鋼包引流砂燒結(jié)與鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率提升研究進(jìn)展
鄧志銀1,2，彭朋3，朱苗勇1,2
(1. 東北大學(xué)多金屬共生礦生態(tài)化冶金教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽(yáng) 110819；
2. 東北大學(xué)冶金學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110819；3. 上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200240)
摘要：為了提升鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率，總結(jié)了鋼包引流砂燒結(jié)的研究與工業(yè)實(shí)踐成果，闡述了引流砂的燒結(jié)性能、鋼包自動(dòng)開(kāi)澆的影響因素及提升措施，重點(diǎn)關(guān)注了不同材質(zhì)引流砂的燒結(jié)機(jī)理和鋼液對(duì)引流砂燒結(jié)的作用機(jī)制。不同材質(zhì)引流砂的燒結(jié)結(jié)構(gòu)類(lèi)似，一般分為燒結(jié)層(包括部分燒結(jié)層)和未燒結(jié)層。引流砂的實(shí)際燒結(jié)層很薄，而且絕大多數(shù)引流砂會(huì)呈現(xiàn)未燒結(jié)的狀態(tài)。引流砂的燒結(jié)過(guò)程主要是液相的演變過(guò)程，燒結(jié)過(guò)程生成的液相越多，引流砂燒結(jié)越嚴(yán)重。合理控制燒結(jié)過(guò)程的液相生成和燒結(jié)厚度是提升合金鋼鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率的關(guān)鍵。引流砂的成分和粒度、鋼液的作用以及溫度和停留時(shí)間等因素是影響鋼包自動(dòng)開(kāi)澆的主要因素。鋼液會(huì)參與引流砂的燒結(jié)過(guò)程，使砂中形成更多的液相，從而加速引流砂的燒結(jié)，因而引流砂的開(kāi)發(fā)不能忽略鋼液的作用。一般情況下，在常規(guī)鋼種生產(chǎn)中，鉻質(zhì)引流砂可獲得很高的鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率。對(duì)于合金元素(特別是錳和鋁)含量很高的鋼種，現(xiàn)有鉻質(zhì)引流砂和鋯質(zhì)引流砂的使用效果還不夠理想，還需要研發(fā)新型引流砂來(lái)抑制鋼液與引流砂的過(guò)度作用，以提高鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率。
關(guān)鍵詞：引流砂；燒結(jié)；自動(dòng)開(kāi)澆；液相；鉻鐵礦
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：0449-749X（2022）01-0001-12
State of art in study on sintering of ladle filler sands and improvement of ladle free-opening rate
DENG Zhi-yin1,2,PENG Peng3,ZHU Miao-yong1,2
(1. Key Laboratory for Ecological Metallurgy of Multimetallic Mineral (Ministry of Education), Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning， China;2. School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning， China;3. School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)
Abstract：In order to avoid oxygen lancing when teeming, the studies on the sintering of ladle filler sands and the practices on ladle free-opening are summarized. The sintering properties of filler sands, and the influential factors of ladle free-opening as well as its improvement methods are introduced, while the sintering mechanism of different types of filler sands and the effect of liquid steel on sintering are discussed in detail. As reported, the sintering structures of different types of filler sands are very similar, and generally divided into sintered layer (including partial sintered layer) and non-sintered layer. The thickness of the sintered layer is quite thin, while most of the sand grains are non-sintered. The formation of the liquid phase is the key to the sintering of ladle filler sands, and more liquid generation would result in serious sintering. Proper control of the formation of the liquid phase in ladle filler sands and the thickness of the sintered layer is crucial for the teeming of alloyed steels. The composition and the size of filler sands, steel composition, temperature as well as holding time are the main influential factors to improve ladle free-opening rate. Liquid steel is involved in the sintering process and enhances the formation of the liquid phase, accelerating the sintering. The development of a new kind of filler sands should take the steel composition into account. In general, conventional chromite-based filler sands can obtain a high free-opening rate during the teeming of conventional steel grades. In case of the steel grades containing high contents of alloys (especially Mn and Al), the application result of the chromite-based and zircon-based filler sands is unsatisfied, and new types of ladle filler sands are required to restrain the acceleration of liquid steel on the sintering and improve the ladle free-opening rate.
Key words：filler sand; sintering; free-opening; liquid phase; chromite
鋼包引流砂需填充在鋼包座磚中隔離鋼液和滑板，以起到保護(hù)滑板的作用。座磚頂部的引流砂會(huì)在鋼液高溫作用下開(kāi)始燒結(jié)。當(dāng)打開(kāi)滑板時(shí)，下部疏松的引流砂會(huì)自動(dòng)流出，頂部的燒結(jié)層也會(huì)在鋼液靜壓下的作用下破裂，并使鋼液隨之流出。這一過(guò)程即鋼包自動(dòng)開(kāi)澆。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，常常會(huì)遇到鋼包不能自動(dòng)開(kāi)澆的情況，鋼鐵企業(yè)不得不采用燒氧來(lái)補(bǔ)救，以去除堵塞的引流砂。實(shí)際上，燒氧過(guò)程不僅會(huì)嚴(yán)重惡化鋼液的潔凈度，而且還存在安全隱患，同時(shí)也會(huì)影響生產(chǎn)效率。因此，各鋼鐵企業(yè)均重視提升鋼包的自動(dòng)開(kāi)澆率，并以100%的自動(dòng)開(kāi)澆率為最終目標(biāo)。
很多學(xué)者和技術(shù)人員研究分析了影響鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率的各種因素，并獲得了鋼包不能自動(dòng)開(kāi)澆的3種機(jī)理：引流砂的燒結(jié)層過(guò)厚；引流砂上面的鋼液冷凝且形成的凝固層過(guò)厚；鋼液滲透進(jìn)入引流砂。通常，引流砂燒結(jié)過(guò)重被認(rèn)為是鋼包不能自動(dòng)開(kāi)澆的主要原因。因此，學(xué)者們重點(diǎn)關(guān)注了引流砂的各種特性(如耐火度、成分、粒度分布及堆積密度等)對(duì)其燒結(jié)的影響。這些研究中，絕大多數(shù)研究只考慮了引流砂自身的燒結(jié)，也有少部分研究了引流砂與鋼液的相互作用。學(xué)者和技術(shù)人員對(duì)引流砂燒結(jié)行為仍然缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。此外，在工業(yè)實(shí)踐中，影響鋼包自動(dòng)開(kāi)澆的各種因素大多數(shù)是基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)總結(jié)得到的，人們對(duì)部分因素的影響機(jī)理認(rèn)識(shí)尚不深入。
近年來(lái)，本文作者針對(duì)不同材質(zhì)引流砂開(kāi)展了研究，重點(diǎn)考察了引流砂與鋼液的相互作用，不僅發(fā)現(xiàn)鋼液對(duì)引流砂燒結(jié)行為的影響重大，而且還發(fā)現(xiàn)引流砂與鋼液的反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)形成鋼中大型夾雜物而難以去除。本文總結(jié)介紹國(guó)內(nèi)外有關(guān)引流砂燒結(jié)的研究以及提升鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率的工業(yè)實(shí)踐成果，重點(diǎn)闡述引流砂的燒結(jié)機(jī)理和鋼液的作用機(jī)制，為提升鋼包的自動(dòng)開(kāi)澆率提供方向和指導(dǎo)。
1鋼包引流砂性能與結(jié)構(gòu)
1.1引流砂基本性能
引流砂的理化性能主要包括：顆粒形狀與粒度、燒結(jié)性、抗鋼液滲透性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性等。通常，鋼包引流砂應(yīng)具備以下基本性能。
(1)合適的燒結(jié)性能。燒結(jié)程度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)層太厚導(dǎo)致鋼水靜壓力難以沖破；燒結(jié)程度過(guò)低則可能導(dǎo)致引流砂上浮，或?qū)е落撍疂B入形成凝鋼，不利于鋼包自動(dòng)開(kāi)澆。
(2)良好的流動(dòng)性。引流砂使用過(guò)程中承受的鋼液靜壓力較大，良好的流動(dòng)性可以避免繃料。
(3)合理的尺寸效應(yīng)。在高溫作用下，引流砂應(yīng)避免出現(xiàn)無(wú)法自動(dòng)下落或無(wú)法支撐上部材料的情況。
(4)穩(wěn)定的化學(xué)性能。在高溫作用下，引流砂應(yīng)不與水口耐火材料發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)能抵抗鋼液和熔渣的滲透和侵蝕。
1.2引流砂材質(zhì)
目前，國(guó)內(nèi)外使用的引流砂主要包括硅質(zhì)、鉻質(zhì)、鋯質(zhì)和鎂質(zhì)等幾類(lèi)。
硅質(zhì)引流砂以石英砂為原料，添加部分堿性長(zhǎng)石等添加劑混合制成。硅質(zhì)引流砂價(jià)格低廉，抗鋼液滲透能力強(qiáng)，自動(dòng)開(kāi)澆率高，實(shí)際應(yīng)用廣泛，目前的使用比例約為20%~30%。硅質(zhì)引流砂在高溫下會(huì)出現(xiàn)較大的體積膨脹，導(dǎo)致流動(dòng)性降低，同時(shí)由于呈酸性，會(huì)影響中間包壽命。
鉻質(zhì)引流砂的主要原料為鉻鐵礦和石英砂，其密度大，熔點(diǎn)高，流動(dòng)性好，耐火度高，具有很強(qiáng)的抗鋼液滲透性，與鋼水長(zhǎng)時(shí)間接觸仍能保持高自動(dòng)開(kāi)澆率。目前，鉻質(zhì)引流砂被大多數(shù)鋼廠普遍使用，使用比例約為50%。
鋯質(zhì)引流砂以鋯英石為主原料，顆粒呈圓形，具有熱膨脹率低、導(dǎo)熱性好、密度大、抗鋼水滲透能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，其一直被認(rèn)為是理想的鋼包引流砂材料。由于價(jià)格高昂，鋯質(zhì)引流砂在現(xiàn)場(chǎng)使用較少。
鎂質(zhì)引流砂則較為廉價(jià)，常使用在模鑄工藝中。其以鎂橄欖石為主要原料，具有熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱率低、相變膨脹小、化學(xué)性能穩(wěn)定以及抗金屬氧化物侵蝕能力強(qiáng)等特點(diǎn)。這類(lèi)引流砂在連鑄工藝的自動(dòng)開(kāi)澆率較低，目前鋼廠的使用比例為15%～20%。4種引流砂的使用性能對(duì)比見(jiàn)表1。
1.3引流砂燒結(jié)結(jié)構(gòu)
羅德康等提出引流砂燒結(jié)呈現(xiàn)2層結(jié)構(gòu)：第1層為燒結(jié)層；第2層則是原有引流砂。Garlick C 等研究發(fā)現(xiàn),不同材質(zhì)的引流砂具有相似的3層燒結(jié)結(jié)構(gòu)：最上層為燒結(jié)層，該層引流砂與鋼液直接接觸，并具有一定強(qiáng)度和厚度；中間為半燒結(jié)層(部分燒結(jié)層)；最下部為低溫區(qū)，為與常溫狀態(tài)下相同的疏松層。對(duì)于不同材質(zhì)的引流砂，燒結(jié)時(shí)區(qū)別主要為于各層相對(duì)厚度不同。
實(shí)際上，引流砂的導(dǎo)熱系數(shù)較小，引流砂的溫度隨著與鋼液的距離增加而迅速下降，因此引流砂的燒結(jié)層(包括部分燒結(jié)層)會(huì)很薄，而且絕大多數(shù)引流砂會(huì)呈現(xiàn)未燒結(jié)的狀態(tài)。鉻質(zhì)引流砂的燒結(jié)實(shí)際照片、示意圖以及工業(yè)實(shí)測(cè)溫度分布 如圖1所示。由圖1可知，與鋼液接觸的燒結(jié)層非常致密，其厚度僅為1 mm左右，在此之下的燒結(jié)層則開(kāi)始出現(xiàn)較多的孔洞。此外，如圖1(c)所示，鋼包座磚附近的引流砂的實(shí)測(cè)溫度已經(jīng)低于1 200 ℃，在此溫度下引流砂很難燒結(jié)。由此可見(jiàn)，得到合理的燒結(jié)層厚度是實(shí)現(xiàn)鋼包自動(dòng)開(kāi)澆的關(guān)鍵。
2 鋼包引流砂燒結(jié)機(jī)理
2.1硅質(zhì)引流砂燒結(jié)
學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在硅質(zhì)引流砂燒結(jié)過(guò)程中，砂中的堿性長(zhǎng)石最先開(kāi)始熔化，并將周?chē)氖㈩w粒黏結(jié)成塊狀。Kobayashi Y 等分析了不同燒結(jié)溫度條件下砂中的物相變化，其結(jié)果如圖2所示。由于堿性長(zhǎng)石的熔點(diǎn)為1 150 ℃，因此硅質(zhì)引流砂在高于此溫度時(shí)開(kāi)始生成液相而燒結(jié)。隨著溫度進(jìn)一步升高，SiO2逐漸溶解在液相中，液相中的Al2O3、Na2O及K2O等比例明顯降低，且液相比例不斷增加，引流砂燒結(jié)程度隨之加劇。
2.2鉻質(zhì)引流砂燒結(jié)
Tomba A G 等研究鉻質(zhì)引流砂燒結(jié)時(shí)發(fā)現(xiàn)，鉻鐵礦顆粒與石英顆粒周?chē)嬖诠杷猁}液相，推測(cè)這可能是由于石英的熔化。作者的研究則證明了液相的形成與石英相的溶解密切相關(guān)。鉻質(zhì)引流砂在不同燒結(jié)時(shí)間條件下的燒結(jié)物相和形貌如圖3所示。由圖3可知，隨著燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，引流砂中的液相不斷增加，而石英相不斷減少，甚至完全溶解(圖3(c))。鉻鐵礦與石英顆粒之間的化學(xué)反應(yīng)是鉻質(zhì)引流砂燒結(jié)的主要機(jī)理。鉻鐵礦相與石英相反應(yīng)生成液相的證據(jù)如圖4所示。由圖4可知，鉻鐵礦顆粒中的氧化物(FeO、Al2O3及MgO)在燒結(jié)過(guò)程中不斷向邊界擴(kuò)散并與石英(SiO2)反應(yīng)生成SiO2-FeO-Al2O3-MgO系液相。這些液相將鉻鐵礦和石英顆粒黏結(jié)在一起，從而引起鉻質(zhì)引流砂燒結(jié)。
2.3鋯質(zhì)引流砂燒結(jié)
文獻(xiàn)指出，鋯英石在高溫下會(huì)分解成氧化鋯和富SiO2玻璃相。Wessel R L 等研究發(fā)現(xiàn)鋯英石中存在十字石［Fe2Al9O7(SiO4)4(OH)］低熔點(diǎn)雜質(zhì)，其含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鋯質(zhì)引流砂過(guò)分燒結(jié)。Cox F X 等發(fā)現(xiàn)鋯質(zhì)引流砂燒結(jié)后，鋯英石顆粒被一層極薄的SiO2玻璃相黏結(jié)起來(lái)，他們認(rèn)為該玻璃相源于砂中少量石英顆粒的熔化以及鋯英石顆粒自身的分解。引流砂中的雜質(zhì)會(huì)與石英反應(yīng)生成復(fù)雜的硅酸鹽，同時(shí)促進(jìn)鋯英石的分解形成更多黏結(jié)相，從而加劇引流砂燒結(jié)。此外，作者研究發(fā)現(xiàn)，鋯質(zhì)引流砂中的莫來(lái)石顆粒同樣會(huì)與鋯英石反應(yīng)生成液相和氧化鋯，且由鋯英石分解產(chǎn)生的細(xì)小氧化鋯在液相中大量析出，如圖5所示。
從硅質(zhì)、鉻質(zhì)和鋯質(zhì)引流砂的燒結(jié)機(jī)理可以看出，引流砂的燒結(jié)過(guò)程主要是液相的演變過(guò)程。引流砂顆粒自身的熔化或者顆粒之間發(fā)生反應(yīng)生成液相是各類(lèi)引流砂燒結(jié)的共同機(jī)理。燒結(jié)過(guò)程生成的液相越多，引流砂燒結(jié)越嚴(yán)重。因此，要控制引流砂過(guò)度燒結(jié)，應(yīng)該合理控制液相的生成。
3 鋼包自動(dòng)開(kāi)澆影響因素
3.1引流砂的影響
引流砂性能是影響鋼包自動(dòng)開(kāi)澆的重要因素。就引流砂自身而言，造成鋼包無(wú)法自開(kāi)原因主要有以下幾種：(1)引流砂的燒結(jié)層過(guò)厚，導(dǎo)致鋼液靜壓力無(wú)法將其沖破；(2)鋼液滲入引流砂顆粒之間并凝固形成高強(qiáng)度的鋼砂混凝層；(3)引流砂流動(dòng)性下降，開(kāi)澆時(shí)無(wú)法自動(dòng)流出。以上原因主要涉及引流砂的成分、粒度和水含量等參數(shù)。
3.1.1引流砂成分
引流砂的成分與引流砂的燒結(jié)性能密切相關(guān)。引流砂材質(zhì)不同，燒結(jié)性能也不同。學(xué)者指出，硅質(zhì)引流砂中的石英砂純度和堿性長(zhǎng)石含量會(huì)影響硅質(zhì)引流砂的燒結(jié)性能。適量的長(zhǎng)石有利于抑制硅質(zhì)引流砂體積膨脹，提高抗鋼水滲透性，但長(zhǎng)石過(guò)多則會(huì)引起引流砂過(guò)度燒結(jié)，反而降低自開(kāi)率。如前文所述，鉻質(zhì)引流砂的使用性能優(yōu)于硅質(zhì)引流砂，這是由于高溫條件下鉻質(zhì)引流砂燒結(jié)產(chǎn)生的液相更少。研究發(fā)現(xiàn)，鉻鐵礦與石英砂配比對(duì)鉻質(zhì)引流砂的燒結(jié)性能有明顯的影響。砂中石英含量越高，燒結(jié)產(chǎn)生的液相越多，燒結(jié)越致密。此外，合適的鉻鐵礦與石英砂配比還可以提升引流砂的流動(dòng)性能。此外，鉻鐵礦砂的成分(如Cr2O3和FeO含量)也會(huì)影響引流砂的使用效果。
Garlick C等指出引流砂成分的改變還會(huì)引起其導(dǎo)熱系數(shù)的變化，從而影響水口內(nèi)引流砂的溫度場(chǎng)。何毅和JIANG Z H 等指出，在相同溫度下，不同材質(zhì)引流砂導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系為鉻質(zhì)>鎂質(zhì)>硅質(zhì)。通常引流砂導(dǎo)熱系數(shù)越大，其形成的燒結(jié)層越厚，越不利于自動(dòng)開(kāi)澆。
同時(shí)，向砂中添加一定的石墨用作潤(rùn)滑劑，降低引流砂自身與座磚內(nèi)壁間的摩擦力，可以有效提高引流砂的流動(dòng)性。盡管如此，過(guò)多石墨加入會(huì)導(dǎo)致引流砂出現(xiàn)明顯的偏析，反而降低了引流砂流動(dòng)性。此外，添加石墨還會(huì)降低引流砂的導(dǎo)熱系數(shù)，且石墨不與鋼液或熔渣潤(rùn)濕，可以有效阻止鋼液的侵蝕和滲透。
3.1.2粒度
引流砂粒度主要影響引流砂的反應(yīng)界面、流動(dòng)性和導(dǎo)熱系數(shù)。引流砂細(xì)小的粒徑導(dǎo)致了更大的接觸界面，有利于引流砂燒結(jié)行為的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，硅質(zhì)引流砂粒度減小后，燒結(jié)程度顯著提升，液相區(qū)面積更大，液相中SiO2含量也更高。同樣，鉻質(zhì)引流砂中石英顆粒越細(xì)小，燒結(jié)產(chǎn)生的液相越多，燒結(jié)越致密。此外，唐萍和占海濤等指出，引流砂顆粒越圓潤(rùn)，粒度分布越均勻，體積密度越大，其流動(dòng)性越好；而Farshidfar F 等則認(rèn)為較廣的粒度分布可以提高引流砂的流動(dòng)性能。何毅和JIANG Z H等指出粒度是影響引流砂導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵，增大粒度會(huì)使導(dǎo)熱系數(shù)減小。
3.1.3水含量
Seixas M L和劉鋒等研究發(fā)現(xiàn)，引流砂水含量直接影響引流砂的燒結(jié)層強(qiáng)度及致密度。水含量越高，加熱時(shí)水蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽量就越多，向外膨脹越嚴(yán)重，燒結(jié)結(jié)構(gòu)也就越松散，更容易導(dǎo)致鋼液滲入引流砂顆粒間，影響鋼包自動(dòng)開(kāi)澆。
特別地，作者研究鉻質(zhì)引流砂的燒結(jié)行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，鋼液很難滲入鉻質(zhì)引流砂的燒結(jié)層。實(shí)際上，圖1(a)就是一個(gè)證據(jù)。因此，作者更傾向于引流砂的燒結(jié)層過(guò)厚而導(dǎo)致鋼包無(wú)法自動(dòng)開(kāi)澆。
3.2鋼種的影響
隨著冶煉鋼種的不同，鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率也存在差異。冶金工作者依據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，液相線溫度高和合金加入量大的鋼種鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率通常較低。Balajee S R 等提出，碳含量高的鋼種自動(dòng)開(kāi)澆率較高。秦祖宏等發(fā)現(xiàn)鋼包自開(kāi)率隨錳含量升高而降低，且鉻和鉬等元素會(huì)加劇鋼包自開(kāi)率降低。Kovacˇicˇ M 等指出，鋼中鋁含量和錳含量是影響鋼包自動(dòng)開(kāi)澆的重要因素。不得不指出，這些結(jié)論大多數(shù)是基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到，尚未提及具體的影響機(jī)理。
羅德康等指出鋼液作用下的硅質(zhì)引流砂燒結(jié)結(jié)構(gòu)與無(wú)鋼液作用的結(jié)構(gòu)類(lèi)似。不同的是，距離鋼液-引流砂界面越近，引流砂中的玻璃相越多，同時(shí)SiO2固體顆粒減少，并且不再保持晶體狀態(tài)。此外，Garlick C 等發(fā)現(xiàn)，鋼液-硅質(zhì)引流砂界面附近的SiO2顆粒被硅酸鋁錳液相黏結(jié)在一起。由于初始引流砂中并沒(méi)有錳元素，因此他們認(rèn)為液相中的MnO可能來(lái)自鋼液中錳。
作者考察了不同鋼液對(duì)鉻質(zhì)引流砂燒結(jié)的影響機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，相比單獨(dú)燒結(jié)的引流砂，即使是與純鐵液接觸的引流砂，砂中生成的液相更多，其燒結(jié)程度也明顯更高，如圖6所示。這說(shuō)明，鋼液促進(jìn)了引流砂中液相的生成，從而加劇了引流砂的燒結(jié)。通常含有較高錳含量和鋁含量的鋼種會(huì)促使引流砂生成更多的液相。為了進(jìn)一步揭示鋼液的作用機(jī)理，本文作者分析了引流砂中的元素分布如圖7所示，由圖7可知，若鋼液中含有較高錳和鋁，引流砂中液相則含有較高的MnO和Al2O3。這表明液-液反應(yīng)是鋼液與引流砂的主要反應(yīng)行為。由于引流砂中并不含MnO，因而液相中的MnO來(lái)自引流砂與鋼液的反應(yīng)。此外，液相中的Al2O3相比鉻鐵礦中Al2O3有升高趨勢(shì)，這說(shuō)明鋼液中的鋁元素也參與了反應(yīng)從而生成更多的Al2O3。鋼液作用過(guò)程見(jiàn)式(1)和式(2)。特別地，對(duì)于純鐵液，式(3)也被驗(yàn)證是可以發(fā)生的，從而使液相中的FeO含量增加。液相中這些氧化物增加很可能降低了液相線溫度，這是鋼液與引流砂反應(yīng)促進(jìn)液相形成的關(guān)鍵。
此外，作者還研究了鋼液對(duì)鋯質(zhì)引流砂的作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，與鉻質(zhì)引流砂類(lèi)似，鋼液中的錳元素和鋁元素甚至是鐵元素都會(huì)參與鋯質(zhì)引流砂的燒結(jié)行為，從而生成更多的液相，并加劇引流砂的燒結(jié)。由于鋯質(zhì)引流砂不含F(xiàn)eO，因此式(4)成為液相中生成MnO的主要化學(xué)反應(yīng)。鋼中的錳含量顯著影響鋯質(zhì)引流砂的燒結(jié)。同時(shí)，因引流砂中含有較多莫來(lái)石顆粒，在常規(guī)鋼種鋁含量條件下，式(2)的作用則相對(duì)較弱。
綜上所述，鋼種對(duì)引流砂的燒結(jié)行為有著重要的影響。無(wú)論是硅質(zhì)，還是鉻質(zhì)引流砂，甚至鋯質(zhì)引流砂，鋼液中的錳元素均會(huì)使引流砂中生成更多的液相，嚴(yán)重加劇引流砂的燒結(jié)。同樣也可以推測(cè)，若鋼液中含有過(guò)高的鋁含量，鋼液的作用也會(huì)更加明顯。這些影響機(jī)理研究很好地解釋了生產(chǎn)現(xiàn)象。同時(shí)也可以看到，忽略鋼液的作用來(lái)評(píng)價(jià)引流砂的燒結(jié)性能很可能會(huì)使引流砂的使用效果受到限制。對(duì)于錳含量和鋁含量均較高的鋼種，需要研發(fā)新型引流砂來(lái)抑制鋼液與引流砂的作用，才能獲得適宜的燒結(jié)性能，提高鋼包的自動(dòng)開(kāi)澆率。
3.3鋼包條件的影響
鋼包條件包括鋼包尺寸、周轉(zhuǎn)狀況以及座磚和水口的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和位置等。通常鋼包越小，鋼液靜壓力越小，越不利于自動(dòng)開(kāi)澆。正常周轉(zhuǎn)包的自動(dòng)開(kāi)澆率也明顯高于非周轉(zhuǎn)包。非周轉(zhuǎn)包溫度較低，鋼液易在水口形成冷凝鋼堵塞水口，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致引流砂部分熔化層凝固，增加了燒結(jié)層厚度。
座磚和水口的結(jié)構(gòu)直接影響引流砂能否順利流出。鄭仁和等通過(guò)改進(jìn)座磚形狀有效提高了鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率和水口壽命。蘇樹(shù)紅等指出，改進(jìn)座磚錐度和座磚內(nèi)徑與高的比值可以改善引流砂流動(dòng)狀態(tài)。實(shí)踐表明，鋼包水口形狀由階梯形改變?yōu)殄F形或流線形，有利于引流砂順利下落，自動(dòng)開(kāi)澆率得到顯著提升。水口直徑也會(huì)影響鋼包自開(kāi)率，水口直徑過(guò)小會(huì)導(dǎo)致引流砂流動(dòng)性受限，不利于自動(dòng)開(kāi)澆。
Cathcart C R 等指出，座磚的材質(zhì)直接影響引流砂的附著情況。傳統(tǒng)剛玉材質(zhì)座磚易與引流砂發(fā)生反應(yīng)形成結(jié)瘤；鋁碳質(zhì)座磚幾乎不與引流砂反應(yīng)，能有效避免座磚及水口內(nèi)壁結(jié)瘤，自動(dòng)開(kāi)澆率較高。Shiotani K 等則使用不燒Mg-C質(zhì)座磚代替原有燒成鋯質(zhì)座磚，顯著提高了鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率。
座磚的位置同樣影響鋼包的自動(dòng)開(kāi)澆。當(dāng)鋼包座磚位于出鋼注流的邊緣，出鋼注流會(huì)沖毀引流砂丘，導(dǎo)致鋼液進(jìn)入水口凝固，影響自動(dòng)開(kāi)澆；且出鋼前后加入的脫氧劑和合金落入引流砂破壞引流砂丘形狀，或黏結(jié)在水口座磚附近，影響包底鋼液順利流出。黃燕飛等將出鋼口的安放角度進(jìn)行一定的偏移，可以顯著提高鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率。此外，當(dāng)座磚與包底位置相平時(shí)，鋼包底部無(wú)死區(qū)，吹氬過(guò)程中底部鋼水循環(huán)充分，不易在水口結(jié)成冷鋼，有利于鋼包自動(dòng)開(kāi)澆。座磚高于或低于包底時(shí)，均不利于自動(dòng)開(kāi)澆。
3.4操作條件的影響
3.4.1溫度
研究表明，引流砂燒結(jié)產(chǎn)生的液相比例與溫度變化密切相關(guān)。溫度升高加速了傳質(zhì)和界面反應(yīng)，從而加速燒結(jié)。隨著溫度升高，液相比例會(huì)顯著增大，液相的成分也會(huì)發(fā)生明顯變化，如圖8所示。此外，出鋼溫度同樣影響自動(dòng)開(kāi)澆。出鋼溫度越高，引流砂燒結(jié)層越厚，開(kāi)澆時(shí)鋼液就越難將其沖破。當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，引流砂表面無(wú)法形成致密完整的燒結(jié)層，鋼液易滲入引流砂顆粒間形成鋼砂混凝體。
3.4.2停留時(shí)間
Chien Y T 等發(fā)現(xiàn)，停留時(shí)間長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致引流砂呈現(xiàn)出致密化傾向。Cathcart C R 等認(rèn)為，出鋼到開(kāi)澆的時(shí)間是影響鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率的最重要因素，這段時(shí)間決定著引流砂燒結(jié)層厚度與強(qiáng)度。作者從機(jī)理上分析了停留時(shí)間的影響，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，引流砂中的液相不斷增加，引流砂燒結(jié)也越來(lái)越嚴(yán)重。引流砂液相的生成進(jìn)一步改善了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件，使燒結(jié)反應(yīng)加速。
Balajee S R 等和Bergman 則認(rèn)為，座磚部位鋼液結(jié)殼是影響自動(dòng)開(kāi)澆的重要因素，鋼包停留時(shí)間與此緊密相關(guān)。Balajee S R等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼包停留時(shí)間超過(guò)80 min后，鉻質(zhì)引流砂開(kāi)澆率開(kāi)始下降；當(dāng)精煉結(jié)束到開(kāi)澆的時(shí)間超過(guò)20 min，自開(kāi)率就會(huì)嚴(yán)重降低，這一時(shí)間決定了砂丘上形成的凝鋼殼厚度。鋼包攪拌可以均勻溫度從而降低座磚上凝鋼的厚度，但時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致鋼液滲透，反而降低自動(dòng)開(kāi)澆率。Wessel R L等也提出縮短鋼包的停留時(shí)間以及適當(dāng)攪拌鋼液對(duì)自動(dòng)開(kāi)澆至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)很多鋼廠在生產(chǎn)中也提出了提高鋼包周轉(zhuǎn)效率，縮短鋼包停留時(shí)間的要求。
3.4.3鋼包清理
鋼包清理是鋼包熱修作業(yè)的重要內(nèi)容。若鋼包清理不干凈，包內(nèi)以及水口內(nèi)部仍有殘?jiān)?。這些殘?jiān)鼤?huì)在鋼包烘烤時(shí)熔化并流入水口。加入引流砂時(shí)，回流液渣在水口下部形成強(qiáng)度較大的冷渣層，堵塞水口，不利于鋼包水口自動(dòng)開(kāi)澆。唐貴川等的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，帶渣鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率遠(yuǎn)低于同期正常值，鋼渣回流對(duì)自動(dòng)開(kāi)澆影響極為惡劣。此外，鋼包熱修作業(yè)中，如果不及時(shí)清理填補(bǔ)滑板和水口縫隙的殘余火泥，其在高溫作用下也會(huì)堵塞水口，對(duì)鋼包自動(dòng)開(kāi)澆產(chǎn)生不利影響。
3.4.4加砂操作
裝入引流砂一般會(huì)出現(xiàn)圖9所示的3種堆積狀態(tài)。引流砂的填充狀態(tài)與引流砂加入量密切相關(guān)。引流砂加入量過(guò)多會(huì)造成浪費(fèi)，引流砂加入量不足則不能填滿水口，鋼液進(jìn)入后冷凝會(huì)阻塞水口，無(wú)法自動(dòng)開(kāi)澆。合理的引流砂加入量使水口填充飽滿，形成理想的蘑菇狀，如圖9(a)所示。生產(chǎn)實(shí)踐證明，蘑菇狀填充狀態(tài)可以有效提高鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率。
引流砂加入方式對(duì)引流砂填充狀態(tài)有很大影響，目前引流砂主要通過(guò)人工投擲、導(dǎo)管灌裝、機(jī)械投放以及倒灌等幾種方式加入。人工投擲的方式在國(guó)內(nèi)鋼廠廣泛使用，但具有很大的隨意性，生產(chǎn)中很難保證引流砂使水口填實(shí)灌滿，包裝袋與引流砂黏連也嚴(yán)重影響引流砂的流動(dòng)性。為避免人工投擲方式的弊端，目前很多鋼廠利用長(zhǎng)導(dǎo)管漏斗從上部使引流砂流下，這保證了引流砂投放的準(zhǔn)確性，降低了引流砂消耗。一些鋼廠還開(kāi)發(fā)了機(jī)械設(shè)備用于投放引流砂，機(jī)械設(shè)備使引流砂投放更加精準(zhǔn)。
4 鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率提升措施
4.1優(yōu)化引流砂性能
從前文可以看出，引流砂的使用性能是影響鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率的最核心因素。由于硅質(zhì)引流砂自開(kāi)率較低，目前已被許多鋼廠淘汰，鉻質(zhì)引流砂成為使用最為普遍的引流砂。盡管如此，若引流砂的成分不同、粒度不同、水含量不同，鉻質(zhì)引流砂的燒結(jié)性、流動(dòng)性、熱膨脹性和抗鋼水滲透性等仍然會(huì)有差異。特別地，引流砂的燒結(jié)性能還與鋼種密切相關(guān)：一方面，鋼液的成分會(huì)參與引流砂的燒結(jié)過(guò)程，另一方面鋼種的冶煉工藝(如溫度和停留時(shí)間)也會(huì)影響引流砂的燒結(jié)效果。為此，提升引流砂的使用性能要結(jié)合具體的鋼種(或某一類(lèi)鋼種)進(jìn)行優(yōu)化，忽略鋼液的加速作用則難以達(dá)到理想的應(yīng)用效果。對(duì)于鉻質(zhì)引流砂，可以考慮調(diào)整鉻鐵礦砂和石英砂的比例，選擇合理的粒度配比，盡量使用圓潤(rùn)的顆粒，同時(shí)保證引流砂質(zhì)量穩(wěn)定。一般情況下，優(yōu)化后的鉻質(zhì)引流砂在常規(guī)鋼種生產(chǎn)中即可獲得很高的鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率。對(duì)于合金元素(特別是錳和鋁)含量很高的鋼種，現(xiàn)有鉻質(zhì)引流砂和鋯質(zhì)引流砂的使用效果還不夠理想，還需要研發(fā)新型引流砂來(lái)抑制鋼液與引流砂的過(guò)度作用，從而提高鋼包的自動(dòng)開(kāi)澆率。
4.2改進(jìn)操作工藝
溫度和停留時(shí)間是影響鋼包自動(dòng)開(kāi)澆的主要操作因素。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)以連鑄為中心，合理組織生產(chǎn)，加強(qiáng)對(duì)鋼液溫度和停留時(shí)間的管理和控制，盡量減少各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的時(shí)間浪費(fèi)，提高鋼包周轉(zhuǎn)效率，避免過(guò)高的溫度和過(guò)長(zhǎng)的停留時(shí)間。同時(shí)，需制定工藝技術(shù)規(guī)程，規(guī)范鋼包和水口清理操作，保證清理后的水口內(nèi)部光滑無(wú)毛刺；檢查水口座磚是否過(guò)度侵蝕或開(kāi)裂，避免引起鋼液滲透；規(guī)范加砂操作，采用專(zhuān)用導(dǎo)管或機(jī)械投砂裝置完成引流砂灌裝，確保引流砂在水口內(nèi)填充飽滿，并呈蘑菇狀；規(guī)范出鋼脫氧劑、合金和渣料等的加入制度，避免破壞引流砂的堆積狀態(tài)。此外，引流砂應(yīng)采用防潮包裝，在使用前也應(yīng)進(jìn)行烘烤。
4.3改進(jìn)鋼包條件
鋼包條件的改進(jìn)主要是提高周轉(zhuǎn)紅包的比例，優(yōu)化水口和座磚的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和位置等，主要措施包括：非周轉(zhuǎn)包要做好鋼包烘烤工作，盡可能提高包底的溫度，且應(yīng)盡量縮短熱修時(shí)間，減少鋼包熱損失；采用合適材質(zhì)(如MgO-C質(zhì))的水口和座磚，避免與引流砂反應(yīng)，降低內(nèi)壁結(jié)瘤；優(yōu)化水口座磚內(nèi)部形狀，對(duì)于喇叭口狀座磚，縮短頸部長(zhǎng)度，增大喇叭口深度；采用流線形水口，適當(dāng)增大水口直徑；調(diào)整水口座磚的位置，確保座磚與包底相平，并避開(kāi)出鋼注流區(qū)。此外，為避免座磚與水口內(nèi)殘留焦油和瀝青等的影響，新更換的滑板及水口座磚應(yīng)先進(jìn)行烘烤，或采用沒(méi)有油浸的生產(chǎn)工藝。
5 結(jié)論
(1)不同材質(zhì)的引流砂燒結(jié)的結(jié)構(gòu)類(lèi)似。引流砂的實(shí)際燒結(jié)層(包括部分燒結(jié)層)會(huì)很薄，而且絕大多數(shù)引流砂會(huì)呈現(xiàn)未燒結(jié)的狀態(tài)。得到合理的燒結(jié)層厚度是實(shí)現(xiàn)鋼包自動(dòng)開(kāi)澆的關(guān)鍵。
(2)不同材質(zhì)的引流砂的燒結(jié)過(guò)程主要是液相的演變過(guò)程，引流砂顆粒自身的熔化或者顆粒之間發(fā)生反應(yīng)從而生成液相是燒結(jié)的共同機(jī)理。燒結(jié)過(guò)程生成的液相越多，引流砂燒結(jié)越嚴(yán)重。要控制引流砂過(guò)度燒結(jié)，應(yīng)該合理控制液相的生成。
(3)引流砂的成分和粒度、鋼液的作用以及溫度和停留時(shí)間等因素是影響鋼包自動(dòng)開(kāi)澆的主要因素。為提高鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率，引流砂的性能首先需滿足需求，且生產(chǎn)過(guò)程需加強(qiáng)對(duì)鋼液溫度和停留時(shí)間的管控，提高周轉(zhuǎn)紅包的比例，還需考慮水口和座磚的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和位置等。
(4)鋼液會(huì)參與引流砂的燒結(jié)過(guò)程，因而優(yōu)化引流砂的使用性能不能忽略具體的鋼種成分。對(duì)于合金元素(特別是錳和鋁)含量很高的鋼種，還需要研發(fā)新型引流砂來(lái)抑制鋼液與引流砂的過(guò)度作用，從而提高鋼包的自動(dòng)開(kāi)澆率。
