徐平坤

（廣州耐火材料廠，廣東 廣州 510300）

中間包是煉鋼鋼包設(shè)備之后盛鋼水并將鋼水分流連續(xù)澆鑄的容器， 中間包是連鑄系統(tǒng)中鋼水成材前與耐火材料接觸的最后一個容器， 是連鑄工藝的重要部分，對鋼的質(zhì)量有很大影響。隨著冶煉技術(shù)的進步和鋼包二次精煉技術(shù)的出現(xiàn)， 中間包擔(dān)負著許多重要功能，如提供穩(wěn)定的鋼水靜壓力，保持鋼水流速與流股的穩(wěn)定以減少湍流， 清除鋼水中非金屬夾雜物，凈化鋼水、保持鋼水溫度基本不變等，已成為鋼水成材前的鋼水精煉容器。 隨著中間包功能的增加，中間包用耐火材料品種增多，對耐火材料質(zhì)量要求也越來越高。為了滿足中間包的使用要求，近年來我國開發(fā)了許多優(yōu)質(zhì)耐火材料產(chǎn)品。

1 中間包內(nèi)襯耐火材料的發(fā)展歷程

傳統(tǒng)的中間包內(nèi)襯主要由永久襯及工作襯構(gòu)成，其耐火材料為輕質(zhì)磚、重質(zhì)磚、絕熱板、涂料和干式料。 傳統(tǒng)永久襯均采用耐火磚砌筑，由于磚縫多，整體性差，容易造成穿包事故等。 近年來，隨著整體澆注技術(shù)在鋼包上成功應(yīng)用， 中間包永久襯也采用不定形耐火材料的澆注料或搗打料。 我國連鑄中間包工作襯的發(fā)展大致如下。

1.1 硅質(zhì)絕熱板時期

從20 世紀80 年代引進連鑄技術(shù)到1995 年，中間包工作襯主要用硅質(zhì)絕熱板[1-2]，其主要原料是石英砂，加入一部分紙屑，粉狀的熱塑性酚醛樹脂加烏洛托品結(jié)合，真空吸濾成型，干燥后使用。 平均使用壽命6 h 左右， 最高不過10 h 左右。 硅質(zhì)絕熱板使用壽命低，抗侵蝕差，并且對鋼水有污染，1995 年開始逐漸被鎂質(zhì)或鎂鈣質(zhì)涂料所取代。

1.2 鎂質(zhì)或鎂鈣質(zhì)涂料時期

2000 年前，我國連鑄中間包工作襯普遍采用鎂質(zhì)或鎂鈣質(zhì)涂料[3-5]，涂抹在中間包永久襯的表面上，厚度一般在35～40 mm。這類堿性涂料通常由燒結(jié)或電熔鎂砂或鎂鈣砂制備。但由于鎂鈣砂易水化，可以用生白云石引進CaO 或抗水化鎂鈣砂與鎂砂按一定比例配料。 涂料的臨界顆粒為3～5 mm，其中大于0.088 mm 占 60%～65%， 小于 0.088 mm 占 35%～40%。 有機纖維占0.5%～2.5%（天然植物加工的短纖維較好），隨著纖維加入量增加，體積密度降低，一般控制在1.9～2.3 g/cm3較好。外加劑主要有增塑劑，如軟質(zhì)黏土、膨潤土、硅微粉、消石灰等，也起燒結(jié)作用。 中間包內(nèi)襯的CaO 含量越高，凈化鋼水的作用就越好。 但制備CaO 含量高的涂料有一定難度，一般涂料CaO 含量在10%～50%之間。

用鎂橄欖石代替鎂砂生產(chǎn)中間包涂料， 鎂橄欖石熱導(dǎo)率低，耐火度高，不水化，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有良好的抗金屬熔液滲透性。 而且資源豐富， 分布廣泛，可以說是既節(jié)能環(huán)保，又可降低成本。 新疆八一鋼廠生產(chǎn)的鎂橄欖石質(zhì)中間包涂料配方是： 鎂橄欖石 40%（2.5～0.5 mm），中檔燒結(jié)鎂砂 48%（0.5～0.088 mm），輕燒氧化鎂粉 5%（＜0.088 mm），外加七水硫酸鎂2.5%，紙纖維2%，硼砂和防爆纖維各0.1%。 根據(jù)季節(jié)不同可適當調(diào)整。 加水量25%左右，人工涂抹，附著性良好。使用壽命與鎂質(zhì)涂料相當，可達10～14 h。其隔熱保溫性能比鎂質(zhì)涂料更好。使用后翻包時，與永久襯之間易于分離。

1.3 濕式堿性噴涂料

濕式堿性噴涂料[6]一般用螺旋泵噴射施工，泥料噴射到永久襯上。噴涂料由燒結(jié)鎂砂或鎂鈣砂、結(jié)合劑、 增塑劑和有機纖維組成。 要求鎂砂的CaO/SiO2可控制在2 以上， 也可加入少量生白云石或石灰石細粉，提高CaO 含量。 不但有利鋼水凈化，還有利涂層解體脫落。 結(jié)合劑可采用速溶聚磷酸鹽或速溶水玻璃或復(fù)合聚磷酸鹽。增塑劑有軟質(zhì)黏土、羧甲基纖維素、木質(zhì)素磺酸鈣等。 加入有機纖維，一般以天然植物纖維為好，要求直徑 10～40 μm，長 1～5 mm，加入量在0.5%～3%之內(nèi)調(diào)控。 噴涂層厚度是按使用要求確定的，要求使用 20～30 爐次為 45～60 mm，使用30～40 爐次為 60～80 mm。

隨著鋼鐵冶金技術(shù)的進步， 不但要求中間包使用壽命長， 也對鋼的潔凈作用和保溫效果提出較高要求，于是有了超輕質(zhì)（體積密度1.4 g/cm3）鎂質(zhì)噴涂料。目前超輕質(zhì)噴涂料的制造方法主要采用輕質(zhì)骨料、添加纖維和調(diào)節(jié)粒度組成，加入發(fā)泡劑。如寶鋼電爐廠所用超輕質(zhì)中間包噴涂料的配料比為：w（骨料+紙纖維+玻璃纖維）∶w（硅微粉）∶w（發(fā)泡劑烷基磺酸鹽FL）∶w（穩(wěn)泡劑胺類有機物 M）∶w（三聚磷酸鈉）∶w（其他添加物）=100∶3∶0.05∶0.02∶0.25∶0.05。 其噴涂料的理化指標為：w（MgO）=83.36%，w（CaO）=1.56%，w（SiO2）=5.66%，110 ℃經(jīng) 24 h 烘干的體積密度 1.45 g/cm3，耐壓強度 2.12 MPa，1 500 ℃，3 h 燒后的體積密度1.40 g/cm3，耐壓強度6.1 MPa。生產(chǎn)使用得出：采用螺旋攪拌機攪拌，濕法噴涂中間包的包壁和包底，均無裂紋，僅在包壁夾角處有一點小裂紋，屬允許范圍。濕法噴射通常用于新內(nèi)襯噴涂及內(nèi)襯損傷不大的區(qū)域，預(yù)防局部損壞的地方。

中間包涂料及噴涂料的使用壽命雖然比硅質(zhì)絕熱板長些，平均使用壽命在10 h 左右，最高達24 h，并對鋼水有凈化作用。但噴涂時有勞動強度大、養(yǎng)護時間長、烘烤工藝復(fù)雜等缺點。

1.4 堿性干式料

2000 年以來，隨著中間包快速更換水口技術(shù)的推廣，對中間包工作襯提出更高要求，新型堿性干式料[7-9]得到應(yīng)用和推廣。 干式料施工方便，烘烤簡單，勞動強度大幅度降低， 而且任何氣候條件下都可以施工，使用壽命長，可達到40 h 以上。

中間包堿性干式料是由燒結(jié)鎂砂、 鎂鈣砂或電熔鎂砂、鎂鈣砂及中、高溫?zé)Y(jié)劑和少量低溫結(jié)合劑組成。 燒結(jié)劑有鎂鈣鐵砂、軟質(zhì)黏土、硼酸鹽、鐵鱗等。 加入少量低溫結(jié)合劑的目的在于帶模烘烤200～300 ℃后產(chǎn)生強度，使襯體具有保型性，結(jié)合劑一般為粉狀酚醛樹脂。 山西某鋼鐵公司對中間包干式料進行研究得出：以電熔鎂砂為主要原料，骨料與基質(zhì)料配比為 65∶35，其中骨料采用 5～3 mm、3～1 mm 和＜1 mm 三級顆粒級配； 基質(zhì)料包括＜0.044 mm 和＜0.088 mm 兩種細粉；結(jié)合劑采用含有促硬劑的粉狀酚醛樹脂，加入量6%為宜；燒結(jié)劑為偏磷酸鹽，加入量2%為宜；改性劑為含Al2O3合成料，加入量3%為宜。其干式料理化指標見表1。電熔鎂砂干式料平均使用壽命40 h 以上，而燒結(jié)鎂砂干式料使用壽命可達24 h。

由于不用水調(diào)和，可用燒結(jié)鎂鈣砂配制CaO 含量不同的干式料，有利鋼水凈化，提高工作襯的使用壽命，可多爐連鑄，用后殘存內(nèi)襯容易拆除（脫落）。但是在燒成過程中， 酚醛樹脂分解出部分甲酚、甲醛、二甲酚等成分，對環(huán)境有較大污染。 并且固化后的殘?zhí)紝︿撍廴荆瑢Φ吞间摰炔贿m應(yīng)。內(nèi)蒙古某耐材企業(yè)對鎂質(zhì)干式料結(jié)合劑進行了探索， 得出以偏硅酸鹽、磷酸鹽和硼酸鹽復(fù)合添加，加入量6%左右效果好。 并且加入 α-Al2O3和 CaCO3混合微粉，在高溫下生成尖晶石，伴隨體積膨脹，補充體積收縮，使整體體積穩(wěn)定。 利用CaCO3分解產(chǎn)生部分微氣孔增加隔熱性能。

表1 電熔鎂砂干式料理化指標

浙江某集團公司對中間包干式料容易發(fā)生坍塌和局部剝落問題研究發(fā)現(xiàn)： 在干式料中引入玻璃纖維，同時加入防爆纖維，可以有效改善干式料坍塌和剝落問題，以及加入復(fù)合抗氧化劑Al 粉和Si 粉，加入硼酸促進鎂砂燒結(jié)等，也有一定效果。

寶鋼中間包鋼殼內(nèi)砌筑納米微孔隔熱板（5 mm厚）+漂珠磚（30 mm 厚）+永久襯澆注料（185 mm 厚）+工作襯涂料（40 mm），不僅包殼降溫明顯，而且減少了中間包澆鑄過程中鋼水溫度降低和溫度波動，提高了鑄坯品質(zhì)。

2 擋渣堰（墻）

連鑄中間包設(shè)置擋渣堰（墻）[10]，可以改變鋼水在中間包的流動狀態(tài)，增加鋼水停留時間，促進鋼水中夾雜物上浮，起到凈化鋼水的作用。擋渣堰（墻）有高鋁質(zhì)及鎂質(zhì)兩種。高鋁質(zhì)擋渣堰抗熱振性好，抗渣侵蝕和抗鋼水沖刷能力強。 鎂質(zhì)擋渣堰能吸收鋼水中Al2O3、SiO2夾雜物，提高鋼水潔凈度，不會使鋼水二次氧化。我國鎂質(zhì)擋渣堰采用電熔或燒結(jié)鎂砂、硅微粉的鎂質(zhì)澆注料， 形成MgO-SiO2-H2O 系凝聚結(jié)合，并添加防爆劑、分散劑或2%鋼纖維。擋渣堰的技術(shù)指標見表2。

表2 擋渣堰的技術(shù)指標

鎂質(zhì)擋渣堰使用時間長，容易沖穿；鋁鎂質(zhì)擋渣堰耐侵蝕性較好，但對鋼水純凈度不如鎂質(zhì)擋渣堰。采用復(fù)合型擋渣堰，即渣線采用鋁鎂質(zhì)澆注料，鋼水區(qū)采用鎂質(zhì)澆注料，經(jīng)振動成型，將兩種材料復(fù)合為一體而制成復(fù)合型擋渣堰， 使兩種澆注料很好地復(fù)合并有良好的施工性能，非常重要。因此要選擇好鎂質(zhì)料的緩凝劑，外加質(zhì)量分數(shù)0.15%多徑基酸鈉，選擇pH 值接近7 或稍大于7 的SiO2微粉， 減水劑為三聚磷酸鹽與有機減水劑復(fù)合， 使鎂質(zhì)澆注料與鋁鎂質(zhì)澆注料有相同的施工效果。 各鋼廠中間包的使用溫度、下渣量、渣液面上下波動幅度等不同，要根據(jù)實際情況確定兩種材料制作比例， 一般是上部三分之一為鋁鎂質(zhì)，其余三分之二為鎂質(zhì)澆注料。其兩種材料的配方見表3。

表3 復(fù)合擋渣堰兩種材料的配料比 （%）

3 過濾器

為了更好地凈化鋼水， 在中間包的隔壁墻上安裝能除去非金屬夾雜物的陶瓷過濾器[11]是有效措施之一。過濾器分為泡沫過濾器、網(wǎng)格過濾器和環(huán)形過濾器，其功能各有千秋。 結(jié)構(gòu)形式有狹縫式、直通孔型和彌散型。 目前使用的材質(zhì)主要有CaO 質(zhì)、ZrO2質(zhì)、Al2O3質(zhì)、SiC 質(zhì)和堇青石質(zhì)等。 1988 年武鋼研制出石灰質(zhì)過濾器， 非金屬夾雜物去除率大于10%～30%，“九五”攻關(guān)期間，開發(fā)出CaO 含量大于98%的高純直通孔型陶瓷過濾器， 在柳鋼板坯連鑄機10 t中間包上試驗，使用壽命與內(nèi)襯耐火材料同步（連鑄7～8 爐），過濾效率為 22.7%～40.0%。在寶鋼應(yīng)用，降低鋼水中的非金屬夾雜物的效果也非常好。 鞍鋼三煉鋼廠在高鋁質(zhì)擋渣堰上安裝w（CaO）＞97%的過濾器，使鋼中非金屬夾雜物降低13.1%。 鋼水流量的情況下，使用直通型過濾器；流量小時，選用泡沫型過濾器。CaO 質(zhì)過濾器具有吸附鋼水夾雜物的作用，但制造難度比較大，其技術(shù)指標見表4。

表4 CaO 質(zhì)陶瓷過濾器技術(shù)指標

4 底吹透氣磚

在中間包擋渣堰附近設(shè)置透氣磚吹入氬氣，使夾雜物含量比不吹氬氣的減少20%以上。 與其他方法只能除去較大夾雜物相比， 中間包吹氬技術(shù)對除去50 μm 左右微小夾雜物起著特殊重要作用，以保證特殊薄板鋼（如汽車板鋼）的質(zhì)量。 這種透氣磚的氣道結(jié)構(gòu)及使用操作方法與其他透氣磚不同， 吹氣方法也有多種，使氣體攜帶夾雜物上浮，不吹開保護渣，如埋設(shè)透氣管、安裝透氣梁，以及在擋渣堰內(nèi)或包底埋設(shè)透氣元件。

5 穩(wěn)流器

穩(wěn)流器[12]是穩(wěn)定鋼水注入中間包沖擊區(qū)的流動狀態(tài)、改善中間包鋼水流場、促進夾雜物上浮、防止鋼渣卷入鋼水、 造成連鑄鋼坯內(nèi)部質(zhì)量缺陷的功能耐火材料。 山東某鋼廠采用大晶粒電熔鎂砂為主要原料，硅微粉為結(jié)合劑，加鋼纖維制造的穩(wěn)流器，使用效果較好，最高使用壽命達100 h。

6 氣幕擋墻

氣幕擋墻[13]位于中間包底部，應(yīng)用氣幕向中間包內(nèi)鋼水吹氬，產(chǎn)生上浮氣泡，促使夾雜物上浮到表面渣層。氣幕擋墻上部致密層應(yīng)有足夠的強度，在鋼水靜壓力下不開裂。 氣幕擋墻的工作壓力為0.2 MPa，透氣量5～10 L/min，其所用材料必須耐鋼水和熔渣侵蝕。

還有的在中間包設(shè)置鋼流緩沖器、透氣梁等。

7 覆蓋劑

中間包鋼液面散熱非常大， 約占中間包熱量損失的90%以上。 中間包鋼水覆蓋劑[14-15]對鋼水保溫，減少熱損失和澆鋼過程中的溫降， 吸收鋼液中上浮的夾雜物， 提高鋼水質(zhì)量并防止中間包內(nèi)鋼水二次氧化起著重要作用，充分發(fā)揮了中間包的冶金功能。因此要求覆蓋劑對中間包內(nèi)襯和鋼包套管的侵蝕作用要小，并有良好的操作性。即在鋼液表面鋪展覆蓋良好，澆鋼過程不結(jié)殼，澆鋼結(jié)束后便于清理和不影響解包操作。

使用的覆蓋劑主要有單層式覆蓋劑（如碳化稻殼、復(fù)合渣）及雙層式覆蓋劑（碳化稻殼+復(fù)合渣）。 碳化稻殼保溫好，但不能凈化鋼水，對部分低碳鋼可能有增碳作用。 使用復(fù)合渣時，在鋼液表面形成液渣層，有利吸收和同化鋼水中上浮的夾雜物。 在復(fù)合渣表面再加上碳化稻殼或其他保溫材料， 則可同時實現(xiàn)保溫、凈化的功能。

傳統(tǒng)的中間包覆蓋劑在以硅質(zhì)絕熱板為工作襯時，取得了較好的使用效果，但不適合鎂質(zhì)中間包內(nèi)襯。 這種覆蓋劑是以CaO-Al2O3-SiO2三元系相圖為理論基礎(chǔ)， 為了適應(yīng)中間包鎂質(zhì)涂料內(nèi)襯，而改用MgO-Al2O3-SiO2系覆蓋劑，基料落在該三元系統(tǒng)中，控制其熔點在 1 200～1 450 ℃，不加 CaF2等助熔劑。 根據(jù)引流砂對覆蓋劑的影響，比較合適的熔點為1 350～1 450 ℃之間。 熔化速度在 20～30 ℃/s時比較合適；黏度在 1 450 ℃時為 1.0～1.2 Pa·s 比較合適。 黏度太大會造成結(jié)殼現(xiàn)象，有合適的黏度，可以隔熱保溫，防止鋼水二次氧化。

鎂質(zhì)覆蓋劑的缺點：在使用過程中容易出現(xiàn)大面積燒結(jié)，尤其是用塞棒控制流速的中間包，大面積燒結(jié)會粘連塞棒。 有些人研究了石墨和鎂砂粉料量，以及鋼包渣種類和加入量等對中間包顆粒型鎂質(zhì)覆蓋劑燒結(jié)性的影響。 結(jié)果表明：覆蓋劑顆粒內(nèi)添加一定量石墨（≤15%），可促進覆蓋劑顆粒間燒結(jié)。 在顆粒型鎂質(zhì)覆蓋劑成品中，2～3 mm 和 1～2 mm 顆?；緹o粘結(jié)現(xiàn)象（顆粒是用細粉加3%淀粉，加水16%～24%， 混合均勻后用搖擺造粒機制備），0.6～1.0 mm顆粒有輕微粘結(jié)，＜0.6 mm 顆粒則燒結(jié)在一起。 因此細粉越多越容易燒結(jié)。鋼包渣加入量越大，覆蓋劑顆粒之間越容易燒結(jié)。

為了提高覆蓋劑對鋼水中夾雜物的吸附作用，有人研制了一種鈣質(zhì)覆蓋劑， 同時在覆蓋劑中引入輕質(zhì)保溫材料（珍珠巖和稻殼20%）及保氣劑，使上面粉狀層存在合理氣體量，增加保溫效果。同時引入復(fù)合碳原，碳含量越高，粒徑越小，降低熔化速度越強烈。 合適的熔化速度使覆蓋劑工作過程保持合理的三層狀結(jié)構(gòu)，即熔融層、半熔層、粉狀層。這種覆蓋劑控制 w（CaO）=30%～45%、w（Al2O3）＜10%、w（SiO2）=5%～15%比較合適，實際使用效果良好。

天津鋼管公司通過添加適當?shù)南♂寗?引氣劑和保氣劑，優(yōu)化覆蓋劑的組成及熔化溫度、熔化速度和黏度。 研制的高鈣堿性覆蓋劑理化性能指標為：w（CaO）＞50%、w（SiO2）＜10%、w（C）＜12%，體積密度0.8～1.2 g/cm3，熔化溫度 1 300～1 400 ℃，黏度（1 450℃）0.8～1.2 Pa·s。 由于游離 CaO 含量較高，吸附鋼液中夾雜物能力強，SiO2含量低， 降低了渣的黏度，更容易吸附夾雜物。

8 包蓋

普遍用黏土質(zhì)或高鋁礬土質(zhì)預(yù)制件。

9 結(jié)語

中間包是連鑄工藝的重要設(shè)備， 所用耐火材料內(nèi)襯主要包括隔熱層、永久層和工作層。

（1）隔熱層（即保溫層，10～30 mm），緊挨鋼殼，主要作用是保溫，通常用石棉板保溫磚或輕質(zhì)澆注料，硅酸鋁纖維氈，以及納米微孔隔熱板加輕質(zhì)隔熱磚。

（2）永久層（100～200 mm）與保溫層接觸，主要起安全保護作用。 20 世紀70 年代主要用黏土磚砌筑， 后來使用高鋁磚，80 年代末使用澆注料整體澆注，一般為高鋁質(zhì)或半輕質(zhì)莫來石澆注料。

（3）工作層（20～50 mm）,與鋼水接觸，早期使用高鋁磚，后來采用絕熱板，再后來用耐火涂抹料和耐火噴涂料。 隨著多爐連鑄技術(shù)和水口快速更換技術(shù)發(fā)展，開始采用干式振動料。 絕熱板一般為硅質(zhì)、鎂質(zhì)及鎂橄欖石質(zhì)，涂料及干式料多為鎂質(zhì)、鎂鈣質(zhì)及鎂鉻質(zhì)。

（4）包底沖擊區(qū)多使用預(yù)制塊增強，一般為剛玉質(zhì)和鎂質(zhì)及澆注料，有的采用鋯英石磚或澆注料。

（5）擋渣堰一般用高鋁質(zhì)、鋁鎂質(zhì)和鎂質(zhì)預(yù)制件。

（6）塞棒采用鋁炭質(zhì)或鎂碳質(zhì)材料。