低成本钢包引流砂的研制与使用

  钢包引流砂作为钢包底部水口填充材料,其主要作用是引导钢水自开。其作用机理为,填充于钢包水口中的引流砂上表面在钢水的热作用下产生了较薄的烧结层,形成“壳体”,一旦滑板打开,水口内绝大多数未烧结的砂体自由下落,同时由钢水的静压力压破“壳体”,钢水自动流出。

  目前国内外使用的引流砂主要有四类:硅质、铬质、镁质和锆质。硅质引流砂以石英砂(多用天然石英砂)为基料,属酸性引流砂,SiO2含量在93%以上,基料中加入一定量低熔点碱性物长石(Na2O+K2O)和石墨等成分。铬质引流砂以铬矿砂为主,主要应用于电炉炼钢和炉外精炼中。此类引流砂具有很高的耐火度和很强的抗渗透性,在较长的钢液静置时间下,仍能保持较高自开浇率。但是铬矿砂原料主要依赖国外进口,成本较高且容易受到资源限制。此外,高温环境下铬铁矿中的Cr2O3在碱性气氛下会与碱金属氧化物相形成水溶性有毒的Cr6+化合物R2CrO4,造成Cr6+污染。镁质引流砂以镁橄榄石和镁砂为主要原料,加入石英砂和铬矿砂控制烧结。但目前使用的大多镁质引流砂仍存在难于烧结、碱度低,对中间包去除夹杂物的碱性环境贡献小的缺点。锆质引流砂其主要原料锆英砂受限价格过高,多用于中间包的引流。

  当前形势下,钢铁等耐材下游企业采购成本压缩严重,上游原材料供货厂家价格大幅度上涨,处于中游的耐材生产企业产品利润空间受到极大挤压,鉴于此,研究人员依据某钢厂的特殊炼钢条件将宝珠砂引入引流砂,开发了一种无铬环保引流砂,在满足了该钢厂炼钢要求的同时,降低了原料成本,减轻了环境压力。同时由于宝珠砂具有接近真球的球形颗粒、较低的热膨胀率和较高的耐火度等特点,实际使用中流动性能好、烧结性能适中,自开效果良好。

  科学制订方案确保实验准确有效

  引流砂流动性的测定。引流砂流动性的测定主要通过两种方法:一是测定引流砂的流动速度,即用一定量的引流砂流过水口的时间来衡量。引流砂流过水口的时间越短,说明它的流动性越好。尽管实验是在冷态条件下进行的,与热态条件有一定的差别,但所测结果对不同引流砂流动性的比较还是有用的;然而由于实验条件下引流砂流过水口的时间均很短,给计时带来麻烦,人为误差较大,所以不是定量评价引流砂流动性的好方法。二是定性评价引流砂流动性的方法:测定引流砂的安息角(又称休止角),安息角是静止试样表面与水平面相交形成的夹角,其大小直接反映样品的流动性能,安息角越小,试样的摩擦系数也越小,流动性也越好。

  安息角的测定装置由支架、漏斗、圆平板和刻度尺组成。研究人员将一定量的引流砂样品倒入漏斗内,使引流砂样品通过漏斗落在直径为200mm的圆平板上。为保持实验的统一和对比,每次实验的引流砂样品数量要保持一致。

  引流砂堆积密度的测定。研究人员将引流砂装满500ml的容量瓶,在振动台上振动1分钟,边振动边添加砂至满。将称量的总重减去空瓶重,再除以容量瓶的总容量(530ml),所得即为砂子的堆积密度。

  引流砂烧结性能的测定方法。引流砂的烧结性能测定一直停留于定性的表述上。但随着对引流砂研究的深入进行如用手抠动焙烧后的引流砂,依据可抠动的程度,从未烧结到严重烧结分成若干级别,来表征引流砂的烧结程度。这种定性的方法所描述的引流砂烧结性受外界因素影响太大,而且未能与钢包钢水静压力联系起来,无法根据级别掌握引流砂表层的烧结层是否能被钢水压碎而实现自开。这是第一种引流砂烧结性能的测定方法。还有研究人员采用热震性来表征引流砂的烧结性,根据焙烧的引流砂试样的开裂程度来判断是否能够自开。该方法虽然较前一种方法准确些,但是仍然是一种定性的方法,无法确定什么样的开裂程度(如裂纹长度、宽度、深度)能够保证自开。基于此,一种量化引流砂烧结性的试验方法顺势而生,其原理是:引流砂的烧结性通过试样焙烧后的强度来体现,以引流砂焙烧试样的抗折强度值大小表征引流砂在高温下的烧结性的强弱。实现了量化引流砂的烧结性,以便准确判断引流砂能否在钢水静压力下被压碎、能否实现自开。

  引流砂热膨胀率的测量方法。引流砂热膨胀率的测定方法采用分度值为0.02mm游标卡尺测量引流砂样块在各个温度热处理前后的试样长度,利用相关公式进行计算而得到。

  对比分析助引流砂成功应用

  实验原料。为确保实验的科学有效,研究人员选用了以下实验原料:SiO2含量≥95%的南方某地海砂,粒度为1.5mm~0.8mm和1.0mm~0.5mm;宝珠砂(Al2O3含量≥70%,SiO2含量≤18%,成球率90%,耐火度≥1790℃),粒度1.0mm~0.5mm,复合碳质润滑剂(C含量≥97%)、促烧结剂、有机类结合剂、临时结合剂(HEC溶液)。

  实验过程。研究人员将按照配方比例称量好的海砂倒入强制式搅拌机内,搅拌1分钟~2分钟,再加入有机类结合剂,待海砂颗粒完全润湿后,加入复合碳质润滑剂、促烧结剂以及宝珠砂,混合10分钟~15分钟,出料。将此混合料在干燥器内180℃干燥8小时,自然冷却至室温,取一部分检测堆积密度和安息角;剩下的混合料倒入搅拌机内并加入质量分数2%的HEC溶液2%进行搅拌,搅拌好的料在压力机上成型为25mm×25mm×145mm的长条样块,成型压力为50MPa。样块在室温下养护24小时后于110 ℃干燥器干燥24小时后,在高温炉内分别经1500℃环境下1小时、1550℃环境下1小时、1600℃环境下1小时进行热处理,采用GB-T2997-2000测定热处理后试样的显气孔率和体积密度;采用GB-T3001-2007检测热处理后试样的常温抗折强度。

  实验结果和分析。由实验结果可知,随着热处理温度的升高,引流砂样块的抗折强度有所增大,这说明随着钢水温度的升高,引流砂烧结层会变厚,但是由表2还可以看出,热处理温度高于1550 ℃时,引流砂样块的热膨胀率下降,体积密度增大,显气孔率减小,阻碍了钢水渗透到引流砂内部,不易形成高强度的钢砂混凝体,有利于钢水自开。

  钢厂应用情况。研究人员将研制的上述引流砂在某钢厂连续批量使用100吨,使用效果良好。经过统计,钢包自开率达到96.9%。该钢厂炼钢条件为钢包容量120吨,冶炼主要钢种包括Q195、Q195L、Q235B、Q345B等,50%钢种过LF精炼,精炼温度1600℃左右,精炼时间为20分钟~30分钟,钢包浇钢温度1580℃至1610℃,浇钢时间在30~35分钟,钢包周转周期为2小时~2.5小时左右。