電爐鋼包具有苛刻的使用工況:出鋼溫度高(1640～1690℃)，鋼種多達1000種，渣系鹼度範圍大(n(CaO)/n(SiO2)=0.5～5)，精煉時間長(120～150min)，加熱功率大等，其包底工作層長期以來採用鋁鎂碳磚、鋁尖晶石碳磚、鎂碳磚等含碳機壓磚砌築。然而，按照超低碳鋼和高品質鋼種冶煉的要求，鋼水爐外精煉比例增加，冶煉時間變長，導致鋼水溫度升高，在鋼包中的停留時間延長，這對鋼包用耐火材料的要求越來越高。
剛玉-尖晶石澆注料以其良好的抗鹼性渣侵蝕性和優異的高溫力學性能等被廣泛應用於轉爐鋼包渣線以下的工作層。將預合成或原位生成的鎂鋁尖晶石引入剛玉質澆注料中，主要是為了提高抗渣性和改善高溫力學性能。預合成的鎂鋁尖晶石具有更大的晶粒尺寸，良好的化學穩定性和低的溶解度，以及優異的體積穩定性，特別適合用在高溫高壓的鋼包底部。為此，寶鋼電爐煉鋼廠決定試用剛玉-尖晶石澆注料取代正常使用的鋁鎂碳磚，用於圓方坯生產線的鋼包包底工作層。
表1給出了寶鋼電爐鋼包包底工作層用剛玉-尖晶石澆注料和鋁鎂碳磚的常規物理性能。由表1可見，相對於鋁鎂碳磚，剛玉-尖晶石澆注料不含碳，體積密度更大，常溫耐壓強度和高溫抗折強度相當，燒後微膨脹，展現了良好的體積穩定性。由性能指標推斷，該剛玉-尖晶石澆注料可以滿足電爐圓方坯生產線的冶煉工藝需求。
2.1剛玉-尖晶石澆注料和鋁鎂碳磚的對比
澆注包底和磚砌包底的主要差異:
1)澆注包底的周轉時間長約24～38h，施工時間2h，養護時間16h，烘烤時間36h;磚砌包底施工時間4h，烘烤時間12～24h。
2)維修模式調整，磚砌鋼包中修時，需更換全部包底工作襯，包括包底鋁鎂碳磚;而澆注鋼包維修時，只需更換透氣磚、水口和修補衝擊區。
將剛玉-尖晶石澆注料應用於寶鋼電爐圓方坯生產線150t鋼包包底工作層部位(13#和8#鋼包)，加水量5.0%～5.5%(w)，流動值180～220mm，攪拌時間3～5min，採用振動棒振動排氣，總施工時間1～2h。
兩個澆注鋼包包底大修時使用壽命分別為92爐和91爐(正常下線)。澆注鋼包和磚砌鋼包大修時各區域殘厚見表2。由表可知，澆注鋼包包底使用時只存在細微裂紋，大修下線時損毀最嚴重區域在包底衝擊區部位，但殘餘厚度>100mm。而磚砌包底中修時更換全部包底工作層。由此可見，剛玉-尖晶石澆注料能夠滿足電爐圓方坯生產線鋼包的使用工況，並且具有更優的使用壽命。
與磚砌包底相比，鋼包包底採用整體澆注具有以下優點:1)包底工作層磚縫減少，降低包底開裂和沿磚縫滲冷鋼概率，提高鋼包使用的安全性。2)加強了包底工作層氣密性和整體性，減少透氣磚「側吹」概率，降低因透氣磚異常而下線的概率，安全性提高。3)使用中後期，不會存在因磚縫逐漸增大造成磚體異常脫落的情況。4)機械施工，便於操作，降低勞動強度。5)中修無需更換全部包底工作層，採用修補料維護包底衝擊區，耐火材料消耗降低。
2.2用後剛玉-尖晶石澆注料的組成與結構
原始工作層厚度為230～250mm，8#鋼包使用91次後包底衝擊區部位的表觀形貌見圖1。由圖1可見，剛玉-尖晶石澆注料殘厚約120mm，熱端變質層薄，距熱端約20和80mm處存在明顯的平行於熱面的貫穿裂紋，裂紋中存在熔渣沿裂紋滲透的現象。
為了分析熔渣與剛玉-尖晶石澆注料的相互反應，了解該材料的損毀機制，取圖1中A區域製成光片。採用掃描電子顯微鏡和能譜儀對該區域的顯微結構進行觀察和測定微區成分。圖2給出了用後殘料的A區域熱面從渣層到類原質層的顯微結構，表3列出了圖2中各區域的EDS分析結果。
圖2 用後包底剛玉-尖晶石澆注料A區域熱面的顯微結構可以看出:用後殘料A區域可以明顯分為3層:渣層(約0.5mm)、滲透層(6～8mm)和類原質層。渣中元素與澆注料基質反應形成低熔點相(見圖2中滲透層)，並通過基質向澆注料內部滲透，促進了基質的燒結緻密化。類原質層中存在大量的氣孔，結構疏鬆，滲透層和類原質層之間熱膨脹係數不匹配，兩者之間產生貫穿裂紋。滲透層中主要為渣中的FeO、CaO和SiO2向澆注料基質滲透。隨著進一步滲透，其含量逐漸減小。
為了進一步分析渣滲透對澆注料的顯微結構和微區成分的影響，將圖2中的各區域放大觀察並進行EDS分析，如圖3和表4所示。從圖3(a)可以看出，渣層中區域a，工作面的澆注料基質的顯微結構被破壞，基質被大量液相滲透，結構緻密，主要物相為MgO-CaO-Al2O3-SiO2-FeO低熔點相(點1)和CaO-Al2O3-SiO2-FeO低熔相(點2)。滲透層中區域b和區域c，見圖3(b)和圖3(c)，渣中大量CaO、SiO2和FeO滲透進澆注料內部，造成基質緻密化，基質為固溶SiO2和FeO的鎂鋁尖晶石相(點3)、CaO-Al2O3-SiO2相(點4、點6和點7)和鎂鋁尖晶石相(點5)。類原質層中區域d，見圖3(d)，基質中存在大量的氣孔，結構疏鬆，主要為鎂鋁尖晶石相(點8)、CaO-Al2O3相(點9)和剛玉相(點10)。熔渣除了通過基質向澆注料內部滲透，還沿裂紋向澆注料內部擴散(見圖4)。
圖4用後包底剛玉-尖晶石澆注料中熔渣沿裂紋滲透的顯微結構照片2.3剛玉-尖晶石澆注料的損毀機制
鋼包包底工作層的損毀因素主要有:熱震、機械應力、渣的侵蝕和滲透。在工作面，原澆注料的主要物相為鎂鋁尖晶石、CaO-Al₂O3和剛玉。隨著渣向澆注料中的侵蝕和滲透，基質中的鎂鋁尖晶石相吸收渣中的FeO(見式1)，剛玉與渣中的CaO、SiO2反應形成鈣鋁矽低熔相，見式(2):
MgAl₂O₄+FeO→(Mg，Fe)Al₂O₄ (1)Al₂O₃+CaO+2SiO→CaAl₂Si₂O8 (2)隨著渣中SiO2、FeO和CaO含量的減少，渣的相對含量減少，從而使得向澆注料內部進一步的侵蝕滲透的渣量減少。
在工作面，渣中液相和反應形成的液相滲透進入澆注料內部。由於存在溫度梯度，造成熱面的燒結致
密化，同時破壞了基質結合相。由於機械應力和熱應力，在緻密層中形成裂紋，並通過反應層和滲透層的界面擴展，導致了反應層的剝落。另外，熔渣沿裂紋向澆注料內部進行侵蝕和滲透，加速了反應層從耐火材料上剝落。在服役過程中這種情況的反覆進行導致了耐火材料的損毀。
(1)鋼包包底採用剛玉-尖晶石澆注料取代鋁鎂碳磚，能夠滿足電爐圓方坯生產線的冶煉工藝。採用整體澆注料，包底工作層的熔損速度小，整體性和氣密性加強，降低了沿磚縫滲冷鋼和因透氣磚異常而下線的概率，鋼包運轉的安全性明顯提高，優化了維修模式，降低了耐火材料消耗。
(2)剛玉-尖晶石澆注料的損毀主要由渣與耐火材料的反應引起，同時熱應力和機械應力也起重要的作用;另外，熔渣沿裂紋向澆注料內部進行侵蝕和滲透，加速了反應層從耐火材料上剝落。在服役中這種過程的反覆進行，導致了耐火材料的損毀。
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