鋼水中間包覆蓋劑MgO含量對吸附能力的影響研究

趙顯久，周月明，張捷宇

（1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201900；2.上海大學，上海 200072）

在連鑄生產(chǎn)過程中，鋼水表面覆蓋劑主要起絕熱保溫，防止鋼液面結(jié)殼，隔絕空氣防止二次氧化以及吸附上浮到鋼液面的夾雜物的作用。覆蓋劑的使用種類，主要有四種類型，分別為從酸性碳化稻殼、中性Al2O3-SiO2型覆蓋劑、較高CaO含量的堿性覆蓋劑，以及下層高堿性覆蓋劑上層碳化稻殼的雙層覆蓋劑。目前常見的連鑄中間包覆蓋劑的成分以高堿度的CaO、Al2O3、SiO2三元相為主，起到絕熱保溫、防止氧化，吸附一定數(shù)量的的鋼水中的夾雜物。其中，一定含量的SiO2，可以有效降低渣相熔點，提高覆蓋劑的流動性，發(fā)揮覆蓋和保護性能。有關研究表明，提高覆蓋劑的堿度（CaO與SiO2的比值，R>4），可以有效改善覆蓋劑吸附能力，而且可以降低氧化性渣FeO和MnO的活度。有關文獻認為既可以達到比較好的吸附作用，而且能夠減少對中間包襯得侵蝕，MgO的含量應該在15%~25%。

在寶鋼某廠生產(chǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)中間包融損問題，嚴重的侵蝕甚至達到了工作磚的層面，這不但造成了鋼水純凈度的降低，也給中間包的使用安全帶來了極大的隱患。為此，文章以CaO、Al2O3、SiO2三元相為基本組元，改變MgO含量，討論MgO含量變化后的中間包覆蓋劑吸附鋼水中中間夾雜物特性，這不僅對研究提高鋼水純凈度，而且對確保中間包的安全使用均有著重要作用。

1 試驗方法

為了避免對中間包的侵蝕，覆蓋劑中MgO的含量在12%~15%；同時，為提高對鋼水中Al2O3夾雜物的吸附作用，使鋼水中的氧化鋁與覆蓋劑中的氧化鈣轉(zhuǎn)變?yōu)殇X酸鈣，應適當提高覆蓋劑中CaO的含量。以兩種不同組分的覆蓋劑為研究對象，試驗時主要考察覆蓋劑使用后鋼水中不溶鋁的量的變化。在鋼水中，全鋁是酸溶鋁和不溶鋁的總和。酸鋁是成分鋁，全鋁和酸鋁的差值為不溶鋁。利用鋼水中不溶鋁的變化判定覆蓋劑吸附能力的大小。覆蓋劑試驗時，一般中間包使用7爐，每爐連澆結(jié)束時，在中間包覆蓋劑位置取樣進行XRD能譜結(jié)構(gòu)檢測。試驗覆蓋劑成分如表1所示，其中編號0#為常規(guī)使用的覆蓋劑成分，編號1#為改進后的覆蓋劑成分。

表1 試驗覆蓋劑成分

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果

一般而言，鋼水在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中鋼包渣的氧勢較高，較高氧勢的爐渣對鋼水成分會造成污染，而且會加速中間包涂層融損。但是使用大包滑板擋渣，可以在一定程度上控制大包下渣量。中間包覆蓋劑在投入到中間包后，由三部分組成：一是夾雜物充分上浮，二是覆蓋劑吸附能力良好，三是覆蓋劑能夠起到隔絕空氣防止鋼水氧化產(chǎn)生新的夾雜物。有關文獻，針對覆蓋劑的吸附夾雜物的能力，以覆蓋劑本身成分為研究對象，對比前后的覆蓋劑的成分變化，這種方案有兩種弊端：其一，覆蓋劑在于鋼水接觸的位置區(qū)域是液態(tài)的，再往上是燒結(jié)態(tài)，再往上是粉狀的。所以取樣過程中，即使進行辨別，但取樣過程中，仍然不能避免取樣有較大誤差。其二，單純從覆蓋劑中氧化鋁了量來定義吸附能力有欠缺。鋼水中氧化鋁的多少，以及中間包內(nèi)的流場行為密切相關。所以對于中間包覆蓋劑的吸附能力，應該選擇一個比較穩(wěn)妥的辦法了進行評定。

為了表征中間包覆蓋劑吸附能力以及覆蓋劑的防氧化能力，可以利用公式（1）夾雜物上浮效率來大致判斷。上浮效率的計算公式為：

其中，上浮效率單位為%，連鑄不溶鋁含量C不溶鋁（連鑄）為中間包中鋼水成分中全鋁與酸鋁的差值，精煉不溶鋁含量C不溶鋁（精煉）為大包鋼水成分中全鋁與酸鋁的差值。圖1為試驗得到的中間包覆蓋劑吸附能力的結(jié)果，編號0#為常規(guī)使用的覆蓋劑，編號1#為改進后的覆蓋劑，橫坐標為中間包連澆爐數(shù)，縱坐標為夾雜物上浮效率。從圖1可以看出，經(jīng)過改進后的覆蓋劑，氧化鋁的上浮效率在前三爐有著較為顯著的改善，但在澆鑄后期（第4爐~第7爐）覆蓋劑的吸附能力有所下降。

圖1 不同覆蓋劑吸附能力變化趨勢圖

2.2 分析與討論

目前連鑄中間包使用的是超低碳低堿度的常規(guī)覆蓋劑，其成分如表1中0#覆蓋劑所示，改進覆蓋劑成分如表1中1#覆蓋劑所示。兩種覆蓋劑在使用后取樣的外觀相貌就有明顯區(qū)別，如圖2所示。從圖2a可以看出，常規(guī)覆蓋劑呈黑色玻璃體，成分有不融特征的分層出現(xiàn)。從圖2b可以看出，改進覆蓋劑的融化均勻性較好，呈現(xiàn)米黃色。

圖2 不同覆蓋劑取樣圖

在原覆蓋劑中，為了防止對中間包氧化鎂涂層的侵蝕，將覆蓋劑的MgO含量定在20%左右，但正是由于MgO含量較高，覆蓋劑的熔覆特性變差，呈現(xiàn)了融合分層現(xiàn)象。經(jīng)過X射線結(jié)構(gòu)衍射（XRD）分析，發(fā)現(xiàn)原覆蓋劑的主要礦相為6種成分，如圖3所示，分別為鈣鋁石、方鎂石、生石灰、鈣鈦氧化物、二氧化硅和六方硅鈣石。而且，鈣鋁酸鹽的比例達到了58.3%，方鎂石的比例為33.3%，生石灰的比例為1.5%。從圖3可以看出，使用后的原覆蓋劑呈現(xiàn)多種礦相交織，且保持著本身鈣鋁酸鹽的特性。此種覆蓋劑的融化特性、鋪展性不能有效滿足對液態(tài)鋼水防氧化及夾雜物吸附要求。

圖3 原覆蓋劑XRD圖譜

圖4 改進覆蓋劑的XRD圖譜

改進后的覆蓋劑的XRD圖譜分析結(jié)果如圖4所示，從圖4中可以看出，衍射峰主要為鈣鋁酸鹽，部分方鎂石、生石灰，其余礦相為鈣鈦氧化物，六方硅鈣石，碳酸鈣鎂石以及鎂鋁榴石等。根據(jù)對衍射峰進行的計算結(jié)果，鈣鋁酸鹽含量為71.6%，方鎂石含量17.9%。從這兩相可以看出，經(jīng)過改進的覆蓋劑，能夠有效吸附了鋼水中的氧化鋁，較改進前58.3%的鈣鋁酸鹽含量有著明顯的提升，而方鎂石含量得以顯著的下降，從原來的33.3%減小到17.9%。另外生成的礦相中，有鎂鋁榴石成分的存在說明在這個成分下，覆蓋劑中的氧化鎂與鋼水中的氧化鋁存在一定程度的反應，這也證明在此成分下的覆蓋劑能夠一定程度上促進氧化鋁夾雜物的吸附。XRD圖譜中未發(fā)現(xiàn)有氧化硅存在，而是生成了六方硅鈣石，說明該成份下覆蓋劑成分均勻性也比較好。

澆鑄后期覆蓋劑吸附能力衰退，可能和覆蓋劑吸附能力的“飽和”有關，這也說明改進的中間包覆蓋劑在實際使用時可以采取“小量頻加”方式為宜，以充分發(fā)揮改進覆蓋劑最佳的吸收鋼水夾雜效果。

3 結(jié)語

（1）經(jīng)過降低覆蓋劑中的MgO含量后，中間包覆蓋劑對鋼水夾雜物的吸附能力明顯提升，尤其是在改進覆蓋劑投入使用的前期。

（2）通過XRD圖譜分析，改進后的覆蓋劑使用后礦相組成71.6%為鈣鋁酸鹽，較改進前的58.3%有著明顯的提升，同時發(fā)現(xiàn)有鎂鋁榴石出現(xiàn)，說明改進后的覆蓋劑有效吸附了鋼水中的氧化鋁。

（3）改進后的覆蓋劑實際使用時可采用“小量頻加”方式，以充分發(fā)揮覆蓋劑最佳的凈化鋼水效果。