中間包永久層正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)

張?chǎng)?李志輝

摘 要：中間包是連續(xù)鑄鋼系統(tǒng)的重要組成部分。本文采用正交設(shè)計(jì)法，以鋁酸鹽水泥、微硅粉、高溫氧化鋁微粉三種微粉作為影響因素，制成9組鋁硅質(zhì)低水泥中間包永久層澆注料試樣，檢測(cè)試樣中、高溫性能指標(biāo)。結(jié)果表明，最優(yōu)方案為A2B2C3，即鋁酸鹽水泥、微硅粉、高溫氧化鋁微粉質(zhì)量百分含量分別為3wt%、4wt%和2wt%。

關(guān)鍵詞：中間包;正交設(shè)計(jì);耐火材料

中圖分類號(hào)：TF646 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）28-0073-03

Orthogonal Design Test of Tundish Permanent Layer

ZHANG Xin LI Zhihui

（School of Materials and Metallurgy， University of Science and Technology Liaoning，Anshan Liaoning 114051）

Abstract： Tundings are an important part of continuous cast steel system. In this paper， 9 groups of permanent castable samples of low alumina cement tunings were prepared by orthogonal design method with three kinds of micropowders， such as aluminate cement， silica powder and high temperature alumina powder， as the influencing factors. The results showed that the optimal scheme was A2B2C3， that is， the content of aluminate cement， silica powder and high temperature alumina powder were 3wt%， 4wt% and 2wt% respectively.

Keywords： tundish;orthogonal design;refractory

中間包是連接連鑄鋼包與結(jié)晶器的一種耐火材料容器，首先接受從鋼包澆下來(lái)的鋼水，然后再由中間包水口分配到各個(gè)結(jié)晶器中去。此外，中間包還可作為反應(yīng)容器來(lái)調(diào)整鋼水質(zhì)量，同時(shí)起到保護(hù)鋼水、減緩鋼水對(duì)結(jié)晶器沖擊的作用，從而達(dá)到連續(xù)澆注的目的。當(dāng)前，中間包的發(fā)展已經(jīng)不再是簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)“長(zhǎng)壽化”，而開始逐步轉(zhuǎn)向“潔凈化”發(fā)展[1]。從20世紀(jì)80年代開始，中間包結(jié)構(gòu)內(nèi)襯所用的耐火材料由砌筑耐火磚逐步轉(zhuǎn)化為使用不定形耐火材料澆注施工。而對(duì)于耐火澆注料所用材質(zhì)，經(jīng)過(guò)對(duì)鋁鋯質(zhì)、鋁硅質(zhì)及鋁尖晶石質(zhì)等多種材料進(jìn)行研究可知，目前主要使用鋁硅質(zhì)耐火澆注料[2]。目前，絕大多數(shù)鋼廠連鑄中間包內(nèi)襯都采用整體澆注工藝，這種工藝不僅可以節(jié)省大量勞動(dòng)力，而且能減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高施工效率，減少材料使用量，既提高永久層的抗侵蝕能力，又提高中間包永久層的使用壽命[3]。國(guó)內(nèi)外研究者通過(guò)不斷改善Al2O3/SiO2（鋁硅比）的大小來(lái)提高澆注料的強(qiáng)度、抗熱震性以及抗侵蝕性能[4，5]，使中間包的使用壽命得到大大提高。

1 試樣制備

1.1 分散劑選擇

本文根據(jù)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了基本配方，首先考察三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉和聚丙烯酸鈉三種分散劑對(duì)中間包永久層澆注料的作用，在基本配料組成不變的前提下，分散劑的外加情況為分別使用和兩兩復(fù)合使用，共6種組合方式。將稱量好的原材料放入攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢瑁饾u加入6%左右的水，攪拌均勻，分別檢測(cè)物料的流動(dòng)度。而后將物料震動(dòng)成型，養(yǎng)護(hù)24h后脫模，即可制成40mm×40mm×160mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣[6]。將試樣放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中，在（110±5）℃條件下充分烘干后備用，之后檢測(cè)試樣的抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度、體積密度、顯氣孔率等指標(biāo)。經(jīng)過(guò)比較分析可知，加入六偏磷酸鈉的試樣的流動(dòng)度要比加入其他分散劑的試樣好，抗折強(qiáng)度最高，體積密度最高，耐壓強(qiáng)度較高，顯氣孔率較低，因此本試驗(yàn)以六偏磷酸鈉作為分散劑。

1.2 微粉選擇

影響中間包永久層澆注料使用性能的因素較多，如原料產(chǎn)地、種類、細(xì)度、品位、顆粒配比和澆注施工工藝等。但是，就整體而言，影響其性能的主要因素是配方、微粉原料的添加（品位）及原料種類。可供選擇的微粉原料種類較多，但不一定都能適用。本試驗(yàn)對(duì)鋁酸鹽水泥、微硅粉和高溫氧化鋁微粉進(jìn)行多項(xiàng)性能指標(biāo)分析，采用Bettersize 2600激光粒度分布儀對(duì)三種微粉進(jìn)行粒度分析，分析結(jié)果如表1所示。從表1可知，三種微粉原料作為主要原料性能完全符合要求。

1.3 正交設(shè)計(jì)

針對(duì)中間包永久層的損毀機(jī)理，試驗(yàn)選用正交方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，制備鋁硅質(zhì)低水泥澆注料試樣。試樣選用高鋁礬土熟料（占56wt%）和焦寶石（占15wt%）作為骨料，選用高鋁礬土細(xì)粉和三種微粉原料作為基質(zhì)和結(jié)合劑，選用六偏磷酸鈉作為分散劑。以鋁酸鹽水泥（標(biāo)記為A）、微硅粉（標(biāo)記為B）和高溫氧化鋁微粉（標(biāo)記為C）三種微粉原料作為影響其性能的因素，并給每個(gè)因素選擇三個(gè)水平，A的三個(gè)水平分別為2wt%、3wt%、4wt%，B的水平為3wt%、4wt%、5wt%，C的水平為4wt%、3wt%、2wt%。根據(jù)因素水平表，試驗(yàn)采用三因素三水平方法，選用對(duì)口的L9（34）正交表[7]，設(shè)計(jì)9組試樣的配方詳見表2。按照制樣標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試樣制備，試樣經(jīng)養(yǎng)護(hù)、烘干后，并進(jìn)行各項(xiàng)相關(guān)性能指標(biāo)的檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 三因素對(duì)試樣中溫性能的影響

對(duì)烘干合格的試樣進(jìn)行1 100℃×3h熱處理，原料中低熔點(diǎn)化合物相互作用產(chǎn)生液相促進(jìn)材料的燒結(jié)，形成新的礦物相，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密化，表現(xiàn)出少許的收縮。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由極差R的大小可以得出，三因素影響試樣中溫抗折強(qiáng)度的主次順序?yàn)锳→B→C，影響中溫耐壓強(qiáng)度的順序是B→A→C。由數(shù)據(jù)可知，相對(duì)較好的組合條件都是A2B2C3。

之后，對(duì)試樣進(jìn)行水冷法抗熱震性試驗(yàn)，試樣經(jīng)過(guò)反復(fù)急熱急冷試驗(yàn)10次后，仍然沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂紋、掉角現(xiàn)象，從而進(jìn)一步檢測(cè)試樣熱震后抗折強(qiáng)度損失率，以此來(lái)表征其性能的好壞，并將極差分析結(jié)果填入表3。各個(gè)因素影響熱震后殘余抗折強(qiáng)度由主到次的順序?yàn)锳→B→C，也就是說(shuō)鋁酸鹽水泥是影響澆注料試樣抗熱震性的主要因素，微硅粉和高溫氧化鋁微粉是相對(duì)次要的因素。根據(jù)極差分析得出，抗熱震性好的組合條件是A2B2C3，這說(shuō)明三種微粉原料對(duì)試樣的中溫影響效果較好，得出最優(yōu)方案與上述強(qiáng)度指標(biāo)相同。

2.2 三因素對(duì)試樣高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響

檢測(cè)各組試樣1 550℃×3h燒后抗折和耐壓強(qiáng)度，對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析，并將數(shù)據(jù)列于表3中。對(duì)于三個(gè)因素列，計(jì)算相應(yīng)水平的燒后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（燒后抗折強(qiáng)度和燒后耐壓強(qiáng)度）之和[K1]，[K2]和[K3]及其極差值R。從R的大小可以看出，三種因素影響抗折強(qiáng)度的主次順序?yàn)锳→C→B，對(duì)于耐壓強(qiáng)度，其順序?yàn)锳→B→C，而且B、C的極差R值相差不大，即鋁酸鹽水泥是影響材料燒后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要因素，微硅粉和高溫氧化鋁微粉是次要因素。根據(jù)極差分析得出燒后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最佳的組合方案為依然是A2B2C3，即鋁酸鹽水泥含量為3wt%，微硅粉4wt%，高溫氧化鋁微粉2wt%。

2.3 三因素對(duì)試樣高溫體密氣孔的影響

對(duì)試樣1 550℃×3h燒后體積密度、顯氣孔率進(jìn)行研究。3#試樣體積密度最高，5#、6#試樣次之;2#試樣顯氣孔率最低，3#、5#試樣次之。通過(guò)分析比較可知，微硅粉是影響體積密度的主要因素，微硅粉含量較大時(shí)試樣的體積密度值相對(duì)較高。高溫氧化鋁微粉是影響試樣燒后顯氣孔率的主要因素，在一定范圍內(nèi)其含量較大時(shí)顯氣孔率值相對(duì)較高。兩種微粉都能很好地促進(jìn)澆注料的流動(dòng)性，有利于氣體的充分排出，氣孔得以較好地填充，澆注料試樣致密化程度較高，從而使得相關(guān)性能較好。

3 結(jié)論

在鋁硅質(zhì)中間包永久層澆注料中，鋁酸鹽水泥主要影響試樣燒后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗熱震性;微硅粉主要影響燒后的體積密度，含量較大其值相對(duì)較高;高溫氧化鋁微粉主要影響燒后的顯氣孔率，含量較大其值相對(duì)較高。通過(guò)分析比較三種微粉原料及其不同的加入比例，確定正交設(shè)計(jì)條件下，試樣中微粉原料的最佳方案為A2B2C3，即鋁酸鹽水泥質(zhì)量百分含量為3wt%、微硅粉為4wt%、高溫氧化鋁微粉為2wt%的中間包永久層澆注料試樣綜合性能指標(biāo)最為優(yōu)秀，經(jīng)過(guò)實(shí)踐應(yīng)用效果良好。

參考文獻(xiàn)：

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