蛭石對中間包覆蓋劑保溫性能的影響

張峻峰，孫璐艷，張慧峰，任　耘，趙福才

(1.四川工程職業技術學院，德陽　618000;2. 西安建筑科技大學，西安　710055)

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蛭石對中間包覆蓋劑保溫性能的影響

張峻峰1，孫璐艷1，張慧峰1，任耘2，趙福才2

(1.四川工程職業技術學院，德陽618000;2. 西安建筑科技大學，西安710055)

以高爐渣為原料配制中間包堿性覆蓋劑，分別向覆蓋劑中添加蛭石0、10%、15%、20%、25%，測定其保溫性能，并通過掃描電子顯微鏡分析了蛭石對覆蓋劑微觀結構的影響。結果表明：蛭石可顯著提高覆蓋劑的保溫性能，最佳添加量為20%，優選出配方為：高爐渣37 %、石灰石35%、螢石12%、蛭石16%。工業試驗結果表明，此覆蓋劑具有良好的鋪展性能和保溫性能。

中間包覆蓋劑； 蛭石； 鋪展性； 保溫性

1　引　言

中間包覆蓋劑的最初功能是保溫，其性能指標一般為熔化溫度1200～1450 ℃，熔化時間20～80 s。近年來，堿性覆蓋劑以其吸附夾雜能力強[1]、對耐火材料侵蝕小而被廣泛使用，但其顯著缺點為保溫效果差，且成本較高[2]。經研究，我國高爐渣中CaO、SiO2含量達80%以上，適宜作為覆蓋劑基料[3]，同時蛭石的化學組成與覆蓋劑的基料相似，且具有良好的保溫性能，成本低廉[4]。因此，如何通過合理的添加蛭石，實現其良好的保溫效果是生產實踐中亟待解決的問題。本研究以爐渣為原料制備中間包覆蓋劑，通過添加螢石降低熔化溫度[5]，添加石灰粉提高堿度，通過實驗室實驗分析了蛭石添加量對覆蓋劑保溫性能的影響，并進行工業試驗，優化出可進行工業化應用的中間包堿性覆蓋劑。

2　實　驗

2.1實驗室實驗

實驗以陜西龍門鋼鐵集團公司(以下簡稱龍鋼)高爐渣為基料，石灰粉、螢石粉(實驗室采用CaF2為分析純化學試劑，性能指標見表3)和蛭石粉作為添加料，其成分組成分別見表1、表2和表4。

表1　龍鋼高爐渣化學組成

表2　石灰石粉的化學組成

表3　CaF2的性能指標

表4　工業蛭石粉的化學組成/%

參照朱立光[4]、任耘[6]等人研究成果，以覆蓋劑A配方(其性能指標為：熔化溫度為1435 ℃，熔化時間為54 s，堿度為1.5)為基礎，別添加10%，15%，20%，25%的蛭石，其它原料含量按照比例變化，測定覆蓋劑的保溫性能，具體見表5。

圖1　單向加熱爐示意圖Fig.1　Schematic diagram of the one-way heating device

利用單向爐測試覆蓋劑的保溫性能，裝置示意圖見圖1。

單向加熱爐通過底部控溫電偶維持爐內恒溫。在上部硅碳質均熱板上加入覆蓋劑樣品，爐內散熱發生變化，當覆蓋劑保溫性能不好時，爐子向環境散熱快，下部電偶熱補償大，覆蓋劑的表面溫度較高，保溫性能好時，表面溫度較低。現實連鑄中，中間包內鋼水溫度約為1550 ℃，將覆蓋劑鋪撒鋼水表面，會形成熔融層、燒結層和粉狀層三層結構。粉狀層和燒結層的分界溫度約為800 ℃[7]，因此試驗中，設定爐內溫度為800 ℃。根據表5分別配制樣品35 g，將5種樣品先后加入爐內硅碳板上扒平， 厚度均為10 mm，每隔5 min測定覆蓋劑的表面溫度，并測定厚度變化，以此計算覆蓋劑的體積膨脹量。

同時，另取5種覆蓋劑的樣品，于1500 ℃×2 h條件下，在石墨坩堝內進行燒結，空氣冷卻后，取得SEM照片，即為覆蓋劑燒結層的形貌，分析其微觀結構，優化出配方。

2.2工業試驗

在龍鋼20T容量的中間包內進行覆蓋劑的工業試驗，中間包的內稱為鎂砂質搗打料，實驗鋼種為20MnSi。鋼坯斷面為150 mm×150 mm，來自八機八流方坯連鑄機。

為了節約成本，采用工業用石灰石(CaCO3含量為75.2%)、螢石(CaF2含量為75.3%)和高爐渣、蛭石配制覆蓋劑。原料粒徑為1～3 mm，按照實驗室最優配方，混料均勻分裝成袋，每袋15 kg。試驗中，向中間包的中間澆鑄孔投擲2袋覆蓋劑，兩側分流孔各投擲1袋覆蓋劑，觀察鋪展特性。同時，測定覆蓋劑的表面溫度變化和鋼水的溫度變化。

3　結果與討論

3.1蛭石添加量對覆蓋劑保溫性能的影響

覆蓋劑的保溫性能曲線如圖2和圖3所示。體積膨脹曲線如圖4所示。

圖2　覆蓋劑的保溫性能曲線Fig.2　 Insulation performance curves of the covering fluxes

圖3　平衡溫度曲線Fig.3　Equilibrium temperature curve

圖2表明，當覆蓋劑不添加蛭石時， 10 min左右就達到平衡溫度，約為510 ℃。添加蛭石后，在15 min左右達到溫度平衡，當蛭石含量分別為10%、15%、20%、25%，平衡溫度分別為為375 ℃、352 ℃、345 ℃、430 ℃。可見，蛭石的加入大大改善了覆蓋劑的保溫性能，且蛭石含量為20%時保溫效果最優。

圖4表明，隨著蛭石的加入，覆蓋劑體積膨脹為原來的1.75～1.91倍，這是因為在中間包爐膛內的高溫作用下，蛭石吸熱快速膨脹，并且失水產生水蒸氣，在覆蓋劑顆粒間形成大量孔隙，進一步表現為覆蓋劑體積增大，使其具有良好的保溫性能。但當蛭石添加量大于20%后，覆蓋劑體積膨脹倍數增加不大，并且開始結塊，保溫性能迅速下降(如圖3)。所以，蛭石的最佳添加量為20%。

圖5分別為樣品A和D經過燒結后的SEM照片。圖5(a)表明，不添加蛭石的覆蓋劑燒結后，結構內部只存在少量100～200 μm的小氣孔，整體表現較為致密，均勻。從圖5(b)可以看出，添加20%蛭石的覆蓋劑燒結后，則變的疏松多孔， 200～500 μm的小氣孔和800～1000 μm的大氣孔相間分布，孔隙率約為40%。筆者在研究中證實了，以上兩種樣品在燒結后均生成了Ca2SiO4和槍晶石Ca4Si2O7F2兩種礦物相，以及含少量的鎂鋁尖晶石[8]。通過以上分析可知，正是由于覆蓋劑燒結層結構的多孔性，才使其具有良好的保溫性能。

根據以上分析得出，堿性覆蓋劑的優化配方為：蛭石20%，CaF210%，堿度1.5。換算得出覆蓋劑的工業配方如表7所示，化學組成如表8所示。

圖4　體積膨脹曲線Fig.34　Volume expansion curve

圖5　覆蓋劑燒結后的SEM照片Fig.5　SEM images of the tundish fluxes after treating (a)vermiculite 0%(b)vermiculite 20%

Blastfurnaceslag/%Limepower/%CaF2/%Vermiculite/%Meltingpoint/℃Meltingspeed/s37351216139846

表8　覆蓋劑的化學組成及含量

3.2覆蓋劑的鋪展性能和保溫性能

根據表7配制覆蓋劑，測試其鋪展效果如圖6所示。

圖6　中間包覆蓋劑的鋪展效果(a)中間孔投擲覆蓋劑； (b)1 min；(c)5 min；(d)15 min；(e)20 min；(f)35 min；(g)分流孔投擲覆蓋劑Fig.6　Spreadability of the tundish fluxes

圖6表明，大約5 min，覆蓋劑就能鋪滿中間包鋼液表面。35 min后，鋼水無裸露。并且，在整個澆注過程中，長水口處無粘連，渣面不結殼，由此可見，該覆蓋劑有良好的鋪展性。同時，該覆蓋劑不含碳，不會造成鋼水增碳。中間包冷卻后發現，其鎂質搗打料的內襯受到的侵蝕很小，有利于延長包齡[9]。

覆蓋劑表面溫度變化曲線和鋼水溫度變化曲線如圖7所示。

圖7　覆蓋劑表面溫度變化曲線Fig.7　Surface temperature curves of the covering fluxes

圖8　鋼水溫度變化曲線Fig.8　Temperature curves of the molten steel

從圖7可以看出，在連鑄現場，經過15 min左右，覆蓋劑表面溫度達到了平衡，約為500 ℃。圖8表明，加入覆蓋劑后，中間包鋼水溫度呈現先迅速下降，后稍微上升，最終趨于穩定的的變化規律。試驗中，由于鋼水表面始終覆蓋一定厚度的覆蓋劑，使得溫度變化變化曲線平緩，鋼水初始溫度約為1596 ℃， 15 min后穩定，約為1562 ℃，滿足生產要求。可見，覆蓋劑保溫效果理想。

4　結　論

(1)覆蓋劑中添加蛭石，受熱時體積膨脹2倍左右，結構變得疏松多孔，保溫效果顯著提高，其最佳添加量為20%;

(2) 從SEM分析可知，蛭石含量為20%時，覆蓋劑的熔融燒結層結構疏松，含有大量氣孔，孔隙率約為40%，保溫效果良好;

(3)通過實驗室研究和工業試驗，優化得到中間包堿性覆蓋劑配方：高爐渣37%、石灰石35%、螢石12%、蛭石15%，該覆蓋劑具有良好的鋪展性能和保溫性能。

[1] 陳榮歡. 寶鋼高堿度中間包覆蓋劑的開發[J].煉鋼，2005，2(1)：20-23.

[2] 謝健．堿性中間包覆蓋劑結殼機理分析[J]．材料與冶報，2010，9(1)：15-17.

[3] 孟炳辰,張朝暉,巨建濤.高爐渣資源化循環利用現狀及新途徑[J].濕法冶金, 2011, 3(30): 6-9.

[4] 朱立光．鋼水覆蓋劑保溫性能的試驗研究[J]．鋼鐵研究，1999，(2)：22-27.

[5] Jung Wook Cho.Effect of solidication of mold fluxes on the heat transfer in casting mold[J].JournalofNon-CrystallineSolids,2001,(282) :110-117.

[6] 孫璐艷，任耘．對以高爐渣為主料的中間包覆蓋劑的熔化溫度的研究[J]．硅酸鹽通報，2014，33(6)：1520-1525.

[7] 李廣田，陳敏．鋼鐵冶金輔助材料：精煉渣、覆蓋劑、保護渣[M]．北京：化學工業出版社，2010：95-96.

[8] 孫璐艷，任耘．CaF2及堿度變化對中間包覆蓋劑黏度的影響[J]．鋼鐵研究學報，2015，29(1)：35-39.

[9] 張朝暉，任耘.一種利用高爐渣制備的中間包覆蓋劑[P].中國專利：CN103170592A，2013-06-26.

Effect of Vermiculite on Insulation Performance of Basic Tundish Flux

ZHANGJun-feng1,SUNLu-yan1,ZHANGHui-feng1,RENYun2,ZHAOFu-cai2

(1.Sichuan Engineering Technical College,Deyang 618000,China;2.Xi'an University of Architecture and Technology,Xi 'an 710055,China)

Basic tundish flux was produced by blast furnace slag. The insulating ability of the covering agents which are made of different vermiculite additive 0，10%，15%，20%，25% was determined. Effect of the vermiculite on the microscopic structure of the coating agent was analysised through SEM. The result indicated that the insulating ability of the covering flux was improved remarkably with the addition of vermiculite which best content was 20wt%.The formula of the tundish covering flux was optimized finally with blast furnace slag 37wt%, lime stone 35wt%, fluorite 12wt% and vermiculite 16wt%. Furthermore,the industrials experiments indicated that the optimal formula had good spreadability and thermal insulation property

tundish flux; vermiculite ;spreadability; thermal insulation property

陜西省教育廳產業化資助項目( 2011JG13)；陜西省科技廳社發攻關項目(2013k13-02-07)

張峻峰(1971-)，男，講師.主要從事建筑設備及資源綜合利用方面的研究.

孫璐艷，碩士.

TQ175

A

1001-1625(2016)07-2177-05