中間包冶金3教材

1、中間包冶金中間包冶金中間包操作過程的流動(dòng)現(xiàn)象中間包鋼水夾雜物的去除中間包流動(dòng)形態(tài)控制中間包精煉技術(shù)中間包過濾應(yīng)用中間包加熱技術(shù)8由儲存、分配鋼水和穩(wěn)定注流作用過渡到精煉作用，具體有：1）消除鋼水中夾雜物的污染，如鋼水二次氧化、耐火材料的侵蝕、鋼包下渣；2）促使鋼水中夾雜物的上浮分離，如改善鋼水流動(dòng)形態(tài)、延長鋼水在中包內(nèi)停留時(shí)間；3）防止中包表面覆蓋渣卷入鋼水，防止中包內(nèi)鋼水旋渦和表面波的生成；4）采用附加的冶金工藝，完成中包精煉功能，如夾雜物形態(tài)控制，成分微調(diào)、溫度精確控制；第一節(jié) 中間包操作過程的流動(dòng)現(xiàn)象vLReV 流體速度；L 容器長度； 動(dòng)力粘度；Re2000 層流Re 2000 紊流/

2、uuu脈動(dòng)速度平均速度流動(dòng)速度uu/紊流強(qiáng)度2%10%1.1 流動(dòng)概念1.2鋼包注流沖擊區(qū)注流為自由流股，流股卷入周圍液體后逐漸消失；注流流入一個(gè)對稱的有限空間，卷入的液體引起再循環(huán)流動(dòng)；注流流入非對稱的中間包，引起多種類型的循環(huán)流動(dòng)；自由流股封閉流股注流卷入空氣決定因素：注流直徑、軸向速度、鋼水粘度、注流紊流強(qiáng)度v光滑層流，卷入空氣少；v脈動(dòng)紊流，卷入空氣較多；v高度紊流，卷入空氣很多；v分散液滴，卷入空氣最大。分散液滴為光滑層流60倍以上。注流形態(tài)對流動(dòng)的影響： 光滑 粗糙 麻花旋渦v卷渣；v卷空氣；v注流不穩(wěn)定，攪亂結(jié)晶器鋼液流動(dòng)。帶來的危害：旋渦形成有旋渦時(shí)流動(dòng)形態(tài)流動(dòng)不穩(wěn)定性和波的形

3、成v液面升高或降低時(shí)，流速有較大的變化而引起流動(dòng)模式改變導(dǎo)致表面波的形成；v入口和出口條件發(fā)生變化時(shí)，流動(dòng)不穩(wěn)定性導(dǎo)致表面波。表面波的擴(kuò)散，會引起中間包鋼渣界面的攪動(dòng)而卷入渣，對鑄坯質(zhì)量有不利影響。第二節(jié) 中間包鋼水夾雜物的上浮夾雜物上浮50t，深度為1m，夾雜物上浮速度與時(shí)間的關(guān)系50t鋼水，2501300，拉速1.2m/min，平均停留時(shí)間為9min，說明小于70m，上浮困難9)(22grvitP由于中間包鋼水流動(dòng)的紊流作用，夾雜物相互碰撞聚合加速了夾雜物上浮而聚合速度取決于紊流動(dòng)能的消失速率：中間包紊流強(qiáng)度與鋼包吹氣攪拌大體相當(dāng)，因此可以斷定中間包內(nèi)會發(fā)生夾雜物質(zhì)點(diǎn)的碰撞聚合，更有利于夾

4、雜物上浮排除。 為使中間包夾雜物充分上浮，應(yīng)采取的措施是： 1)增加鋼水在中間包平均停留時(shí)間，使夾雜物有足夠的時(shí)間上浮。為此中間包向大容量方向發(fā)展； 2)改善液體流動(dòng)軌跡。流體把夾雜物帶到中間包表面區(qū)，縮短上浮距離。為此在中間包加障礙物(如擋墻和壩)以改變流動(dòng)方向消除中間包死區(qū) 3)鋼包注流不應(yīng)把夾雜物帶入鋼包底部而是在某一定高度。為此中間包液面高度由淺向深熔池方向發(fā)展。中間包鋼水流量中間包鋼水體積rt若中間包長7m、寬1m、深1m則鋼水重量為49t，澆注2501500mm板坯拉速為1.5mlmin，則中間包鋼水流量約為4tmin。其平均停留時(shí)間： 然而，由于中間包流動(dòng)的不穩(wěn)定性和存在不活躍的

5、死區(qū)，有些流動(dòng)體單元流動(dòng)快，而另一些流動(dòng)慢，所以實(shí)際停留時(shí)間與理論平均停留時(shí)間之間是有偏差的。因此用停留時(shí)間分布來描述中間包鋼水流動(dòng)特性，為此采用物理模型(水模型)，使用脈沖示蹤技術(shù)來測定中間包液體停留時(shí)間分布。 物理模型必須遵循原型和模型的幾何相似和描述流動(dòng)的相似準(zhǔn)數(shù)相。根據(jù)刺激響應(yīng)原理在水模型的中間包入口處，特定量的示蹤別以脈沖方式注入鋼包鋼流，用探頭(如電導(dǎo)儀)測定出口處的濃度變化，則實(shí)際平均停留時(shí)間的定義：00)()(dttCdtttCtf根據(jù)測定的濃度曲線(也叫c曲線)，可以估計(jì)中間包內(nèi)存在三個(gè)流動(dòng)區(qū)： 1)活塞流區(qū)：即流體保持均一性以相同速度流過中間包，此時(shí)入口和出口濃度相等。定義

6、tP為滯止時(shí)間，即在出口處顯示示蹤劑的時(shí)間。tP越長，活塞流越強(qiáng)； 2)混合區(qū)：液體混合良好，示蹤劑均勻分散在整個(gè)液體中，任何時(shí)刻在出口處示蹤劑濃度與液體相同?；旌蠀^(qū)與c曲線峰值相關(guān)， 3)停滯區(qū)(死區(qū))：在中間包內(nèi)一部分液體停留時(shí)間比平均停留時(shí)間要短，而另一部分液體停留時(shí)間又比平均停留時(shí)間要長，這說明有不活躍的死區(qū)存在。有死區(qū)存在時(shí)，c曲線有最高的峰值且出現(xiàn)長尾巴。第三節(jié) 中間包流動(dòng)形態(tài)控制中間包無控制流動(dòng)無控制流動(dòng)模式缺點(diǎn)：v帶入大量空氣，加劇二次氧化，表面波等的形成；v存在鋼水停滯區(qū)，溫度不均勻；v有死區(qū)存在，中間包未能充分利用夾雜不易上浮。中間包控制流動(dòng)擋墻有擋墻的流動(dòng)模式作用：封閉鋼

7、包注流沖擊區(qū)的紊流，防止表面卷渣。沿中包頂部回流，可促使夾雜物上?。幌蛑邪厜α鲃?dòng)后，可加速流體的再循環(huán)。ab對流動(dòng)模式和平均停留時(shí)間有影響壩擋墻和壩的流動(dòng)模式C、d 的位置擋墻和壩的聯(lián)合作用：減少死區(qū)，提高平均停留時(shí)間，增加夾雜物分離的幾率擋墻和壩影響使用擋墻鑄坯表面夾雜由2.9%減少到2.1%，如聯(lián)合使用壩，則表面夾雜由2.1%減少到0.3%。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：澆注結(jié)束時(shí)，中包和壩之間保留一定量的鋼水，不易清除。研究手段：采用水模和示蹤技術(shù)可改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化等。中間包卷渣敞開澆注特點(diǎn)：v鋼渣界面有有剪切力作用把渣戶卷入內(nèi)部；v注流沖擊力引起液體表面波浪運(yùn)動(dòng)。尤其當(dāng)液位降低時(shí)(如200mm)。剪切力

8、和波浪造成的卷渣更為嚴(yán)重。長水口澆注特點(diǎn)：鋼渣界面流動(dòng)剪切力減輕；減輕了由注流引起的波浪運(yùn)動(dòng)。如果中間包加擋墻墑和壩聯(lián)合作用則卷渣有明顯減少。中包卷渣的原因：鋼渣界面流動(dòng)的剪切力和表而波；注流沖擊區(qū)的紊流；低液位時(shí)水口上部形成的旋渦 ，在澆注過程巾保持中間包最大的熔池深度(達(dá)1.11.2m)、長水口、大容量、保持穩(wěn)定、安裝擋墻和壩是防止卷渣的有效措施。措施：第四節(jié) 中間包精煉技術(shù)4.1中包雙層覆蓋渣覆蓋渣功能：絕熱保溫，防止散熱；吸收上浮的夾雜物(如A1203、鈣鋁酸鹽)杜絕二次氧化，防止空氣中o2、N2進(jìn)入鋼水。 炭化稻殼完成1）和3）作用，但上浮的夾雜不能鉸渣于吸收。在中間包鋼水面加一層混

9、合渣(如caoCaF2一Mg0系）在鋼液面形成液渣層以吸收上浮夾雜，再在液渣上面加覆蓋劑(如炭化稻殼)。雙層渣的試驗(yàn)結(jié)果表明，可使板坯表面渣斑發(fā)生率減少85。 中間包渣還可作為精煉劑，在澆注初期有去硫作用，但澆注后期由于渣中Feo十Mno的增加，硫又回到了鋼中。吹氬作用：增加攪拌能促進(jìn)夾雜物上浮；形成液面保護(hù)層；改善流動(dòng)狀況。多孔透氣環(huán)氣體進(jìn)入在6t中間包底部吹A(chǔ)r試驗(yàn)指出，在100mm多孔磚上開2mm小孔吹A(chǔ)f流量為50一80(標(biāo))Lmin，可消除澆注初期鋼水增氫，鋼中氧化物夾雜也有所下降。大方坯連鑄機(jī)30t中間包永久層和工作層之間嵌入多孔的管狀氣體分配器，使均勻的氣泡穿過中間包，持續(xù)使用6

10、h，使鋼中夾雜物減少25%。日本川崎在60一80t中間包用200m多孔磚吹A(chǔ)r，可改善管線鋼的抗氫脆裂紋敏感性(即HIC值)。多孔透氣環(huán)利用旋轉(zhuǎn)的多孔透氣塞產(chǎn)生大量的微氣泡來促進(jìn)夾雜物分離。轉(zhuǎn)速為100rmin，對低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼中小于50m夾雜物有明顯效果。還有在中間包擋墻安多孔磚的吹A(chǔ)r試驗(yàn)，可以解耀決連鑄鍍錫板的A12O3夾雜。 在中間包塞槽中心孔徑經(jīng)浸入式水口向結(jié)晶器吹A(chǔ)r防止水口堵塞，巳在生產(chǎn)上廣泛采用。但是必須注意管子連接處的密封性。如密封不好如同一個(gè)“噴射泵”吸入空氣，加重了鋼水的二次氯化。 原則上講，鋼包鋼水成分微調(diào)技術(shù)均可應(yīng)用于中間包。在中間包加入員氧化元素(如Ti、Al、Ca)

11、或微量元素(如B、V)鋼水與污染源(如渣、包襯、空氣)接觸時(shí)間較短，有利于提高元素的回收率。由于中間包熔池淺，鋼水停留時(shí)間有限，為確保元素能充分吸收，廣泛應(yīng)用喂絲法。（WF）WF目的：是把高熔點(diǎn)的串簇狀的Al2O3、改為低熔點(diǎn)的球形鋁酸鈣(如12caO7Al2O3)p以改善鋼水流動(dòng)性，防止Al2O3堵水口。此法在小方坯連鑄中間包得到了應(yīng)用，為增加包芯線穿越鋼水的停留時(shí)間采用螺旋式喂絲技術(shù)。用一臺輥式開卷機(jī)將包芯線送入導(dǎo)管進(jìn)入中間包，喂絲進(jìn)度可達(dá)20-30mmin。近年來，采用泡沫過濾器去除有色金屬(如A1、Cu）中夾雜物提高了純凈度使深沖壁厚為o11mm易拉罐的廢品率小于十萬分之一。目前鋼的薄

12、板制品(如汽車板、食品罐頭等)要求高的深沖性，輪胎鋼絲要求高的深拉性(冷拔到0.15-o.25mm)，高碳鋼(如軸承鋼)要求高的抗疲勞性。影響這些產(chǎn)品性能的主要原因是鋼中不變形的Al2O3夾雜。 在連鑄生產(chǎn)過程中，采用鋼包精煉和中間包冶金技術(shù)只可能去除大于50m的大顆粒夾雜，而小于50m的夾雜物難以去除。為把鋼中小顆粒夾雜物降到最低限度借助于有色金屬應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)，在連鑄中間包采用過濾技術(shù)，這種方法已引起冶金工作者廣泛重視。過濾器不同于上浮分離法它是種強(qiáng)制性分離夾雜物的方法使夾雜物沉淀、滯留在多孔的過濾介質(zhì)中。過濾時(shí)夾雜物被捕獲而液體自由流過，從而把夾雜物從液體中分離出來、凈化了鋼液。依據(jù)去除

13、夾雜物大小有三種過濾器：篩網(wǎng)過濾器 凡是大于網(wǎng)眼尺寸的夾雜物都被機(jī)械地截住這種過濾器一般用來過濾掉外來大塊夾雜物(如爐渣、耐火材料質(zhì)點(diǎn))；餅狀過濾器 鋼水經(jīng)過多孔介質(zhì)時(shí)，固體夾雜物沉積在過濾器上部，隨著過濾的進(jìn)行，濁餅層逐漸變厚，鋼水流動(dòng)阻力增大，為保持液體恒定流量，要求迅速增加整個(gè)濾餅層上的金屬靜壓力；深床(泡沫)過濾器 去除夾雜物尺寸一般小于網(wǎng)眼孔徑，為有效捕捉夾雜，必須迅速把夾雜物傳到網(wǎng)孔表面并粘附燒結(jié)在上面，而粘附?jīng)Q定于夾雜物與鋼水的潤濕和網(wǎng)孔的表面狀態(tài)。如AI脫氧鋼，Al2O3與鋼水不潤濕，流動(dòng)把Al203。傳輸?shù)骄W(wǎng)孔表面面沉積下來。（篩網(wǎng)過濾器）（餅狀過濾器）（深床過濾器） 過濾器

14、不是一個(gè)簡單物理分離過程，而是一個(gè)流體傳遞過程： 1)流體流動(dòng)把夾雜物傳輸?shù)竭^濾器表面，2)過濾器捕獲夾雜物，捕獲機(jī)制有直接截留、慣性沉淀和流體傳遞；3)高溫下夾雜物燒結(jié)在表面上。最終會使過濾器堵塞，鋼水?dāng)嗔鞫А?泡沫陶瓷過濾器是一種微孔結(jié)構(gòu)材料，具有高容量硫松度(82一90)，每I cm3泡沫陶瓷有10000cm2的過濾表面。深床過濾直接截留慣性沉淀流體傳遞為了有效地過濾夾雜物，對過濾器材質(zhì)要求： 1)與鋼水長時(shí)間的接觸過程中，過濾器能承受熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力作用； 2)能抵抗鋼水和渣子的浸蝕而不發(fā)生化學(xué)作用； 3)既能有效清除夾雜物(尤其是細(xì)顆粒夾雜)，又沒有過大 的阻礙鋼液流動(dòng)的阻力。

15、試驗(yàn)表明，用孔隙度為20ppi(ppi為孔數(shù)/時(shí))的陶瓷過濾器可以有效地過濾夾雜物，即使只有幾微米的Al203也可以濾掉，而過濾器面積主要決定于通過過濾器金屬總量和清潔度。泡沫陶瓷材料性能在多種過濾器中，深床陶瓷泡抹過濾器具有重量輕、孔徑彎曲、表面積大、壓力損失小、高溫機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)，能截除鋼水中細(xì)顆粒Al2O3夾雜。提高過濾器效率的辦法是；1)增加過濾器長度；2)降低流體速度；3)改善過濾器材質(zhì)。 用兩個(gè)方法來評價(jià)過濾效果一是過濾前后的總氧量變化，二是用金相法來鑒定夾雜物類型和數(shù)量。 從感應(yīng)爐熔化鋼水（C=0.38)脫氧后鋼水經(jīng)過過濾器后其效果是：Al2O3平均含量從0.067減少到0.0

16、08，清除夾雜物效率達(dá)91：平均總氧量由340PPm降到383ppm，去氧效率達(dá)88.7。過濾后有的爐次總氧達(dá)到10Ppm或更低，已接近于Al脫氧最低的平衡氧含量(4Ppm)。 對過濾器附著夾雜物金相觀察指出，幾乎全部為Al2O3，因此認(rèn)為總氧量的降低主要是去除Al2O3的結(jié)果。雙流大方坯連鑄機(jī)澆304不銹鋼，中間包加擋墻和壩，與使用2個(gè)泡沫過濾器(直徑200mm、厚38mm)的對比試驗(yàn)結(jié)果表明：使用過濾器后方坯中的硅酸錳夾雜減少了74。 小方坯這鑄機(jī)澆注含Al鋼(Al0.024)，澆注時(shí)間約90min。在中間包的一流安裝了過濾器。試驗(yàn)表明，過濾的鋼水經(jīng)定徑水口只需燒一次氧來排除Al2O3的積

17、累，而其他水口要燒45次之多?？梢娛褂眠^濾器后大大降低了鋼水中Al203夾雜。 過濾器的試驗(yàn)證明，Al203、TiN、鋁酸鈣、硅酸錳等夾雜都可有效地從鋼水中過濾掉，不僅能去除大顆粒夾雜，還能去除50m的夾雜，這對于生產(chǎn)高純凈度鋼提供了極為有效的工具。用于中間包泡沫陶瓷過濾器在澆注過程中鋼水溫度、鋼水成分和鋼水流動(dòng)持供是控制連鑄機(jī)生產(chǎn)率和鑄坯質(zhì)量三個(gè)重要的變量為把連鑄機(jī)產(chǎn)量和鑄坯質(zhì)量的矛盾統(tǒng)一起來。提出了澆注過程溫度穩(wěn)定控制的概念，其中重要的是中間包鋼水溫度穩(wěn)定性控制問題。6.1 中間包鋼水溫度穩(wěn)定性控制對策中間包鋼水目標(biāo)溫度控制對策有： 1)最大能量損失原則，即每爐高溫出鋼一鋼包站調(diào)溫(如加廢

18、鋼冷卻降溫)一中間包目標(biāo)溫度值； 2)優(yōu)化能量損失原則，即嚴(yán)格按溫度損失決定出鋼溫度，在鋼包站不降溫不加熱以達(dá)到中間包目標(biāo)溫度值； 3)最小能量損失原則，按預(yù)定溫度出鋼，在鋼包或中間包補(bǔ)充能量以達(dá)到目標(biāo)溫度值。 第一種對策是不可取的出鋼溫度高造成爐子和鋼包耐火材料壽命低，對鋼質(zhì)量也不利第二種對策是按煉鋼過程能量優(yōu)化原則以決定出鋼溫度。這樣要求完整、準(zhǔn)確地掌握從出鋼到澆注過程中各工序的溫降和嚴(yán)格的管理，同時(shí)要求在線計(jì)算機(jī)根據(jù)操作時(shí)間計(jì)算出鋼溫度和各階段的溫度值，不允許有失誤。第三種對策可以提高爐襯壽命，能準(zhǔn)確控制中間包鋼水溫度，但需要向鋼包或中間包輸入外加能量，安裝加熱設(shè)備，使用費(fèi)用較高。)(qQTCTqCTQCdtdTMCepePaPPPepePaPMCqQTCTqCTQCdtdT)(q，TeQ，Ta當(dāng)中間包液面穩(wěn)定時(shí)：0dtdMqQ 即：0)(PeaPMCTTQCdtdT)(eaPTTQC鋼包水口流量中間包熱損失鋼包鋼水溫度中間包鋼水溫度a為開澆期，由于中間包襯吸熱，鋼水溫度下降10一15；b為正常澆注期，經(jīng)過10一15min，由于包襯吸熱達(dá)到飽和，同