中間包永久層正交設(shè)計試驗

張鑫 李志輝

摘 要：中間包是連續(xù)鑄鋼系統(tǒng)的重要組成部分。本文采用正交設(shè)計法，以鋁酸鹽水泥、微硅粉、高溫氧化鋁微粉三種微粉作為影響因素，制成9組鋁硅質(zhì)低水泥中間包永久層澆注料試樣，檢測試樣中、高溫性能指標。結(jié)果表明，最優(yōu)方案為A2B2C3，即鋁酸鹽水泥、微硅粉、高溫氧化鋁微粉質(zhì)量百分含量分別為3wt%、4wt%和2wt%。

關(guān)鍵詞：中間包;正交設(shè)計;耐火材料

中圖分類號：TF646 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）28-0073-03

Orthogonal Design Test of Tundish Permanent Layer

ZHANG Xin LI Zhihui

（School of Materials and Metallurgy， University of Science and Technology Liaoning，Anshan Liaoning 114051）

Abstract： Tundings are an important part of continuous cast steel system. In this paper， 9 groups of permanent castable samples of low alumina cement tunings were prepared by orthogonal design method with three kinds of micropowders， such as aluminate cement， silica powder and high temperature alumina powder， as the influencing factors. The results showed that the optimal scheme was A2B2C3， that is， the content of aluminate cement， silica powder and high temperature alumina powder were 3wt%， 4wt% and 2wt% respectively.

Keywords： tundish;orthogonal design;refractory

中間包是連接連鑄鋼包與結(jié)晶器的一種耐火材料容器，首先接受從鋼包澆下來的鋼水，然后再由中間包水口分配到各個結(jié)晶器中去。此外，中間包還可作為反應(yīng)容器來調(diào)整鋼水質(zhì)量，同時起到保護鋼水、減緩鋼水對結(jié)晶器沖擊的作用，從而達到連續(xù)澆注的目的。當前，中間包的發(fā)展已經(jīng)不再是簡單地實現(xiàn)“長壽化”，而開始逐步轉(zhuǎn)向“潔凈化”發(fā)展[1]。從20世紀80年代開始，中間包結(jié)構(gòu)內(nèi)襯所用的耐火材料由砌筑耐火磚逐步轉(zhuǎn)化為使用不定形耐火材料澆注施工。而對于耐火澆注料所用材質(zhì)，經(jīng)過對鋁鋯質(zhì)、鋁硅質(zhì)及鋁尖晶石質(zhì)等多種材料進行研究可知，目前主要使用鋁硅質(zhì)耐火澆注料[2]。目前，絕大多數(shù)鋼廠連鑄中間包內(nèi)襯都采用整體澆注工藝，這種工藝不僅可以節(jié)省大量勞動力，而且能減輕工人的勞動強度，大大提高施工效率，減少材料使用量，既提高永久層的抗侵蝕能力，又提高中間包永久層的使用壽命[3]。國內(nèi)外研究者通過不斷改善Al2O3/SiO2（鋁硅比）的大小來提高澆注料的強度、抗熱震性以及抗侵蝕性能[4，5]，使中間包的使用壽命得到大大提高。

1 試樣制備

1.1 分散劑選擇

本文根據(jù)文獻和經(jīng)驗設(shè)計了基本配方，首先考察三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉和聚丙烯酸鈉三種分散劑對中間包永久層澆注料的作用，在基本配料組成不變的前提下，分散劑的外加情況為分別使用和兩兩復(fù)合使用，共6種組合方式。將稱量好的原材料放入攪拌機中充分攪拌，逐漸加入6%左右的水，攪拌均勻，分別檢測物料的流動度。而后將物料震動成型，養(yǎng)護24h后脫模，即可制成40mm×40mm×160mm的標準試樣[6]。將試樣放入電熱鼓風干燥箱中，在（110±5）℃條件下充分烘干后備用，之后檢測試樣的抗折強度、耐壓強度、體積密度、顯氣孔率等指標。經(jīng)過比較分析可知，加入六偏磷酸鈉的試樣的流動度要比加入其他分散劑的試樣好，抗折強度最高，體積密度最高，耐壓強度較高，顯氣孔率較低，因此本試驗以六偏磷酸鈉作為分散劑。

1.2 微粉選擇

影響中間包永久層澆注料使用性能的因素較多，如原料產(chǎn)地、種類、細度、品位、顆粒配比和澆注施工工藝等。但是，就整體而言，影響其性能的主要因素是配方、微粉原料的添加（品位）及原料種類?？晒┻x擇的微粉原料種類較多，但不一定都能適用。本試驗對鋁酸鹽水泥、微硅粉和高溫氧化鋁微粉進行多項性能指標分析，采用Bettersize 2600激光粒度分布儀對三種微粉進行粒度分析，分析結(jié)果如表1所示。從表1可知，三種微粉原料作為主要原料性能完全符合要求。

1.3 正交設(shè)計

針對中間包永久層的損毀機理，試驗選用正交方法進行設(shè)計，制備鋁硅質(zhì)低水泥澆注料試樣。試樣選用高鋁礬土熟料（占56wt%）和焦寶石（占15wt%）作為骨料，選用高鋁礬土細粉和三種微粉原料作為基質(zhì)和結(jié)合劑，選用六偏磷酸鈉作為分散劑。以鋁酸鹽水泥（標記為A）、微硅粉（標記為B）和高溫氧化鋁微粉（標記為C）三種微粉原料作為影響其性能的因素，并給每個因素選擇三個水平，A的三個水平分別為2wt%、3wt%、4wt%，B的水平為3wt%、4wt%、5wt%，C的水平為4wt%、3wt%、2wt%。根據(jù)因素水平表，試驗采用三因素三水平方法，選用對口的L9（34）正交表[7]，設(shè)計9組試樣的配方詳見表2。按照制樣標準要求進行試樣制備，試樣經(jīng)養(yǎng)護、烘干后，并進行各項相關(guān)性能指標的檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 三因素對試樣中溫性能的影響

對烘干合格的試樣進行1 100℃×3h熱處理，原料中低熔點化合物相互作用產(chǎn)生液相促進材料的燒結(jié)，形成新的礦物相，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密化，表現(xiàn)出少許的收縮。對實驗數(shù)據(jù)進行分析，由極差R的大小可以得出，三因素影響試樣中溫抗折強度的主次順序為A→B→C，影響中溫耐壓強度的順序是B→A→C。由數(shù)據(jù)可知，相對較好的組合條件都是A2B2C3。

之后，對試樣進行水冷法抗熱震性試驗，試樣經(jīng)過反復(fù)急熱急冷試驗10次后，仍然沒有出現(xiàn)明顯的裂紋、掉角現(xiàn)象，從而進一步檢測試樣熱震后抗折強度損失率，以此來表征其性能的好壞，并將極差分析結(jié)果填入表3。各個因素影響熱震后殘余抗折強度由主到次的順序為A→B→C，也就是說鋁酸鹽水泥是影響澆注料試樣抗熱震性的主要因素，微硅粉和高溫氧化鋁微粉是相對次要的因素。根據(jù)極差分析得出，抗熱震性好的組合條件是A2B2C3，這說明三種微粉原料對試樣的中溫影響效果較好，得出最優(yōu)方案與上述強度指標相同。

2.2 三因素對試樣高溫結(jié)構(gòu)強度的影響

檢測各組試樣1 550℃×3h燒后抗折和耐壓強度，對結(jié)果進行極差分析，并將數(shù)據(jù)列于表3中。對于三個因素列，計算相應(yīng)水平的燒后結(jié)構(gòu)強度（燒后抗折強度和燒后耐壓強度）之和[K1]，[K2]和[K3]及其極差值R。從R的大小可以看出，三種因素影響抗折強度的主次順序為A→C→B，對于耐壓強度，其順序為A→B→C，而且B、C的極差R值相差不大，即鋁酸鹽水泥是影響材料燒后結(jié)構(gòu)強度的主要因素，微硅粉和高溫氧化鋁微粉是次要因素。根據(jù)極差分析得出燒后結(jié)構(gòu)強度最佳的組合方案為依然是A2B2C3，即鋁酸鹽水泥含量為3wt%，微硅粉4wt%，高溫氧化鋁微粉2wt%。

2.3 三因素對試樣高溫體密氣孔的影響

對試樣1 550℃×3h燒后體積密度、顯氣孔率進行研究。3#試樣體積密度最高，5#、6#試樣次之;2#試樣顯氣孔率最低，3#、5#試樣次之。通過分析比較可知，微硅粉是影響體積密度的主要因素，微硅粉含量較大時試樣的體積密度值相對較高。高溫氧化鋁微粉是影響試樣燒后顯氣孔率的主要因素，在一定范圍內(nèi)其含量較大時顯氣孔率值相對較高。兩種微粉都能很好地促進澆注料的流動性，有利于氣體的充分排出，氣孔得以較好地填充，澆注料試樣致密化程度較高，從而使得相關(guān)性能較好。

3 結(jié)論

在鋁硅質(zhì)中間包永久層澆注料中，鋁酸鹽水泥主要影響試樣燒后的結(jié)構(gòu)強度和抗熱震性;微硅粉主要影響燒后的體積密度，含量較大其值相對較高;高溫氧化鋁微粉主要影響燒后的顯氣孔率，含量較大其值相對較高。通過分析比較三種微粉原料及其不同的加入比例，確定正交設(shè)計條件下，試樣中微粉原料的最佳方案為A2B2C3，即鋁酸鹽水泥質(zhì)量百分含量為3wt%、微硅粉為4wt%、高溫氧化鋁微粉為2wt%的中間包永久層澆注料試樣綜合性能指標最為優(yōu)秀，經(jīng)過實踐應(yīng)用效果良好。

參考文獻：

[1]吳武華，齊同瑞，何家梅，等.連鑄中間包涂料的發(fā)展趨勢[J].鞍鋼技術(shù)，2003（4）：16-18.

[2]江弘，王小新.中間包永久層澆注料的損毀形式和耐用性提高方法[J].江蘇陶瓷，2004（1）：26-31.

[3]于金鳳.中間包澆注料的高溫性狀[J].國外耐火材料，1997（7）：27-31.

[4] Satoi Kanatan， Okamoto T， Tanaka S. Wear Mechanism of Tundish Castable[J]. T AIKABUSTSU，1999（8）：4l-47.

[5] Satoi Kanatan. Improvement of castable for tundish with exceuent spalling resistance[J]. TAIKABUSTSU，2002（11）：559-565.

[6]李志輝.無機非金屬材料工程專業(yè)創(chuàng)新實驗[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2016.

[7]李志西，杜雙奎.試驗優(yōu)化設(shè)計與統(tǒng)計分析[M].北京：科學出版社，2010.