耐火材料中间包用技术

摘要

本文介绍了中间包及其使用耐火材料的概况，中间包耐火材料的侵蚀机理和对钢水质量的影响，并对中间包用涂料的发展和该料的配比结合剂及各种添加剂的选择进行了细致的研究分析，并对提高涂抹料的使用效果和降低成本提出了自己的见解。

关键词:连铸中间包涂抹料性能使用

Abstract

This article has introduced tundish and its using refractories situation, the slag-resistance mechanism of tundish refractories,the influence to molten steel. This article carefully studies the development of tundish coating and how to select its bondings and its additives.This article also put forward own views to rising the effect and reducing the cost of using tundish coating.

Key words:con-casting tundish coating performance use

目录

摘要 (1)

Abstract (1)

1、前言 (3)

2、连铸中间包简介 (4)

2.1中间包的类型 (4)

2.2内衬结构及发展 (5)

2.2.1中间包衬内衬结构 (5)

2.2.2工作层用耐火材料的发展史 (5)

2.2.3工作衬的性能特点对比 (8)

2.2.4连铸中间包涂料的发展趋势 (9)

3、中间包用涂抹料 (10)

3.1中间包对涂抹料质量的要求 (11)

3.2原料准备 (11)

3.3粒状料选择 (12)

3.4结合剂的选择 (13)

3.5 纸纤维加入量 (17)

3.6镁砂的选择 (17)

3.7中间包涂抹料的生产与使用 (17)

3.7.1中间包涂抹料的生产 (17)

3.7.2中间包涂抹料的施工 (17)

3.7.3使用效果 (18)

4、结束语 (19)

5、致谢 (20)

6、参考文献 (21)

1 前言

我国从80年代连铸至今，钢铁工业有了巨大的发展。首先成坯率大幅度提高，降低了钢坯成本。其次去掉了繁杂的铸锭工艺，提高了生产效率，降低了工人的劳动强度，对钢材质量和钢材成份的均匀有了一定的提高。椐资料介绍，目前我国除了一些铸钢件和特殊锻造使用少量钢锭外，基本实现了全连铸。连铸比例达到97%以上。

近30年以来，各国的连铸技术有了突飞猛进的发展。特别是我国把推广以连铸工艺作为发展钢铁工业的一项重要技术政策后，连铸有了较大的提高。随着连铸技术的不断发展，中间包作为连铸生产中的重要的热工设备，在连铸过程中，中间包不仅起着均匀钢水温度的作用，而且是钢包与结晶器之间的缓冲器，对连铸钢坯的质量、成本及连铸生产的顺利进行具有重要作用。中间包在向着长寿命、多功能的方向发展，因而对中间包工作层材料寿命要求越来越高。目前工作层耐火材料包括有绝热板，涂抹料，干式料。

本文就对涂抹料的应用、发展与研究做些阐述。

2 连铸中间包简介

中间包是连铸工艺的重要设备之一。在连铸过程中，中间包不仅起着均匀钢水温度的作用，而且是钢包与结晶器之间的缓冲器。随着冶金工艺的不断发展，还赋予中间包新的功能，如在中间包中进行的钢水精炼和非金属夹杂物的消除等冶金过程。

图1 中间包示意图

2. 1中间包的类型

按浇铸钢种冶炼方式和是否需烘烤等条件，中间包大体分以下几种类型：

(1)高温中间包，为某一特定的冶金过程所设置，采用镁砖内衬，预热至1500℃左右；

(2)热中间包，是常见的中间包，采用烧成砖或不烧砖或浇注料作内衬，浇铸前预热至800－1100℃；

(3)冷中间包，采用绝热板作内衬，在浇铸前不经预热即可使用。

2. 2内衬结构及发展

2.2.1中间包衬内衬结构

中间包衬一般由隔热层（材料为轻质砖或隔热材料）、永久层（粘土砖或浇注料）和工作衬（绝热、板涂料或干式料）组成。其中工作衬有多种，而涂料内衬目前使用比较普遍。

(1)保温层（10～30mm），该层紧挨着中间包钢壳，通常砌石棉板、保温砖或轻质浇注料。效果最好的为隔热纤维板，厚约12mm，热导率低，也易砌筑。

(2)永久层（100～200mm），该层与保温层相接触，其材料一般为粘土砖。整体永久衬最为普遍，浇注料一般为高铝质。

(3)工作层（20～50mm），该层与钢水接触，是关键部位。该内衬材料有半硅质、蜡石质、粘士砖、高铝砖、碱性砖（如镁质砖等）、锆英石砖；或用绝热板：硅质绝热板、镁质绝热板、镁橄榄石质绝热板；或用涂料：镁质、镁铬质及镁钙质涂料等。目前也有用浇注料作中间包内衬。

2.2.2工作层用耐火材料的发展史

（1）第一代工作衬

即无下作衬阶段(连铸工艺出现在20世纪70年代。欧洲可能延长到8O年代末)。把日前的永久衬直接当工作衬或钢水直接接浇在永久衬上。此方法只可用于无需洁净炼钢的低质钢的生产。工作衬的维修费用很高，而且清除使用后的渣壳也很困难。典型的高铝质低水泥浇注料内衬，其氧化铝含量在70%左右。其理化性能如表1所示（日新钢铁公司五厂65t中间包永久衬浇注料）

表1 日新钢铁公司五厂65t中间包永久衬浇注料理化性能

（2）第二代工作衬

即绝热板阶段(20世纪70-80年代)，材质大部分为镁质。典型的镁质板成分如表2所示 (瑞典研究的无机结合橄榄石基泡沫绝热板)，此绝热板是保证洁净炼钢的有效方法。该板以中间连锁板安装，与永久衬之间有填充砂支撑，并采用真空成型。它绝热性能良好，但安装时劳动强度大，而且在使用过程中容易造成钻钢变形从而导致寿命下降，影响到连铸阶段的正常生产。

表2 瑞典研究的无机结合橄榄石基泡沫绝热板理化性能

（3）第三代工作衬

为了提高中间包内衬的使用寿命，降低耐火材料消耗，便于清除内衬上的残渣和残钢，许多国家采用耐火涂抹料（手工）或喷涂料（机械喷涂）作保护层。涂料衬兴起于日本，瑞典、俄罗斯等欧洲国家也相继研究并以投入工业应用，而我国于20世纪90年代才相继推出试验。涂料的材质有镁质和镁钙质，从施工方法来看有:人工湿法涂抹、人工半干法机械喷涂、人工湿法机械喷涂、机械全自动化半干法喷涂等。

涂料衬采用湿法人工涂抹或机械喷涂时，需加入20%～30%的水。因而中间包使用前需要2～6h，甚至更长时间的干燥以便除去水分。涂料衬虽然有比绝热板有更好的整体使用性能，且解体性更好，便于清除渣壳，并且寿命还能满足现阶段连铸生产的需要，但是涂料衬无法满足更长连续浇钢工作环境的需要。

（4）第四代工作衬

为了适应高效连铸工艺的发展，国内的莱钢炼钢厂对连铸中间包定径水口快速更换与中间包长寿技术进行了研究，并率先开发成功。由于中间包对其工作衬使用寿命提出了更高的要求，因此第四代干式

料于20世纪90年代末应运而生，现有逐步取代涂料的趋势。由美国Universal Refractory Company率先研制使用的中间包干式工作衬已投入使用，其理化性能与喷涂料的性能比较，如表3所示：

表3 中间包干式料与喷涂料的性能比较

2.2.3工作衬的性能特点对比

每一代工作衬都是不同历史发展阶段的产物，而且后一代相对于前一代都有其独特的优势，以下从八个方面分别比较了它们各自不同的性能特点，如表4所示：

表4 不同代工作衬的性能特点比较

从表4中可以清楚地看出，总体趋势是随着连铸生产工艺的不断进步，从第一代逐渐过渡到第四代工作衬，其综合性能是逐渐优化的，尤其中干式料衬显示出了其它三代衬与其无法相比拟的优越性能。

2.2.4连铸中间包涂料的发展趋势

随着连铸工艺的发展，研究开发长寿耐用、具有洁净钢水功能的连铸中间包涂料成为今后耐火材料研究开发的主要课题之一。“长寿化”和“洁净化”是连铸中间包涂料的两大发展趋势。

1、涂料的长寿化

随着冶金工艺的发展，降低吨钢涂料消耗增加连浇炉数、提高生产效率、有效地降低生产成本，是众多的冶金企业追求的目标。而提高中间包的使用寿命，可以很好地满足这些要求。目前，国内普遍使用的是镁质涂料，其主体原料大多采用中档镁砂。为了使涂料的使用寿命能有较大幅度的提高，可考虑采取以下几个措施。

(1)尽量降低Na

20、K

2

0 、SiO

2

、Fe0等杂质的含量，以最大限度地

降低高温下易形成低熔点相的可能性。

(2)改善并强化基质，提高基质的抗侵蚀性和抗渗透性，从而提高涂料的高温性能。

(3)引入添加剂，改善其施工性能。

(4)采用高档主原料(这同时也提高了原料的纯度)，从根本上提高涂料的整体耐侵蚀性。

2、涂料的洁净化

(1)洁净化的意义

虽然我国的钢产量位居世界第一，但普通钢种占了相当大的比例，每年仍需花费大量外汇从国外进口相当数量的各种优质钢材，以满足

经济建设的需要。在优质钢材的生产过程中，要求尽量降低夹杂物的含量，因而涂料的“洁净化”功能显得尤为重要。在连铸过程中，利

用涂料与钢液接触时对钢液中的A1

20

3

、SiO

2

、Fe0等的化学作用，可进

一步除去钢中的非金属杂质成分，这对制造优质特种钢十分有利。(2) “洁净化”的含义

涂料的“洁净化”就是利用其本身所含有的Ca0与钢液中的夹杂成分反应进而降低其含量的冶金过程。例如:

A1

20

3

+ 3Ca0 →3Ca0·A1

2

3

(1)

上述反应生成的铝酸钙从钢液中上浮与钢液分离，从而达到了净化钢液的目的。

(3)研制“洁净化”涂料的主要措施

通过近几年的摸索，专家认为在镁质涂料的基础上，设法引入尽可能高含量的Ca0，可达到净化钢液的目的，担须保证涂料的抗侵蚀性能不受太大的影响。

随着冶金工艺的技术进步，为了满足用户降低耐火材料消耗、提高生产效率的需要，研制“长寿化”涂料是连铸中间包涂料的一大发展趋势。为适应冶炼高级洁净钢的需要，研制“洁净化”涂料是它的另一趋势。

3 中间包用涂抹料

中间包涂抹料由镁砂、纤维、结合剂、防裂剂、减水剂等混合均匀装袋，使用时需要加入搅拌机中，并加水搅拌成可塑泥料状，通过人工涂抹或机械喷涂到中间包永久层上，此后自然养护24小时以上即可投入使用。使用前要烘烤到1000℃左右，之后在装入钢水进行连铸。

3.1中间包对涂抹料质量的要求

a.具有良好的黏结性和一定的可塑性，使材料便于涂抹施工；

b.凝固时间适当，要求施工后快速凝固，凝固时间过长会使包壁垮料，同时料裂纹也会增加，一般凝固时间一小时左右为宜；

c.在常温或50～150℃温度条件下黏结性好，附着率高；

d.常温下无裂纹，快速烘烤到使用温度后不剥落、无炸裂、不与永久层脱离；

e.抗侵蚀性、抗冲刷性好；

f.隔热、保温性能好；

g.使用完毕易于翻包清理。

3.2原料准备

在涂抹料性能达标的前提下，其生产成本应尽可能的低，涂抹料所用的镁砂有：电熔镁砂、烧结镁砂、高纯镁砂、中挡镁砂等不同档次，价格差异也很大；结合剂和添加剂有：磷酸盐、硅酸盐、硫酸盐、氯化镁、软质粘土、高铝水泥、各类纤维等价格差异也很大。因此，选择合适的结合剂对提高产品质量和降低成本具有很重要的意义。

a. 镁砂：

表5 不同镁砂各个组分含量比

b. 三聚磷酸钠：

采用工业用一级品：P

2O

5

≥56.5% ，Na

5

P

2

O

10

≥90%， PH 9.2-10.0，

白色粉状

c. 硅酸钠：

采用工业一等品：可溶团体含量≥97.0%；模数（u）3.5-3.7，白色粉状

d. 硫酸镁：

采用工业一等品：主含量≥98.0%，水不溶物≤0. 10%，白色粉状

e. 氯化镁：

采用普通一级品：MgCl

2

≥45.0%；，白色粉状

f. 软质粘土：

采用河南焦作软质粘土：Al

2O

3

28.50% ， SiO

2

69.16%

Fe

2O

3

1.21% ， CaO 0.22% ， MgO 0.43%

j. 高铝水泥：

采用电熔铝酸盐925﹟水泥

3.3粒状料选择

中间包涂抹料要求使用时有一定的保温隔热作用，因此用其他耐火材料配比不能达到一定的体积密度。需要考虑涂抹性能，烘烤性能和抗裂爆性能，因此，做了5个配方进行试验：

表6 试样配方

用5种配方配制5Kg试样，加水18%，搅拌均匀进行涂抹性能比较试验。涂抹性能：1﹟﹤2﹟﹤3﹟﹤4﹟﹤5﹟。细粉料少不易涂抹，2﹟相对于3﹟、4﹟、5﹟配方颗粒比较大，塌落严重。5﹟配方凝固过快。分析后认为镁砂粉过多由于镁砂细粉和水反应后使涂料水分减少，使涂料过早凝固。

MgO + H

2O → Mg(OH)

2

（2）

另外细粉过多，涂料自然养护过程中产生裂纹也越多，综上分析，最终选择3#配方比较合适。

3.4结合剂的选择

根据作为镁质材料的结合剂很多，从原料来源和市场价格来考虑，目前比较常用的结合剂有：三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、硅酸钠、硫酸镁、氯化镁。高铝水泥既是涂抹料的结合剂又是磷酸盐和硅酸盐的促

进剂。软质粘土只要作用是提高涂抹料的可塑性和涂抹性能，也有一定的结合作用。因此，用高铝水泥和软质粘土一并进行试验。(配方见表7、表8)

表7 结合剂的选择试样配方

表8 结合剂的选择试样配方

从以上数据分析可以看出：

a．随着热处理温度的提高，涂料中水分进一步排出，纸纤维300℃以上开始碳化燃烧，涂料体密逐渐降低1500℃×3h烧后体密和800℃×3h烧后体密变化不大，在与1500℃烧后体密有关。

b.110℃×24h和800℃×3h处理后的抗折强度来看，磷酸盐和硅酸盐为主结合的涂料显著提高了。这是由于水分蒸发，结合剂进一步将水与镁砂反应生成高强度磷酸盐，磷酸盐的反应物、硫酸镁和氯化镁结合的涂抹料抗折强度相对提高而密度比较小，分析是由于具有结

随温度的提高而分解，抵消了一部分强度。

合作用的Mg(OH)

2

c. 三聚磷酸钠的减水作用比较明显，加入0.5～1.0% 就具备了减水作用。三聚磷酸钠结合的涂料，烘干后和800℃烧后强度相对较高，但1500℃烧后强度有所降低，分析是部分硅酸盐在高温下分解而失去结合强度。

d. 六偏磷酸钠的减水效果不如三聚磷酸钠，且涂料的强度和体密不如三聚磷酸钠结合的涂料。

e.硅酸钠结合的高温涂料烘干强度不是太高，但由于它具有高温烧结作用，因此高温烧后强度比较高。

f. 高铝水泥具有很强的促凝作用，特别对于磷酸盐和硅酸盐结合的涂抹料促凝作用更强。

，而

g. 氯化镁和硫酸镁的作用主要是促进镁砂水化生成Mg(OH)

2具有胶凝作用，从而起结合作用，强度相对较低。

Mg(OH)

2

h. 随着黏土加入量的增加，有利于涂抹料施工，从试验中得知附着效果1#、2#、3#依次提高，3#自然养护后裂纹比较多，分析是由于黏土脱水收缩引起，因此加入黏土不能过多。

综上所述：选择11#、12#涂抹料比较合适，12#涂抹料更佳。

3.5 纸纤维加入量

纸纤维的作用主要是调节涂抹料的体积密度，随着纸纤维加入量的增加体积密度降低，同时隔热、保温效果加强，相应抗侵蚀性能降低。一般加入量0.5～1.5%。

3.6镁砂的选择

根据连铸时间相选择相应档次的镁砂，一般连铸10小时以下的涂抹料选用中档镁砂做颗粒和细粉；一般连铸15小时以下的涂抹料选用烧结镁砂做颗粒和中挡镁砂做细粉。

3.7中间包涂抹料的生产与使用

3.7.1中间包涂抹料的生产

按照12#配方的配比要求，选用重烧镁砂作颗粒和细粉生产30t，选用重烧镁砂作颗粒和中挡镁砂做细粉生产30t。分别运到成都钢厂和南京梅山钢厂进行使用试验。

生产用250号强制搅拌机搅拌涂抹料。各物料称量好后先加入颗粒料，然后加入纸纤维，混匀后再加入镁砂细粉和其他结合剂、外加剂。混合均匀后出料，人工装袋（25kg/袋）。

3.7.2．中间包涂抹料的施工

施工现场用ф1200mm强制搅拌机对中间包涂抹料搅拌。先开机后加料，待涂抹料加到要求加入量后，缓慢加水，一直加到刚开始出水为止（加水量约16-18%），然后用铁锨加到包底，用泥抹子从包底向包壁由下向上涂抹，待涂抹到要求厚度时用泥抹子抹平即可。一般涂抹厚度为包壁30～40mm，包底为50～60mm，误差3～5mm。涂抹后自然养护8～10小时以上进行烘烤。

中间包升温曲线：(见图8)

表8 中间包升温曲线

3.7.3使用效果

成都钢厂中间包连铸8-9小时，南京梅山钢厂连铸12-13小时，该配方生产的涂抹料施工性能好，凝固时间适合，自然养护和使用烘烤时不开裂，使用时抗钢水冲刷和溶渣侵蚀性强，使用后翻包容易。

4 结束语

1．根据钢厂连铸时间确定选用镁砂档次，细粉加入量24%左右比较合适。细粉过量会使镁砂粉水解让泥料变干，影响施工。还会因为加水量大使自然干燥时裂纹增多。

2. 软质粘土主要增加泥料可塑性，改变涂抹性能。但过多加入会导致干燥裂纹，并影响高温性能，加入1.5-

3.0%为宜。

3. 作为结合剂三聚磷酸钠的减水作用比较明显，对提高涂抹料性能有一定的作用。对常温和中温强度也有一定作用，但过多加入对高温强度没有好的作用，并且增加成本。加入量0.5～1.5%为宜。

4．硅酸钠对中低温强度不如三聚磷酸钠但对高温烧后强度有一定提高，由于硅酸钠有很高烧结剂作用，因此加入量不宜过大，一般加入1.0～1.5%为宜。

5．高铝水泥能够促进涂抹料凝固，减少干燥裂纹，但对高温性能有不利影响，加入量以1.5～1.5%为宜。

6．硫酸镁和氯化镁常温下能促进镁砂水化，对常温烘干强度有一定提高。但随着温度升高到800℃左右时会分解。剩下氧化镁留在料中，对高温性能无不利影响。可以适量（1.0～1.5%）加入以提高涂抹料低温性能。

7．纸纤维根据连铸时间及钢厂对涂抹料的体积密度无不利影响要求做适当加减，一般加入量0.5～1.5%。

5 致谢

在本论文完成之际，首先要向我的指导老师王青峰老师致以诚挚的谢意。在论文的写作过程中给了我许许多多的帮助和关怀。王老师学识渊博、治学严谨，待人平易近人，在老师的悉心指导中，我不仅学到了扎实的专业知识，也在怎样处人处事等方面收益很多；同时他对工作的积极热情、认真负责、有条不紊、实事求是的态度，给我留下了深刻的印象，并从他身上学到了如何求知治学、如何为人处事，使我受益非浅。在此我谨向王老师表示衷心的感谢和深深的敬意。

同时，我要感谢洛阳运嘉耐火材料有限责任公司为我提供了实习岗位，让我可以把理论与实践充分结合起来，更加扎实了我的专业基础，为自己将来走到工作岗位提供了经验；也为我的人生留下精彩的一笔。

另外，衷心感谢我的同窗同学们和材料系的师兄师姐们，在我毕业论文写作中，与他们的探讨交流使我受益颇多；同时，他们也给了我很多无私的帮助和支持，我在此深表谢意。