提高滑动水口自动开浇率的研究

1提高钢包滑动水口自动开浇率的研究陈为本（中国国际钢铁制品有限公司炼钢厂，福建福州马尾350015）摘要：中国国际钢铁制品有限公司炼钢厂（以下简称中钢炼钢厂）通过对钢包滑动水口自动开浇机理的系统研究，改进了引流砂的配制和座砖、上水口的设计，调整了引流砂灌注方式，取得了明显效果。钢包滑动水口自动开浇率由原先的30%稳定提高到90%以上，同时上水口使用寿命也从3.6炉次提高到12炉次。解决了钢包滑动水口自动开浇率低影响连铸连浇、影响钢水纯净度的问题，同时降低了吹氧管消耗和操作工的劳动强度。关键词：钢包；滑动水口；座砖；自动开浇ResearchonImprovingAutomaticPouringRateofLadleSlipNozzleChenWeiben(ChinaInternationalSteelProductsCo.Ltd.,Mawei350015,FuzhouFujianChina)Abstract：InordertosolvetheproblemoflowautomaticpouringrateofladleslipnozzleandmakenumerousburningwhataffectingcontinuouscastingofCCM,thediversionsandisstudiedinthesteel-makingplantofZhonggang,andthepocketbrickandup-nozzleareimproved,andthefillmethodarechanged.Thetesthasprovedthattheautomaticpouringrateofladleslipnozzleisupto90%,theup-nozzlelifeisincreasedto12heats.Theimprovementofautomaticpouringrateofladlenozzleestablishesbasementforrealizingnonoxygenpouringanddevelopingcleansteel,andreducedworker'sworkingintensitygreatlyatthesametime.Keywords：ladle；slipnozzle；pocketbrick；automaticpouring1前言中钢炼钢厂自２００４年２月份技改后，电炉和连铸的生产能力提高了。加快的生产节奏对钢包滑动水口自动开浇率提出了更高的要求。钢包滑动水口自开率的提高一方面可以保证生产的连续性，另一方面可以减少吹氧引流，从而减少了对钢水的污染和降低职工劳动强度，同时也是连铸采用长水口，实现全保护浇注的重要前提条件。技改前，中钢炼钢厂钢包滑动水口自开率低，不能适应改造后的生产需要。为此，针对现有条件，借鉴其他钢厂的成熟经验，对钢包滑动水口自动开浇技术进行系统、全面的研究，迅速提高自动开浇率极其必要。2现状分析中钢炼钢厂现有１座５０t电炉，１台四流小方坯连铸机，年钢产量２５万t以上，主要冶炼钢种有普碳、(45～75＃)优钢以及少量HRB系列等，钢水包容量为60t。钢包引流砂长期以来一直采用的是硅质（2～3mm海砂（河砂）与石墨混匀而成（wSiO2不小于70%）），由于钢包用油浸镁碳座砖，在使用中引流砂中SiO2与座砖渗油产生反应，在内壁形成“结瘤”，同时引流砂中SiO2还会与炉渣中FeO、MnO2等发生反应，生成低熔点化合物MnO.SiO2和FeO.SiO2，将座砖水口内的引流砂粘附在一起，使得“结壳”变厚，流动性下降。正是由于硅质引流砂自身性质包括颗粒级配问题，加上座砖和加入操作等环节的影响，使得自开率仅维持在30%的较低水平。3主要措施3.1引流砂的研究与选择3.1.1引流砂工作原理所谓引流砂，即要求再钢包水口打开后，水口中的砂子应自动下落，钢水跟着流出。引流砂加入钢包后，在钢水的作用下，表面将发生烧结，但烧结层不宜太厚，因此要求引流砂应有较高的耐火度；引流砂在钢水的静压力作用下，密实度增加，流动性变差。因此需加入润滑剂，同时改变颗粒度调整其安息角，以降低引流砂颗粒之间的摩擦力；另外，在高温下，引流砂应有适度的膨胀，以增加其流动性。所以衡量引流砂好坏的主要指标为开始烧结温度、耐火度、安息角和高温体积稳定性。3.1.2铬质引流砂的特点据文献数据表明，烧结后的铬质引流砂的衍射峰发生了变化，说明引流砂中的铬铁矿在使用前后成分发生了变化。在引流砂中，铬铁矿等含铬矿物中的铁多以FeO的形式存在，高温下，部分Fe2+迅速氧化而变成Fe3+，增加的Fe3+以R2O3或Fe（Fe2O4）的形式存在，在冷却时会脱溶出来。钢包开浇前，由于供氧充足，在引流砂的裂隙和孔洞处脱溶作用更容易发生。若在引流砂中加入了易氧化的还原剂，在高温下会使Fe2O3固溶体发生还原反应，引起很大的体积膨胀，致使烧结层脆而多孔，增加流动性。铬铁矿中常含有一定量的脉石，即各种硅酸盐包裹夹杂物。受热过程中，铬铁矿中的脉石除自身发生物理-化学变化外，还与铬铁矿发生反应，形成了二次尖晶石。其变化过程可表示如下：n(Fe,Mg)R2O4+O2→(n-4)(Fe,Mg)R2O4+2Fe2O3+4R2O3(1)2Fe2O3+C→4FeO+CO2(2)4FeO+4R2O3→4FeR2O4(二次尖晶石)(3）式中：R表示三价阳离子，C表示还原剂，n=4。（1）为脱溶反应，（2）为还原反应。由于引流砂添加了助烧结剂等添加剂，高温下二次尖晶石作用更加明显，助烧结剂的熔点较低，其作用主要是与铬铁矿等原料反应，由于加入量少，并在高温下与铬铁矿等反应生成耐火度较高的脆性新相，在铬铁矿颗粒之间起到粘结作用，在打开滑板瞬间，由于润滑剂的存在，水口下部没有烧结的引流砂，靠自身重力作用迅速流出，使大量的冷空气进入，造成引流砂烧结层上下两侧产生很大的热应力，热应力引起脆性烧结层裂纹迅速扩展，在钢水的静压力作用下烧结层完全被破坏，因而达到自动导流的目的。3.1.3材质选择硅质引流砂价格低廉，但其物理液相的温度较低，在1300℃左右就开始出现液相且随温度的升高、时间的延长出现的液相量也随之增加，从而导致引流砂液—固相混合层增厚，粘度增大，并且在高温下其体积膨胀较大，膨胀的结果是使引流砂更趋于致密，使引流砂的流动性变差，且热抗震性较好，导致钢水静压力较难冲破液—固相混合层，而达不到自动开浇的效果。而铬质引流砂物理液相的温度较高，在1400℃左右才出现液相，相应地所出现的液—固相混合层也较薄；同时由于铬质引流砂中含有一定量的碳，进一步提高其熔点，又由于碳与钢水不浸润，可以阻止钢水的渗透，并烧结成为脆而多孔隔热性较好的烧结层，铬质引流砂的高温体积比3较稳定，膨胀量较小，热抗震性差，再加上其比重较大，滑动水口开启后，固相引流砂具有良好的流动性，因此，钢水较易冲破液—固相混合层而顺利流出钢包滑动水口。除了引流砂主体材质差异影响自开率外,钾长石的加入量对自开率的影响也很大，钾长石是低熔点材料，其功能是在工作温度下熔融产生液相填充在引流砂颗粒之间，加大隔热效果，阻止引流砂的进一步烧结；另外钾长石的加入有利于在引流砂与钢液的界面形成一层渣膜，阻止钢水向引流砂内部渗透。钾长石的量加入太多，在高温及处理时间较长的情况下，长石大部份转变为玻璃相，它将粘附于水口处并导致水口堵塞；钾长石加入量太少，连续的玻璃相熔融体不能形成，从而不能在引流砂与钢液的界面形成有效的保护渣膜，使钢水渗入到引流砂内部，形成一层厚的砂—钢混合凝固体，从而堵塞水口。在铬质引流砂中，由于所采用的钾长石含杂质量少、颗粒度合理且加入量合适，因此保证了其有良好的自动开浇效果，同时通过对Al2O3的加入量可方便调节与钢液接触部分引流砂熔点，有利于在界面上形成有一定深度的引流砂熔融层，解决了钢包水口引流砂烧结过厚导致不自开问题，同时在高温下生成高熔点的硅酸盐，避免在水口壁黏附而影响自开。鉴于上述比较，决定采用铬质引流砂。其理化指标如表所示。3.2座砖与上水口改进座砖与上水口上部喇叭口形状对引流砂流动性有重要影响。原先的座砖与水口形状不利于自动开浇，于是根据流体力学进行了重新设计。原座砖开口直径D为250mm，深度H为165mm。由于水口上端平口宽度W达18mm，故喇叭口就变成平底漏斗状（如图1），尤其是到座砖寿命后期而上水口为新换时，此现象更为突出，导致引流砂在漏斗边沿至水口眼之间形成死角阻碍引流砂顺畅流动。W图1原座砖与水口配合形状重新设计的座砖开口直径D1为200mm，同时对原上水口进行配套改进设计，使整个漏斗深度H2为260mm，使新座砖、上水口形成引流砂的最佳流场。改进前后的配合情况见图2。改进后座砖上水口配合形状角度对改进引流砂的“最佳物料流动”有着积极作用，即使座砖仍然会在实际使用过程中因受钢渣的不断侵蚀而导致不断扩径，但其对引流砂流动的有效角度的影响已大大缩小。实践证明对提高水口自动开浇率具有明显效果，同时又有利于提高座砖使用寿命。成分Al2O3%SiO2%Cr2O3%Fe2O3%C%MgO%K2O+Na2O%粒度(mm)安息角（º）堆积密度g·cm-3指标11.516.0438.7022.440.866.121.1229.33.074图2改进前后水口座砖配合结构3.3其它改进钢包的自动开浇除了受引流砂成分、颗粒级配、碗口角度等因素影响外，同时还受到水口材质、引流砂灌装方式、精炼时间、钢水镇静时间、钢包座砖材质、开浇操作方法、备包操作等因素的影响。它们的改进，对提高自开率有积极的作用。3.3.1改进座砖材质原来钢包水口座砖为油浸镁碳砖，即采用沥青高温真空加以浸渍。由于沥青的软化温度较低，在使用中沥青软化并不断渗出黏附在水口内壁，导致引流砂结团流动性变差。通过对水口座砖结合剂以及制作工艺的改进（不再使用沥青，同时提高制砖压力），避免引流砂在水口处的黏附，同时又不降低座砖质量。3.3.2改进引流砂灌注方式原来填引流砂采用行车将钢包吊至6米平台前，然后采用手工投入的方式灌注引流砂。该方式经常导致引流砂未将水口孔盖满。为此，试验时特意制作长柄漏斗，通过人为升降漏斗至水口后灌注引流砂，确保水口孔上方引流砂成拱包状。实践证明引流砂在水口孔上方成拱包状时可极大提高水口自开率。3.3.3合理控制精炼时间与钢水镇静停留时间钢水在钢包中的停留时间尤其是无吹氩时间（精炼毕待浇时间）将严重影响自开率。随着钢水在钢包中停留时间的延长，引流砂烧结层加厚，使得自开阻力加大。包内钢水的温度梯度随着无吹氩时间的延长而加大，即钢水温度出现由上到下逐渐降低的层叠分布。当钢水过热度偏低时，钢包包底区域的钢水将呈熔融状态，甚至形成凝固层，将极大地影响自开率。通过加强生产组织，控制合理的生产节奏，使钢水精炼时间小于55分钟，无吹氩时间小于15min，对提高钢包自开率显示出较好的效果。4应用效果使用铬质引流砂对提高钢包滑动水口自开率效果显著。通过改变座砖和水口的形状设计，采取合适的引流砂加入方法，进行合理的生产组织，都可以促使自开率的提高。中钢炼钢厂通过采取以上措施，取得了以下效果：1、钢包滑动水口自动开浇率由原先的30%稳定提高到90%以上。2、上水口使用寿命从3.6炉次提高到12炉次3、钢包座砖寿命由原先32炉次提高到38.5炉次。5