TW202325682A

TW202325682A - 用於盛鋼桶之座磚的含鋯填充砂

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Publication number: TW202325682A
Application number: TW110148013A
Authority: TW
Inventors: 郭家宏; 陳琨明; 曾耀弘; 潘建男
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2023-07-01

Abstract

一種用於盛鋼桶之座磚的含鋯填充砂，包含：鉻礦砂、矽砂以及鋯礦砂，其中該含鋯填充砂之粒徑為0.05毫米至0.85毫米；以及該含鋯填充砂中包含的Cr ₂O ₃與ZrO ₂的重量比為2至5。

Description

用於盛鋼桶之座磚的含鋯填充砂

本發明係關於一種用於盛鋼桶之座磚的材料，特別是關於一種用於盛鋼桶之座磚的含鋯填充砂。

盛鋼桶是一種用來二次精煉熔融金屬的容器。在目前大多數的鋼廠的澆鑄作業中，會使用填充砂填滿位於盛鋼桶的底部的座磚，鋼液與填充砂接觸的部分會產生燒結層來阻隔鋼液滲透。當澆鑄作業進行而使滑門開啟時，未燒結的填充砂會先行落下，接著透過鋼液的靜壓力將燒結層壓破，使得鋼液可以通過燒結層流出，這樣的過程稱為自然開口。

目前常見使用的填充砂包括鉻質複合材料，其包括鉻礦砂、矽砂、長石砂、以及少量的覆碳（或是不覆碳）。然而，當鉻質填充砂應用於更高的溫度（大於1650°C）及較長的時間（大於3小時）精煉的鋼種，並且盛鋼桶的容積為150 噸以下（滑門開口為60至75毫米）的冶煉環境下，開口率的表現會下滑至約95至98%。倘若是應用在冶煉時間最長（6至8小時）的不鏽鋼，鉻質填充砂的開口率通常不佳，僅達50至85%。

中華民國專利第I417268號揭露了一種用於填充盛鋼桶之填充砂粒，可使鋼液在盛鋼桶流鋼嘴之滑門開啟後自然開口流過。此專利的技術特徵在於其填充砂粒具備核/殼結構。核心粉粒之材質包含碳化矽礦砂。殼層包覆於核心粉粒外，殼層之材質包含氧化矽，且殼層易與鋼液反應形成燒結層。然而，由於均匀核殼結構的填充砂粒難以製備，以及估計成本昂貴，因此實務上未被落實於鋼廠，並且，亦缺乏高溫燒結分析的佐證。

中華民國專利第I593657號揭露了一種盛鋼桶用鉻質滑門砂，其技術特徵在於製備盛鋼桶用鉻質滑門砂，該鉻質滑門砂使用複合原料，包括鉛礦砂、砂砂以及鉀長石，其中組成上具有特定比例之Cr ₂O ₃、SiO ₂以及 K ₂O，具有提高自然開口率的技術功效。然而，雖然實務上該鉻質滑門砂具備良好的開口率，但大多是應用於較不嚴苛（受鋼時間約90分鐘）的煉鋼製程中，才具有較好的開口率表現（大於99%）。也就是說，倘若是應用在冶煉特殊鋼種（受鋼時間大於180分鐘）或是不鏽鋼（受鋼時間為6至8小時），則該鉻質滑門砂的開口率會下降至95至98%（特殊鋼種），甚至大幅降低至50至85%（不鏽鋼）。

此外，為了能於低溫且較快速形成燒結層，目前的鉻質填充砂會添加燒結助劑，包括長石，以形成低熔點的液相燒結層。然而液相燒結層於更高溫且更長時間的冶煉環境下會更容易增厚，導致不易自然開口。

綜上所述，習知的用於盛鋼桶之座磚的填充砂材質，若用於嚴苛煉鋼環境上，有其改良之必要。

本發明之主要目的在於提供一種用於盛鋼桶之座磚的含鋯填充砂，能在嚴苛冶煉的環境下，得到較高的盛鋼桶之自然開口率。

為達上述之目的，在本發明之一實施例中，提供一種用於盛鋼桶之座磚的含鋯填充砂，包含：鉻礦砂、矽砂以及鋯礦砂，其中該含鋯填充砂之粒徑為0.05毫米至0.85毫米；以及該含鋯填充砂中包含的Cr ₂O ₃與ZrO ₂的重量比為2至5。

在本發明之一實施例中，該含鋯填充砂開始形成一燒結層的溫度為1100˚C。

在本發明之一實施例中，該含鋯填充砂經1600˚C燒結2小時形成有一完整的燒結層，該燒結層由鋯質不連續相、鉻質不連續相以及矽質連續相組成。

在本發明之一實施例中，該含鋯填充砂之荷重軟化溫度T ₂的溫度係大於1400˚C。

在本發明之一實施例中，該含鋯填充砂之荷重軟化溫度T ₂的溫度為1400至1500˚C。

在本發明之一實施例中，該含鋯填充砂不包含長石。

本發明的有益效果在於：

在本發明的含鋯填充砂中，透過使用鉻礦砂、矽砂以及鋯礦砂及其特定的比例，包括其中所含的Cr ₂O ₃與ZrO ₂的重量比為2至5，以及適當粒度的選用，即0.05毫米至0.85毫米，使得該含鋯填充砂進行燒結時，在一較低的溫度（盛鋼桶預熱溫度）即開始固相燒結，以形成一保護層；並且，相較於鉻礦砂，鋯礦砂本身具備更高的耐火度以及較低的熱傳導，因而可進一步於高溫且長時間的冶煉環境下形成不連續相，以穩定燒結層，減緩燒結層的增厚速率，進而得到適度當的燒結層的厚度，有利於盛鋼桶在嚴苛的煉鋼環境下的自然開口率。

下面將結合本發明之實施例中的附圖，對本發明之實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。另外，為了更好地說明本發明，在下文的具體實施方式中給出了眾多的具體細節。本領域技術人員應當理解，沒有某些具體細節，本發明同樣可以實施。

根據本發明的一實施例的一種盛鋼桶之座磚的含鋯填充砂，包含：鉻礦砂、矽砂以及鋯礦砂。

在本實施例中，該含鋯填充砂之粒徑為0.05毫米至0.85毫米，需說明的是，由於該含鋯填充砂包括多個種類的砂，即鉻礦砂、矽砂以及鋯礦砂，該些砂的粒徑不同，因此該含鋯填充砂之粒徑係概括地以一範圍（0.05毫米至0.85毫米）表示。該含鋯填充砂中包括的Cr ₂O ₃與ZrO ₂的重量比為2至5。選擇性地，該含鋯填充砂中包括的Cr ₂O ₃與ZrO ₂的重量比為2、2.5、3.5、4、4.5或5。較佳地，該含鋯填充砂中包括的Cr ₂O ₃與ZrO ₂的重量比為2.4或3.6。

詳細而言，本發明之含鋯填充砂在1100˚C即可開始形成一燒結層。並且，該含鋯填充砂在經1600˚C燒結2小時形成有一完整的燒結層，其中該燒結層由鋯質不連續相、鉻質不連續相以及矽質連續相組成。該含鋯填充砂之荷重軟化溫度T ₂的溫度係大於1400˚C。較佳地，該含鋯填充砂之荷重軟化溫度T ₂的溫度為1400至1500˚C，例如1400、1410、1420、1430、1440、1450、1460、1470、1480、1490或1500 ˚C。較佳地，在本實施例中，該含鋯填充砂不添加燒結助劑，例如，不包含長石。

在本發明的含鋯填充砂中，透過使用鉻礦砂、矽砂以及鋯礦砂及其特定的比例，包括其中所含的Cr ₂O ₃與ZrO ₂的重量比為2至5，以及適當粒度的選用，即0.05毫米至0.85毫米，使得該含鋯填充砂進行燒結時，在一較低的溫度（盛鋼桶預熱溫度）即開始固相燒結，以形成一保護層；並且，相較於鉻礦砂，由於鋯礦砂本身具備更高的耐火度以及較低的熱傳導，而可進一步於高溫且長時間的冶煉環境下形成不連續相，以穩定燒結層，減緩燒結層的增厚速率，進而得到適度當的燒結層的厚度，有利於盛鋼桶在嚴苛煉鋼環境下的自然開口率。

以下示出本發明之含鋯填充砂與習知鉻質填充砂（不含鋯）在粉粒特性及燒結特性的比較，其中實施例1為本發明之含鋯填充砂，且Cr ₂O ₃與ZrO ₂的重量比為3.6；實施例2為本發明之含鋯填充砂，且Cr ₂O ₃與ZrO ₂的重量比為2.4；以及比較例為習知鉻質填充砂（不含鋯）。

［表1］

	比較例	實施例1	實施例2
安息角（度）	35	32	32
堆積密度（g/cm ³）	2.29	2.61	2.63

表1為本發明之含鋯填充砂與習知鉻質填充砂於粉粒特性上的比較，可以發現含鋯填充砂（實施例1及實施例2）的安息角均小於習知鉻質填充砂（比較例），表示本發明之含鋯填充砂的流動性優於習知鉻質填充砂。此外，在堆積密度的比較上，本發明之含鋯填充砂均高於習知鉻質填充砂，表示鋯砂的添加有助於提升填充砂之粉粒的性能。

［表2］

	比較例	實施例1	實施例2
體密度（g/cm ³）	2.88	3.05	3.18
氣孔率（%）	26.96	23	16
收縮率（%）	-6.11	-3.01	-3.63

表2為本發明之含鋯填充砂與習知鉻質填充砂於1600°C下進行燒結2小時後的體密度、氣孔率、以及燒結收縮率的比較。可以發現，本發明之含鋯填充砂的體密度皆高於習知鉻質填充砂，而其氣孔率及燒結收縮率均小於習知鉻質填充砂。由於本發明之含鋯填充砂的堆積密度以及原料比重高，因此燒結後的密度高而氣孔率小。由此顯見，本發明之含鋯填充砂的流動性優於習知鉻質填充砂；並且在堆積密度的比較上，本發明之含鋯填充砂均高於習知鉻質填充砂，表示鋯之添加有助於提升填充砂之粉粒的性能。

同時參照第1A圖及第1B圖，第1A圖（實施例1）及第1B圖（習知鉻質填充砂）為於高溫（1600°C/3小時）接觸鋼液後的冷卻狀態。第1A圖及第1B圖為透過一耐火磚來模擬盛鋼桶的座磚，在其內部填充填充砂以及倒入鋼液進行燒結層生成之測試，而底磚P做為一底部以防止填充砂以及鋼液往下洩漏。結果如第1A圖及第1B圖所示，由上而下分別為鋼液凝固塊S及填充砂F，可以發現，本發明之含鋯填充砂及習知鉻質填充砂皆能有效阻絕鋼液向下滲透，表示兩者都順利生成了燒結層（即：填充砂F）。進一步觀察兩者的燒結層的顯微結構，如第2A圖及第2B圖所示，可以發現，習知鉻質填充砂（第2B圖）是由砂質連續相（Si）將鉻質不連續相（Cr）緊密包覆；而本發明之含鋯填充砂（第2A圖）則是由矽質連續相（Si）將鋯質不連續相（Zr）及鉻質不連續相（Cr）共同緊密包覆。也就是說，在本發明之含鋯填充砂在燒結層的顯微結構上，係引入了鋯質不連續相來穩定燒結層。

［表3］

	比較例	實施例1	實施例2
荷重軟化溫度T ₀（°C）	1100	1100	1100
荷重軟化溫度T ₂（°C）	1390	1430	1490

參照第3圖及表3，進一步再觀察本發明之含鋯填充砂與習知鉻質填充砂的荷重軟化曲線，其中，荷重軟化曲線開始收縮的溫度點定義為T ₀，自T ₀開始收縮至2%形變量的溫度點定義為T ₂。從荷重軟化曲線的比較分析可以發現，本發明之含鋯填充砂以及習知鉻質填充砂的荷重軟化溫度T ₀皆為1100°C，該溫度為接近盛鋼桶的預熱溫度，也就是說，本發明之含鋯填充砂以及習知鉻質填充砂在盛鋼桶預熱時即可開始形成燒結層。然而，本發明之含鋯填充砂的荷重軟化溫度T ₂則比習知鉻質填充砂來得高，表示本發明之含鋯填充砂的燒結層於高溫下更為穩定，亦即，可以在長時間的煉鋼作業下避免燒結層的厚度增厚過多。

綜上所述，本發明的含鋯填充砂中透過使用鉻礦砂、矽砂以及鋯礦砂及其特定的比例，包括其中所含的Cr ₂O ₃與ZrO ₂的重量比為2至5，以及適當粒度的選用，即0.05毫米至0.85毫米，使得該含鋯填充砂進行燒結時，在一較低的溫度（盛鋼桶預熱溫度）即開始固相燒結，以形成一保護層；並且，相較於鉻礦砂，由於鋯礦砂本身具備更高的耐火度以及較低的熱傳導，而可進一步於高溫且長時間的冶煉環境下形成不連續相，以穩定燒結層，減緩燒結層的增厚速率，進而得到適度當的燒結層的厚度，有利於盛鋼桶在嚴苛煉鋼環境下的自然開口率。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

S:鋼液凝固塊 F:填充砂 P:底磚

第1A圖及第1B圖顯示出根據本發明之一實施例的一種盛鋼桶之座磚的含鋯填充砂（第1A圖）與習知鉻質填充砂（不含鋯）（第1B圖）於抵抗鋼液滲透的測試；第2A圖及第2B圖顯示出根據本發明之一實施例的一種盛鋼桶之座磚的含鋯填充砂（第2A圖）與習知鉻質填充砂（不含鋯）（第2B圖）的燒結層的顯微結構；以及第3圖為根據本發明之一實施例的一種盛鋼桶之座磚的含鋯填充砂與習知鉻質填充砂（不含鋯）在荷重軟化分析的比較圖。

Claims

一種用於盛鋼桶之座磚的含鋯填充砂，包含：鉻礦砂、矽砂以及鋯礦砂，其中該含鋯填充砂之粒徑為0.05毫米至0.85毫米；以及該含鋯填充砂中包含的Cr ₂O ₃與ZrO ₂的重量比為2至5。
如請求項1所述之含鋯填充砂，其中該含鋯填充砂開始形成一燒結層的溫度為1100˚C。
如請求項1所述之含鋯填充砂，其中該含鋯填充砂經1600˚C燒結2小時形成有一完整的燒結層，該燒結層由鋯質不連續相、鉻質不連續相以及矽質連續相組成。
如請求項1所述之含鋯填充砂，其中該含鋯填充砂之荷重軟化溫度T ₂的溫度係大於1400˚C。
如請求項1所述之含鋯填充砂，其中該含鋯填充砂之荷重軟化溫度T ₂的溫度為1400至1500˚C。
如請求項1所述之含鋯填充砂，其中該含鋯填充砂不包含長石。