甘菲芳

宝山钢铁股份有限公司

【摘要】宝钢股份是国际领先的现代化钢铁联合企业。专注于钢铁业，有上海本部、梅钢公司与湛江钢铁三大基地，主要产品为高附加值的碳钢薄板、厚板与钢管等钢铁精品。本文主要介绍了宝钢股份直属厂的生产工艺流程、钢铁冶炼高温炉窑装备与相关的耐火材料，列举了炼焦、炼铁、炼钢工序近年来效果显著的耐火材料新技术，并指出了宝钢作为耐火材料用户所希望的耐火材料技术进步发展方向。

1 前言

宝山钢铁股份有限公司(以下简称宝钢股份)是国际领先的现代化钢铁联合企业，专注于钢铁业，同时从事与主业相关的加工配送、化工、信息科技、金融以及电子商务等业务。目前股份公司的生产主要集中于上海本部、梅钢公司与湛江钢铁基地。主要产品为高附加值的碳钢薄板、厚板与钢管等钢铁精品，被广泛应用于汽车、家电、石油化工、机械制造、能源交通等行业，在汽车板、电工钢、镀锡板、能源及管线用钢、高等级船舶及海工用钢、其它高端薄板产品等六大战略产品领域处于国内市场领导地位。服务于中国高端制造业如军工、核电、高铁、海工装备、新能源汽车等产业的高速增长，发展包括超高强钢、取向硅钢在内的高端产品，并研发储备更高端新材料技术，实现“从钢铁到材料”、“从制造到服务”、“从中国到全球”的战略目标。

耐火材料是“钢铁之锅”，是钢铁冶炼不可缺少的重要的基础的高温材料。从建厂之日起全国的耐材工作者都持续地为宝钢的耐火材料应用做出了卓越贡献，因此宝钢的耐材技术也一直保持了国内钢铁行业耐材应用的领先水平。在钢铁冶炼技术不断进步、高新产品不断推出的基础上，宝钢又提出了“环境经营”、“城市钢厂”的理念，因此对耐火材料技术提出了新的要求与目标。下面针对炼焦、炼铁、炼钢工序分别阐述宝钢关键耐材新技术。

2 宝钢钢铁生产现状

宝钢股份直属厂(原宝钢上海本部)是最能代表宝钢现代化工艺流程的生产单元，以其代表说明钢铁生产工艺流程(见图1)。钢铁生产流程中涉及到主要耐火材料应用工序的装备有：450 m2烧结机4台，6 m及7 m焦炉12座;4350～4966 m3级大型高炉四座，300吨及250吨转炉各3座，150吨直流电弧炉1座。2015年完成高炉铁水产量1510.28万吨，烧结矿产量1750.6万吨，焦炭产量520.2万吨，钢坯产量1700万吨。

图1 钢铁生产工艺流程

2015年宝钢股份钢材产量2230万吨(包含股份直属厂、梅钢，不含湛江基地)，实现营业收入1637.9亿元，净利润10.13亿元。2016年宝钢股份计划产铁2679万吨、产钢2711万吨、销售商品坯材2344万吨、营业总收入1604亿元。

其中宝钢股份新建设的湛江钢铁基地位于湛江市东海岛，厂区占地面积12.58km²。建设规模为：年产铁水823万吨、钢水892.8万吨、钢材944万吨，主要品种包括热轧板、热轧酸洗板、冷轧薄板、热镀锌板、电工钢及宽厚板等，同时具备热轧超高强钢生产能力。总投资为696.8亿元，主要工艺设施包括原料场、烧结、球团、焦炉、高炉、转炉、精炼、连铸、热连轧机组、冷连轧机组、连续退火以及涂镀机组。从2015年9月起，4座65孔7m焦炉，2座5050m3高炉、3座350吨转炉、2套RH、2套LATS精炼装置及一套LF炉精炼装置已陆续建成投产，完成了一期建设。

2015年宝钢集团以年产粗钢3493.8万吨位列全球十大钢企第5名，营业收入2977亿元;武钢集团以粗钢产量2577.6万吨位列中国十大钢企第6位。今后按照国家部署实现“宝武合并”,目前按照产量计算合并后宝武集团简单的1+1，将至少具备6000万吨的年粗钢生产能力，将发展新的里程碑。

3 宝钢耐火材料技术进步

在钢铁生产流程中，从炼铁系统的烧结机、焦炉、干熄焦炉、高炉、热风炉、混铁车(鱼雷车);炼钢系统的石灰窑、铁水包、转炉、电炉、各种精炼炉、钢包、中间包;轧钢系统的均热炉、加热炉等都涉及各种各样的耐火材料，约占耐火材料行业需求总量的60%。宝钢目前生产消耗用耐材共有50多个大类，1500左右个规格;辅助材料18个大类，121个规格。主要由国内多个耐火材料厂家生产供应，占总量 1.6 %的高技术要求品种仍从国外公司购进。

3.1 焦炉绿色耐材新技术

焦炉最初是从日本引进的当时最新的耐材配置，此后就一直沿用85.9耐材技术方案。尽管焦炉服役寿命可以超过25年，但在运行中对环境的影响越来越糟糕。散热、漏煤气、冒黄烟、耐材内衬结石墨等各种问题凸现，能源消耗高、NOx及COx排放高、耐材维修多。炉体中焦炉炉门、装煤口、上升管的散热损失占表面散热损失的37%～44 %，是维修量最多，漏气、冒烟最厉害的地方，因此开发了系列的陶瓷釉化涂层复合的大型莫来石-堇青石质预制件，组合为整体结构，替代了原来的小块粘土砖，实现了这些部位耐材寿命增加5倍以上，保温性好、密封性好、自洁性好的应用效果。其关键技术不仅在于这些结构件的外形设计与组合技术，还在于预制块结构件表面进行了表面陶瓷釉化处理。新技术炉门不需要铸铁砖槽，整体结构稳定、密封性更好，重量轻有利于开闭位移，表面结石墨、焦油等粘结物易清理，同时材料保温性能好，比原有炉门减薄70 mm的情况下，还比传统炉门外温度降低50～70℃，这样减少了煤气消耗，同时增加炭化室的有效容积，取得显著的经济效益。新型装煤口减少了装煤口漏气率，拉条腐蚀大大减少;更换周期延长了10倍，降低了工人的劳动强度;炉圈不结石墨，装煤口没有有抬高现象，炉面平整，炉顶环境大大改善。新型整体上升管已使用5年，尚未发生过在因上升管内衬表面沥青和石墨沉积而减少了焦炉煤气排出的现象，也无耐材开裂、脱落问题，效果十分理想。这种陶瓷复合釉化预制件与结构技术还有力地促进了上升管荒煤气显热回收技术的实施，必须基于上升管耐材抗结焦、耐高温、耐腐蚀、密封好、模块化、长寿化的多种优异性能。以上耐材新技术已在湛江工程，宝钢四期、新一期焦炉建设，三期焦炉的改造维修中得到了大规模的工业化应用，每年产生经济效益7000万元以上。目前国内外很多焦炉都借鉴了宝钢经验，对焦炉清洁生产产生了重要影响。

宝钢2011年起开发碳化室高导致密硅砖技术，导热率从普通硅砖的1.90w/m.k提高到2.30w/m.k，意图提高燃烧室与碳化室之间的传热，达到结焦快、减少煤气消耗的效果。据公开报道，德国将普通硅砖提高导热率15～20%，则结焦时间减少1.5h，相当于生产率提高8.5%;若焦炭的产量保持不变，平均加热温度可降低30～60℃，废气中的NOx、CO2含量的显著降低。日本研究结果是导热率增加17.4 %，提高10 %的生产能力;如果砖厚度减到90mm时则增加生产率23.5%，同时节约7%耐火材料用量，对焦炭质量也有所提高。至2013年底经过持续研发突破了超高导硅砖微晶粒化、孔径微化、性能均衡化等关键技术难点，将导热率进一步提高到2.45w/m.k。与传统硅砖相比，高导热硅砖在微观结构、晶相组成、理化指标方面有了更合理的改进提高。例如普通硅砖气孔孔径集中在15-32μm，而超高导热硅砖气孔孔径集中在9-25μm;通过高导热硅砖与普通硅砖的电镜照片放大20倍后比较发现高导砖微观结构均匀致密。通过XRD衍射半定量分析两种砖的晶相组成，高导硅砖鳞石英为84%，几乎没有残余石英，方石英量也比普通硅砖少10%。说明高导砖晶相组成更好，结构均匀细致，非常有利于焦炉的长寿。可见，高导热硅砖大大提高了热导率，同时继承了普通硅砖的优点，并且各方面性能更加均衡合理。目前宝钢已经实现了万吨级试验量，在新一期200孔焦炉上全面应用，预计经济效益超亿元，减少废气(CO2、NOx、CO2)排放总量达约10万吨/年以上。高导热硅砖的使用，减少了焦炉的燃料消耗，降低了NOx等污染物的排放，具有可观的经济效益和社会效益，是未来焦炉耐材使用新的技术方向。对于中国年产5亿吨焦炭的焦炉总量来说，将对行业产生重大影响。

3.2 炼铁耐材新技术

高炉长寿一直是炼铁与耐材工作者追求的目标。大型高炉长寿的耐材应用技术存在的两种模式：“导热法”和“耐火材料解决法”宝钢都用过，都有良好的应用实绩(超过设计寿命，最高寿命19年)。日常维护主要有高炉内衬喷补(湿法与半干法)、硬质压入、压力灌浆技术，分别用于炉体不同部位的修补，其中压力灌浆用得较多。修补材料的强度、密实性、耐侵蚀性一直不断得到提高。所以宝钢高炉没有中修就可以保持一代炉龄寿命。高炉主沟用ASC浇注料一次通量铁12万吨，经维修一代沟龄达到150～200万吨，主沟耐火材料消耗为0.35kg/t.Fe。炮泥消耗为0.40 kg/t.Fe。近期技术进步较多的是针对出铁场的消耗性耐火材料，解决耐材应用中存在的短板、难点问题，达到耐材长寿、安全应用、降本增效的目标。例如开发了高炉主沟接头新材料取代原来的捣打料，使主沟结头部位寿命延长20倍，材料消耗减少90%，新材料无污染，减少了频繁维修作业，改善了炉前作业环境。提高了通铁量，杜绝了钻渣、渗铁等事故，便于炉前生产组织与安全保证;开发了快干高强主沟浇注料，从施工到投入应用在8小时以内，提高了主沟的周转，减少烘烤煤气用量;开发了铁口新型修复材料与应用技术，该材料的强度、抗爆裂性能、抗热震稳定性等关键性能都很好，保证了铁口修复料有很长的寿命，能抵抗铁水的高速冲刷，通过现场使用发现明显减少了出铁口煤气火和铁口的喷溅，极大地提高了炉前作业安全。这些技术对宝钢高炉的安全生产、节能减排、提高生产效率很有作用。目前宝钢还在推进出铁场绿色耐材新技术，使出铁场耐材在施工和应用中不冒烟、无刺激性气味、不含有毒有害物质，使炉前环境更加清洁生态。

3.3 炼钢耐材新技术

基于环保要求，宝钢股份从2006年开始RH炉用无铬砖研究，先后试验了多种无铬砖材质，其中性价比最好的是不烧镁尖晶石砖。从2010年无铬砖开始批量使用，到2013年宝钢股份直属炼钢厂全部6座RH炉全部采用无铬砖。无铬砖同镁铬砖相比，使用寿命相当，价格要低20 %左右。即使在宝钢使用条件最苛刻的3# RH炉，其下部槽龄和浸渍管龄仍然与镁铬砖寿命相当。3# RH炉无铬上、中部槽的平均槽龄分别为1089和560炉，同期使用的镁铬砖平均槽龄分别为1021炉和530炉。目前宝钢6台RH所用耐火材料已全部实现了无铬化，并进入了稳定应用阶段，并且进一步适应了RH脱硫精炼工艺的要求，为国内外RH无铬化技术起到了良好的示范作用。

为了实现效益最大化，炼钢生产继续以流程优化、降低能耗为指导思想，宝钢对耐火材料提出了更高的要求：一是推进铁水包多功能化(铁水包脱硫、保温，降低高炉出铁水温度)。在铁水包内进行KR脱硫工艺处理条件下，保持KR搅拌桨寿命400炉以上，铁水包寿命500炉以上。下一步将开发鱼雷车及铁水包保温技术，降低铁水运输及预处理过程中的铁水温降。二是研发和采用以转炉预脱磷、预脱硅为特点的全新高效、少渣、低耗炼钢新工艺(例如转炉双渣、留渣少渣炼钢、脱磷、脱碳)。为此宝钢推进了转炉滑动水口出钢技术：改进滑板结构、延长寿命，缩短更换时间，优化出钢口形状保证挡渣良好。三是高效连铸技术的不断发展。满足高连浇率需要的快速更换中间包滑板、水口和快速更换中间包技术;中间包流场优化、长寿技术：在中间包大容量化基础上的挡渣堰、墙、防溅垫、气幕挡墙的设置优化，有效减少钢液中夹杂物及保持流场稳定;连铸中间包耐火材料实现全碱性化、长寿化和功能化。四是降低转炉出钢温度。实现钢包、中间包、精炼炉全程保温，开发高强、耐高温及长寿型保温耐火材料及结构技术。重点推进了以节能降耗和适应品种钢、洁净钢为目的钢包保温技术，无碳钢包预制块或浇注料、低碳镁碳砖技术等，在延长钢包包龄、减少耐火材料对钢液污染、减小钢液温降、降低钢壳温度和提高现场施工效率和改善操作环境等方面都显示出较好的效果。宝钢引进国内外先进技术，持续推进了连铸三大件高安全性、长寿命基础上的稳定使用技术：有适应不同钢种和使用条件的长寿命抗侵蚀水口、免烘烤水口、防堵水口、防偏流水口、快换式浸入式水口等，适应不同钢种的低碳材质棒头的整体塞棒等。配合了不同材质组合与吹氩布置、结构设计，达到洁净钢水、优化流场等更高功能化要求，对生产高品种钢如高强钢、高氧钢、IF钢、硅钢、钢帘线钢等起到了重要作用。

4 今后耐材技术发展方向

从钢铁用户而言所关注的耐材技术与耐火材料制造厂会有所区别，但要求技术进步的目标是一致的。宝钢现阶段技术发展之一还是需要坚持解决钢铁冶炼中耐材应用中存在的短板、难点问题;先进钢铁产品及材料制造所需的耐材整体解决方案;高温冶金炉窑长寿及降本增效新技术开发。例如为钢铁产品或品种钢制造减少夹杂缺陷、提高质量，洁净钢水等研究配套的冶炼容器、炉衬、功能材料而提供经济实用的耐火材料解决方案;先进钢铁冶炼技术发展需求的相关耐火材料应用技术研究。例如铁水包脱硫技术、转炉高效脱磷技术、RH喷粉脱硫技术、氧化物冶金技术等，必须研究安全可靠、长寿的炉衬耐材技术保证这些先进技术的实施;在可靠、经济的前提下形成突破技术改进现场耐材应用短板问题，达到整体耐材长寿命，保证生产安全順行，同时降本增效。

发展之二是宝钢的耐火材料使用技术及管理要适应“智慧制造”、“大数据时代”的发展。例如进一步实现耐火材料施工与维修的机械化、智能化，降低维修成本，改善操作环境，提高耐材施工及维修用装备技术。需要探索“3D”打印设计耐火材料功能结构件，结合数模、水模手段给用户提供具有合理流场、冶金功能的高温炉窑耐材配置方案与相关的耐材元件。钢铁用户与承包商应该把耐材应用过程中产生的所有基础数据充分利用起来，完善并建立起耐材大数据信息及分析系统，实施过程精细化智能化管控，发现最薄弱环节，提高应用安全，去除原始纸质型及片段式记录方式。

发展之三是宝钢的耐火材料综合技术要立足于城市钢厂的新定位，满足城市钢厂清洁生产和节能减排要求，开展城市钢厂耐火材料新技术研究。主要是发展耐火材料节能技术，达到降低高炉出铁温度、降低转炉出钢温度目标;耐火材料的减排与循环再利用技术，达到钢厂耐材的“零排放”目标;还有钢铁厂各工序高温炉窑消纳城市废垃圾对耐火材料内衬侵蚀影响及适应性研究;处理钢厂工业固废物再利用及特种焚烧炉的高温炉窑材料与结构技术等。