摘    要：对铁水包的异常侵蚀进行了调研，对铁水包用砖的性能、组成与结构进行分析。结果表明：1)铁水包包壁采用的铝碳化硅碳砖与包底用铝碳化硅碳砖不同，含较多的叶蜡石，Al2O3含量只有36.32%(w);体积密度、显气孔率、耐压强度均低于行业标准的要求；其抗氧化性差，使用过程中氧化形成多孔层，造成砖衬结构疏松，引起断砖、局部磨损及结构破坏；2)在废钢没有加热条件下，废钢熔化不彻底，造成包口、包底黏钢，黏渣，加剧了铁水包的破损；3)残砖与附渣反应形成低熔点物质，影响其高温性能。铁水包衬的耐火材料必须结合工艺条件的变化加以改进，而不完全是靠原料替代来降低成本。

铁水包是承担铁水运输的重要载体，其运行的安全、稳定直接影响炼钢生产的顺行，也影响工序的能耗与成本。铁水包在使用过程中，包衬要经受1 300～ 1 400 ℃高温铁水的冲刷、浸泡、热冲击、机械磨损以及渣、铁的侵蚀，有些钢厂还要在铁水包进行脱硫作业。随着钢厂降低铁钢比的需要，国内不少钢厂在铁水包中加入废钢[1],提高了钢铁生产流程中的废钢比，但也加剧了对包衬的冲击和侵蚀。某钢厂150 t铁水包加废钢前考核炉龄800次，加废钢后降低到600次。研究表明[2]:铁水包加废钢会导致铁水温度降低，可采用预热的方式进行补热；对中型废钢，预热温度由300 ℃提高到800 ℃时，其吨钢熔化时间由 8.5 min缩短到6.8 min。对铁水包加废钢前后的温度测试结果表明[3]:加废钢的铁水包中铁水温度平均低35 ℃。铁水包内加废钢可以避免转炉加废钢容易卡炉口的现象，缩短废钢入炉时间。文献[4]表明：废钢加入量占铁水包容量的4%时未出现结底，当为5%时就出现了少量结底。为确保后续转炉冶炼过程的热量或避免铁水包结盖严重，加废钢时以大小适中的轻薄废钢为主，数量控制在3 t以内[5]。文献[2]和文献[6]表明：理论计算铁水包中添加轻薄废钢、中型废钢和重型废钢的比例分别可达到6.0%、3.8%和 2.2%。在输送超低硅铁水时，铁水包包壁工作层采用铝碳化硅碳砖，包底采用刚玉-红柱石-碳砖，永久层一般采用轻质黏土砖[7]。文献[8]表明：铁水包用铝碳质耐火材料可采用叶蜡石原料，以降低生产成本。在本文中，结合相关的分析结果，探讨了加入废钢对铁水包衬的侵蚀影响因素及包衬材料存在的问题。

1 铁水包的异常侵蚀调研

100 t铁水包加废钢的起始包次为9～520次，加废钢次数最多30次，最少8次。未加废钢前包龄最高可达800次，未发现异常侵蚀。加废钢后约有10个铁水包出现异常侵蚀坑，其面积大，深度可达保温层，不得不下线维护。现场观察取样两个铁水包，A包停用时包龄560次，加废钢前已用500次，加废钢10次；B包停用时包龄190次，加废钢前已用111次，加废钢12次。图1、图2 分别示出了A包、B包铁水侵蚀情况。

加入废钢10余次后，在包底及包壁中下部工作层出现侵蚀及冲击的深坑，部分已深入到保温砖层，造成炉衬结构的破坏，严重影响了铁水包运行的安全性。从包壁的多孔层及背部或夹层里的石墨可以推断，铁水包内加废钢增加了铝碳化硅碳砖中碳的氧化反应，造成孔洞，铁水渗透后析碳富集。根据沟、坑断面的磨损情况判断，局部大侵蚀坑是含未熔废钢的铁水对包壁的磨损冲蚀造成的。

 图1 铁水包A侵蚀情况  

图2 铁水包B侵蚀情况 

 图2 铁水包B侵蚀情况 

2 铁水包破损取样分析

选取了铁水包包底、包壁、包口的结块物、黏结物、包衬表面多孔物质、砖间隙的氧化铁鳞、石墨状物质、铁块状沉积物，采用化学分析、FSEM及EDS等对所取物质粉碎后粉末进行分析。结果如下：

(1)表层多孔物经FSEM分析认为主要组成为硅铁、锰铁，以铁为主；能谱分析发现有部分氧元素。锰铁析出物的组成(w)为：SiO227.46%,Al2O38.53%,Na2O2.07%,MgO2.11%,SO3 2.52%,TiO2 1.32%,CaO 1.64%,MnO 31.46%,FeO 22.89%。与锰铁析出物相邻共生物的组成(w)为：SiO2 91.70%, Al2O3 8.30%。表层多孔物于1 585 ℃开始软化，1 591 ℃熔融平铺，说明包衬侵蚀过程中存在铁的黏附，氧化是包衬反应破坏的主要原因。

(2)包底部结块物的组成(w)为：SiO253.39%,Al2O35.91%,TiO23.04%,CaO1.64%,V2O50.74%,MnO6.68%,FeO30.24%。夹钢的组成(w)为：Si 0.88%,Fe 99.12%。部分氧化的硅铁组成(w)为：O 17.50%,Si 0.50%, Fe 81.99%,或含有少量铝的硅铁半氧化物。铁水包底部存在含硅铁的石墨结块。包衬砖间及包底与包壁间大量的细碎鳞片状物质主要为氧化亚铁和石墨。底部结块粉末于1 419 ℃开始软化，1 461 ℃熔融平铺。

(3)包口挂渣加废钢结块的组成(w)为：SiO248.96%,Al2O35.87%,TiO23.66%,CaO0.75%,V2O50.84%,MnO7.24%,FeO32.67%。其FeO含量较高。包口挂渣加废钢结块粉末于1 278 ℃开始软化，1 419 ℃熔融平铺。

(4)包壁表面浮渣的组成(w)为：SiO273.23%,Al2O320.16%,Na2O0.61%,MgO1.18%, FeO4.82%。包壁工作衬残砖化学组成(w)为：Al2O327.4%,SiC1.54%,C5.9%,TFe5.7%。不考虑炭素因素的影响，EDS分析包壁工作衬残砖粉末组成(w)为：SiO273.23%, Al2O323.21%,Na2O0.84%,MgO0.57%,FeO2.14%。近包底的包壁3～5环工作衬残砖与包壁其他部位工作衬残砖成分接近，说明在冲击区及铁水回旋较大的区域没有采用耐冲击且强度较高的衬砖材料。

分析认为主要破损原因为：1)包壁及包底存在大量的黏渣，其中以含有少量硅、锰的铁相为主，含有少量硅、锰的铁相与包衬反应，生成含有大量SiO2、FeO、MnO的物相，其熔点降低，致使包衬表面多孔；2)大量的氧化铁与鳞片状石墨存在于砖的间隙，说明铁水加废钢后碳含量偏低，与炉衬间可能存在碳的迁移与反应，同时铝碳化硅碳砖与黏附的铁渣存在氧化或还原反应，导致炉衬表面多孔疏松；3)包衬残砖基质以SiO2为主，Al2O3含量较低；说明砖中加有叶蜡石原料，这种基质呈酸性，氧化铁较多的废钢加入较多时对包衬侵蚀较大。

3 铁水包衬用原砖性能与组成分析

对某厂铁水包不同部位原砖进行了取样分析，其组成与性能见表1。

表1 某厂铁水包不同部位的衬砖组成与性能

由表1发现：包底、包壁用砖的组成差别很大。包底砖使用的是高铝骨料，其体积密度可达2.86 g·cm-3,烧后耐压强度较高；而包壁砖除了矾土熟料外，含有较多的叶蜡石，其体积密度为2.54 g·cm-3,烧后耐压强度较低，是酸性基质，而碳化硅的含量也低于包底砖的。因此，在抗侵蚀性能上，包底衬砖优于包壁衬砖。而作为永久层保温砖，其体积密度为2.39 g·cm-3,耐压强度为40.8 MPa。如此高强度的半重质砖用于保温，其热导率可能比轻质黏土砖的大，导致铁水包的铁水温降增加。

对铁水包包底及包壁用的铝碳化硅碳砖(简称ASC砖)进行不同温度空气下烧成1 h的氧化质量损失试验，结果见图3。可以看出：包壁用铝碳化硅碳砖1 000 ℃的氧化质量损失率可达6.74%,大于包底砖。这与现场包壁砖存在疏松的多孔层相印证。铁水通过多孔层渗透，其中的碳在多孔层内析出且有富集；氧化反应造成了砖衬的疏松，使得强度降低。

 图3 铁水包包底及包壁用铝碳化硅碳砖的氧化质量损失率曲线 

4 加废钢铁水包衬的选材

铁水包加废钢后的主要破损原因与包衬耐火材料的质量、选材有关。

(1)包壁工作衬砖密度低，使用叶蜡石为原料，成本可以大幅度降低，但其主要成分是SiO2,在以MnO、FeO为主要组成的挂渣相的侵蚀下，容易导致FeO与包衬的氧化还原反应，形成多孔疏松结构。在钢厂实行总包后，由于承包价格的影响，耐火材料供应商往往被动地采用代用原料，使包衬材料不能满足安全生产的要求。

(2)由于废钢装入高度约占包高三分之二，铁水入包不一定直对包底，沿空隙进入后，对包衬形成回旋冲击。含未熔钢粒的铁水对炉衬的回旋冲击磨损大，而铝碳化硅碳砖高温强度不高，碳容易氧化，碳化硅含量低，抗侵蚀性能差，冲击造成断砖、掉砖。对于铁水包中加废钢，有的厂家采用预热到800 ℃,甚至使用煤气氧枪加热，但对于含碳包衬，必然存在氧化问题。这种情况包衬的结构需要改变，如内部再套浇一层无碳浇注料，以提高包衬的抗冲刷和磨损能力。

(3)铁水包保温层采用红硅石质保温砖，其密度大，强度高，保温性不好，铁水包温降大。如废钢没有烘烤加热，熔化不彻底，容易造成包口、包底黏钢、黏渣，加剧了铁水包的侵蚀。以往用黏土砖或轻质莫来石砖，虽然成本相对红硅石保温砖要高，但其密度小，保温性能好。

5 结语

(1)铁水包包底采用铝碳化硅碳砖，体积密度可达2.86 g·cm-3;包壁用铝碳化硅碳砖的体积密度为2.54 g·cm-3,含较多的叶蜡石，烧后耐压强度较低；二者的体积密度、显气孔率、耐压强度均低于行业标准的要求。铁水包工作衬砖质量不能满足铁水包加废钢的工艺条件是破损的主要原因。

(2)铁水包包壁用铝碳化硅碳砖1 000 ℃的氧化质量损失率为6.74%,大于包底砖的。包壁砖在使用过程中氧化形成多孔层，铁水通过多孔层渗透，在其中析碳并富集；氧化反应造成了砖衬的疏松，强度降低；包壁部分附渣熔点低，其材质在加废钢条件下需要考虑其高温性能。

(3)铁水包采用红硅石砖密度大，强度高，保温性不好，容易增加铁水温降；在没有补热措施条件下，废钢熔化不完全，造成包口和包底黏钢、黏渣，加剧了铁水包的破损。铁水包衬用耐火材料必须结合工艺条件的变化加以改进来提高其技术的附加值，而不完全是靠原料替代来降低成本。