摘要：本文首先阐述了中间包的结构，从其工作衬耐火材料的发展史及工作衬对耐火材料的要求方面进行分析，此外，还进一步分析了挡渣堰、过滤器等在中间包中的作用效果。

关键词：钢水；中间包；连铸；耐火材料

中间包是一种重要的容器，它用于盛装钢水，并在连铸过程中将其分流，其属于钢水和耐火材料之间接触的最后一类容器。中间包的选择和使用是决定钢质量的关键，因此其在连铸过程中扮演着极其重要的角色。随着冶炼工艺的发展，中间包的作用越来越重要，它可以维护钢水的静压，控制流动速率，抑制湍流，去除钢水中的非金属杂质，净化钢液，并且确保钢水维持温度恒定值，因此，它已经成为钢水成材过程中必不可少的容器。由于中间包的性能不断提升，使得其所需的耐火材料的数量和种类都有所增加，而且对这些材料的质量要求也在不断提升。近年来，为了达到中间包的需求标准，我国不断推出高性能、高可靠性的耐火材料产品。

一、中间包内衬耐火材料的演变

传统的中间包内衬结构由永久衬和工作衬组成，其中耐火材料的种类繁多，从轻质砖、重质砖、绝热板、涂料到干式料，都可以满足不同的应用要求。在前者中，耐火砖是一种常见的材料，但由于它们的缝隙较大，整体结构不够稳固，容易造成穿包事故。近年来，随着整体浇筑技术的普及，不定型耐火材料已经成为了中间包永久衬的常见应用材料。接下来，主要针对我国连铸中间包工作衬的发展情况进行简述。

（一）硅质绝热板发展阶段

自20世纪80年代一直到90年代中期，在这短短十几年的时间里，连铸技术开始在我国兴起、发展，且这个时期中间包工作衬的主要耐火材料选用的是硅质绝热板，它的主要成分为石英砂，同时还加入了少量的纸屑、热塑性酚醛树脂以及乌洛托品，最终经过真空吸滤和干燥处理，才能被投入使用。这类产品的使用寿命平均水平约为6小时，最长不会超过10小时。由于硅质绝热板的耐久性较弱，耐腐蚀性较弱，而且会对钢水造成污染，随着时间的推移，从上世纪90年代中期开始，镁质和镁钙质涂料逐渐取代了它们。

（二）镁质、镁钙质涂料发展阶段

2000年前，为了满足连铸行业的要求，大多数中间包的工作衬都是由镁质或镁钙质涂料制成，其厚度通常介于35～40mm之间。通过烧结、电熔和镁钙砂制备等方法，可以生产出具有高碱度的涂料。然而，由于镁钙砂容易遇水溶解发生反应，对此可以通过添加CaO来改善它的性能，或者将其与抗水化镁砂按照特定的比例混合。在涂料的临界颗粒范围内（3～5毫米），超过0.088mm的颗粒所占比例在60%～65%之间，而小于0.088mm的颗粒比例在35%～40%之间。其中有机纤维的比例介于0.5%～2.5%之间，且纤维量添加越多，则体积密度会随机减小，通常来说，将其控制在1.9～2.3g/cm3是最佳的选择。外加剂包括增塑剂，例如软黏土、膨润土、硅微粉和消石灰，它们都能促进材料的熔结。对于中间包内衬而言，随着材料中CaO含量的增加，其针对钢水所产生的净化效果也会不断提升。然而，要生产出含CaO量较高的涂料，需要较多的技术投入，通常要求CaO含量介于10%～50%之间。

在后续发展中，镁砂逐渐被镁橄榄石取代用作中间包涂料的原料，其特点是热导率极低，耐火度极高，完全不会发生水化反应，而且具备优异的化学稳定性，能够抵御金属熔液的渗透。并且这种原料的资源非常丰富，遍及各地，不仅有利于节约能源和保护环境，还能降低生产成本。以新疆某钢厂为例进行分析，其生产的镁橄榄石质中间包涂料配方中，镁橄榄石、中档烧结镁砂以及轻烧氧化镁粉占比分别为40%、48%、5%，此外，还需要添加2.5%的七水硫酸镁、2%的纸纤维以及0.1%的硼砂和防爆纤维。随着季节的变化，可以进行相应的调整。将水量调节为25%左右，经过人工涂抹，可获得良好的附着力。这种材料的使用寿命和镁质涂料一样长，可以持续10～14小时。它的隔热和保温效果优于镁质涂层。当使用后翻包时，它与永久衬的连接处很容易被分离。

（三）湿式碱性喷涂料发展阶段

通常，湿式碱性喷涂料采用螺旋泵射的方式进行施工，将泥浆均匀地喷洒在永久衬表面。喷涂料是一种由多种材料构成的复合材料，包括烧结镁砂、镁钙砂、结合剂、增塑剂和有机纤维。为了达到最佳的性能，对于镁砂而言，其中CaO/SiO2的比值应该控制在2或者高于2的水平，还要加入适当的生白云石或者也可以使用适量的石灰石细分，其主要目的是提高CaO的占比含量。通过使用这种方法，不仅可以帮助钢水净化，而且可以加速涂层的脱落。结合剂多选择速溶聚磷酸盐或者速溶水玻璃。常用的增塑剂包括软质黏土、木质素磺酸钙。通常来说，添加有机纤维时，最佳的选择是来自自然界的植物纤维，其直径应该介于10～40μm，长度应该在1～5mm，添加量应该在0.5%～3%之间。根据使用需求，喷涂层的厚度应在20～30炉次之间调整至45mm至60mm，而在30～40炉次之间调整至60mm至80mm。

由于钢铁冶炼技术的发展，人们不仅希望中间包能够使用更久，还希望它能够更好地净化钢并具备良好的保温性能。因此，出现了超轻质的镁铝喷涂材料。当前，为了生产出超轻质的喷涂料，通常会使用轻质的骨料、添加适量的纤维以及调整粒径，使用发泡剂。尽管中间包涂料和喷涂料的耐久性要优于硅质绝热板，它们的平均使用时间可以达到10h作右，甚至可以持续到24h，而且还能够有效地净化钢水。但是，其也存在较为明显的缺点，如喷涂的过程需要大量的人力，维修时间也比较长，并且烘干的工艺也比较复杂。

（四）碱性干式料发展阶段

自2000年起，由于中间包的快速更换水口技术的迅猛发展，使得对其工作衬的要求也越来越高，因此，新一代的碱性干式料也得以普及。采用干式料施工，不仅操作简单，而且劳动强度显著减少，无论是什么样的天气，都能够顺利完成，其使用寿命更是超过40h。

这种中间包碱性材料通常由多种不同类型的材料制成，如烧结镁砂、镁钙砂、电熔镁砂、中、高温烧结剂以及少量的低温结合剂。烧结剂包括镁钙铁砂、黏土、硼酸盐和铁鳞等。通过添加少量低温结合剂，可以在200～300℃的烘烤条件下，增强衬体的强度，从而提高其耐久性，这种结合剂通常是粉末状的PF。

通过采用烧结镁钙砂来配制CaO含量各异的干式料，无需添加任何水分，大大改善了钢水的净化效果，延长了工作衬的使用寿命，而且能够实现多炉连铸，残留的内衬也更加容易被拆卸。然而，烧成期间，PF会产生大量的甲酚、甲醛和二甲酚，这些物质会严重破坏周围的环境。此外，固化后的残留物会严重污染钢水，而且无法用于制造低碳钢。经过内蒙古一家耐材公司对镁质干式料结合剂的研究，他们发现，将偏硅酸盐、磷酸盐和硼酸盐混合使用，并在6%的浓度条件下可以呈现出最佳的效果。通过将α-Al2O3和CaCO3混合微粉添加到其中，在高温环境中可以产生尖晶石，同时伴随着体积的膨胀，补充体积收缩，从而维持整体的稳定性。通过CaCO3的分解，可以形成大量的微小的气孔，从而提高隔热性能。

（五）工作衬对耐火材料的要求

（1）具有出色的抗熔渣侵蚀和渗透性能，要求能够有效地延长其使用寿命，并且大幅降低耐火材料的消耗量，同时有效抑制对钢水的污染。中间包耐久性的提升不仅能够提升工人的劳动生产率，还能够极大地改善我国钢铁行业的整体经济效益。

（2）具有优异的高温性能，耐火度高，抗热性强；在高温环境中可以具备优良的化学稳定性，避免二次氧化，保护钢液，提升钢坯质量。除此之外，该材料还应该具有良好的冶金性能，能够与钢液中的杂质发生反应，吸附N、S、P等非金属氧化物，从而改善其质量。

（3）应该具有出色的抗热震性能，并且在与钢水接触时稳定性很高，不容易发展炸裂。中间包工作衬材料应该具备轻量化、导热系数低、保温性能优良的特点，这样可以降低热量损耗，维护中间包钢液的温度稳定。

（4）要求相关施工设备及操作具有简单方便性。具有出色的烘烤适应性，能够迅速完成烘烤，甚至不必烘烤就能立即使用，大大提高中间包的利用效率，延长其使用寿命，同时也大大减少备用包的数量。通过减少烤包过程中的能源消耗，降低劳动强度，从而提升工作效率。

二、挡渣堰（墙）

通过安装挡渣堰（墙），可以有效地控制钢水的流动情况，延长其停留时间，并有效地将其中的悬浮物清除，从而达到净化钢水的目的。挡渣堰（墙）由多种类型组成，包括高铝质和镁质。高铝质挡渣堰具有出色的抗热震性能、耐渣蚀性和抗冲刷能力。通过采用镁质挡渣堰，可以有效地去除AI2O3和SiO2等杂物，从而大大改善钢水的洁净度，避免二次氧化的发生。

铝镁质挡渣堰具有更高的抗腐蚀能力，但其在保证钢水纯净度方面的表现要逊色于镁质挡渣堰。通过使用复合型挡渣堰，即铝镁质浇注料和镁质浇注料分别用于渣线以及钢水区，可以制造出具有高强度和耐腐蚀性的复合挡渣堰。这种挡渣堰能够发挥出良好的施工性能。在选择镁质料缓凝剂时，建议使用SiO2微粉，其ph值最好在7左右。减水剂可以考虑应用复合型，即三聚磷酸盐和有机减水剂的复合。

三、过滤器

采用陶瓷过滤器来清洁钢水，可以有效消除其中的非金属夹杂物，这种方法可以显著改善钢水的质量。过滤器可以分为泡沫型、网格型以及环形三种，它们各有其独特的功能优势。从结构的角度分析，可以分为狭缝、直通孔以及弥散型。

四、滑板

滑板被认为是控制钢水流量的关键性耐火材料，它的使用环境非常严格，需要承受高温、高压和腐蚀性的环境，常见损毁表现包括三种：表面损毁、产生裂纹以及出线侵蚀。因此，为了满足高要求，为了获得优质的滑板砖，材料必须具备出色的抗氧化能力、高强度、耐磨损性、低SiO2含量和低碳含量。我国滑板材料的种类从传统的高铝质和刚玉质发展到了更加先进的铝碳质和铝锆碳质，并且可以通过碳、金属和陶瓷等多种方式来结合。

通常，中间包采用三层滑板，可以轻松移动。对滑板的要求极高，滑动面的平整度必须控制在0.1mm以下。随着中间包的不断重复使用，钢水在中间包停滞的时间也在持续增加，因此，为了有效地防止钢水出现凝结现象，建议采取一种高效的手段加以处理：采用喷气方法，从上方滑板孔，以及中部和下方滑板滑动之间进行喷气。当前，为了减少钢水渗漏的风险，许多国家正在采用刚性金属来固定滑动水口滑板，从而大大简化了整个滑动水口装置的结构。

五、覆盖剂

钢液在中间包内的散热能力极强，其所消耗的热量超过中间包热损的90%。采用中间包钢水覆盖剂，不仅能够有效地提升钢水的保温性能，而且还能够显著降低热量的流失，从而达到节能的目的。此外，还能够有效地去除钢液中的悬浮夹杂物，从而显著提高钢水的质量。覆盖剂必须能够抵抗中间包内衬和钢包套管的腐蚀，同时具备优异的操作性能。在钢液表面进行均匀覆盖，确保浇钢过程不会出现结壳现象，并且在浇钢完成后，可以轻松清理和解包。

针对以往的中间包覆盖剂进行分析，在将硅质绝热板作为工作衬时可以得到良好的应用效果，但是其并不适合镁质中间包内衬。这种覆盖剂的理论基础为CaO-Al2O3-SiO2三元系相图，然而考虑到镁质涂料内衬，则覆盖剂需要更改为MgO-Al2O3-SiO2系，熔点介于1200～1450℃，不添加助熔剂。当温度达到1450℃时，黏度介于1.0～1.2Pa·s之间，属于一个理想的水平。过高的粘度会导致结壳，而恰当的黏度能够提供良好的隔热性和保温效果，从而避免二次氧化。

镁质覆盖剂的不足之处在于，它可能会导致大范围的烧结，在使用塞棒控制流速的情况下，烧结过程中可能会出现塞棒粘连的问题，这是一个需要特别注意的问题。一些学者深入探讨了不同的材料及用量如何影响中间包颗粒型镁质覆盖剂的烧结性能。经过实验证明，在覆盖剂颗粒中添加适量的石墨（≤15%），能够有效地提高其间的烧结效率。在颗粒型镁质覆盖剂的成品中，2～3mm和1～2mm的颗粒几乎没有粘结的情况。0.6～1.0mm的颗粒之间存在着轻度的粘合现象，而<0.6mm的颗粒则会烧结团块。因此，细粉的数量越多，烧结的可能性就越大。随着钢包渣的增加，覆盖剂颗粒之间的烧结现象也会愈发明显。

为了改善覆盖剂对钢水夹杂物的吸附性，一些科学家开发出一种新型的钙质覆盖剂，另外，通过在覆盖剂中添加珍珠岩和稻壳等轻质保温材料，以及一种特殊的保气剂，从而大大提升了保温性能。随着复合碳原的加入，粒径变得更小，从而显著减缓了熔化过程的速率。

总结

当前，全球正在积极推动连铸技术的发展，其中中间包作为一种关键的钢铁连铸设备，对连铸技术的发展具有重要意义。中间包所用耐火材料内衬主要包括隔热层、永久层和工作层。因为中间包具有特殊的性能，因此选择合适的耐火材料和延长其使用寿命至关重要。根据中间包工作衬对耐火材料的需求，正确地选择原料有助于延长它的使用寿命。未来，我们将把更多的精力放在钢铁冶金用耐火材料的研究领域，特别是在连铸技术应用方面，提高耐火材料的性能和应用普及度。

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