王曉丹 唐西平 王蕊 李健 趙飛鴻 程楠 單薇

【摘要】引流砂作為一種在連鑄技術(shù)煉鋼工藝過程中不可或缺的材料，其燒結(jié)度的影響因素有很多，如燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、燒結(jié)厚度等。本文通過大量試驗(yàn)來論證一種量化檢驗(yàn)引流砂燒結(jié)度的試驗(yàn)方法。

【關(guān)鍵詞】引流砂；燒結(jié)度試驗(yàn)；量化；檢驗(yàn)

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.03.006

Study on the Experimental Method for Quantifying the Sintering Degree of Drained Sand

WANG Xiaodan， TANG Xiping， WANG Rui， LI Jian， ZHAO Feihong， CHENG Nan， SHAN Wei

（Fushun Product Quality Supervision and Inspection Institute， Fushun 113006， China）

Abstract： Drainage sand is an indispensable material in the process of continuous casting technology for steel making. There are many factors that affect its sintering degree， such as sintering temperature， holding time， and sintering thickness. This article demonstrates a quantitative test method for inspecting the sintering degree of drainage sand through a large number of group experiments.

Keywords： drainage sand； sintering degree test； quantification； inspection

1試驗(yàn)樣品

引流砂種類繁多，常見的有硅質(zhì)引流砂、鉻質(zhì)引流砂、鎂鉻質(zhì)引流砂、鉻鋯質(zhì)引流砂等。本試驗(yàn)所采用的樣品來源于本地鋼材生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)所使用的硅質(zhì)引流砂，在不同條件下進(jìn)行燒結(jié)度試驗(yàn)。

2試驗(yàn)方案的構(gòu)思與設(shè)計(jì)

2.1試驗(yàn)的基本原理

以往對(duì)引流砂燒結(jié)度的試驗(yàn)方法基本是采用經(jīng)驗(yàn)法，即用手指摳動(dòng)燒結(jié)后的引流砂，并且依據(jù)可摳動(dòng)的程度來分級(jí)。此方法為一種定性的方法，受人為因素影響非常大，并且這種方法未能與鋼水靜壓力聯(lián)系起來。此級(jí)別無法表明引流砂的燒結(jié)層能否被鋼水沖開而實(shí)現(xiàn)自澆作業(yè)。

本試驗(yàn)的基本原理是在不同的燒結(jié)試驗(yàn)溫度及保溫時(shí)間下，燒制不同厚度的引流砂樣品，使用推拉力計(jì)對(duì)燒結(jié)的樣品施加壓力，根據(jù)試樣外觀特征、破碎壓力與鋼水靜壓力的比較來評(píng)價(jià)燒結(jié)度。本試驗(yàn)方法量化了引流砂的燒結(jié)度，提高了準(zhǔn)確度，且直接用鋼水靜壓力來評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果。

2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)思來源

在鋼包澆注過程中，引流砂的燒結(jié)程度是隨溫度梯度而變化的。引流砂沿溫度梯度方向的狀態(tài)大致可分為三層。最上層與鋼水直接接觸的部分，在鋼水的高溫作用下燒結(jié)成塊，形成完全燒結(jié)層（此處不考慮熔融層）；中間為部分燒結(jié)層；下面為與常溫狀態(tài)性狀相同的原始層。當(dāng)鋼包水口打開時(shí)，鋼水在靜壓力作用下沖開燒結(jié)層，從而實(shí)現(xiàn)自澆開作業(yè)。如果燒結(jié)層過厚、強(qiáng)度過高，依靠鋼水的靜壓力可能無法沖開燒結(jié)層，這時(shí)就必須采取燒氧引流的方式使其開澆。由于鋼包中的引流砂燒結(jié)后的完全燒結(jié)層、部分燒結(jié)層、原始層與鋼水溫度有直接聯(lián)系，因而我們?cè)谠囼?yàn)方案設(shè)計(jì)中以鋼水溫度1500℃為分界線。

2.3試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

在所調(diào)研的鋼鐵企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，每一鋼包鋼水正常停留時(shí)間為15 min左右，停留30 min即為異常生產(chǎn)狀態(tài)。因此在試驗(yàn)初始階段各檔溫度以保溫30 min為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過初始試驗(yàn)后，我們發(fā)現(xiàn)在1450℃及以下的試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)破碎壓力遠(yuǎn)低于鋼水靜壓力值，在溫度達(dá)到1500℃后，破碎壓力值明顯升高。于是我們將試驗(yàn)方案做了如下修改：1450℃及以下，提高保溫時(shí)間和樣品厚度；1500℃時(shí)降低保溫時(shí)間和樣品厚度；增加1480℃的試驗(yàn)。

2.3.1燒結(jié)試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)定

1）燒結(jié)溫度1500℃。試驗(yàn)的保溫時(shí)間設(shè)置為30、20、15 min。根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，該溫度下強(qiáng)度較高的過燒致密部分一般不超過30 mm，因此樣品理論厚度設(shè)置為15、25、30 mm，在上述條件下進(jìn)行多次燒結(jié)度試驗(yàn)。

2）燒結(jié)溫度1480℃及以下。將試驗(yàn)爐溫設(shè)置為5擋，分別為1480、1450、1400、1300、1200℃。保溫時(shí)間設(shè)置為30 min及60 min。在上述條件下進(jìn)行多次燒結(jié)度試驗(yàn)。

2.3.2試驗(yàn)壓力設(shè)定

樣品經(jīng)高溫煅燒后，對(duì)完全燒結(jié)成塊的樣品通過施以一定壓力來檢驗(yàn)其燒結(jié)度。此試驗(yàn)壓力為模擬鋼包中鋼水的靜壓力，具體參數(shù)來源于實(shí)際的生產(chǎn)情況。由于不同鋼包的座磚內(nèi)徑不同，不同材質(zhì)的鋼水煉鋼時(shí)間不同，鋼水的液面高度也不同。因此就以一種轉(zhuǎn)爐的參數(shù)來計(jì)算試驗(yàn)壓力。

2.4試驗(yàn)設(shè)備

高溫節(jié)電爐：型號(hào)為KSS-1700℃；推拉力計(jì)：型號(hào)ZP-500，精度為0.5FS，分度值0.1 N；電子天平：LP1002，精度為0.01 g；游標(biāo)卡尺：0～150 mm，精度為0.02 mm；標(biāo)準(zhǔn)篩：0.2～50 mm。

2.5試驗(yàn)前準(zhǔn)備

2.5.1取樣

試驗(yàn)前對(duì)所采集的樣本進(jìn)行取樣。因引流砂為砂狀，具有一定的流動(dòng)性，為保證樣品的均勻性，按GB/T 17617—2018《耐火原料抽樣檢驗(yàn)規(guī)則》的要求，從總產(chǎn)品中抽取實(shí)驗(yàn)室樣品。本次采用多點(diǎn)取樣法，從實(shí)驗(yàn)室樣品中抽取制備試樣的樣品。制備試樣的樣品量為坩堝容積的3～4倍。

2.5.2樣品預(yù)處理

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，引流砂含有一定的水分。為保證引流砂能發(fā)揮作用，在使用之前需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱干燥處理。因此，在試驗(yàn)準(zhǔn)備的環(huán)節(jié)，設(shè)置了對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)熱干燥處理的環(huán)節(jié)。

2.5.3燒結(jié)皿的選擇

因本試驗(yàn)為高溫試驗(yàn)，所以選擇以下幾個(gè)規(guī)格的剛玉坩堝作為盛樣器皿：1）內(nèi)徑φ50 mm、深度45 mm；2）內(nèi)徑φ70 mm、深度100 mm；3）內(nèi)徑φ60 mm、深度120 mm；4）內(nèi)徑φ100 mm、深度100 mm。

2.6試驗(yàn)步驟

2.6.1燒結(jié)試驗(yàn)

將樣品攤開置于（110±5）℃的鼓風(fēng)干燥箱中，在持續(xù)鼓風(fēng)的條件下保持2 h，然后在干燥器中冷卻至室溫；在剛玉坩堝內(nèi)壁及底部均勻放置一層耐高溫保溫材料，將盛好樣品的剛玉坩堝置于爐中加熱至設(shè)定的溫度，保溫相應(yīng)時(shí)間后，冷卻至室溫；取出燒結(jié)后的試樣，用軟毛刷輕輕地對(duì)燒結(jié)后的樣品進(jìn)行清理，去除散狀砂粒，觀察其外觀形態(tài)；按照方案設(shè)定的試驗(yàn)溫度、保溫時(shí)間及裝樣厚度重復(fù)上述步驟，進(jìn)行多次燒結(jié)試驗(yàn)。

2.6.2加壓破壞試驗(yàn)

在平臺(tái)上放置一鋼制環(huán)形墊片，將樣品平置于墊片上。墊片內(nèi)徑以小于樣品直徑5～10 mm為宜，質(zhì)量不大于20 g，上表面應(yīng)平整光滑，表面粗糙度不大于Ra6.4。在樣品上放置一個(gè)木質(zhì)且不易變形的平整墊塊，墊塊覆蓋樣品表面。試驗(yàn)過程示意圖見圖1。鋼水靜壓力換算到樣品表面積為177 N，因此選擇量程為500 N的推拉力計(jì)。推拉力計(jì)零位校準(zhǔn)后，將其平頭頂桿垂直輕置于墊塊上，頂桿位于樣品上表面幾何中心對(duì)應(yīng)位置，在此過程中不施加其他外力；以不大于10 N/s的平均速度逐漸加壓至樣品破碎，記錄樣品破碎壓力，與177 N進(jìn)行比較，以此來評(píng)價(jià)燒結(jié)度。

2.7試驗(yàn)結(jié)果分析及處理

2.7.1引流砂經(jīng)高溫煅燒后的狀態(tài)

通過大量的試驗(yàn)可以看出，引流砂燒結(jié)后會(huì)出現(xiàn)以下狀態(tài)：1）不燒結(jié)或表面少量燒結(jié)成膜，但質(zhì)地疏松，輕按即碎，具有一定流動(dòng)性；2）部分燒結(jié)，引流砂試樣在高溫下保持一定時(shí)間后，試樣表層顆粒燒結(jié)在一起，具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，試樣內(nèi)部仍保持原來的松散狀態(tài)和流動(dòng)性；3）完全燒結(jié)，試樣從外到內(nèi)顆粒全部燒結(jié)在一起，具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，完全喪失原來的松散狀態(tài)和流動(dòng)性。

2.7.2加壓破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1）在1500℃條件下的加壓破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

由表1數(shù)據(jù)可得，硅質(zhì)引流砂在1500℃下，保溫30 min時(shí)，厚度超過30 mm的破碎壓力大于鋼水靜壓力；保溫20 min時(shí)，厚度超過30 mm的破碎壓力在鋼水靜壓力的邊緣；保溫15 min的破碎壓力均小于177 N，即小于鋼水靜壓力，能實(shí)現(xiàn)自澆作業(yè)。從圖2中可以看出，保溫30 min時(shí)破碎后的樣品為塊砂混合狀，塊狀占多數(shù)，燒結(jié)體質(zhì)地致密，表面黃色顆粒居多，內(nèi)部黑色居多約3/5，黃色約為2/5；保溫20 min時(shí)破碎后的樣品為塊砂混合狀，塊狀占多數(shù)，燒結(jié)體質(zhì)地致密，較保溫30 min的樣品要疏松，表面黃色顆粒居多，內(nèi)部黑色居多約3/5，黃色約為2/5。

2）在1400 ℃條件下的加壓破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

從圖3中可以看出，保溫60 min時(shí)破碎后的樣品為塊砂混合，塊砂基本各占一半，燒結(jié)體質(zhì)地較30 min的樣品致密，燒結(jié)表層黃色砂粒居多，內(nèi)部黑黃各半；保溫30 min時(shí)破碎后的樣品為小塊與砂混合，砂狀占多數(shù)，燒結(jié)體質(zhì)地較為疏松，表面黃色顆粒居多，內(nèi)部黃黑各半。

3）采用標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)試驗(yàn)前后100 g樣品的粒度進(jìn)行測量，結(jié)果見表3。由表3可見，引流砂經(jīng)高溫煅燒后，其粒徑會(huì)膨脹變大。

3引流砂燒結(jié)度分級(jí)

1）引流砂高溫煅燒后，按燒結(jié)度的不同可分為以下三級(jí)。一級(jí)：外觀未燒結(jié)或表面少量燒結(jié)成膜，但質(zhì)地疏松，輕按即碎，具有一定流動(dòng)性。二級(jí)：外觀部分燒結(jié)，加壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力不大于鋼水靜壓力或用戶給定的壓力值。三級(jí)：外觀完全燒結(jié)，加壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力不大于鋼水靜壓力或用戶給定的壓力值。四級(jí)：外觀完全燒結(jié)，具有較大的密度和強(qiáng)度，加壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力大于鋼水靜壓力或用戶給定的壓力值。

2）按燒結(jié)度是否良好，可將燒結(jié)度的三級(jí)分為燒結(jié)度良好和燒結(jié)度不良：樣品二級(jí)、三級(jí)表示燒結(jié)度良好，易于開澆，引流砂可以使用；樣品一級(jí)、四級(jí)表示燒結(jié)度不良，不易于開澆，引流砂不推薦使用。

由以上試驗(yàn)可以看出，此方法可以量化地檢驗(yàn)引流砂的燒結(jié)度，提高了檢測的準(zhǔn)確度，同時(shí)直接模擬鋼水靜水壓力來評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)更具指導(dǎo)意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]賀俊海.新型鋼包引流砂的研制與應(yīng)用[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2014.

【作者簡介】

王曉丹，女，1982年出生，高級(jí)工程師，工程碩士，研究方向?yàn)橘|(zhì)量檢驗(yàn)。

（編輯：李鈺雙）