鋼鐵工業技術進步及耐火材料應用

近年來，我國鋼鐵工業獲得了長足進步，技術創新涉及煉鐵、煉鋼、爐外精煉以及連鑄等冶金領域的各個方面，主要圍繞高效低成本冶煉、高性能鋼鐵產品開發以及節能減排等進行了諸多研究。在煉鐵方面，主要是通過優化原燃料結構和高爐操作參數，開發低品位和廉價的原燃料使用技術;在煉鋼方面，主要是圍繞轉爐容量大型化開展冶煉過程工藝優化以及全自動化冶煉方面的研究;在精煉方面，開發了鐵水和鋼水100%爐外處理下的新工藝和多功能精煉模式;在連鑄方面，主要圍繞如何提高連鑄機生產率和連鑄坯質量開展研究。為了推動鋼鐵工業的技術進步，滿足冶金過程和工藝對耐火材料的需求，一些堿性耐火材料、高性能絕熱材料、功能性耐火材料以及節能環保型耐火材料被陸續開發，并在鋼鐵工業得到了廣泛應用。

近年來，我國的鋼鐵工業獲得了長足的進步，在生產規模和粗鋼產量不斷擴大的同時，裝備水平、工藝技術、品種質量亦得到了大幅度的提升，技術進步對鋼鐵產業的發展具有重要的支撐和引領作用。與此同時，為了推動鋼鐵產業的技術創新，一些耐火材料新技術和新工藝在鋼鐵冶金領域亦獲得了廣泛的應用。

1 鋼鐵工業技術進步

近年來，我國鋼鐵工業的技術創新取得了顯著的進展，涉及到煉鐵、煉鋼、爐外精煉以及連鑄等冶金領域的各個方面，主要圍繞高效低成本冶煉、高性能鋼鐵產品開發以及節能減排等進行了諸多研究。

1.1 煉鐵

在煉鐵方面，主要是通過優化原燃料結構和高爐操作參數，開發低品位和廉價的原燃料使用技術。

原料結構的優化主要集中在焦炭配煤結構優化、噴吹煤結構優化以及燒結配礦結構優化。

焦炭在高爐冶煉中起著爐料骨架、還原劑、發熱劑和滲碳劑的作用。在目前高爐大型化、高噴煤比的冶煉條件下，焦炭的骨架作用顯得尤為重要。焦炭質量是由主焦煤的配入量來保證的，而影響焦炭成本的主要在配煤上。因此，在保證焦炭質量的前提下，近年來人們對于如何在焦炭中添加劣質煤以及減少配煤中的焦煤進行了研究，并取得了諸多研究成果。

高爐噴煤技術已成為現代高爐煉鐵生產節焦增鐵、降本增效、改善冶煉進程和促進高爐順行而廣泛采用的技術措施。隨著傳統噴吹用無煙煤資源的不斷減少，近年來人們相繼開發了煙煤和褐煤等煤種的噴吹技術。

在燒結配礦方面，為了使用廉價的褐鐵礦和高Al2O3鐵礦石，分別開發了褐鐵礦配料技術和燒結礦氧化鋁封閉技術。通過配加結構致密的巴西和南非進口礦粉、適當增加燃料用量、延長點火時間、提高料層厚度和燒結礦堿度等一系列工藝手段，使燒結礦中的褐鐵礦配比達到了60%左右。通過適當提高燒結溫度，增加FeO含量和配加MgO的方法，解決了高Al2O3燒結礦液相不足的問題。

高爐操作主要集中于精料、富氧、高壓、噴煤和風溫等參數的優化，有效地增大了冶煉強度，高爐利用系數進一步提高。

1.2 煉鋼

在轉爐煉鋼方面，技術進步主要涉及以下幾個方面。

(1)轉爐容量日趨大型化

2001年我國100噸以上的大型轉爐只有30座，2013年增長到了345座，大型轉爐的生產能力增長了14倍。其中，300噸轉爐從2001年的3座增加到2013年的11座。目前，我國100噸及以上轉爐的產能約占全部轉爐產能的67.5%

(2)轉爐冶煉工藝過程進一步優化

根據熱力學和動力學條件，優化煉鋼各工藝過程。目前，我國的大、中型轉爐煉鋼廠基本上都配備了鐵水脫硫裝置和鋼水二次精煉裝置。這些爐外精煉裝置的配備，不但進一步優化了轉爐冶煉的工藝過程，同時也為高附加值鋼種的生產提供了有利條件。

另外，對于高磷鐵水，一些企業還開發了頂底復吹雙渣和留渣工藝，為高效低成本穩定化生產提供了技術保證。

(3)轉爐全自動化冶煉技術

隨著相關檢測技術的發展，以副槍為基礎的動態控制技術在大型轉爐上普遍應用，基本上實現了“一鍵式”控制不倒爐出鋼的自動化煉鋼。轉爐終點雙命中率([C]為±0.02%，溫度為±12℃)可達80%以上，生產效率大幅度提高，消耗明顯降低。

(4)“負能”煉鋼技術

近10年來，隨著冶煉新技術的集成以及管理和操作水平的提高，我國轉爐的“負能” 煉鋼技術得到了迅速發展。所謂的“負能” 煉鋼，就是轉爐煉鋼工序所消耗的總能量小于回收的總能量，即轉爐煉鋼過程中的能耗小于零。

轉爐煉鋼過程中所消耗的能量主要有：氧氣、氮氣、焦爐煤氣、電和蒸汽;回收的能量主要有：轉爐煤氣和蒸汽。傳統“負能煉鋼技術”定義是一個工程概念，體現了生產過程轉爐煙氣節能、環保綜合利用的技術集成。

轉爐負能煉鋼的主要技術經濟指標：煤氣平均回收量為90 m3/噸鋼，回收煤氣的熱值大于7MJ/m3(CO含量大于55%)，蒸汽平均回收量為80Kg/噸鋼，排放煙氣含塵量為10 mg/m3。

(5)轉爐使用壽命進一步提高

爐齡是轉爐煉鋼的重要技術指標，提高爐齡即意味著降低生產成本、提高生產效率。濺渣護爐是提高轉爐使用壽命的一項重要技術手段，是利用高速氮氣將成分調整后的剩余爐渣噴濺在爐襯表面，形成濺渣層，以減輕高溫爐渣對耐火材料表面的沖刷和侵蝕。另外，優質鎂碳磚的開發和使用，對轉爐使用壽命的進一步提高也起到了積極作用。

1.3 爐外精煉

爐外精煉技術進步主要有以下幾方面：(1)鐵水和鋼水100%進行爐外處理;(2)根據工藝和質量需求，采用組合化和多功能精煉化模式。

開發的組合化和多功能精煉化模式主要有：(1)以鋼包吹氬為核心，與喂絲、噴粉、化學加熱以及合金成分微調等一種或多種技術相結合的精煉工藝;(2)以真空處理裝置為核心，與上述技術中之一種或多種技術相結合的精煉工藝;(3)以LF爐為核心，與上述技術及真空處理等一種或幾種技術相結合的精煉工藝;(4)以AOD為主體，包括VOD轉爐頂底吹生產不銹鋼和超低碳鋼的精煉技術

1.4 連鑄

連鑄方面的技術創新主要是圍繞著連鑄機的生產率和鑄坯質量進行的。

(1) 提高連鑄機生產率

影響連鑄機生產率的主要因素有兩個方面：一是連鑄機的作業率，二是連鑄機的拉速。

為了提高連鑄機的作業率，在以下方面進行了諸多技術創新：1)提高連澆爐數，2)通過優化結晶器電鍍工藝和電鍍層厚度，提高結晶器使用壽命，3)漏鋼預報技術，4)異鋼種接澆技術，5)中間包澆注水口快速更換技術，6)浸入式水口防堵塞技術。

為了提高連鑄機拉速，采用的新技術有：1)改進結晶器錐度，抑制裂紋、漏鋼以及菱度缺陷，2)結晶器液面波動控制技術，3)結晶器振動技術，4)結晶器保護渣技術。

(2)連鑄坯質量控制

影響鑄坯質量的因素來自兩個方面，一是鋼水的潔凈度，二是鑄坯表面缺陷。

為了提高鋼水的潔凈度，一方面是去除液體鋼中的氧化物夾雜，進一步凈化進入結晶器的鋼水;另一方面是防止鋼水再次受到污染。為此，在以下幾個方面進行了研究：1)保護澆注技術，2)中間包冶金控流技術，3)下渣和卷渣防止技術，4)結晶器鋼水流動控制技術。

對于鑄坯表面缺陷，主要通過以下技術加以控制：1)結晶器液面控制技術，2)結晶器振動控制技術，3)結晶器坯殼生長均勻性控制技術，4)結晶器內鋼液流動控制技術。

除此之外，為了提高鑄坯中心致密度，還開發了低溫澆注技術、輕壓下技術、電磁攪拌技術以及凝固末端強制冷卻技術等。

2 耐火材料應用

為了推動鋼鐵工業的技術進步，滿足冶金過程和工藝對耐火材料的需求，一些低成本、高性能的耐火材料被陸續開發，并在鋼鐵工業得到了廣泛應用。

2.1 高性能耐火材料的應用

(1)堿性耐火材料的應用

近年來，由于高速鐵路用鋼、汽車用IF鋼、先進高強度鋼、高牌號取向和無取向電工鋼、高強度船板鋼、X80級油氣輸送管線鋼、高品質軸承用鋼以及彈簧鋼絲等高品質鋼需求量的增加，潔凈鋼冶煉技術得到了快速發展。

在潔凈鋼冶煉過程中，除了先進的工藝和技術之外，耐火材料對潔凈鋼冶煉過程和鋼水質量亦有較大影響。即，在鋼品質鋼的生產過程中，必須使用高性能的耐火材料才能滿足潔凈鋼冶煉過程和鋼水質量的需求。

耐火材料對鋼鐵冶煉過程以及鋼水質量的影響主要是通過影響鋼中[O]含量來進行的。耐火材料分解和向鋼液中的傳氧能力可以用下式表示。

式中，-耐火材料的氧勢能指數;-耐火材料中i組分的標準吉布斯生成自由能;組分的相對分子質量;組分的密度;組分在耐火材料中的摩爾分數。

由(1)式可以計算出各種常用耐火材料的氧勢能指數。耐火材料的氧勢能指數越大，表明其釋放氧氣、向鋼中傳氧的能力越大。圖1示出了耐火材料各組分的氧勢能指數與加熱溫度間的關系。

圖1 耐火材料各組分的氧勢能指數與加熱溫度間的關系

由圖可見，耐火材料的氧勢能指數按著其化學性質由酸性→中性→堿性的變化而減小;對于某一耐火材料組分來說，其氧勢能指數則隨著溫度的升高而增大;在溫度一定的條件下，具有酸性組分的耐火材料越容易向鋼液中傳氧，而且各種耐火材料組分向鋼液中傳氧的能力隨著溫度的升高而增大。

耐火材料不但影響鋼中非金屬夾雜物含量，而且還會對鋼中硫含量產生影響。一旦鋼中[O]含量增加，就會通過下式影響冶煉過程中的脫硫，或使鋼液回硫。

CaS+[O]=CaO+[S] (2)

因此，為了控制潔凈鋼冶煉過程中由耐火材料向鋼液中的傳輸，減少非金屬氧化物的含量，使用堿性耐火材料就成為冶煉潔凈鋼的前提條件。

研究表明，含堿性組分的耐火材料，其對鋼水潔凈度影響的順序為MgO-CaO>MgO-Al2O3>Al2O3-MgO。Al2O3-MgO系耐火材料對去除鋼中夾雜物沒有作用，MgO-Al2O3系耐火材料有一定作用，而MgO-CaO系耐火材料則有顯著作用。對于MgO-CaO系耐火材料，CaO含量越高，其對去除夾雜物的作用越明顯。

圖2和圖3分別示出了耐火材料中CaO含量對鋼中S和P雜質元素去除的影響。

圖2 耐火材料中CaO含量對鋼中S含量的影響

圖3 耐火材料中CaO含量對鋼中P含量的影響

(2)納米微孔絕熱材料的應用

鋼包耐火材料的絕熱性能對鋼水溫降、鋼質量以及冶煉過程亦具有重要影響。通過控制鋼水在鋼包內的溫降，不但可以適當降低轉爐吹煉終點溫度，同時，也會減少鋼液中的合金元素的氧化。

轉爐吹煉終點時的鋼液中氧含量和鋼中碳含量及冶煉溫度有關，通過對轉爐吹煉終點的鋼中氧含量、碳含量以及溫度進行回歸分析可得如下關系式：

a[O]=20.18/[C]+1.42T-1795.56 (3)

式中，a[O]為鋼中氧活度，×10-6;[C]為鋼中碳的質量分數，%;T為吹煉終點溫度。

由式(3)計算可知，如果出鋼溫度上升10℃，則吹煉終點的鋼中氧含量將增加(14～16)×10-6。增加的鋼中氧含量，在鋼水降溫過程中將同合金元素反應，使鋼中的合金元素氧化，并生成相應的夾雜物。因此，在保證澆注過程順利進行的前提下，應盡可能降低轉爐的出鋼溫度。

一般來說，鋼包包襯主要是由絕熱層、永久層和工作層組成的。其中，絕熱層耐火材料的性能，特別是絕熱層耐火材料的熱傳導率對鋼包的溫降具有重要影響。

目前，絕熱性能最好的是納米微孔絕熱材料，其在各溫度下的熱傳導率如表1所示。

表1 微孔絕熱材料的熱傳導率

當工作層和永久層保護層分別采用鎂碳磚和高鋁澆注料，并設定各層厚度分別為鎂碳磚160mm、高鋁澆注料90mm、微孔絕熱板5mm、鋼板20mm時，根據包襯材料的熱傳導率，利用熱傳導公式及熱平衡計算出了鋼包盛接150噸1650℃鋼水時包襯各材料的溫度，如表2所示。

表2 鋼包各襯層的溫度

利用相同方法計算了無微孔絕熱材料時鋼包包壁外殼的鋼板溫度，冷面溫度為422℃，比使用了微孔絕熱材料時的鋼板溫度高131℃。

比較上述計算結果可知，鋼包通過使用絕熱材料，可以顯著降低鋼板溫度，即，減少熱損失通量，降低鋼水溫降。

實際上，除了鋼包，任何在冶金過程中涉及絕熱保溫的容器，例如，轉爐、中間包、鐵水包以及加熱爐等，均可以通過使用上述納米微孔絕熱材料獲得效益。

(3)功能性耐火材料

功能性耐火材料主要是指耐火材料除了其本身所具有的高溫性能之外，還被賦予了一些特殊的功能，以滿足其使用需要。其中，防堵塞浸入式水口是主要的功能性耐火材料之一。

在高性能鋼的冶煉過程中，為了控制鋼中的自由氧含量以及提高鋼材質量，精煉過程中一般要加入大量的脫氧合金進行深脫氧和合金化。在連鑄過程中，當鋼液由中間包經浸入式水口流入結晶器時，由于氧化物夾雜在水口內壁的附著和堆積，使水口產生堵塞。

水口堵塞與鋼水成分、脫氧方法、澆注溫度和時間、水口材質和形狀等因素有關。水口堵塞以鋁鎮靜鋼、含鋁高的鋼、稀土鋼、含鈦鋼最為嚴重。堵塞物的礦相組成，主要是α-Al2O3和FeO的混合物。

水口堵塞會引起拉速減慢或流速不勻，導致連鑄操作不穩定;同時還會引起偏流而導致卷渣，堵塞物脫落進入鋼水中將增加鋼水夾雜物，從而嚴重影響鑄坯質量，甚至造成連鑄中斷事故。因此，為了防止水口堵塞，到目前為止人們已經進行了諸多的研究。

目前已經研究和開發的水口防堵塞的主要方法有：

1)采用復合水口：即，在傳統的Al2O3-C水口內側附加一層防堵塞內襯。常用的材料有：ZrO2-CaO-C系材質，O’-ZrO2-C系材質，Sialon-石墨系材質，鋯莫來石-CaF2系材質以及Al2O3-鋯莫來石-CaO-C系材質等。

2)采用新型材料：采用界面張力較大的BN替代部分石墨，降低鋼水對水口的潤濕性，減少鋼中氧化物夾雜在水口內壁的附著。

3)改進水口結構：采用帶環形透氣塞的水口、帶鑲嵌透氣塞的水口、狹縫吹氣水口、變徑水口等。另外，根據澆注鋼種、澆注速度、結晶器斷面尺寸等改變鋼流出口角度，也可以有效地抑制水口堵塞。

4)通電水口：在水口外壁和中間包之間設置電源，通過電流控制水口內壁的夾雜物吸附。目前，雖然利用電流控制水口堵塞的機理尚不十分清楚，但效果是明顯的。采用的電流有直流電流和脈沖電流等。

2.1 節能環保型耐火材料的應用

隨著鋼鐵工業逐漸轉入新常態以及國家環保政策的不斷實施，節能環保型耐火材料在鋼鐵領域亦獲得了廣泛的應用。

(1)節能環保型耐火材料

1)環保型無碳“水基”轉爐大面料

目前，常用的傳統轉爐大面料多為瀝青系，即，以瀝青為流動介質以及結合劑(碳化后)。由于瀝青系轉爐大面料具有燒結時間過長、燒結煙氣污染環境、耐火材料結構不致密、抗渣侵耐沖刷性差、使用壽命短等諸多缺點。而開發的環保型無碳“水基”轉爐大面料，在燒結時間、使用壽命以及環保性能方面均顯示出了明顯的優勢，特別是修補料消耗可降低至傳統瀝青系大面料的1/3 左右。

2)中間包免烘烤干式料

傳統的中間包干式料主要是以酚醛樹脂為結合劑，加入量一般在4%左右。使用此結合劑雖然不會降低耐火材料的高溫性能，有利于提高中間包的使用壽命得，但是樹脂低溫烘烤時要釋放出各種有機物氣體，例如，氨氣、甲醛、苯酚、烷基酚以及烷基苯等。這些氣體不但環境，而且還會對現場施工和操作人員的身體健康造成危害。

新開發的免烘烤干式料采用特殊的結合劑，為無機材料，成型后不需要烘烤，常溫放置30min左右即可獲得足夠的脫模強度。這不僅消除了干式料在使用過程中對環境所產生的污染，同時也降低了煤氣消耗，減少了碳排放。

(2)用后耐火材料的再生利用

我國每年約產生近900萬t的用后耐火材料。如何利用這些耐火材料，不但對于耐火資源的高效利用，同時對于節能環保亦有重要意義。

對于用后耐火材料，根據其特點采用不同的處理工藝減少或消除用后耐火材料中所含有的廢鋼、殘渣以及其他有害物質，以滿足其作為再生耐火材料的使用需求。目前，采用的主要技術措施有：揀選分類、切除工作層和過渡層、破碎、分級、均化等。為提高用后耐火材料的再利用率，對于不同種類的用后耐火材料，應開發相應的再生處理工藝以及相關處理設備。

3 結論耐火材料應用

近年來，我國的鋼鐵工業獲得了長足的進步，技術創新涉及煉鐵、煉鋼、爐外精煉以及連鑄等冶金領域的各個方面，在高效低成本冶煉、高性能鋼鐵產品開發以及節能減排等開展了諸多研究，取得了顯著地科技成果。為了推動鋼鐵工業的技術進步，滿足冶金過程和工藝對耐火材料的需求，一些堿性耐火材料、高性能絕熱材料、功能性耐火材料以及節能環保型耐火材料被陸續開發，并在鋼鐵工業得到了廣泛應用。