引流砂填充钢包滑动水口自开率的影响因素及改进措施

Influencing Factors and Improving Measures about Automatically Opening of Ladle Sliding Gate Using Drainage Sand

摘要: 引流砂引流是钢包滑动水口最常用的引流方式。浙江某钢厂通过调整引流砂成分和安息角，钢包自开率从86%提高到95%，为生产顺行、提高铸锭质量提供了必要的条件。

Abstract: Drainage sand was usually used for automatically opening of ladle nozzle. A steel plant in Zhejiang Province has increased the rate of automatically opening from 83% to 95% by adjusting the composition of the drainage sand and adding the rest angle, providing necessary conditions for smooth production and improving ingot quality.

1. 前言

引流砂引流是炉外精炼作业中经常用到的一种引流方式。引流砂作为一种水口填料加入上水口，能够防止钢水对滑板的烧蚀，减少钢水对水口的冲击。钢水进入钢包后，与钢水接触的部分引流砂形成熔融层，阻止钢水浸入引流砂内部；浇钢前打开滑板后，处于下部的未烧结部分的引流砂因自重下落，烧结层失去支撑而在钢水的重力作用下被破坏，达到自动开浇(以下称自开)的效果。

如果滑板打开后没有自开，就不得不采取强制吹氧引流措施。吹氧引流影响了生产的顺行，会污染钢水，又增加了操作工被烫伤的风险。

浙江某钢厂使用Cr₂O₃含量较低的铬质引流砂，钢包自开率为85%~87%，影响了了生产效率和铸锭质量。为提高自开率，对影响钢包滑动水口自开的因素进行了研究和改进。

2. 引流砂特性分析及改进措施

引流砂的成分、安息角、粒度及分布等参数是影响自开率的重要性能指标。本研究主要从引流砂的成分、安息角进行了针对性分析和改进。

2.1. 引流砂的成分及改进

根据主要组成成分的不同，引流砂可以划分为石英质、铬质、锆质、、刚玉质、镁质几类。其相关参数见表1。

Table 1. Compositions of several commonly used drainage sands

表1. 常用几种引流砂的材质及成分

石英质引流砂的熔点大约为1680℃~1700℃，但是石英质砂在1200℃以上会因为相变发生较大的体积膨胀，导致其与水口内壁的附着力增大，不利于开浇时引流砂的自由下落，甚至出现“架桥”现象 [1] 。也有学者认为，石英质引流砂中的SiO₂会与落入水口内的渣中的MnO、FeO发生反应，生成低熔点的化合物MnOSiO₂和FeOSiO₂，将引流砂粘附在一起，导致“结壳”变厚，引流砂没有流动性，水口难以开启，严重影响自开率 [2] 。

锆质引流砂熔点高于1800℃。锆英石由于具有热膨胀率低、导热性好、体积密度大、稳定性好、不易被钢液润湿等优良性能，同时呈圆形颗粒状，一直作为引流砂材料。锆砂比硅砂更不容易烧结，且成本较高，故更适用于出钢温度较高的钢种以及精炼和浇注时间较长等特殊的炼钢条件 [1] 。

铬铁矿的熔点为1730℃~1750℃。铬质引流砂由铬铁矿和添加剂制成。它具有比重大、流动性好、熔点高等优点。在铬质引流砂中，随着铬铁矿加入量的变化，铬铁矿在试样中呈现不同的分布，当加入量大于60%时，铬铁矿呈连续分布。铬铁矿的连续分布有助于形成连续的烧结层，防止钢水向下渗透及引流砂颗粒上浮。在高温条件下，铬铁矿中以FeO形式存在的Fe²⁺会迅速氧化变成Fe³⁺，增加的Fe³⁺以R₂O₃或Fe(Fe₂O₄)的形式存在，在冷却时会脱溶出来，同时由于引流砂中还原剂的存在，在高温下引流砂之间的氧分压迅速降低并使Fe₂O₃固溶体发生氧化还原反应，这引起很大的体积膨胀，致使烧结层脆而多孔。加热过程中，铬铁矿中的脉石(硅酸盐夹杂物)还与铬铁矿发生反应形成二次尖晶石 [3] 。对应变化可用下列反应表示。这一系列的变化使得烧结层体积发生变化而产生裂纹，当滑板打开时，水口下部未烧结的引流砂迅速落下，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，从而达到自动开浇的效果。

$n\left(\text{Fe},\text{Mg}\right){\text{R}}_2{\text{O}}_4+{\text{O}}_2\to \left(n-4\right)\left(\text{Fe},\text{Mg}\right){\text{R}}_2{\text{O}}_4+2{\text{Fe}}_2{\text{O}}_3+4{\text{R}}_2{\text{O}}_3$ (1)

$2{\text{Fe}}_2{\text{O}}_3+\text{C}\to 4\text{FeO}+{\text{CO}}_2$ (2)

$4\text{FeO}+4{\text{R}}_2{\text{O}}_3\to 4{\text{FeR}}_2{\text{O}}_4$ (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。

由于铬质引流砂的性能特点和价格优势，它被大多数大型钢厂所使用，特别是精炼钢包。

浙江某钢厂之前使用的1#引流砂，成分如表2所示，其Cr₂O₃含量较低，只有28.0%左右。后使用改进后的Cr₂O₃含量较高(35.0%)的2#引流砂。两种引流砂的自开率见表2所示。换用Cr₂O₃含量更高的2#引流砂后，自开率从86%提高到了95%。

Table 2. Physicochemical indicators and automatically opening rates of drainage sand before and after improvement

表2. 改进前后引流砂的物化指标及自开率

2.2. 引流砂的流动性与安息角

安息角(θ)也称自然堆积角。引流砂的安息角表示引流砂在被投放到钢包上座砖和上水口处所形成的堆积角度。引流砂安息角的具体测定方法是：用支架支起水口砖，砖的下表面与工作台面距离为300 mm。封闭水口下部，注入一定量的引流砂，打开水口后，引流砂落下在工作台面上形成一个锥体，测量锥体的直径D与高度H，根据 $\tan \theta =2H/D$ 即可计算出θ的大小。

安息角的大小直接反映了引流砂的流动性能，是能否自动引流的关键性指标。引流砂的安息角小，其流动性就好。安息角大，其流动性差，会影响到钢包自动开浇。

有研究表明，在引流砂中加入石墨能有效改善其流动性能 [4] 。本研究通过加入石墨的方法调整引流砂的安息角，并统计了不同条件下的自开率，如表3所示。

Table 3. Automatically opening rates of drainage sand at different rest angles

表3. 不同安息角的引流砂及自开率

从表3可以看出，调整引流砂的安息角后，引流砂的自开率发生了比较明显的变化，随着石墨的加入，安息角从26˚减小到22˚，对应的自开率从95%增长到97.5%。数据表明，通过加入一定量的石墨改变安息角从而提高自开率的方法是可行的。

3. 结论

影响钢包滑动水口自开的因素有很多，主要从引流砂的成分、安息角进行了针对性分析和改进，结论如下：

1) Cr₂O₃含量较高的铬质引流砂有利于提高自开率。

2) 通过加入一定量的石墨改变安息角从而提高自开率的方法是可行的。石墨含量4.0%的铬质引流砂的自开率较为理想。