添加均化矾土对钢包下水口性能的影响

钢包滑动水口系统由上水口、滑板砖、下水口组成，钢包下水口是流钢的通道，并与钢包长水口连接，保证钢水洁净，防止钢水的二次氧化。下水口作为滑动水口的重要组成部分，要求其耐火性能和机械性能可靠，并与滑板砖使用同步。下水口在使用时是间歇性工作，受热震的作用，容易产生裂纹，多次使用时裂纹扩展会出现断裂、环裂，甚至会出现漏钢事故，造成安全隐患。有时因下水口砖原因造成滑板提前更换，浪费了材料，增加了炼钢成本。因此，要求下水口既要耐冲刷，又要抗侵蚀，还要具有良好的抗热震性。

目前钢厂招标降价趋势显著,同行竞争白热化，成本控制显得尤为重要。本实验研究了添加不同比例均化矾土骨料代替板状刚玉对钢包下水口性能的影响，对制备高性价比大型钢包下水口具有重要的意义。

试 验

1.1 原料

试验选用的主要原料为：均化矾土，w(Al₂O₃)≥85%,粒度为5～3mm、3～1mm,体积密度≥3.25g/cm³;板状刚玉，w(Al₂O₃)≥99.2%,粒度为5～3mm、3～1mm、1～0.5mm、0.5～0mm,体积密度≥3.50g/cm³;电熔白刚玉，w(Al₂O₃)≥99.0%,粒度≤0.045mm;α-Al₂O₃微粉，w(Al₂O₃)≥99.2%,d₅₀=2.0μm;铝粉，w(Al)≥98.5%,粒度≤0.045mm;硅粉，w(Si)≥98.0%,粒度≤0.045mm;鳞片石墨，w(C)≥97%,粒度≤0.075mm;热固性酚醛树脂为结合剂。主要原料的化学组成列于表1。

表1 主要原料的化学组成%

1.2 试样制备

试验方案如表2所列，均化矾土的添加比例依次为0、10%、20%、30%、40%,以替代相应比例的板状刚玉骨料，标为MO~M4。首先按配方比例准确称取所有原料，将称取的原料加入到强力混合机内干混20~25s,然后加入称量好的酚醛树脂再混合600～900s出料。混好的泥料在20～25℃下困料24h,在液压机上制成规格为Φ50mm×50mm和150mm×25mm×25mm的试样，成型压力为150MPa。成型好的试样在干燥箱内于180℃干燥24h。

1.3 性能检测

按照GB/T2997—2015检测试样的显气孔率和体积密度，按照GB/T5072—2008检测试样的常温耐压强度，按照GB/T3001—2017检测试样的常温抗折强度。

将两组150mm×25mm×25mm的试样在还原气氛1500℃加热3h,冷却后测定其中一组的线变化率和常温抗折强度，另一组进行热震(还原气氛下加热至1100℃后风冷3次)后再检测其常温抗折强度，以热震后的抗折强度保持率来表征其抗热震性。

表2 试验配方%

结果与讨论

2.1 均化矾土加入量对试样显气孔率和体积密度的影响

图1所示为180℃干燥后试样的显气孔率和体积密度。由图中可以看出，随着均化矾土加入量的增加，试样的显气孔率呈升高趋势，体积密度逐渐下降，显气孔率由8.0%逐渐升至9.7%,体积密度由3.17g/cm³降到3.07g/cm³。显气孔率升高、体积密度降低的主要原因是均化矾土相对板状刚玉的气孔率高且体积密度较小，随着均化矾土加入量的增加，试样的显气孔率略有升高，体积密度略有下降。

图1 180℃干燥后试样的显气孔率和体积密度

2.2 均化矾土加入量对试样常温耐压强度和常温抗折强度的影响

图2所示为180℃干燥后试样的常温耐压强度和常温抗折强度。从图中可以看出，随着均化矾土加入量的增加，试样的常温耐压强度和常温抗折强度呈下降趋势，常温耐压强度由108MPa降到94MPa,常温抗折强度由28MPa降到21MPa。主要原因为均化矾土相对板状刚玉体积密度偏小、强度偏低，随着均化矾土加入量的增加，试样的常温耐压强度和常温抗折强度略有下降，但性能指标下降在可接受范围之内，能够满足行业标准的要求。

图2 180℃干燥后试样的常温耐压强度和常温抗折强度

2.3 均化矾土加入量对试样线变化率和抗热震性能的影响

图3(a)所示为1500℃烧后试样的线变化率。从图中可以看出，随着均化矾土加入量的增加，试样的烧后线变化率逐渐减小，线变化率由+0.3%减小至+0.1%。图3(b)为试样热震后抗折强度保持率。可以看出，随着均化矾土加入量的增加，试样热震后抗折强度保持率呈升高趋势，由62%逐渐升高至73%;主要原因是均化矾土有少量的玻璃相，膨胀率小，添加均化矾土后试样的体积变化小，体积稳定性较好，从而导致试样的线变化率减小，抗折强度保持率升高，添加均化矾土有利于提高试样的抗热震性，减少使用过程中裂纹的产生。

图3 1500℃烧后试样线变化率和热震后试样抗折强度保持率

现场使用

根据以上试验结果分析，综合考虑试样性能及生产可控性，选取M3、M4下水口试样进行了生产试验，在国内某钢厂进行了试用，钢包容量为200t,钢包周转时间为2.5～3.5h,冶炼钢种主要为Q195L、Q235B、HRB400E等，精炼方式为LF精炼，精炼时间为25min左右，浇钢时间30～35min,滑板使用4次。M3下水口试样使用4次，原始孔径为Φ75mm,使用后孔径在Φ83mm左右，铸孔平均每次扩径2.0mm左右，与滑板使用同步，用后下水口孔径规则，无环裂、断裂现象，比刚玉材质下水口扩孔略大、裂纹减少，用后下水口照片如图4所示。试用M4下水口使用4次，原始孔径为Φ75mm,使用后孔径在Φ85mm左右，铸孔平均每次扩径2.5mm左右，能够与滑板使用同步，用后下水口照片如图4所示，用后下水口孔径规则，无环裂、断裂现象，扩孔相对较大，最终按照M3配方进行工业化生产，批量使用4次，能够与滑板使用寿命同步，降低了下水口制造成本，提高了经济效益。

图4 下水口试样使用4次后的照片

结 论

(1)随着均化矾土加入比例的增加，下水口的体积密度有所下降，显气孔率略有升高，常温耐

压强度、常温抗折强度略有下降，线变化率减小，抗折强度保持率升高。

(2)试验用下水口在国内某钢厂200+钢包使用4次，效果优良，能够与滑板使用寿命同步。

(3)通过综合对比，加入30%左右均化矾土下水口有较好的经济效益。

文章作者：张志峰、梁保青、尚俊利、韩彦锋、周海军

作者单位： 河南熔金高温材料股份有限公司

参考文献

[1]张渝，谭键.钢包下水口断裂分析及改进措施

[2]梁保青，李爱梅，徐跃庆，等.一种均化料增韧的铝碳下水口砖及其生产方法：CN107473759B

[3]史德蔓.钢包下水口損毁原因分析及改进措施

[4]牛茂胜，王朝阳，刘建中，等.钢包下水口使用时的问题分析

[5]王利国，魏合意.钢包下水口漏钢原因分析及改进措施

[6]梁保青，赵臣瑞，王全喜.钢包下水口松动原因分析及改进措施