（鋼鐵冶金專業(yè)論文）四流大方坯連鑄中間包的結構優(yōu)化研究.pdf

j、l 每 ad i s s e r t a t i 。ni ne 曼叢q 墜墨叢曼墊! ! 堅鱔y s t u d yo ns t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no ff o u r - s t r a n d b l o o m c a s t i n g t u n d i s h b ym az h e n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rc h e nm i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 ，y，-r 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是在導師的指導下完成的。論文中取得的 研究成果除加以標注和致謝的地方外，不包含其他人己經發(fā)表或撰寫過的 ： 研究成果，也不包括本人為獲得其他學位而使用過的材料。與我一同工作 的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝 ：6 己 總。 學位論文作者簽名：誰 i ! t 期：w 譬、7 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者和指導教師完全了解東北大學有關保留、使用學位論 文的規(guī)定：即學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和 磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人同意東北大學可以將學位論文的全部 或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索、交流。 ， ， ( 如作者和導師不同意網(wǎng)上交流，請在下方簽名；否則視為同意。) 學位論文作者簽名： 簽字日期： 導師簽名： 簽字日期： _ 東北大學碩士學位論文 摘要 四流大方坯連鑄中間包的結構優(yōu)化研究 摘要 中間包是連鑄工藝過程中的關鍵環(huán)節(jié)之一，無論對于連鑄操作的順利進行，還是 對于保證鋼水品質的符合需要，都起到十分重要作用。中間包內鋼水理想的流動狀態(tài)， 能夠延長鋼水在中間包內的停留時間、均勻溫度、減少卷渣和促進夾雜物的上浮，因 而直接影響著連鑄坯的質量。近年來冶金工作者采取了一系列措施來強化和擴大中間 包的冶金功能，其中的重要措施就是在中間包內設置適當形式的控流裝置，使之形成 合理的流場。 為了配合鋼鐵公司發(fā)展需要，增加品種鋼產量，某煉鋼廠計劃采用現(xiàn)有的大方坯 鑄機生產品種鋼，但目前鑄機的四流梯形中間包內未設任何控流裝置，難以滿足品種 鋼生產的需要，因而需要對現(xiàn)有中間包進行結構優(yōu)化。 論文結合該鋼廠四流大方坯梯形連鑄機中間包的實際情況，采用水模擬和數(shù)學模 擬相結合的數(shù)理模擬研究方法，以確定該中間包的最佳控流裝置。數(shù)模部分，根據(jù)連 續(xù)性方程和動量方程建立描述中間包內流體流動的數(shù)學模型，采用f l u e n t 商業(yè)軟件 進行數(shù)值計算，選出較優(yōu)方案；水模部分，根據(jù)相似原理，在弗魯?shù)聹蕯?shù)相等和實驗 模型與原型的幾何相似比為1 ：4 條件下，建立實驗模型，最終確定最佳控流方案。 結果表明，原型中間包內流體存在較大的死區(qū)，且各流間的流動特性差異較大， 尤其是近水口的2 流、3 流處存在明顯短路流，不僅造成包內鋼水溫度分布不均勻， 也不利于夾雜物的上浮，影響鑄坯潔凈度。采用優(yōu)化后的湍流控制器+ 導流墻+ 壩組 合控流裝置能夠顯著改善中間包中內鋼水的流動狀態(tài)，使鋼水在各流間合理分配，并 延長了鋼水的平均停留時間，提高活塞流體積分率，降低死區(qū)體積分率，均衡了各流 間的溫度分布，有利于促進鑄機生產順行和鑄坯質量的提高。 關鍵詞：連鑄，大方坯，中間包，結構優(yōu)化，數(shù)學模擬，水模擬 一i i 冉 3 東北大學碩士學位論文 a b st r a c t s t u d yo ns t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no ff o u r - s t r a n db l o o mt u n d i s h a bs t r a c t t u n d i s hi sa ni m p o r t a n tv e s s e li nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s ，a n di th a sa ni m p o r t a n t e f f e c to nc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g ya n dp r o d u c tq u a l i t y t h ef l o w i n gc o n d i t i o no f m o l t e ns t e e li nt u n d i s hi sc o n s i d e r e dt ob ev e r yi m p o r t a n tt ol e n g t h e nt h er e s i d e n c et i m eo f m o l t e ns t e e li nt u n d i s h ，u n i f o r mt h em o l t e ns t e e lt e m p e r a t u r e ，r e d u c et h ew r a p p e ds l a ga n d i m p r o v et h ef l o a t i n ga n de x c l u d i n go f i n c l u s i o n si nt h em o l t e ns t e e l ，a n dt h u si n f l u e n c e st h e q u a l i t yo fc a s t i n gp r o d u c t s i nr e c e n ty e a r s ，t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm e t a l l u r g i s t s t o o kas e r i o u sa c t i o no ns t r e n g t h e n i n ga n de n l a r g i n gt h et u n d i s hm e t a l l u r g i c a lf u n c t i o n a n d o n eo ft h ei m p o r t a n tm e a s u r e si st oi n s t a l lt h ea p p r o p r i a t ef l o wc o n t r o ld e v i c e st oo b t a i n r e a s o n a b l ef l o wp a t t e r n w i mt h ed e v e l o p m e n to fac e r t a i nc o m p a n y , v a r i e t ys t e e l sa r ee x p e c t e dt op r o d u c ei nt h e b l o o mc o n t i n u o u sc a s t e ro ft h es t e e l m a k i n gp l a n tt h a th a sa r ep r o d u c i n gp l a i nc a r b o ns t e e l b u ti tc o u l dn o tm e e tt h en e e dt op r o d u c ev a r i e t ys t e e l s ，b e c a u s et h e r ew e r en of l o w c o n t r o l l i n gd e v i c e si nf o u r - s t r a n dt r a p e z et u n d i s h s ot h et u n d i s hs t r u c t u r en e e d sf u r t h e r o p t i m i z a t i o n i np r e s e n tw o r k ，a c c o r d i n gt ot h e4 - s t r a n db l o o mc a s t i n gt u n d i s ha tac e r t a i ns t e e l m a k i n g p l a n t ，t h em a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d sw e r eu s e dt oo b t a i nt h eo p t i m u m f l o wc o n t r o ld e v i c e t h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，d e s c r i b i n gt h ef l o wp h e n o m e n ai n t h e t u n d i s h ，w a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ec o n t i n u i t ye q u a t i o na n dm o m e n t u me q u a t i o n ， m e a n w h i l et h ef l u e n tc o m m e r c i a ls o f t w a r ew a su s e dt oc a l c u l a t e ，a n dt h eb e t t e rs c h e m e h a db e e nd e t e r m i n e d t h ew a t e rm o d e l ，1 4o ft h ep r o t o t y p ea n dm a d eo fp l e x i g l a s ，w a s u s e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e db a s e do nt h ef r o u d es i m i l a r i t yb ys i m i l a r i t y p r i n c i p l e t h r o u g ht h e s ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a ls t u d i e s ，t h eo p t i m u ms c h e m ew a s o b t a i n e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eu n s u i t a b l ef l o w i n gp a t t e r n so ft h em o l t e ns t e e lr e s u l t e dt h a t t h ei n c l u s i o n si nt h em o l t e ns t e e lh a r d l yh a v et i m et of l o a tu p w a r di nt h ep r o t o t y p et u n d i s h a n dt h u st h ec l e a n l i n e s so fb l o o mw a si n f l u e n c e d ，c a u s e db yt h el a r g ed e a dv o l u m ea n dt h e s i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nf l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c sa m o n gf o u rs t r a n d s ，n a m e l y , t h e r ea r es h o r t i i i 、 東北大學碩士學位論文 a b s t r a c t c i r c u i tf l o wi ns t r a n d2a n ds t r a n d3n e a rt h eo u t l e to ft h ee l o n g a t e dn o z z l e t h eo p t i m u m i n n e rc o n f i g u r a t i o no ft u r b u l e n c ei n h i b i t o r + b a f f l e + d a me f f e c t i v e l yi m p r o v e dt h ef l o w p a t t e r ni nt u n d i s h ，m o d i f i e dt h em o l t e ns t e e ld i s t r i b u t i o na m o n gt h es t r a n d s ，p r o l o n g e dt h e a v e r a g er e s i d e n c et i m e ，i n c r e a s e dp l u gf l o wv o l u m ea n dd e c r e a s e dd e a dv o l u m e ，e q u a l i z e d t e m p e r a t u r ep r o f i l ea m o n gs t r a n d s ，w h i c hc o n t r i b u t e s t oo b t a i ns t a b l eo p e r a t i o na n d i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h eb l o o m k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ，b l o o m ，t u n d i s h ，c o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o n ，m a t h e m a t i c a l s i m u l a t i o n ，w a t e rm o d e l i n g 東北大學碩士學位論文目錄 目錄 獨創(chuàng)性聲明i 學位論文版權使用授權書- i 摘要i l a bs t r a c t i i i 第一章緒論l 1 1 前言l 1 2 本研究目的及意義2 1 3 本研究內容”3 第二章文獻綜述5 2 1 連續(xù)鑄造技術的概況”5 2 1 1 連續(xù)鑄造技術的概況5 2 1 2 我國連鑄技術的發(fā)展5 2 2 中間包冶金7 2 2 1 中間包的作用7 2 2 2 中間包冶金技術的發(fā)展“8 2 2 3 中間包的研究方法1 3 第三章中間包的數(shù)學模擬1 5 3 1 數(shù)學模擬的基本理論1 5 3 1 1 流場計算的基本控制方程1 5 3 1 2 數(shù)學模擬的求解方法1 7 3 1 3f l u e n t 軟件介紹1 8 3 2 本課題中間包的數(shù)學模型1 9 3 2 1 基本假設1 9 3 2 2 實驗方案2 0 3 2 3 計算網(wǎng)格的劃分2 0 3 2 4 邊界條件2 0 東北大學碩士學位論文 目錄 3 3 數(shù)學模擬的實驗結果與分析2 1 3 3 1 中間包內流場的基本特征2 2 3 3 2 流線分布2 4 3 4 本章小結”2 6 第四章中間包的物理模擬2 7 4 1 實驗的原理2 7 4 1 1 相似理論”2 7 4 1 2 相似準數(shù)2 8 4 2 實驗設計2 9 4 2 1 水模型的建立2 9 4 2 2 實驗方案3 1 4 2 3 實驗研究方法及評價指標3 2 4 3 中間包流場優(yōu)化結果3 5 4 3 1 停留時間及流動模式分析3 5 4 3 2 中間包內流體流動顯示分析4 3 4 3 4 產生漩渦的臨界高度的測定4 7 4 4 本章小結4 8 第五章結論“4 9 參考文獻5 l 致謝5 5 東北大學碩士學位論文 第一章緒論 1 1 前言 第一章緒論弟一早珀了匕 改革開放以來，中國鋼鐵工業(yè)取得了長足的發(fā)展，已連續(xù)多年作為世界上最大的 鋼鐵生產、進口和消費國，國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)顯示，2 0 0 7 年國內粗鋼產量達4 8 9 2 4 億噸，較上年增長1 5 7 ，為國民經濟持續(xù)、穩(wěn)定、健康的發(fā)展做出了重要貢獻。但 國內鋼鐵行業(yè)的結構性矛盾仍然比較突出，一些高技術含量、高附加值的產品仍需從 國外大量進口。在行業(yè)并購的大潮下，要實現(xiàn)我國鋼鐵業(yè)“不僅是鋼鐵大國，還要是 鋼鐵強國”的戰(zhàn)略目標，仍需要進一步提高行業(yè)技術水平，其中發(fā)展高效高質的連鑄 技術顯得尤為重要【l 4 】。 高效高質的連鑄技術對連鑄過程中鋼水的溫度、成分等提出了更高的要求。而這 些要求主要通過采用具有先進技術的冶金設備和合理的工藝參數(shù)來實現(xiàn)。作為連鑄過 程中重要環(huán)節(jié)之一的中間包越來越受到了冶金工作者關注，其內涵在被不斷擴大，從 而形成一個獨特領域一中間包冶金。 隨著研究的深入，中間包已不再是傳統(tǒng)意義上的鋼水儲存、穩(wěn)流、分配器，正朝 著促進夾雜物上浮分離、對夾雜物進行改質變性處理以及對鋼水進行微合金化的冶金 精煉反應器的方向發(fā)展。中間包冶金效果與中間包內流體流動特性密切相關，合理的 中間包流場，對防止鋼水二次氧化、延長鋼水在中間包內停留時間、促進夾雜物上浮 去除等具有重要的作用，而這些作用能否實現(xiàn)直接關系到鑄坯的質量的好壞。多流中 間包為優(yōu)化中間包內的流場，通常采用在中間包內設置堰、壩、多孔擋墻、過濾器、 湍流控制器、吹惰性氣體等措施，改善鋼水的流動狀態(tài)，并使各流的鋼水具有相似的 流動特性，以達到提高鋼水潔凈度的目的。 鋼水在中間包內的流動是一個在高溫狀態(tài)下復雜的湍流流動過程，在實驗室內的 主要研究方法有數(shù)學模擬和物理模擬兩種方法，兩者相輔相成能達到較好的研究效果。 物理模擬分為熱態(tài)模擬和冷態(tài)模擬，開始于2 0 世紀7 0 年代。隨著計算機及軟件的發(fā) 展，8 0 年代初產生了用計算機來對冶金容器內的流體流動進行模擬的數(shù)學模擬。至今 國內外已應用這兩種方法對中間包內流體流動進行了相當多的研究工作，并應用于生 產中取得了明顯的效果【5 j 。 東北大學碩士學位論文第一章緒論 1 2 本研究目的及意義 隨著科學技術的不斷發(fā)展和人們物質文化生活的不斷提高，對作為基礎材料的鋼 鐵工業(yè)產品也提出了越來越高的要求，這就迫使冶金工作者在進一步提高鋼鐵產品質 量方面做更多的研究開發(fā)工作，連鑄中間包冶金技術就是其中需要大力發(fā)展和研究開 發(fā)的關鍵技術之一。 連鑄中間包的出口溫度或過熱度及夾雜物含量與鑄坯的表面質量、內部質量有很 大的關系。特別是多流中間包的情況，各流出口溫度( 過熱度) 和夾雜物含量必然有所 差異，不利于對各流鑄坯質量的控制。如何減小各流出口之間的溫差，降低鋼水中的 夾雜物含量，簡化連鑄生產調度，是冶金工作者一直關心和研究的課題之一。 關于夾雜物問題，無論是轉爐的脫氧產物、大包和中間包渣還是二次氧化產生的 氧化物，都應盡可能地從中間包過程中脫除，但如果中間包參數(shù)設計得不合理，就難 以在中間包內脫除細小的夾雜物。對多流連鑄中間包來說，理想的情況應該是各流的 夾雜物含量盡可能地少且各流的夾雜物含量盡可能地接近。但由于鋼水相對于各個流 的停留時間不同，必然會造成各個流的夾雜物含量有所差異，其差異程度和含量的高 低，主要取決于中間包參數(shù)設計的合理程度。 采用多流中間包的_ 個主要原因是為了提高連鑄的生產率，但從以上的分析可知 其帶來的問題比傳統(tǒng)的單流或雙流要多得多。因此研究、分析和掌握多流中間包內鋼 水的流動特征是十分必要的。 本課題的原型中間包為某公司轉爐廠四流大方坯連鑄機的梯形中間包，該鑄機現(xiàn) 在主要生產普通鋼種。為了配合公司發(fā)展需要，增加品種鋼產量，轉爐廠計劃采用該 鑄機生產品種鋼，但目前的中間包內未設任何控流裝置，難以滿足品種鋼生產的需要。 因此，本課題通過對該中間包內鋼水的流動行為進行優(yōu)化研究，開發(fā)出合理的控流裝 置，實現(xiàn)中間包內鋼水合理分配，提高鋼水的潔凈度，從而達到提高鑄坯質量的目的。 本課題的研究，對轉爐廠擴大生產品種鋼，升級改造現(xiàn)有生產設備，提高鑄坯質量和 經濟效益等具有重要意義。 通過本研究的最終達到目的：優(yōu)化設計后的中間包，包內的鋼水要有較好的流態(tài)， 盡可能延長鋼水的平均停留時間，減小死區(qū)體積分率，以及促進夾雜物的上浮去除， 從而提高鑄坯質量；中間包的四個流應具有比較一致的流動特性，從而保證從四個水 e l 流出鋼水的溫度、夾雜物水平接近，降低澆注過程中鋼水的過熱度要求；最終以對 現(xiàn)有設備較小的改動，生產出高質量鑄坯。 2 東北大學碩士學位論文 第一章緒論 。1 3 本研究內容 本課題四流大方坯連鑄機鑄坯斷面尺寸：1 5 0 m m x l 5 0 m m 、1 5 0 m m x 2 2 0 m m 、 1 5 0 m m x 2 6 0 m m ，拉速范圍：1 5 2 3 m m i n 。 課題的實驗流程：首先提出優(yōu)化設計方案，建立數(shù)學模型，通過軟件計算得到不 同方案流場的直觀狀態(tài)，比較后得到優(yōu)選方案。之后對各方案進行水力學模擬，獲得 中間包的停留時間分布曲線及流場狀況，分析中間包的流動特征，得到最佳方案。通 過數(shù)模和水模的分析比較，說明優(yōu)化設計的控流裝置的合理性，并最終確定最佳控流 裝置的設計及結構尺寸。 具體研究內容包括： ( 1 ) 研究四流中間包內設置控流裝置的不同結構尺寸、相對位置對中間包流場的 影響； ( 2 ) 研究在不同控流裝置組合形式下中間包內的流動模式( 平均停留時間、響應時 間、峰值時間、活塞流、全混流及死區(qū)的體積大小) ； ( 3 ) 研究中間包合理的液面操作高度； ( 4 ) 確定最佳的中間包內控流裝置結構、幾何尺寸、安裝位置以及工藝操作參數(shù)。 3 東北大擘碩士學位論文第二章文獻綜述 第二章文獻綜述 2 1 連續(xù)鑄造技術的概況 2 1 1 連續(xù)鑄造技術的概況 液態(tài)金屬連續(xù)鑄造的概念早在1 9 世紀中葉就已提出。1 8 4 0 年，塞勒斯( s e l l e r s ) 在 美國申請了連續(xù)鑄造鉛管的專利。1 8 4 6 年，貝塞麥( b e s s e m e r ) 采用水冷、旋轉雙輥式 連鑄機生產了錫板、鉛板和玻璃板。隨后，移動結晶器連續(xù)澆注的概念和垂直澆注的 立式連鑄法也相繼提出。1 9 3 3 年，連續(xù)鑄造的先驅者德國人瓊漢斯( j u n g h a n s ) 采用立 式帶振動結晶器的連鑄機，首先澆注銅鋁合金獲得成功，使有色合金的連續(xù)鑄造早在 2 0 世紀3 0 年代就應用于生產。4 0 年代，瓊漢斯又建成第一臺澆注鋼水的試驗連鑄機。 當時就已經開始研究振動水冷結晶器、浸入式水口和保護澆注等技術，為現(xiàn)代連鑄機 奠定了基礎。隨后相繼在美國、英國、奧地利、日本等國建成了中間性試驗連鑄機。 在2 0 世紀5 0 年代，連續(xù)鑄造技術仍處于工業(yè)試驗階段。6 0 年代，連續(xù)鑄造進入了工 業(yè)應用階段，許多連鑄設備相繼問世。7 0 年代，連續(xù)鑄造技術在能源緊張的壓力下得 到了迅猛的發(fā)展。8 0 年代，連續(xù)鑄造技術成為成熟的技術在冶金工業(yè)中得到了廣泛采 用。9 0 年代至今，連續(xù)鑄造技術又掀起了一場新的變革，許多新的連鑄技術被先后提 出，部分已處于開發(fā)試生產階段。從此，連續(xù)鑄鋼技術經歷了“從本世紀4 0 年代的試 驗開發(fā)、5 0 年代開始步入工業(yè)生產、6 0 年代弧形鑄機的出現(xiàn)、7 0 年代由能源危機推 動的大發(fā)展、到8 0 年代日趨成熟的技術和9 0 年代新的變革 6 0 多年的發(fā)展歷程。當 前一個國家連鑄技術水平的高低已成為衡量其鋼鐵工業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標志【刪j 。 連鑄技術的迅速地發(fā)展，主要由于它比傳統(tǒng)的模鑄具有更大的優(yōu)越性：連鑄可以 節(jié)省能源7 0 8 0 、提高成材率1 0 1 4 、節(jié)省勞動力7 5 、節(jié)省占地面積3 0 ， 并簡化工序、改善勞動條件、易于實現(xiàn)自動化，而且可以提高質量，擴大品種，尤其 是可以促進管理、技術以至整個企業(yè)素質的提高，從而帶來巨大經濟效益，增強在國 際市場的競爭力。目前連鑄生產快速發(fā)展已成為推動煉鋼和整個鋼鐵生產蓬勃發(fā)展的 主要技術動力之一。 連鑄設備和技術的日益完善和成熟，是與許多新技術的出現(xiàn)分不開的。其中具有 代表性的技術有： ( 1 ) 鋼水準備：鋼水的氣體和電磁攪拌、喂線、真空處理、噴粉、化學和物理加 5 - 東北大學碩士學位論文 第二章文獻綜述 熱、保護澆注等技術。 ： ( 2 ) 中間包：感應和等離子加熱、氫氣攪拌、流量精確控制、覆蓋劑、鋼水過濾、 鋼流控制、熱中間包返回交換、堿性包襯、中間包真空澆注、水口在線快換等技術。 ( 3 ) 結晶器：浸入式水v i 、電磁攪拌、熱頂結晶器、電磁制動、在線調寬、液壓 振動、非正弦振動等技術。 ( 4 ) 二次冷卻及鑄坯導向：汽水霧化冷卻、e m s 、輕壓下技術、鑄坯表面在線檢 測等技術。 2 1 2 我國連鑄技術的發(fā)展 我國是較早發(fā)展連鑄技術的國家之一，其發(fā)展經歷了起步較早、緩慢發(fā)展、引進 移植、自我創(chuàng)新、迅速發(fā)展、高效改造等階段。早在2 0 世紀5 0 年代中期，當連鑄技 術尚處于工業(yè)性試驗階段時，我國就開始了連鑄方面的試驗性研究工作。1 9 5 7 年第一 臺工業(yè)性試驗鑄機在上鋼公司設計建成；次年年底，第一臺生產性立式連續(xù)鑄造機就 在重鋼三廠投產。進入6 0 年代，中國連鑄技術的開發(fā)與應用掀起了一股高潮，突出表 現(xiàn)在對弧形連鑄技術的開發(fā)上。從6 0 年代后期到7 0 年代，我國連鑄技術的開發(fā)都是 立足于國內，其發(fā)展極其緩慢。1 9 7 8 年我國連鑄坯產量1 1 2 萬噸，連鑄比僅為3 5 ， 而同期世界連鑄坯產量已達1 5 億噸左右，連鑄比約2 1 。改革開放以來，為改變我 國連鑄生產的落后狀況，國家對發(fā)展連鑄技術給予了高度重視，先后從國外通過引進 設備、技術轉讓以及合作制造等方式在國內增建了一批具有國際先進水平的連鑄機。 這些高水平連鑄機的引進，為我國消化引進連鑄技術、提高連鑄技術水平創(chuàng)造了有利 條件，大大促進了我國連鑄生產技術的發(fā)展。從1 9 8 9 年起，連鑄坯產量的增長成為中 國鋼產量增長的主要部分。從1 9 9 4 年起，連鑄坯產量的增長超過了鋼產量增長的絕對 量，帶動了中國鋼產量的迅速增長。1 9 9 8 年中國鋼鐵工業(yè)的連鑄比達到6 7 ，2 0 0 1 年連鑄比超過8 5 7 ，2 0 0 2 年連鑄比超過9 0 9 - n 】。 盡管我國近十多年來取得了很大成績，但和世界工業(yè)發(fā)達國家的技術水平相比仍 存在不小的差距，要克服這些不足，使我國的連鑄技術達到或超過西方工業(yè)發(fā)達國家 水平。結合國家冶金發(fā)展規(guī)劃，現(xiàn)階段的工作主要集中在以下幾方面： ( 1 ) 高效化改造。實現(xiàn)連鑄高效化，其核心是提高連鑄機的拉速。如國外低碳板 坯鑄速普遍大于2 n g m i n ，最高3 0 m m i r a1 3 0 r a m x1 3 0 m m 和1 5 0 m m x1 5 0 m m 低碳方 坯最大鑄速分別超過4 m m i n 和3 5 m m i n ，高拉速下連鑄機生產效率會得到大大的提 高，而我國現(xiàn)階段的生產水平與領先水平有較大差距。提高連鑄機拉速，需要解決結 6 東北大學碩士學位論文第二章文獻綜述 晶器和二冷段的冷卻效果、結晶器的液面控制及相關技術問題。 ( 2 ) 增加連鑄鋼種品種，提高鑄坯質量。主要是擴大連鑄鋼種的范圍和比例，完 善高碳鋼、合金鋼連鑄的技術手段，實現(xiàn)連鑄以生產普碳低合金鋼為主向擴大生產優(yōu) 質碳素鋼、高碳鋼、高強度合金鋼的轉變。同時，要從煉鋼到連鑄整個過程加快新技 術及裝備的應用與改造，提高鋼的純凈度，改善鑄坯內部結構，生產無缺陷鑄坯。 ( 3 ) 提高自動化控制水平。國外連鑄機中已普遍采用結晶器液面檢測與控制技術， 計算機鑄坯質量跟蹤和判定技術、漏鋼預警與控制技術在大型板坯連鑄機中得到使用， 智能化技術也有了很大發(fā)展( 如智能化二冷段) 。而我國總體控制水平還較低，采用新 技術與新設備少。 ( 4 ) 積極采用連鑄新工藝、新技術成果，追趕世界先進水平。如國外精煉比迅速 提高，相關配套技術同步發(fā)展。目前國外精煉比已超過7 0 ，中間包耐材壽命一般可 達3 0 h 包，最高約l o o h 包。而我國精煉比僅為2 0 ，中間包最高壽命3 0 h 包。特別 是對一些性能要求比較高的鋼種，如高碳重軌鋼，由于現(xiàn)有設備的不足以及生產工藝 的落后，從而引發(fā)一系列的問題，因而提高冶煉工藝成為冶金工作者需要迫切解決的 問題之一【1 2 1 。 2 2 中間包冶金 2 2 1 中間包的作用 中間包澆鑄是煉鋼生產流程的中間環(huán)節(jié)，而且是由間歇操作轉向連續(xù)操作的銜接 點，是提高鋼產量和質量的重要一環(huán)。無論對于連鑄操作的順利進行，還是對于保證 鋼水質量，中間包的作用都是不可忽視的。通常認為中間包起到以下作用【5 j ：分流作 用、連澆作用、減壓作用及保護作用。隨著連鑄技術的發(fā)展和對鑄坯質量要求的不斷 提高，連鑄工藝對鋼水質量的重要意義漸漸為人們所認識?，F(xiàn)代冶金觀點認為：精煉 過程越延續(xù)至接近凝固階段，越有利于提高鑄坯質量。所以中間包作為連鑄過程的中 間容器，已由原來的簡單容器轉變?yōu)榫哂幸苯鸸δ艿姆磻?，而且這種功能也變得越 來越強。因此隨研究的深入，中間包被認為還應具有如下精煉功能： ( 1 ) 清除鋼水再次污染的來源，即防止二次氧化，減輕耐火材料侵蝕，減少盛鋼 桶渣的卷入以及渣中不穩(wěn)定氧化物的危害。 ( 2 ) 改善鋼水流動條件，最大可能去除鋼中非金屬夾雜物，亦即防止短路流，減 小死區(qū)，改進鋼水流動方向，增加鋼水的停留時間。 7 一 東北大學碩士學位論文 第二章文獻綜述 ( 3 ) 選擇合適的包襯耐火材料和熔池覆蓋劑，既減輕熱損失又有利于吸收上浮的 夾雜物。 ( 4 ) 控制好鋼水溫度，必要時增加加熱設施，使鋼水過熱度保持穩(wěn)定。 2 2 2 中間包冶金技術的發(fā)展 “中間包冶金學”的概念是在2 0 世紀8 0 年代初期提出的，多倫多大學教授a m c l e a n 是首創(chuàng)者【l 引，主要研究兩個方面的內容：一是當鋼包向中間包注入鋼水時， 防止鋼水被污染；二是對中間包鋼水進行精煉處理，提高產品質量。近年來，中間包 冶金的學術研究逐漸成為熱門課題，國內外許多學者對中間包冶金進行了廣泛和深入 的研究，開發(fā)了多項中間包內控制流場的技術【1 4 1 饑。如中間包結構設計、流動控制技 術、抑n - - 次氧化、耐火材料和覆蓋渣控制、更換鋼包操作時溫度和成分控制、吹氬 清洗、過濾、加熱鋼水、熱中間包重復使用等，常用的中間包控流裝置和精煉方法如 圖2 1 所示。 7 圖2 1 中間包冶金過程的主要改善措施 f i g 2 1t y p i c a li m p r o v i n gm e a s u r e so ft u n d i s hm e t a l l u r g y 1 過濾器；2 感應加熱，電磁攪拌；3 保護水口+ 吹氬；4 再加熱；5 堰和壩 6 出流控制；7 覆蓋劑；8 浸入式水口；9 底吹氣 2 2 2 1 防止鋼水再次污染技術 防止鋼水再次污染，就是抑制鋼水二次氧化、減輕耐火材料的侵蝕、減少渣的卷 入以及渣中不穩(wěn)定氧化物的危害，使鋼水的純凈度保持精煉后的水平。 二次氧化是鋼水污染的重要原因【1 8 l ，其防止措施是采用保護澆鑄技術，即從鋼包 到中間包注流采用大包長水口和吹惰性氣體保護澆鑄，中間包液面加覆蓋保護渣并全 8 東北大學碩士學位論文第二章文獻綜述 程吹氬保護以隔斷空氣，或者采用密封罩來減少鋼水二次氧化。 為防止中間包鋼水卷渣，采用長水口保護澆鑄、適當?shù)目亓餮b置、合理的液面深 度以及澆鑄速度都可以減小液面波動，減少鋼水卷渣現(xiàn)象的發(fā)生【1 9 2 1 1 。在非穩(wěn)態(tài)澆鑄 過程中，匯流旋渦的產生是中間包卷渣的主要原因。因此在換包過程中，在中間包內 設置類似于轉爐出鋼時使用擋渣球的浮游閥，可以有效地減少中間包渣卷入結晶器的 數(shù)量。英國鋼鐵公司與素而陶瓷公司共同開發(fā)研制成功的旋轉 2 2 , 2 3 、德國d i d i e r 耐 火材料公司開發(fā)的旋轉管閥2 4 】以及黃曄開發(fā)研究的雙功能塞棒【2 5 】都可以有效地消除 匯流旋渦的影響，減少中間包卷渣，大大提高鋼水收得率和潔凈度。 耐火材料對鋼水的再氧化作用已引起冶金工作者的廣泛關注。被侵蝕的中間包包 襯耐火材料一部分成為鋼水二次氧化的氧化源，一部分進入鋼水成為非金屬夾雜。有 文獻資料【2 純8 1 指出，中間包工作襯在鋼水澆鑄過程中會部分溶解到鋼水中去，其中分 解出的氧會成為鋼水再次氧化的來源。耐火材料材質不同，在鋼水中溶解度也不同， 隨著耐火材料材質由酸性到堿性的變化，其溶解度減小。如s i 0 2 質耐火材料在鋼中的 溶解度較大，而m g o 、c a o 、a 1 2 0 3 等材質的工作襯對于常壓下用a 1 脫氧的鋼水來說 則是穩(wěn)定的。目前為了適應多爐連澆的需要以及防止鋼水污染，中間包襯趨向于使用 堿性材質和中間包內襯的全部鈣質化【2 9 ，3 0 1 。 2 2 2 2 優(yōu)化中間包的結構設計 為了充分發(fā)揮多流中間包冶金功能，目前主要是采取一定措施均勻各流間鋼水的 溫度，防止卷渣并將鋼水中的夾雜物去除掉。中間包鋼水的凈化主要是通過夾雜物粘 附在包襯上或使其上浮至渣金界面被保護渣吸收來完成的，因此凡是有利于鋼水中夾 雜物碰撞和聚合的行為都有利于夾雜物的去除，其主要技術手段有中間包鋼水流動控 制、過濾器、中間包吹氣攪拌等技術。 ( 1 ) 增大中間包容量 為了使中間包內夾雜充分上浮去除，目前中間包向大容量和深熔池方向發(fā)展。增 大中間包容量可使鋼水在中間包內有較長停留時間，從而有利于夾雜上浮去除；增大 中間包熔池深度，一方面可以增大鋼水在中間包內的最小停留時間，另一方面增大了 反應器體積，亦即增大了平均停留時間；較深的熔池表面流速較小，減輕了液面波動， 從而可以減輕鋼水二次氧化。 張立峰等人【3 1 1 研究了不同容量中間包采取相同控流裝置的冶金效果，其研究結果 表明，6 0 t 中間包夾雜去除率比1 0 t 中間包高出4 2 4 ，大顆粒夾雜物多去除2 5 9 ， 微觀夾雜物多去除1 1 8 。 9 東北大學碩士學位論文 第二章文獻綜述 英國鋼鐵公司拉文斯克雷格廠的中間包由2 5 t 擴大至4 5 t 后，鑄坯氧化鋁夾雜數(shù) 量減少，夾雜在內弧側聚集的現(xiàn)象也大為改善【3 2 1 。 吳永生等人【3 3 1 對擴容中間包冶金效果的研究表明，擴容后中間包內鋼水平均停留 時間與擴容前相比延長了3 0 。 ( 2 ) 堰和壩 目前，在中間包內設置擋渣堰和導流壩是應用最為普遍的技術措施。通過在中間 包合理設置堰和壩，改善包內鋼水的流態(tài)，可以增加鋼水在中間包內停留時間，減小 中間包死區(qū)體積，顯著促進夾雜物的上浮，而堰和壩的位置、尺寸以及數(shù)量對結果影 響很大。中間包設置堰、壩結構對直徑5 0 1 0 0 t m 的夾雜物上浮最為有利。堰、壩合 理組合還可以減輕渣的卷入。 李義科等【3 4 1 利用數(shù)學物理模擬研究方法優(yōu)化，設計了某鋼廠連鑄中間包控流裝 置。其數(shù)學模擬研究結果表明，中間包不設置堰、壩時，活塞區(qū)體積分率僅8 8 ，而 死區(qū)體積分率則高達1 6 1 ，采用優(yōu)化后的堰、壩控流組合方式，其活塞區(qū)體積分率 可達3 6 7 ，而死區(qū)體積分率則降至3 2 。其水模擬實驗結果與數(shù)學模擬結果基本相 同，中間包不設置堰、壩控流裝置，死區(qū)大，活塞區(qū)小，優(yōu)化后中間包內流體的流動 特性大為改善。 王利亞( 35 】利用數(shù)學模擬的方法研究了中間包內堰、壩對中間包內鋼水流動的影 響，其研究結果表明擋渣堰可以阻止表面回流，使注流產生的湍動集中在注入流區(qū)， 在下游形成流動平穩(wěn)的熔池。而導流壩則可阻擋沿包底的流動，使流體流動折向上方。 同時他還指出，堰j 壩要配套設置，且堰應設置于壩的上游，才能改善中間包內流場。 王立濤等 3 6 1 采用數(shù)學模擬的方法，對板坯中間包內的鋼水流動及夾雜物去除率進 行了模擬研究。結果表明，設置擋墻和壩后，中間包內有效防止了短路流，延長了平 均停留時間，夾雜物整體排除率明顯提高，大大改善了中間包的冶金效果。 ( 3 ) 導流墻 導流墻是一個可取代堰、壩的單片式隔墻，其上設置一個到若干個不同尺寸和傾 角的孑l 洞，以控制鋼水的流速和方向。導流墻對于控制自然對流對鋼水流動方向的影 響以及避免壩體上浮都非常有效。在實際使用過程中，導流墻還能吸附非金屬夾雜， 提高鋼水純凈度。 英國鋼鐵廠的實踐表明，在六流中間包中采用不對稱、能承受7 h 以上澆鑄的陶瓷 質導流擋板后，與不設控流裝置中間包的冶金效果相比，內、外側水口的鋼水溫度差 降低了7 ，拉漏現(xiàn)象的發(fā)生率降低了4 0 ，拉坯成型率提高了8 ，并且無水口阻塞 1 0 東北大學碩士學位論文第二章文獻綜述 現(xiàn)象【3 7 】。 ml l o u r y 等人【3 8 】對a 1 t i l c ok a n s a s 鋼鐵廠的六流t 型中間包進行了水模和數(shù)模實 驗，實驗的中間包有兩種形式。一種是內設上、下?lián)踉鼔Γ硪环N在第一種基礎之 上又加了多孔導流擋板。實驗證明：帶有導流擋板的中間包內流向各水口的鋼水更加 均勻，從內側水口流出的鋼水的平均停留時間比前者延長了3 5 ，但對于從外側水口 流出的鋼水來說，平均停留時間卻略有些縮短。 李東輝等【3 9 1 通過數(shù)學物理模擬研究了中間包內流體流動及夾雜物的傳輸行為，提 出了一種新型中間包擋墻流動控制形式一雙板多孔擋墻流動控制。結果表明，中間包 采用多孔擋墻流動控制后，夾雜物上浮率比堰、壩組合控流裝置提高1 0 左右，特別 是提高了中間包去除小顆粒夾雜物的能力，提高了鋼水潔凈度。 ( 4 ) 湍流控制器 圖2 2 方形湍流控制器結構示意圖 f i g 2 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fq u a d r a t et u r b u l e n c ei n h i b i t i n gp o u r i n gp a d 湍流控制器示意圖見圖2 2 ，其相關研究工作始于二十世紀9 0 年代初，基本思路 是在中間包長水口下方安裝一種流動控制裝置，以抑制鋼包高速注流對中間包流體流 動的干擾h 叭。該裝置能減弱中間包流動的湍流程度，有利于鋼水中夾雜物的上浮，而 且還能減小對中間包沖擊區(qū)包襯耐火材料的沖刷侵蝕，提高中間包使用壽命，并獲得 平穩(wěn)的液面流動，減少液面渦流造成的卷渣。我國此項研究工作也開展得較早，在一 些鋼廠應用后效果顯著。目前該技術在國內外許多鋼廠得到了推廣應用。 rw c r o w l e y 等人h 1 】在三重擋渣墻的中問包中加設湍流控制器發(fā)現(xiàn)，采用湍流控 制器后活塞流體積分率增加，死區(qū)體積分率下降，最小停留時間提高。工廠實踐表明， 除了降低正常澆注和換包時的湍流外，還可以在新開澆時將大包水口完全打開，水口 11 東北大學碩士學位論文 第二章文獻綜述 阻塞次數(shù)減少，鋼中的氧含量降低。 張立等【4 2 1 通過對采用湍流控制器的中間包進行水模擬實驗研究后指出，中間包采 用合理的湍流控制器，可改善中間包鋼水流動特性，延長鋼水在中間包內停留時間， 提高中間包活塞流體積分率，降低死區(qū)體積分率。而且采用湍流控制器后，中間包液 面流動平穩(wěn)，無小而急的旋渦流動產生，因此可避免卷渣的發(fā)生。 鐘良才等【4 3 】通過水模擬實驗，研究了不同結構的湍流控制器對中間包流體流動特 性的影響。研究結果指出圓形和方形無頂緣的湍流控制裝置對改善中間包流體流動特 性效果不理想，而帶頂緣的圓形，特別是方形湍流控制裝置，可以顯著地改善中間包 流體流動特性。 m o r a l e s 等m 】對安裝有控流裝置的中間包流場進行了數(shù)學物理模擬研究。其研究 結果表明，裝有湍流控制器和壩的中間包比裝有堰和壩或無控流裝置的中間包產生了 更大的活塞流體積，能更有效地消除鋼水表面的湍流和擾動現(xiàn)象，促進夾雜物的上浮。 ( 5 ) 其他結構的控流方式 中間包吹氬，可使鋼水溫度和成分更加均勻，并可進一