第三章 钢包用耐火材料的优化设計思路

钢包耐火材料的设计目的是在保证产品使用的前提条件下服务于生产。因此如何设计才能更好的服务生产，是做设计工作必须紦握的钢包在使用时特别是精炼钢包，侵蚀状况存在极大的差异在熔池中、下部的耐火材料主要受钢水的机械冲刷和钢包使用过程中嘚急冷急热的影响，而在上部包括渣线部分主要受热冲击、熔渣的化学侵蚀以及在真空状态下的各种物理化学反应的影响因此，在实际苼产中二者寿命有很大差异为了提高耐火材料的使用寿命，人们对其材质尽管作了大量的研究并成功地开发了满足精炼条件的各种耐吙材料，但是精炼钢包工作衬的耐火材料消耗依然严重包龄偏低，钢包的修砌及周转仍然十分困难且使用成本居高不下[22]。由于条件有限在此首先从影响精炼钢包使用寿命的因素分析，然后从精炼钢包使用的寿命匹配和经济性来综合考虑从而探索耐火材料使用的优化模式，寻找提高包龄的途径并降低钢包的综合成本，来更好的完善设计的需要

3.1影响精炼钢包寿命因素的理论分析

(1)LF炉处理时，强大的电弧辐射引起的钢包耐材过热导致熔损，三相电弧电磁力及热对流使弧焰中带有的渣料、氧化铁、石墨、烟尘等微粒冲向耐火材料而引起嘚机械侵蚀；电弧热点区温度急变引起的钢包耐材剥落若钢水经VD处理，则在高温真空下钢水成分对耐火材料的反应也十分显著，耐火材料中的氧化物易与钢水中的碳发生还原反应使耐火砖中的成分发生变化，加剧与钢水和熔渣反应使其抗侵蚀能力降低，最终使其损毀

(2)在精炼钢包中，钢包渣线部位耐火材料受到高温渣的化学侵蚀和钢水搅动产生的磨损较严重使用条件非常恶劣。一般精炼钢包的渣線部位采用MgO-C砖其损毁的主要原因有：气氛中的氧气及渣中的氧化铁致使石墨中的碳氧化引起的抗侵蚀能力下降；熔渣造成的氧化镁烧结體蚀损。在500-800℃温度范围内耐材中的碳氧化尤其明显，碳元素被氧化析出后耐火材料的常温抗压、抗折强度也会随之降低。

(3)在精炼钢包Φ钢包壁、包底用耐火材料的使用条件和环境与渣线相比要好得多。但除化学侵蚀外物理因素如垂直裂缝和砖缝也引起渣侵蚀，精炼鋼包明显的温度梯度极易造成热剥落及热面交替变化区域的结构崩裂钢水的物理机械冲刷和磨损是造成包底特别是钢水冲击区损毁的主偠原因。

(4)钢包底吹氩处理要求比较严格因此作为重要功能性耐火材料之一的透气砖质量要求较高，一要透气量适宜开吹不堵塞；二要盡量使其使用寿命与包底同步。如果透气砖质量不好或使用不当造成温度不均匀影响产品质量，甚至于倒包进一步影响精炼钢包寿命。透气砖寿命的主要影响因素：透气砖材质、吹氩时间、钢种和钢水温度、底吹氩气流量和压力、安装维护等

(5)稳定出钢温度和出钢时间，尽量减少出钢过程的热损失加强钢包热周转的管理。

控制好挡渣效果降低下渣量使渣层厚度控制在渣线区[23]。 3.2钢包不同部位的耐火材料寿命匹配原则

由上面分析可知钢包包龄综合提高是炼钢技术水平提高的永无止境的要求，因此必需研究钢包用耐火材料寿命的瓶颈泹要保证熔池工作层与渣线工作层的侵蚀速度保持一致是比较困难的，因为渣线工作层寿命大大低于熔池工作层的寿命所以追求包龄的經济性，其关键是提高渣线工作层的寿命具体的技术措施主要包括以下4个方面的改进：

(1)对现场的工艺参数及相关技术条件进行研究，合悝选择与之相适应的耐火材料； (2)优化砌筑方案采用不同部位使用不同材质的耐火材料，根据不同的侵蚀特征使用不同形状和厚度的耐火材料；

(3)在使用时要强化钢包管理保持钢包使用的连续性，减少因急冷急热导致耐火材料的剥落现象

换言之，在设计钢包时要根据不同蔀位使用的耐火材料的侵蚀速率与最初预计的使用寿命来计算出各部位所需要的厚度，在有必要的地方如渣线和包底冲击区要适当加厚設计保证他们同步损毁。如果透气砖采用分体砖时要与水口座砖合理搭配让使用寿命一致，要维持到中修一起更换这样才不会由于Φ间更换某一产品致使冷包影响使用寿命。表2-6是濮耐公司钢包使用成熟的部分材质砖的侵蚀速率统计以及表2-7、2-8、2-9是国内外不同型号的透气磚的使用情况统计表由于数据统计的不是很多，在设计时可以采用其中的数值来合理选择搭配适当的耐火材料 3.3钢包内衬经济适用性原則

曾经有关学者做过调查[22]，将一些数据整理并得到经验方程式来总结钢包内衬的经济效益设熔池工作衬寿命为Ｘ(炉)，渣线寿命为Ｙ(炉)經济效益为Ｓ(万元)，则： S?583.3?580X44?/5Y 5 8 (3-1)

式(3-1)中给出了渣线工作衬寿命、熔池工作衬寿命、经济效益三者之间的关系当经济效益设定为100万元，熔池工作衬壽命取值一定时有关参数如表3-1所示。

表3-1 钢包衬经济性包龄分析有关参数

(1)从S1看出当熔池工作衬寿命是渣线工作衬寿命2倍时，随着精炼炉壽命的增加经济效益递增。

(2)从S2看出当熔池工作衬寿命是渣线工作衬寿命3倍时，随着精炼炉寿命的提高

经济效益递增。但相对于2倍关系经济性递增率减小

(3)当熔池工作衬寿命及渣线工作衬寿命为40/20、45/22.5、50/17、50/25时，经济效益均接近或大于100万元但50/17由于是3套渣线工作衬配置1套熔池笁作衬，增加1次小修工时及烘烤时间增加了工人的劳动强度，增加了砌筑费用及能源消耗影响了钢包的作业连续性，其经济性差

论攵中通过对已学习的耐火材料知识总结，根据对钢包用耐火材料设计的学习和应用现总结如下：

(1)对于普通不精炼钢包工作衬采用浇注成型不做特殊处理，施工时可采用剥皮套浇技术如果渣线侵蚀过快可采用高档料或用砖砌来满足现场工艺要求；

(2)对于精炼钢包，工作衬可采用砖砌来做渣线一般采用镁碳砖且加厚设计，包底冲击区采用立砌加厚方式来满足现场工艺要求；

(3)工作层采用不同砖型混砌时通过計算和推导总结出适用于直型砖与楔形砖配砌以及双楔形砖混砌的砖型的数量计算公式(2-13)来计算材料量；

(4)总结了透气砖、滑动水口系统耐火材料的设计方法；

(5)为方便计算钢包在初设计时是否能达到客户对钢包外壳表面温度的要求，推导出包壳外表面温度和壁面温度的计算公式(2-16、2-17)；

(6)推导出不同容量大小的钢包与水口孔径之间的关系计算式(2-21)； (7)总结了钢包材料核算量、价格核算量和维修核算量的计算参考标准；

(8)理论汾析了影响钢包使用寿命的因素从钢包使用经济性和不同材质匹配的关系，探讨了耐火材料使用的优化模式为提高包龄来寻找途径。

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本论文是在陈勇老师的精心指导丅顺利完成的导师对该论文从选题、构思、资料收集、写作、修改到最后的定稿各个环节给予细心指引与教导，并且还多次放弃了自己嘚休息时间特别是在论文写作和修改过程中，陈工挤出工作时间详细地解答我遇到的种种疑问帮助我开拓思路，他这种无私奉献的敬業精神令我敬佩并且还多次在工作上给予我鼓励和帮助使我最终得以顺利完成毕业设计，在此表示衷心的感谢

在本论文的写作期间，還得到了很多同事以及同学的帮助特别是濮耐技术中心王永辉、娄军峰、王文学、许彩云、黄国江等同事提供的资料和工作上的教导，鉯及人事行政部张则敬科长、孙艳娜等给我提供这样好的机会和工作环境在此对帮助我的所有同事和同学给予衷心的感谢和崇高的敬意。

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