鋼包用鉻質引流砂的研制及應用

陳學松 陽 波

(云南濮耐昆鋼高溫材料有限公司)

1 前言

引流砂作為鋼包底部水口填充材料，一方面要求能在較低的溫度下燒結以避免加入鋼水時引流砂上浮造成事故，另一方面要求在高溫和長時間冶煉狀態下迎鋼面不能燒結過厚，否則影響自動開澆率，從而影響正常冶煉操作。目前市面上引流砂的材質主要有鉻質、硅質和鎂橄欖石質，而鉻質引流砂由于其自動開澆率高，適用范圍廣，故這種材質在各鋼廠的使用最為普遍。目前關于鉻質引流砂的研制報道中對于材料性能的表征及制作的均勻性無較理想的方法。為此，本試驗中通過優化試驗方法及材料組成，調制具有一定粘度的結合劑，提高攪拌均勻性，以進一步提高鉻質引流砂的自動開澆效果。

2 試驗

2.1 試驗方案

本試驗中研制的引流砂以鉻鐵礦和石英砂為主要原料，并引入高鋁球及炭黑提高其流動性能。通過加入潤滑劑及少量的添加物控制引流砂的燒結溫度和燒結厚度，并配制一種纖維素溶液使不同比重的原料在攪拌過程中能夠混合均勻，來提高引流砂的自動開澆率。使用的主要原料情況及實驗配比見表1、表2。

表1 試驗用主要原料的化學成分情況

表2 試驗的引流砂配比%

鉻鐵礦和石英砂均屬于高熔點耐火原料，鉻鐵礦的熔點為1 890 ℃～2 050 ℃，石英砂的熔點為1 650 ℃～1 750 ℃;添加的高鋁球是一種耐火度高的鑄造用砂，其形狀為球形，同時添加炭黑增加潤滑，以提高引流砂的流動性能。

2.2 性能測試方法

(1) 堆積密度:在500 mL的量筒中裝滿引流砂，并測量所裝入引流砂的質量，再除以量筒的容量即為引流砂試驗配比砂的堆積密度。

(2) 流動值:采用水泥砂漿流動度測量儀測試，將試驗引流砂均勻倒入截錐圓模中，然后迅速取出截錐圓模，引流砂自流流動值即為所測流動值。

(3) 燒結性:本次試驗中采用預埋燒結法，將引流砂放入預先用鋁箔制成的直徑50 mm、高度50 mm的圓柱模具中，然后將引流砂連同鋁箔模具一同放置于剛玉坩堝中，外側和底部用剛玉砂充填，放入高溫爐中分別經1 400 ℃和1 550 ℃保溫3 h 熱處理，冷卻后試樣由于燒結而形成柱狀，取出后即可測其體積密度和耐壓強度。

3 結果與討論

3.1 流動性及堆積密度

圖1(a) 常溫試樣的自流值和堆積密度可見:當鉻鐵砂和石英砂的質量比為5:4 時，試樣的自流值最大;其質量增大至6:3 時，試樣自流值出現了降低;繼續增大至7:2 時，自流值又回升，但繼續增加后變化就不大了。引流砂的流動性能與原料的粒度、形狀及體積密度都有較為密切的關聯，石英砂的體積密度(2.4 g/cm3) 較鉻鐵砂的(4.2 g/cm3) 輕，且所用石英砂形狀較圓潤，故石英砂含量最多的試樣C-1 的流動度最大;鉻鐵砂的棱角較明顯，故試樣C-2 的流動值開始降低，而隨著鉻鐵砂添加量繼續加大，試樣C-3 由于其體積密度增大，故流動值又出現升高現象。由圖1(b) 可以看出，由于鉻鐵砂的體積密度遠大于石英砂的，故隨著鉻鐵砂和石英砂的質量比的升高，試樣的堆積密度基本呈直線升高趨勢。

圖1 為試樣在常溫條件下的自流值(a) 和堆積密度(b)

鉻礦砂粒度較小，能夠有效填充氣孔，阻礙鋼水滲透;鉻礦砂比重大，利于滑板打開后未燒結層自動流出。合理的鉻礦砂、石英砂配比，能夠有效地提高引流砂性能。

3.2 試驗引流砂的顆粒均勻性和碳黑包裹性

(1) 由于引流砂原料中石英砂、鉻礦砂、石墨或炭黑因比重相差很大，將幾種原料加在一起混合攪拌無法攪拌均勻。為能將幾種不同原料攪拌均勻，同時能使炭黑包裹在顆粒表面，采取加入溶液的方法，使顆粒潤濕具有適宜的粘性。

(2) 調配一定濃度的纖維素溶液，按重量比纖維素:水=1a:50～120 配制，先往纖維素中加入少量冷水攪拌，再按比例加入一定范圍溫度熱水攪拌，調制后要保證放置一段時間后使用，使纖維素充分溶解。

(3) 攪拌引流砂加入顆粒料時用部分纖維素溶液先將顆粒攪拌均勻并潤濕，再加入炭黑及添加物攪拌，后再加入剩余溶液繼續攪拌，溶液的加入量為總重量的0.8 %-1.5 %，混合后的試驗樣均勻性大幅提高。

3.3 燒結性能

3.3.1 引流砂在高溫后的燒結性試驗

四組配方試樣經過1 400 ℃3 h 熱處理后燒結程度均較低，經過1 550 ℃3 h 燒結，試樣外觀明顯變化(見圖2)，耐壓強度也升高。可以看出:隨著引流砂中Cr203含量增加，試樣外觀顏色逐漸變黑。

圖2 試樣經1 550 ℃3h 熱處理后外觀形態

從圖3可以看出:經1 400 ℃處理后，試樣的耐壓強度均較低，不超過0.5 MPa，說明在該溫度下試樣的燒結程度較低，此時應處在燒結的初始階段;經1 550 ℃處理后，試樣的耐壓強度較1 400℃處理后的明顯升高，說明試樣已明顯燒結。隨著鉻鐵砂與石英砂質量比從;5:4 增至8:1，試樣強度先增大后降低，當兩者質量比為7:2 時，試樣C-3 的耐壓強度最大，為9.2 MPa，表明此試樣的燒結性能最好。在加熱過程中，石英砂中的Si02要與鉻鐵砂中的Fe0 反應生成鐵橄欖石(2Fe0.Si02)，鐵橄欖石的熔點較低(1 200 ℃)。因鉻鐵砂與石英砂的體積密度相差較大，故當兩者的體積比接近時，接觸的點最多，此時反應產生的低熔點相鐵橄欖石較多，燒結性能較好。

3.3.2 添加物對試驗樣的燒結性能的影響

加入鉀長石高溫煅燒后試驗砂呈現中重度燒結，使引流砂在與鋼水接觸時能夠較快的燒結形成燒結層，防止引流砂被沖散和鋼水滲透，有促燒作用。鉀長石在1 200 ℃開始熔化，其粘度較大，高溫下能夠有效地附著在石英砂和鉻礦砂的表面，有利于引流砂燒結層快速形成，防止引流砂的漂浮;加入鎂砂Mg0含量≥97 %，粒度20-40 目，在高溫狀態下抑制石英砂膨脹，避免滑板磚打開時引流砂在水口磚內膨脹產生棚料而落砂不暢，影響引流效果。

3.4 抗鋼液滲透性能

(1) 引流砂使用時，其上端要直接接觸鋼水，故其抗鋼液滲透性能對其使用性能影響亦較為關鍵。試驗采用在剛玉澆注料制成的坩堝內中先放入25 g試驗引流砂，再在引流砂上面放入25 g的廢鋼屑，放入高溫爐中經1 550 ℃3 h 處理，待坩堝冷卻后，從中心孔處縱向切開，通過觀察引流砂試樣的切面形狀來直觀評價其抗鋼水滲透性能。

(2) 經1 550 ℃3 h 處理，剛玉坩堝孔內的引流砂試樣中間均有明顯的分界面，廢鋼屑渣與引流砂能夠輕松分開，說明鋼液在引流砂試樣中的滲透深度淺，這表明4 種引流砂試樣均具有較好的抗鋼液滲透性能。

4 引流砂在鋼包上試用情況

本次試驗的引流砂先后試驗鋼包65 t，水口直徑55 mm，出鋼溫度為1 610 ℃～1650 ℃，鋼包傳擱時間在60 min 以內，采用漏斗導管加砂有利于引流砂形成園凸狀。試驗引流砂分5 批次共試制了2 650 kg，分別試用了112 個鋼包，全部實現了自動開澆，試驗鋼包引流砂能夠滿足使用要求，保證了鋼水的質量及連鑄正常有序生產。同時，鋼包自動開澆率還與鋼包大小、出鋼溫度、精煉方式、傳擱時間、水口大小、加砂方式等因素有關。

圖4 試制引流砂投入鋼包內情況

5 結論

(1) 以鉻鐵砂和石英砂為主原料，并添加高鋁球和炭黑所制備的鋼包引流砂，具有較好的流動性能和抗鋼液滲透性能。

(2) 主原料鉻鐵砂和石英砂的比重差異較大，加入配制溶液攪拌對引流砂的的均勻性和燒結性能具有較明顯的改善。

(3) 加入適量的添加物有助于提高引流效果。