100 t 鋼包擴容設計與實踐

張文祥 武曉陽 李 超 柳曉輝 張朝發 魏 軍

（河鋼股份有限公司唐山分公司）

0 前言

為滿足生產需求，轉爐后期有效容積增大后可以增加出鋼量，但是轉爐增產受現有鋼包容量的限制，鋼包裝入量過大容易出現精煉爐溢渣現象，如果只是單純減小鋼包工作層的厚度，則會造成鋼包包齡壽命的降低、耐材成本的升高。唐鋼長材事業部2022年1月份起進行了月產45 萬t規模生產，需轉爐冶煉擴容，即每爐鋼水量從現在的100 t 增至125 t，為適應轉爐容量增加后的生產需要，鋼包設計優化和改進勢在必行，設計出了一種100 t 鋼包可承裝125 t 鋼水的修砌方案并實踐應用。

1 容積計算及耐材尺寸優化

鋼包作為煉鋼生產中必不可少的載體，是煉鋼—連鑄界面鋼水承載和二次冶煉的重要容器，將各個工序有機聯系起來，保證了煉鋼有序進行。鋼包不僅承接轉爐冶煉完成的鋼水，而且是精煉的重要設備，在滿足裝鋼的同時，還要滿足精煉工藝，如對鋼包凈空要求、鋼包上部內徑尺寸要求等。因此，對100 t 鋼包進行設計和改進，容積需滿足盛裝轉爐出鋼量和精煉工藝的需求。

1.1 原100 t 鋼包設計方案及砌筑要求

包壁設計：包壁永久層打結前在包壁上粘貼保溫板，保溫板采用納米絕熱材料，厚度為10 mm。永久層打結要求將胎模與四周保溫板之間的間隔控制在（100±5）mm，澆注料攪拌時添加的水量控制在6.0%左右，以澆注料流動性作為最終判定依據，攪拌均勻，安放好新鋼包胎具，按工藝要求操作。修包壁過渡層時使用80 mm 安全襯，鋼包包壁工作層采用210 mm 包壁磚，渣線部位采用240 mm 鎂碳磚，包壁安全襯和工作層之間采用40 mm 剛玉自流料，要求包沿高度小于120 mm。包壁總計厚度為440～470 mm。

包底設計：先打結100 mm 包底永久層，然后采用包底平鋪層加立砌工作層的修砌方法。包底和水口座磚仍采用現有砌筑方法，即先裝好透氣座磚和水口座磚，透氣座磚與包底磚之間的預留間隙，水口座磚與包底磚之間的預留間隙均為50～100 mm。包底磚砌筑完成后，透氣座磚與包底磚周圍的間隙、水口座磚與包底磚周圍的間隙、包底磚與包壁永久層之間均用剛玉自流料填充，最后插磚、振搗密實，做到磚縫縱橫錯開、泥漿飽滿，包底砌筑找正、卡牢，打結底料與透氣磚座磚齊平。包底總厚度達到450 mm，滿足了鋼包凈空高度400 mm，鋼包容量100 t 的使用要求，同時也提高了鋼包的使用安全性能。

1.2 主要設計參數

（1）100 t 鋼包包體鋼結構主要尺寸及工藝參數：上口外徑3 760 mm，下口外徑3 280 mm，鋼包總高（不含罐腳）4 065 mm，鋼液面凈空高度400 mm，液態渣厚度150 mm，鋼水比重6.9 t/m3。

（2）鋼包容積公式[1-2]：

式中，H——鋼包高度，mm；D——鋼包上部直徑，mm；D1——鋼包下部直徑，mm；V——鋼包容積（包含耐材容積），mm3。

1.3 計算結果

鋼包包底是一個相對復雜的部位，包含滑動系統，透氣磚、水口座磚等，該設計改進是在包底耐材不變的前提下，按照上述鋼包設計參數和容積公式進行理論計算得到的，原包壁耐材厚度D前=470 mm，V前表示原100 t 鋼包容積，ΔDV為新增25 t 鋼包容積，優化后的鋼包容積V后為125 t，代入鋼包容積公式計算得出D后=350 mm。因此DΔ=D前-D后=120 mm。

在現有鋼包基礎上增加25 t 鋼水容量，需增大內徑120 mm，即包壁耐材厚度總體需要減少120 mm，據此考慮去掉修包壁過渡層使用的80 mm安全襯，包壁安全襯與工作層之間的40 mm 剛玉自流料，并據此設計了新砌磚方案。此設計改進方案未考慮縮短鋼包永久層厚度，所以對鋼包包胎尺寸無影響，原有包胎可以繼續使用，其他部位尺寸和結構不變。

2 砌筑工藝

2.1 鋼包優化設計方案和砌筑要求

包壁設計：根據實際情況，確定通過減少鋼包砌磚的厚度擴大鋼包內徑來實現擴容，去掉修包壁過渡層使用80 mm 安全襯，去掉包壁安全襯和工作層之間40 mm 剛玉自流料，鋼包擴容后取消包沿磚，使用渣線磚代替，否則凈空不能滿足精煉要求。包壁總計厚度為320～350 mm，經計算，鋼包凈空高度為400 mm 時，鋼包容量為126 t，達到了優化設計的要求，滿足了鋼水裝入量。

原始設計方案中修砌順序為保溫板—永久層—安全襯—剛玉料—工作層，改進后的設計方案中修砌順序為保溫板—永久層—工作層，原始設計方案和改進后的設計方案如圖1 所示。

包底采用重質料打結，平鋪和立砌修砌方式，厚度為200 mm。包底和水口座磚仍采用現有砌筑方法，即先裝好上、下座磚，再拼砌底部磚。砌磚時須用木榔頭輕敲打緊，磚與磚之間的縫隙要小于2 mm，磚縫縱橫錯開，做到磚縫泥漿飽滿，罐底砌筑找正、卡牢。鋼包大修時，包底需重新打結底料；鋼包小修更換水口座磚或透氣磚時，需打結底料與透氣磚座磚齊平。

2.2 鋼包磚優化

鋼包包壁磚采用200 mm 厚的鋁鎂碳磚，要求磚中碳含量提高2%，即含碳量為8%。渣線磚采用240 mm 厚的鎂碳磚，要求磚中碳含量提高2%，即含碳量為14%，以提高磚的抗浸蝕能力[3-4]。鋼包磚的理化指標見表1。

表1 鋼包磚理化指標

3 鋼包改進方案可行性校核

3.1 鋼包空載和荷載情況下重心與耳軸位置

耳軸的位置對于整個鋼包的傾倒過程來說是十分重要的。若耳軸的位置太低，則很可能由于操作不當導致鋼液的過快傾倒；若耳軸的位置過高，則會增大傾倒鋼液過程中所需要的傾翻力矩，進而增大起重機副鉤的起重量，這樣就造成了很大的能源浪費[5]。鋼包設計耳軸中心應高于鋼水罐滿灌合成重心以上200～400 mm。改造后鋼包重心與耳軸如圖2 所示。對比改造前后鋼包重心與耳軸位置，坐標原點位置：鋼包耳軸連線中點（X=0，Y=0，Z=0）；改造前重心（mm）：X=-2.569 103，Y=-352.736 125，Z=-4.602 990；改造后重心（mm）：X=-2.569，Y=-364，Z=-4.52。

圖2 改造后鋼包重心與耳軸

計算表明，鋼包重心與耳軸位置符合設計要求。

3.2 鋼包傾翻力矩

鋼包在傾倒過程中，其傾翻力矩由三部分構成：鋼包空包引起的傾翻力矩、鋼包耳軸的摩擦力矩、鋼液引起的傾翻力矩。通過計算起重機副鉤的起重量與傾翻角的關系，核定起重機副鉤的起重噸位，當前80 t 副鉤起重量完全能夠滿足擴容鋼包傾翻要求。經驗證，此改進方案不影響鋼包相關設備諸如鋼包車、龍門鉤和連鑄鋼包回轉臺的承載能力，相關設備不需要改進，鋼包擴容改造費用不需要增加[5-6]。

3.3 鋼水裝入量

鋼包擴容前后，鋼水裝入量（鋼包盛裝鋼水量）如圖3 所示。

圖3 鋼包擴容前后鋼水裝入量對比

從圖3 可以看出，通過鋼包修砌工藝的調整改進，鋼包鋼水裝入量較過去提高了25 t 左右，達到了預定目標。

3.4 鋼水溫降

此設計方案雖然去掉了安全襯磚，減少了保溫板厚度，但澆注料具有氣孔率高、體積密度小、導熱系數小、重燒收縮小等優點，絕熱保溫效果好，鋼包溫降正常，未發生因鋼包溫降大而導致回爐鋼水的現象。

3.5 鋼包壽命對比

鋼包擴容前2021 年10 月－2022 年1 月，鋼包平均包齡為95.45 爐，精煉比28.92%。擴容優化后，2022 年2 月－5 月，鋼包平均包齡為96.47爐，精煉比29.77%，鋼包包齡使用平穩，無影響。擴容前后鋼包壽命對比如圖4 所示。

4 結論

（1）通過對100 t 鋼包優化設計與改進，改進后的鋼包完全滿足承裝125 t 鋼水要求，未超出240 t 天車的承裝能力。

圖4 擴容前后鋼包壽命對比

（2）原設計100 t 鋼包總計耐材用量54.7 t，設計改進后鋼包耐材用量減少到40.2 t，耐材消耗量降低，在保證鋼包安全運行的基礎上降低了耐材噸鋼成本。同時由于單爐產量增加，噸鋼動力費用和人工費用相應減少，有效降低了噸鋼生產成本。

（3）改進后的設計方案增大了鋼包的有效容積，提高了鋼包裝鋼量，同時提高了鋼包凈空高度，有利于避免精煉爐溢渣，保證了鋼水LF 精煉所需有效空間，對實現鋼水爐外有效精煉，提高鋼水質量，增加品種檔次，提高品種比例具有重要意義。