中间包结构及包衬耐火材料对钢水清洁度的影响分析

唐建洪，周玉军，魏海成

（西宁特殊钢股份有限公司，青海 西宁 810005）

在连铸钢坯内部极易引发严重的质量问题，它会使钢的连续性遭到破坏，对钢的使用性能、使用范围方面产生影响，不管夹杂的是什么形态的钢，微观也好、宏观也罢，它们在钢的性能上都会带来巨大的危害性。进行冶炼时，降低中间包掺杂的杂质，避免钢水受到污染、增强钢坯的质量等是研究过程中的关键之处。钢水在进入结晶容器之前最后需要经过的具有耐火性能的容器叫作中间包，它主要用于装钢水这种液体，钢的清洁程度、夹杂物质的颗粒大小以及含有量与中间包内液体的流动、内衬等息息相关，所以，探究中间包结构、包衬耐火材料对钢水清洁度的影响具有深远的意义。

1 钢水清洁度受中间包结构的影响程度

在中间包内的钢水其流动形式受钢质量的影响，在自然状态时钢水流动掺杂的物质上浮和控制下存在很大的差异性，具体表现在以下几个方面：首先，自然状态下包内的流速过急会将渣层冲破，钢水中掺杂钢渣，并让钢液置于空气下发生氧化反应；其次，流速过快的钢液还会使内衬的耐火材料受到强烈的冲刷，钢液中掺杂耐火材料从而形成夹杂。控流状态下操纵中间包这一过程，可以有效避免钢水发生二次氧化的情况，降低涡流产生的几率，消除包内的杂质。所以，包内的钢水停留的时间越久，流动的速度越稳定，夹杂物质向上浮动的可能性越大，中间包内有整体挡渣堰组合的设计结构，主要起了控制钢水流动状态、保持钢水以平缓的轨迹流动、促进夹杂物向上浮出并将之消除的作用[1]。透过分析自然状态下钢水的流动以及控制流动液体的现象可发现，在自然流动的情况下，钢水由浇筑区域从包底直接流入到结晶器中，钢水平均流动的时间不长，夹杂物上浮不容易，针对在控制状态下流动的情况，也就是设立了整体挡渣堰装置后，在挡渣堰中钢水流动的速度较快，挡渣堰外边的钢水流速逐渐趋于稳定，按这种方式流动可以促进夹杂物质向上浮出。

在这一个实验中，在二十五微米以下的夹杂物质，控制浇筑流速的方式和自然浇筑的方式没有较大差异，在五十微米至一百微米之间的夹杂物质，控制浇筑流速显然可以使夹杂物质向上浮出，当夹杂物质大于一百五十微米时，两种实验方法均能产生上浮现象。通过对比这两种方法的实验数据可得到：当其他的控制条件保持一致的情况中，如果夹杂物质在八十微米左右，运用控流浇筑的方法显然比自然浇筑的方法更好，夹杂物质上浮的概率更高，平均能达到百分之十五左右[2]。

2 钢水清洁度受中间包衬耐火材料的影响程度

2.1 实验过程

在进行浇筑的过程中，中间包衬耐火材料和钢液的接触时间较长，产生了机械冲刷、化学物质侵蚀以及熔点较低的化学物质等，分析钢坯中的示踪剂，判断包衬层被侵蚀之后带入到钢坯内的容量大小，由此得到生成的夹杂物与夹杂物质总量的占比。①实验参数。选用西北某特殊钢厂炼钢车间，其容量为二十三吨的中间包，六十五吨产量的单炉钢，平均下来每炉次浇注需耗时三十五分钟左右。②中间包内衬材料的选择以及施工步骤。中间包内衬使用的干式料为镁质耐火材料，它们理化的标准为：MgO（%）≥83，体密≥2.5g/cm3，常温下的耐压强度大于等于23MPa，最高可承受的温度为1800℃以上。做好这些准备后把干状的镁质干式料通过胎模打结到中间包内壁上，内衬层打结厚度60mm左右，带模烘烤60分钟，胎模温度冷却至60℃以下后脱模，脱模后安装包盖及塞棒水口后连铸平台按标准的烘烤曲线烘烤4小时后上线使用。③实验的方式。对实验用材料中，每一批材料中都加配百分之十的氧化锌用作示踪试剂，其他材料遵循正常的操作进行，在使用一个包之后，用扫描电镜、能谱仪检测中间包残衬层不同层带之间的情况，并对数据进行分析，得到所需氧化锌的用量，从而判断出示踪剂侵蚀的状况以及在不同层间的存在情况。

2.2 实验结果以及分析情况

（1）中间包残衬的显微结构。原始层的耐火材料未遭到破坏，矿物相晶粒保持完整的形态，主要的矿相是锰橄榄石复合氧化物，其中的主要氧化物为（CaO+MgO）-SiO2-MnO三元系，随着温度的变化，在温度降低时，首先共晶析出钙硅石和a’CaO-SiO2,随后发生转熔生产锰橄榄石的复合物。矿物和矿物之间存在明显的分界线，大量示踪剂元素以小粒的形态各自独立分散在各个地方。处于过渡层中的耐火材料遭到破坏，矿物晶粒受到损坏，矿物的差异性界线不清晰，大矿物粒子逐渐缩小，边缘趋于圆滑的状态，失踪元素晶粒粒子小，大部分可与耐火材料相溶。

（2）镁质干式料材料的侵害腐蚀。通过扫描电镜观察看到的中间包内衬层不同层带的现象，并进行能谱分析，从实验数据可以发现非烧结层存在示踪元素，但是烧结反应层中不包含示踪元素，这一现象说明了非烧结层中的耐火材料其本质并没有太大的改变，保存下来的示踪剂很完整，以原先的状态保留所有的颗粒，烧结层中的一些耐火材料作为反应物参与了化学反应，破坏了示踪剂以及大颗粒的性质，矿物和矿物之间没有明显的交界线，反应层矿物中铁的含量升高，大部分来自于耐火材料和渣反应生成，从这可以看出在过渡层中间包镁质干式料和铁、渣进行反应，生成的物质属于化合物，具有较低的熔点，对钢水来说是一种污染物。

中间包衬层受到冲刷或侵害腐蚀后只需要很短的时间就可进入到结晶器中，所以改变的示踪剂的量就代表着干式料受到侵害腐蚀后进到钢坯内部的含量，换句话说就是表示钢水清洁程度的影响力。选取的样本分别为：开浇两分钟后取一份渣粒样本，测定氧化锌的含量，开浇二十一分钟时选取第二份渣粒样本，测定氧化锌的含量，选取十九分钟的浇筑时间，钢水对中间包途料侵害腐蚀的含量的计算方法为：三十五千克中其中二十千克为炭化稻壳、十五千克为引流剂，中间包涂料示踪剂中有百分之八的氧化锌。根据这种方法计算出中间包涂料中钢水每分钟被侵害腐蚀的含量，与此同时，在进行实验的过程中，不同的中间包衬层耐火材料层带中有不同的氧化铝，表明了镁质耐火材料有吸附夹杂物质的功能。

3 结语

综上所述，在中间包内设立整体挡渣堰可以提高杂物向上浮动的效率，当其他的控制条件一样时，夹杂物向上浮动的概率会升高，平均概率可达到百分之十五；从中间包镁质干式料衬层到钢坯里的夹杂质量为一定值；中间包镁质耐火材料在其过渡层中会影响钢水的清洁程度；中间包使用镁质耐火材料将有更高的抗侵蚀性，一定程度上可以把钢水的污染性降至最低。钢水内级别不同的颗粒混杂物质会发生向上浮动的现象，通过观察分析中间包内工作层中示踪剂的数据，可发现中间包结构、包衬耐火材料对钢水清洁度的影响具有深远的意义。