钢包用铬质引流砂的研制及应用

陈学松 阳 波

(云南濮耐昆钢高温材料有限公司)

1 前言

引流砂作为钢包底部水口填充材料，一方面要求能在较低的温度下烧结以避免加入钢水时引流砂上浮造成事故，另一方面要求在高温和长时间冶炼状态下迎钢面不能烧结过厚，否则影响自动开浇率，从而影响正常冶炼操作。目前市面上引流砂的材质主要有铬质、硅质和镁橄榄石质，而铬质引流砂由于其自动开浇率高，适用范围广，故这种材质在各钢厂的使用最为普遍。目前关于铬质引流砂的研制报道中对于材料性能的表征及制作的均匀性无较理想的方法。为此，本试验中通过优化试验方法及材料组成，调制具有一定粘度的结合剂，提高搅拌均匀性，以进一步提高铬质引流砂的自动开浇效果。

2 试验

2.1 试验方案

本试验中研制的引流砂以铬铁矿和石英砂为主要原料，并引入高铝球及炭黑提高其流动性能。通过加入润滑剂及少量的添加物控制引流砂的烧结温度和烧结厚度，并配制一种纤维素溶液使不同比重的原料在搅拌过程中能够混合均匀，来提高引流砂的自动开浇率。使用的主要原料情况及实验配比见表1、表2。

表1 试验用主要原料的化学成分情况

表2 试验的引流砂配比%

铬铁矿和石英砂均属于高熔点耐火原料，铬铁矿的熔点为1 890 ℃～2 050 ℃，石英砂的熔点为1 650 ℃～1 750 ℃;添加的高铝球是一种耐火度高的铸造用砂，其形状为球形，同时添加炭黑增加润滑，以提高引流砂的流动性能。

2.2 性能测试方法

(1) 堆积密度:在500 mL的量筒中装满引流砂，并测量所装入引流砂的质量，再除以量筒的容量即为引流砂试验配比砂的堆积密度。

(2) 流动值:采用水泥砂浆流动度测量仪测试，将试验引流砂均匀倒入截锥圆模中，然后迅速取出截锥圆模，引流砂自流流动值即为所测流动值。

(3) 烧结性:本次试验中采用预埋烧结法，将引流砂放入预先用铝箔制成的直径50 mm、高度50 mm的圆柱模具中，然后将引流砂连同铝箔模具一同放置于刚玉坩埚中，外侧和底部用刚玉砂充填，放入高温炉中分别经1 400 ℃和1 550 ℃保温3 h 热处理，冷却后试样由于烧结而形成柱状，取出后即可测其体积密度和耐压强度。

3 结果与讨论

3.1 流动性及堆积密度

图1(a) 常温试样的自流值和堆积密度可见:当铬铁砂和石英砂的质量比为5:4 时，试样的自流值最大;其质量增大至6:3 时，试样自流值出现了降低;继续增大至7:2 时，自流值又回升，但继续增加后变化就不大了。引流砂的流动性能与原料的粒度、形状及体积密度都有较为密切的关联，石英砂的体积密度(2.4 g/cm3) 较铬铁砂的(4.2 g/cm3) 轻，且所用石英砂形状较圆润，故石英砂含量最多的试样C-1 的流动度最大;铬铁砂的棱角较明显，故试样C-2 的流动值开始降低，而随着铬铁砂添加量继续加大，试样C-3 由于其体积密度增大，故流动值又出现升高现象。由图1(b) 可以看出，由于铬铁砂的体积密度远大于石英砂的，故随着铬铁砂和石英砂的质量比的升高，试样的堆积密度基本呈直线升高趋势。

图1 为试样在常温条件下的自流值(a) 和堆积密度(b)

铬矿砂粒度较小，能够有效填充气孔，阻碍钢水渗透;铬矿砂比重大，利于滑板打开后未烧结层自动流出。合理的铬矿砂、石英砂配比，能够有效地提高引流砂性能。

3.2 试验引流砂的颗粒均匀性和碳黑包裹性

(1) 由于引流砂原料中石英砂、铬矿砂、石墨或炭黑因比重相差很大，将几种原料加在一起混合搅拌无法搅拌均匀。为能将几种不同原料搅拌均匀，同时能使炭黑包裹在颗粒表面，采取加入溶液的方法，使颗粒润湿具有适宜的粘性。

(2) 调配一定浓度的纤维素溶液，按重量比纤维素:水=1a:50～120 配制，先往纤维素中加入少量冷水搅拌，再按比例加入一定范围温度热水搅拌，调制后要保证放置一段时间后使用，使纤维素充分溶解。

(3) 搅拌引流砂加入颗粒料时用部分纤维素溶液先将颗粒搅拌均匀并润湿，再加入炭黑及添加物搅拌，后再加入剩余溶液继续搅拌，溶液的加入量为总重量的0.8 %-1.5 %，混合后的试验样均匀性大幅提高。

3.3 烧结性能

3.3.1 引流砂在高温后的烧结性试验

四组配方试样经过1 400 ℃3 h 热处理后烧结程度均较低，经过1 550 ℃3 h 烧结，试样外观明显变化(见图2)，耐压强度也升高。可以看出:随着引流砂中Cr203含量增加，试样外观颜色逐渐变黑。

图2 试样经1 550 ℃3h 热处理后外观形态

从图3可以看出:经1 400 ℃处理后，试样的耐压强度均较低，不超过0.5 MPa，说明在该温度下试样的烧结程度较低，此时应处在烧结的初始阶段;经1 550 ℃处理后，试样的耐压强度较1 400℃处理后的明显升高，说明试样已明显烧结。随着铬铁砂与石英砂质量比从;5:4 增至8:1，试样强度先增大后降低，当两者质量比为7:2 时，试样C-3 的耐压强度最大，为9.2 MPa，表明此试样的烧结性能最好。在加热过程中，石英砂中的Si02要与铬铁砂中的Fe0 反应生成铁橄榄石(2Fe0.Si02)，铁橄榄石的熔点较低(1 200 ℃)。因铬铁砂与石英砂的体积密度相差较大，故当两者的体积比接近时，接触的点最多，此时反应产生的低熔点相铁橄榄石较多，烧结性能较好。

3.3.2 添加物对试验样的烧结性能的影响

加入钾长石高温煅烧后试验砂呈现中重度烧结，使引流砂在与钢水接触时能够较快的烧结形成烧结层，防止引流砂被冲散和钢水渗透，有促烧作用。钾长石在1 200 ℃开始熔化，其粘度较大，高温下能够有效地附着在石英砂和铬矿砂的表面，有利于引流砂烧结层快速形成，防止引流砂的漂浮;加入镁砂Mg0含量≥97 %，粒度20-40 目，在高温状态下抑制石英砂膨胀，避免滑板砖打开时引流砂在水口砖内膨胀产生棚料而落砂不畅，影响引流效果。

3.4 抗钢液渗透性能

(1) 引流砂使用时，其上端要直接接触钢水，故其抗钢液渗透性能对其使用性能影响亦较为关键。试验采用在刚玉浇注料制成的坩埚内中先放入25 g试验引流砂，再在引流砂上面放入25 g的废钢屑，放入高温炉中经1 550 ℃3 h 处理，待坩埚冷却后，从中心孔处纵向切开，通过观察引流砂试样的切面形状来直观评价其抗钢水渗透性能。

(2) 经1 550 ℃3 h 处理，刚玉坩埚孔内的引流砂试样中间均有明显的分界面，废钢屑渣与引流砂能够轻松分开，说明钢液在引流砂试样中的渗透深度浅，这表明4 种引流砂试样均具有较好的抗钢液渗透性能。

4 引流砂在钢包上试用情况

本次试验的引流砂先后试验钢包65 t，水口直径55 mm，出钢温度为1 610 ℃～1650 ℃，钢包传搁时间在60 min 以内，采用漏斗导管加砂有利于引流砂形成园凸状。试验引流砂分5 批次共试制了2 650 kg，分别试用了112 个钢包，全部实现了自动开浇，试验钢包引流砂能够满足使用要求，保证了钢水的质量及连铸正常有序生产。同时，钢包自动开浇率还与钢包大小、出钢温度、精炼方式、传搁时间、水口大小、加砂方式等因素有关。

图4 试制引流砂投入钢包内情况

5 结论

(1) 以铬铁砂和石英砂为主原料，并添加高铝球和炭黑所制备的钢包引流砂，具有较好的流动性能和抗钢液渗透性能。

(2) 主原料铬铁砂和石英砂的比重差异较大，加入配制溶液搅拌对引流砂的的均匀性和烧结性能具有较明显的改善。

(3) 加入适量的添加物有助于提高引流效果。