摘 要：对钢包用刚玉自流浇注料的使用工况进行了简述。为了降低材料成本，在常规刚玉自流浇注料的基础上通过使用钛铝酸钙骨料及调整铝微粉的加入，研发了一种新型刚玉自流浇注料，并在150 t钢包上进行了工业试验与经济效益分析。结果表明：新型刚玉自流浇注料的物理性能能满足理化指标要求，在工业试验中能够满足现场的实际使用要求，经济效益可观，可以进行大规模推广应用。

1 前言

随着钢包精炼技术的发展，熔炼温度和熔炼时间都相继提高，使得钢包耐火材料在实际使用中的工作环境越来越苛刻[1]。刚玉自流浇注料主要是应用于透气砖与座砖周边缝隙的填充，在使用过程中会受到出钢钢水和吹氩搅拌钢水的机械冲刷，间歇式生产也会带来较大的温度波动，在浇铸末期还会受到钢包熔渣的化学侵蚀等[2]。为了使刚玉自流浇注料与座砖、透气砖寿命相匹配，必须使用优异的耐火原料。自2021年下半年开始原材料价格大幅上涨，直接增加了刚玉自流浇注料的成本。因此，寻找一种价格低廉、性能优异的耐火原料，并在保证刚玉自流浇注料的寿命与座砖、透气砖寿命相匹配的前提下，更好地降低成本是很有必要的。钛铝酸钙是一种冶炼钛铁合金的附属产物，其具有价格低、气孔率低、高温性能优异等特点[3,4,5]，可以在刚玉自流浇注料中应用，以降低成本。

2 试验

2.1 试验材料

骨料主要选用钛铝酸钙（5～3 mm、3～1 mm和1～0 mm），基质部分选用电熔白刚玉粉（0.074 m m）、活性α-氧化铝微粉（d50≤1.5µm）、SiO2微粉（d50≤0.5µm）和纯铝酸钙水泥，减水剂选用善达化工的Castbio-T85。主要原料的化学组成如表1所列。

表1 主要原料的化学组成 %

2.2 试样制备及性能检测

试样配比在刚玉自流浇注料常规方案的基础上，通过调整铝微粉的加入种类及用量进行调整验证，选定最优方案后进行实际工业试验，各组试样的配料组成如表2所列。按照表2配料后放入搅拌锅内进行加水搅拌，搅拌时间为3 min，之后自流成型为40 mm×40 mm×160 mm的试样；自然养护脱模后110℃烘烤24 h，最后在1 500℃保温3 h热处理。按照国标YB/T 4197-2009测试自流值；按照国标YB/T 5200-1993测试显气孔率和体积密度；按照国标GB/T 5072-2008与GB/T 3001-2007测试常温耐压强度与抗折强度；按照国标GB/T 5988-2007测试线变化率；按照国标GB/T 3002-2004测试高温抗折强度。抗渣侵蚀试验采用静态坩埚法。在坩埚中放入转炉终渣（渣的化学组成见表3），在氧化气氛下进行1 500℃，3 h热处理，将热处理后的试样沿中心线切开，根据渣侵蚀情况表征材料的抗侵蚀性能。

表2 配料组成 %

表3 转炉终渣的化学组成 %

3 结果与讨论

3.1 自流性能

为了满足刚玉自流浇注料的自流施工及施工时间的要求，自流值的测定及观察泌水情况是非常必要的。测定自流值的模具如图1所示[6]。

图1 圆锥形模具

测试温度为室温30℃，对各组物料的初始自流值、30 min自流值及泌水情况进行观察测试，具体测试结果如表4所列。

表4 物料的初始自流值及30 min自流值

根据表4可以看出以下情况：(1）自流值随着时间的延长而有所衰减，各组的规律均为T0>T30。(2）相同条件下，各组试样的初始自流值有所差异，但未出现流动衰减不能施工的情况。各组试样具有较好自流性能的主要原因是，包裹在微粉表面的减水剂粒子与微粉结合紧密，在静置过程中微粉离子持续保持离散状态，从而表现出较好的初始自流值与较长时间的自流性能。(3）随着铝微粉加入量的增加，试样的加水量逐渐降低，初始自流值有所提高，但是铝微粉加入量过多时自流值增加缓慢，当铝微粉加入量为10%和复合铝微粉加入量为10%、12.5%时，试样静置过程出现了泌水，这些都与铝微粉的加入有很大关系。加入铝微粉，一方面铝微粉对毛细孔有充填作用，可以释放其中的自由水，使得黏度降低，自流值快速上升；另一方面能使悬浮颗粒浓度和总的吸附活性增加，造成黏度上升，从而自流值上升缓慢[6]。

3.2 常温物理性能

各组试样经110℃和1 500℃热处理后的体积密度、显气孔率的变化趋势如图2所示。从图中可以看出：随着铝微粉加入量的增加，试样的体积密度逐渐增大，气孔率逐渐降低。各组试样110℃和1 500℃热处理后的强度变化趋势如图3所示。从图中可以看出：随着铝微粉加入量的增加，试样的强度逐渐增大。出现上述情况的主要原因是活性铝微粉增加有利于提高堆积密度，改善其组织结构，从而提高强度[6]。各组试样1 500℃热处理后的线变化率的变化趋势如图4所示。从图中可以看出：复合铝微粉加入的几组试样收缩要略小一些；随着铝微粉加入量的增加，试样收缩增大。出现此种情况与铝微粉烧结性能有关。

图2 不同温度热处理后试样的体积密度与显气孔率

图3 不同温度热处理后试样的耐压强度与抗折强度

图4 1 500℃热处理后试样的线变化率

3.3 高温物理性能

各组试样在1 400℃，保温0.5 h的高温抗折强度如图5所示。从图中可以看出：使用钛铝酸钙的新型刚玉自流浇注料随着铝微粉加入量的增加，材料的高温抗折强度逐渐提高；使用复合铝微粉的试样高温抗折强度略低一些；4#试样的高温抗折强度与常规刚玉自流浇注料相近，可达到3.1 MPa左右。4#试样经1 500℃烧后的XRD分析结果如图6所示。从图中可以看出：主晶相为CA6，次晶相为CA2，其他为未参加反应的Al2O3、TiO2和少量的Ca (Al,Ti) O固溶体。钛铝酸钙中的CaO会与基质中的Al2O3反应形成铝钙化合物CA6与CA2，可以显著提高材料的高温强度[7]，从而验证了高温抗折强度随着铝微粉的增加而有所提高的试验结论。

图5 1 400℃试样的高温抗折强度

图6 烧后试样的XRD分析

3.4 抗渣性能

1 500℃热处理后的抗渣性试验的试样断面情况如图7所示。从图中可以看出：随着铝微粉加入量的增加，材料的抗渣侵蚀性能逐渐提高；使用复合铝微粉的试样抗渣性能要略差一些。出现此种情况的主要原因是：随着铝微粉加入量的增加，材料的气孔率逐渐降低，常温以及高温强度都有所提高，可以有效阻止熔渣的渗透与浸入，从而提高试样的抗渣性能。

图7 抗渣性试验后的试样断面情况

4 实际应用

为了能够进行实际工业应用，所研发的新型刚玉自流浇注料必须满足理化指标的要求（见表5）。通过对比理化指标以及施工性能可见：4#试样自流性能满足现场施工要求，物理性能也可满足理化指标要求。因此，选定4#试样进行工业试验。

表5 刚玉质自流浇注料的理化指标

2021年3月，在某钢厂150 t钢包上进行了工业试验，分别在12#钢包、15#钢包、22#钢包以及25#钢包上进行了工业试验，现场施工时材料的自流状态及施工时间能满足现场要求，4个钢包的使用周期过程中无异常情况出现。图8为现场钢包下线时包底的情况。从图中可以看出：刚玉自流浇注料使用情况良好，其寿命与透气砖、座砖基本匹配，在更换座砖与透气砖时未发现渗钢及异常侵蚀等情况。可见新型刚玉自流浇注料能满足现场的使用要求。

图8 钢包下线时包底情况

5 经济效益分析

对新型刚玉自流浇注料和常规刚玉自流浇注料带来的经济效益进行了综合分析。根据综合分析结果可知：以钛铝酸钙为骨料研制的新型刚玉自流浇注料（4#试样）的综合成本为3 680元/t，而常规刚玉自流浇注料的综合成本为5 600元/t，综合成本每吨降低约2 000元。以钢厂年炼钢500万t为例，150 t钢包在使用30次后就需要更换座砖与透气砖，此时重新浇注刚玉自流浇注料，用量约0.5 t，每年使用刚玉自流浇注料约700 t，这样每年综合降本约140万元，经济效益相当可观。

6 结论

为了满足钢包降本的目标，在常规刚玉自流浇注料的基础上进行了系列试验，研发了新型刚玉自流浇注料，在某钢厂150 t钢包上进行了实际工业应用，并进行了经济效益分析，得出如下结论：(1）新型刚玉自流料的施工性能以及物理性能均能满足现场的实际使用要求。(2）选定的新型刚玉自流浇注料在150 t钢包上进行了工业试验，其寿命与座砖、透气砖基本匹配，满足现场使用要求，使用效果良好。(3）以年产500万t钢为例，新型刚玉自流浇注料每年综合降本约140万元，经济效益可观。