中間包結構及包襯耐火材料對鋼水清潔度的影響分析

唐建洪，周玉軍，魏海成

（西寧特殊鋼股份有限公司，青海 西寧 810005）

在連鑄鋼坯內部極易引發嚴重的質量問題，它會使鋼的連續性遭到破壞，對鋼的使用性能、使用范圍方面產生影響，不管夾雜的是什么形態的鋼，微觀也好、宏觀也罷，它們在鋼的性能上都會帶來巨大的危害性。進行冶煉時，降低中間包摻雜的雜質，避免鋼水受到污染、增強鋼坯的質量等是研究過程中的關鍵之處。鋼水在進入結晶容器之前最后需要經過的具有耐火性能的容器叫作中間包，它主要用于裝鋼水這種液體，鋼的清潔程度、夾雜物質的顆粒大小以及含有量與中間包內液體的流動、內襯等息息相關，所以，探究中間包結構、包襯耐火材料對鋼水清潔度的影響具有深遠的意義。

1 鋼水清潔度受中間包結構的影響程度

在中間包內的鋼水其流動形式受鋼質量的影響，在自然狀態時鋼水流動摻雜的物質上浮和控制下存在很大的差異性，具體表現在以下幾個方面：首先，自然狀態下包內的流速過急會將渣層沖破，鋼水中摻雜鋼渣，并讓鋼液置于空氣下發生氧化反應；其次，流速過快的鋼液還會使內襯的耐火材料受到強烈的沖刷，鋼液中摻雜耐火材料從而形成夾雜。控流狀態下操縱中間包這一過程，可以有效避免鋼水發生二次氧化的情況，降低渦流產生的幾率，消除包內的雜質。所以，包內的鋼水停留的時間越久，流動的速度越穩定，夾雜物質向上浮動的可能性越大，中間包內有整體擋渣堰組合的設計結構，主要起了控制鋼水流動狀態、保持鋼水以平緩的軌跡流動、促進夾雜物向上浮出并將之消除的作用[1]。透過分析自然狀態下鋼水的流動以及控制流動液體的現象可發現，在自然流動的情況下，鋼水由澆筑區域從包底直接流入到結晶器中，鋼水平均流動的時間不長，夾雜物上浮不容易，針對在控制狀態下流動的情況，也就是設立了整體擋渣堰裝置后，在擋渣堰中鋼水流動的速度較快，擋渣堰外邊的鋼水流速逐漸趨于穩定，按這種方式流動可以促進夾雜物質向上浮出。

在這一個實驗中，在二十五微米以下的夾雜物質，控制澆筑流速的方式和自然澆筑的方式沒有較大差異，在五十微米至一百微米之間的夾雜物質，控制澆筑流速顯然可以使夾雜物質向上浮出，當夾雜物質大于一百五十微米時，兩種實驗方法均能產生上浮現象。通過對比這兩種方法的實驗數據可得到：當其他的控制條件保持一致的情況中，如果夾雜物質在八十微米左右，運用控流澆筑的方法顯然比自然澆筑的方法更好，夾雜物質上浮的概率更高，平均能達到百分之十五左右[2]。

2 鋼水清潔度受中間包襯耐火材料的影響程度

2.1 實驗過程

在進行澆筑的過程中，中間包襯耐火材料和鋼液的接觸時間較長，產生了機械沖刷、化學物質侵蝕以及熔點較低的化學物質等，分析鋼坯中的示蹤劑，判斷包襯層被侵蝕之后帶入到鋼坯內的容量大小，由此得到生成的夾雜物與夾雜物質總量的占比。①實驗參數。選用西北某特殊鋼廠煉鋼車間，其容量為二十三噸的中間包，六十五噸產量的單爐鋼，平均下來每爐次澆注需耗時三十五分鐘左右。②中間包內襯材料的選擇以及施工步驟。中間包內襯使用的干式料為鎂質耐火材料，它們理化的標準為：MgO（%）≥83，體密≥2.5g/cm3，常溫下的耐壓強度大于等于23MPa，最高可承受的溫度為1800℃以上。做好這些準備后把干狀的鎂質干式料通過胎模打結到中間包內壁上，內襯層打結厚度60mm左右，帶模烘烤60分鐘，胎模溫度冷卻至60℃以下后脫模，脫模后安裝包蓋及塞棒水口后連鑄平臺按標準的烘烤曲線烘烤4小時后上線使用。③實驗的方式。對實驗用材料中，每一批材料中都加配百分之十的氧化鋅用作示蹤試劑，其他材料遵循正常的操作進行，在使用一個包之后，用掃描電鏡、能譜儀檢測中間包殘襯層不同層帶之間的情況，并對數據進行分析，得到所需氧化鋅的用量，從而判斷出示蹤劑侵蝕的狀況以及在不同層間的存在情況。

2.2 實驗結果以及分析情況

（1）中間包殘襯的顯微結構。原始層的耐火材料未遭到破壞，礦物相晶粒保持完整的形態，主要的礦相是錳橄欖石復合氧化物，其中的主要氧化物為（CaO+MgO）-SiO2-MnO三元系，隨著溫度的變化，在溫度降低時，首先共晶析出鈣硅石和a’CaO-SiO2,隨后發生轉熔生產錳橄欖石的復合物。礦物和礦物之間存在明顯的分界線，大量示蹤劑元素以小粒的形態各自獨立分散在各個地方。處于過渡層中的耐火材料遭到破壞，礦物晶粒受到損壞，礦物的差異性界線不清晰，大礦物粒子逐漸縮小，邊緣趨于圓滑的狀態，失蹤元素晶粒粒子小，大部分可與耐火材料相溶。

（2）鎂質干式料材料的侵害腐蝕。通過掃描電鏡觀察看到的中間包內襯層不同層帶的現象，并進行能譜分析，從實驗數據可以發現非燒結層存在示蹤元素，但是燒結反應層中不包含示蹤元素，這一現象說明了非燒結層中的耐火材料其本質并沒有太大的改變，保存下來的示蹤劑很完整，以原先的狀態保留所有的顆粒，燒結層中的一些耐火材料作為反應物參與了化學反應，破壞了示蹤劑以及大顆粒的性質，礦物和礦物之間沒有明顯的交界線，反應層礦物中鐵的含量升高，大部分來自于耐火材料和渣反應生成，從這可以看出在過渡層中間包鎂質干式料和鐵、渣進行反應，生成的物質屬于化合物，具有較低的熔點，對鋼水來說是一種污染物。

中間包襯層受到沖刷或侵害腐蝕后只需要很短的時間就可進入到結晶器中，所以改變的示蹤劑的量就代表著干式料受到侵害腐蝕后進到鋼坯內部的含量，換句話說就是表示鋼水清潔程度的影響力。選取的樣本分別為：開澆兩分鐘后取一份渣粒樣本，測定氧化鋅的含量，開澆二十一分鐘時選取第二份渣粒樣本，測定氧化鋅的含量，選取十九分鐘的澆筑時間，鋼水對中間包途料侵害腐蝕的含量的計算方法為：三十五千克中其中二十千克為炭化稻殼、十五千克為引流劑，中間包涂料示蹤劑中有百分之八的氧化鋅。根據這種方法計算出中間包涂料中鋼水每分鐘被侵害腐蝕的含量，與此同時，在進行實驗的過程中，不同的中間包襯層耐火材料層帶中有不同的氧化鋁，表明了鎂質耐火材料有吸附夾雜物質的功能。

3 結語

綜上所述，在中間包內設立整體擋渣堰可以提高雜物向上浮動的效率，當其他的控制條件一樣時，夾雜物向上浮動的概率會升高，平均概率可達到百分之十五；從中間包鎂質干式料襯層到鋼坯里的夾雜質量為一定值；中間包鎂質耐火材料在其過渡層中會影響鋼水的清潔程度；中間包使用鎂質耐火材料將有更高的抗侵蝕性，一定程度上可以把鋼水的污染性降至最低。鋼水內級別不同的顆粒混雜物質會發生向上浮動的現象，通過觀察分析中間包內工作層中示蹤劑的數據，可發現中間包結構、包襯耐火材料對鋼水清潔度的影響具有深遠的意義。