵蚀性。按复相改性改善耐火材料性能的原理，在刚玉浇注料中加入高纯电熔尖晶石，以改善刚玉浇注料的性能。原料方面以板状刚玉为颗粒料，以电熔白刚玉、尖晶石、活性α-Al₂O₃微粉等为细粉，铝酸钙水泥为结合剂。其优点是抗热震性、抗渣性明显提高;缺点是透气砖在高温处理过程中，尖晶石发生体积变化，造成透气砖体积稳定性差，生产过程中不易控制。

B 刚玉-氧化铬体系透气砖

为了进一步提高透气砖抵抗钢渣的侵蚀能力，制品中加入一定量的氧化铬微粉。其主要原料以板状刚玉为颗粒料，板状刚玉细粉、氧化铬微粉为细粉，铝酸钙水泥为结合剂。在高温下氧化铬、氧化铝形成高温固溶体，同时与少量的氧化镁形成部分固溶体MgO·Cr₂O₃-MgO·Al₂O₃。这种固溶体对Fe₂O₃或炉渣的侵蚀及抵抗性显著增强，且黏度非常大，从而在高温下能够有效地阻止钢渣的渗透和侵蚀。同时，少量的Cr₂O₃还能够抑制Al₂O₃过分增长，也减少了晶体内的应力，提高材料的物理性能。但如果加入量太多，刚玉晶粒生长受到过大的抑制，也将产生内应力，从而降低材料的物理性能。此外，Cr₂O₃价格比较高，加入量太多会大幅度增加成本;另外，Cr₂O₃对环境造成严重的污染。

C 刚玉-尖晶石体系透气座砖

刚玉-尖晶石体系透气座砖是应用最为广泛的材质，主要原料以板状刚玉、α-Al₂O₃微粉、尖晶石为主，纯铝酸钙水泥结合。其优点是由于尖晶石抵抗酸和碱的能力比较强，并且是高熔点化合物，具有良好的性能。铝镁尖晶石抵抗碱性熔渣的能力强，对铁氧化物的作用也较稳定，在高温下与磁铁矿接触时会发生反应而形成固溶体，透气座砖高温耐侵蚀性得以提高;同时，固溶MgO或Al₂O₃的尖晶石由于矿物之间膨胀系数的差异，其抗热震性更好。缺点是MgO与Al₂O₃按理论组成形成尖晶石时，产生约8%的体积膨胀，因而烧成时较难致密化，透气座砖体积变化难以控制。

D 刚玉-氧化铬体系透气座砖

刚玉-氧化铬体系透气座砖是在刚玉-尖晶石体系基础上，为了提高透气座砖高温耐剥落性而产生的。主要原料以板状刚玉、α-Al₂O₃微粉、工业氧化铬、尖晶石为主，纯铝酸钙水泥结合。其优点是在尖晶石提高座砖性能的基础上，通过Al₂O₃-Cr₂O₃形成的固溶体对氧化铁炉渣的侵蚀抵抗性显著增加，加入少Cr₂O₃能抑制氧化铝晶体过分增长，从而减小了晶体内部应力，提高透气座砖的抗热震性、抗冲刷性及耐侵蚀性。缺点是Cr₂O₃加入过多，刚玉晶粒成长速度受到严重影响，从而降低材料的物理性能;另外，Cr₂O₃对环境污染严重，违背了国家可持续发展的要求。

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钢包透气砖的损毁机理

透气砖的工作属于不连续操作，在整个钢包周转周期内的不同时间，会产生不同的物理和化学蚀损。从实践来看，透气砖的损毁可分为如下几种：

(1)烧氧吹洗作用。在钢包出钢完毕至下次受钢前，钢包在热修区接受热修，此时需要对透气砖采用氧气灼烧吹洗工作面，以清理工作面上残留的钢和渣。烧氧吹洗对透气砖的正常使用是有利的，该措施保证了透气砖工作面的清洁和气体通道的畅通，使钢包周转周期得以顺利进行。但由于在热修区很难准确把握透气座砖工作面上残留的钢和渣的厚度，因此在清除掉残留物后，会发生误烧透气砖的情况，当包底状况较差或热修区操作者判断失误时情况可能更加严重，烧氧时温度达到2000℃以上，高温气流对透气砖是非常致命的，这几分钟的熔损量往往比正常精炼蚀损量要高2~3倍。

(2)机械磨损作用。出钢过程中钢水高速、强力对钢罐底部的冲刷，也会加快透气砖的损蚀。有人通过水力模型试验对透气砖损蚀情况的研究发现：当低速流动的气流射入液相熔池时，气流回击并击打透气砖前沿，给出气口四周的耐火材料以一定的冲击力。当进一步提高气体流速时，反向脉冲频率降低，但反向冲击强度进一步增大;另外，当吹氩进入正常喷射状态时，强烈的气泡组成气体喷射束，喷射束加强了钢罐底部的搅拌，钢罐底部液相运动加剧，二相卷流使透气砖受到强烈的剪切和冲击应力作用。透气砖高于座砖时受这种卷流的剪切、冲刷尤其明显，高于座砖的部分一般在使用一次后即被冲刷掉，因此在新更换透气砖的情况下，这种情况往往很容易发生;另外，精炼结束后若快速关闭阀门，钢水的反向冲击也会加速透气砖损毁。

(3)热应力的作用。透气砖工作面的耐火材料，尤其是出气口四周的耐火材料，因与高温钢水直接接触，受到高温钢水及不断流出的冷气流的影响，产生很大的温度梯度。由于多次使用，透气砖受到的急冷急热作用大，尤其靠近出气口部位所受到热应力更大，容易产生环状裂纹而出现断裂。

(4)化学侵蚀作用。透气砖工作面与渣、钢水接触时间长，在整个包役中，熔渣不断向砖中浸润、渗透。钢水、渣中氧化物MnO、MgO、SiO₂、FeO、Fe₂O₃等与砖发生反应：

12CaO+7Al₂O₃═12CaO·7Al₂O₃

FeO+Al₂O₃═FeO·Al₂O₃

2MnO+SiO₂+Al₂O₃═2(MnO)·SiO₂·Al₂O₃

生成的FeO·Al₂O₃、2(MnO)·SiO₂·Al₂O₃、12CaO·7Al₂O₃等低熔物被冲刷而造成透气砖被侵蚀。

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提高钢包透气砖寿命的途径

提高其使用寿命的途径有以下几种：(1)加入锆基材料和板状刚玉提高透气砖的耐剥落性。(2)优选超微粉。(3)钢水的搅拌强度与吹氩量成正比。(4)均匀布料提高透气砖的体积稳定性。

除了上面几点外，提高钢包透气砖寿命的措施还可参考以下几点：

‌优化透气砖的设计和材料‌：通过调整透气砖的材料和结构，提高其抗冲刷性能。例如，可以在透气砖中加入大颗粒骨料，增强其耐磨性‌。此外，制作整体双芯钢包透气砖，当一个气芯达到使用寿命时，可以将气阀更换到另一个气芯继续使用，从而延长透气砖的整体使用寿命‌。

‌改进安装和砌筑方式‌：确保透气砖的安装操作规范，避免局部悬空和错位。在安装前彻底清理钢壳杂物，并用火泥等垫砂材料将底部找平，防止座砖底部出现局部悬空的情况。包底砌筑时要留有适当的缝隙并填充适当的填缝料，以减少膨胀对座砖的影响‌。

‌控制合理的底吹参数‌：底吹压力过高会导致钢水剧烈翻滚，增加钢水与空气接触的机会，导致二次氧化;压力过低则会导致底吹失败，影响冶金效果。因此，合理控制底吹参数是提高透气砖寿命的关键‌。

‌定期维护和检查‌：定期检查和维护底吹装置，防止漏风和气体损失。及时更换损坏的部件，避免因设备故障导致的生产中断和成本增加‌。

‌优化透气砖的使用环境‌：通过优化透气砖的使用环境，减少其对耐材的侵蚀。例如，优化钢包耐材，调整透气砖材料，改变外部形状等措施，可以提高钢包的抗冲刷性能，从而延长其使用寿命‌。