摘  要  鉻質(zhì)引流砂指以鉻鐵礦為主、添加適量性能調(diào)節(jié)劑制成的鋼包引流材料。鉻質(zhì)引流砂由于其使用性能較硅質(zhì)、鎂橄欖石質(zhì)及其他材質(zhì)穩(wěn)定，目前作為鋼包引流材料使用也較為普遍。因此以鉻鐵砂和石英砂為主要原料，研究了鉻鐵砂與石英砂配比、配制溶液對(duì)引流砂性能的影響。結(jié)果表明：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(dòng)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(duì)引流砂的的均勻性和燒結(jié)性能具有較明顯的改善。3）研制的引流砂在1 400 ℃ 3 h熱處理后與在1 550 ℃ 3 h熱處理后燒結(jié)程度相差較大。

關(guān)鍵詞  鉻質(zhì)引流砂  鋼包  鉻鐵砂  石英砂  纖維素

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(jié)以避免加入鋼水時(shí)引流砂上浮造成事故，另一方面要求在高溫和長(zhǎng)時(shí)間冶煉狀態(tài)下迎鋼面不能燒結(jié)過厚，否則影響自動(dòng)開澆率，從而影響正常冶煉操作。目前市面上引流砂的材質(zhì)主要有鉻質(zhì)、硅質(zhì)和鎂橄欖石質(zhì)，而鉻質(zhì)引流砂由于其自動(dòng)開澆率高，適用范圍廣，故這種材質(zhì)在各鋼廠的使用最為普遍。目前關(guān)于鉻質(zhì)引流砂的研制報(bào)道中對(duì)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(yàn)中通過優(yōu)化試驗(yàn)方法及材料組成，調(diào)制具有一定粘度的結(jié)合劑，提高攪拌均勻性，以進(jìn)一步提高鉻質(zhì)引流砂的自動(dòng)開澆效果。

2  試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)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(dòng)性能。通過加入潤(rùn)滑劑及少量的添加物控制引流砂的燒結(jié)溫度和燒結(jié)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(dòng)開澆率。使用的主要原料情況及實(shí)驗(yàn)配比見表1、表2。

表1  試驗(yàn)用主要原料的化學(xué)成分情況  

表2  試驗(yàn)的引流砂配比

鉻鐵礦和石英砂均屬于高熔點(diǎn)耐火原料，鉻鐵礦的熔點(diǎn)為1 890 ℃～2 050 ℃，石英砂的熔點(diǎn)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(shí)添加炭黑增加潤(rùn)滑，以提高引流砂的流動(dòng)性能。

2.2  性能測(cè)試方法

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

（2）流動(dòng)值：采用水泥砂漿流動(dòng)度測(cè)量?jī)x測(cè)試，將試驗(yàn)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(dòng)值即為所測(cè)流動(dòng)值。

（3）燒結(jié)性：本次試驗(yàn)中采用預(yù)埋燒結(jié)法，將引流砂放入預(yù)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(cè)和底部用剛玉砂充填，放入高溫爐中分別經(jīng)1 400 ℃和1 550 ℃保溫3 h熱處理，冷卻后試樣由于燒結(jié)而形成柱狀，取出后即可測(cè)其體積密度和耐壓強(qiáng)度。

3  結(jié)果與討論

3.1  流動(dòng)性及堆積密度

（a）                                  （b）

圖1  為試樣在常溫條件下的自流值（a）和堆積密度（b）

圖1（a）常溫試樣的自流值和堆積密度可見：當(dāng)鉻鐵砂和石英砂的質(zhì)量比為5:4時(shí)，試樣的自流值最大；其質(zhì)量增大至6:3時(shí)，試樣自流值出現(xiàn)了降低；繼續(xù)增大至7:2時(shí)，自流值又回升，但繼續(xù)增加后變化就不大了。引流砂的流動(dòng)性能與原料的粒度、形狀及體積密度都有較為密切的關(guān)聯(lián)，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(rùn)，故石英砂含量最多的試樣C-1的流動(dòng)度最大；鉻鐵砂的棱角較明顯，故試樣C-2的流動(dòng)值開始降低，而隨著鉻鐵砂添加量繼續(xù)加大，試樣C-3由于其體積密度增大，故流動(dòng)值又出現(xiàn)升高現(xiàn)象。由圖1（b）可以看出，由于鉻鐵砂的體積密度遠(yuǎn)大于石英砂的，故隨著鉻鐵砂和石英砂的質(zhì)量比的升高，試樣的堆積密度基本呈直線升高趨勢(shì)。

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(jié)層自動(dòng)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(yàn)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、石墨或碳黑因比重相差很大，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(shí)能使碳黑包裹在顆粒表面，采取加入溶液的方法，使顆粒潤(rùn)濕具有適宜的粘性。

（2）調(diào)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?dāng)嚢?，再按比例加入一定范圍溫度熱水?dāng)嚢?，調(diào)制后要保證放置一段時(shí)間后使用，使纖維素充分溶解。

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

3.3  燒結(jié)性能

2.3.1  引流砂在高溫后的燒結(jié)性試驗(yàn)

4組配方試樣經(jīng)過1 400 ^oC 3 h熱處理后燒結(jié)程度均較低，經(jīng)過1 550 ^oC 3 h燒結(jié)，試樣外觀明顯變化（見圖2），耐壓強(qiáng)度也升高。可以看出：隨著引流砂中Cr₂O₃含量增加，試樣外觀顏色逐漸變黑。

圖2  試樣經(jīng)1 550 ^oC 3h熱處理后外觀形態(tài)

圖3  燒后試樣的耐壓強(qiáng)度

從圖3可以看出：經(jīng)1 400 ℃處理后，試樣的耐壓強(qiáng)度均較低，不超過0.5 MPa，說明在該溫度下試樣的燒結(jié)程度較低，此時(shí)應(yīng)處在燒結(jié)的初始階段；經(jīng)1 550 ℃處理后，試樣的耐壓強(qiáng)度較1 400 ℃處理后的明顯升高，說明試樣已明顯燒結(jié)。隨著鉻鐵砂與石英砂質(zhì)量比從；5:4增至8:1，試樣強(qiáng)度先增大后降低，當(dāng)兩者質(zhì)量比為7:2時(shí)，試樣C-3的耐壓強(qiáng)度最大，為9.2 MPa，表明此試樣的燒結(jié)性能最好。在加熱過程中，石英砂中的SiO₂要與鉻鐵砂中的FeO反應(yīng)生成鐵橄欖石(2FeO.SiO₂)，鐵橄欖石的熔點(diǎn)較低(1 200 ℃)。因鉻鐵砂與石英砂的體積密度相差較大，故當(dāng)兩者的體積比接近時(shí)，接觸的點(diǎn)最多，此時(shí)反應(yīng)產(chǎn)生的低熔點(diǎn)相鐵橄欖石較多，燒結(jié)性能較好。

2.3.2  添加物對(duì)試驗(yàn)樣的燒結(jié)性能的影響

加入鉀長(zhǎng)石高溫煅燒后試驗(yàn)砂呈現(xiàn)中重度燒結(jié)，使引流砂在與鋼水接觸時(shí)能夠較快的燒結(jié)形成燒結(jié)層，防止引流砂被沖散和鋼水滲透，有促燒作用。鉀長(zhǎng)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(jié)層快速形成，防止引流砂的漂浮；加入鎂砂MgO含量≥97 %，粒度20-40目，在高溫狀態(tài)下抑制石英砂膨脹，避免滑板磚打開時(shí)引流砂在水口磚內(nèi)膨脹產(chǎn)生棚料而落砂不暢，影響引流效果。

2.4  抗鋼液滲透性能

（1）引流砂使用時(shí)，其上端要直接接觸鋼水，故其抗鋼液滲透性能對(duì)其使用性能影響亦較為關(guān)鍵。試驗(yàn)采用在剛玉澆注料制成的坩堝內(nèi)中先放入25 g試驗(yàn)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(jīng)1 550 ^oC 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(píng)價(jià)其抗鋼水滲透性能。

（2）經(jīng)1 550 ^oC 3 h處理，剛玉坩堝孔內(nèi)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(yàn)的引流砂先后試驗(yàn)鋼包65 t，水口直徑55 mm，出鋼溫度為1 610 ℃～1650 ℃，鋼包傳擱時(shí)間在60 min以內(nèi)，采用漏斗導(dǎo)管加砂有利于引流砂形成園凸?fàn)?。試?yàn)引流砂分5批次共試制了2 650 kg，分別試用了112個(gè)鋼包，全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)開澆，試驗(yàn)鋼包引流砂能夠滿足使用要求，保證了鋼水的質(zhì)量及連鑄正常有序生產(chǎn)。同時(shí)，鋼包自動(dòng)開澆率還與鋼包大小、出鋼溫度、精煉方式、傳擱時(shí)間、水口大小、加砂方式等因素有關(guān)。

圖4  試制引流砂投入鋼包內(nèi)情況

5  結(jié)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(dòng)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(duì)引流砂的的均勻性和燒結(jié)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。

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