鋼的澆注與凝固9

1、中間包冶金 江江 西西 理理 工工 大大 學學2022年7月7日21中間包冶金發(fā)展的概況2中間包冶金技術3中間包結構物理模擬方法4中間包吹氬氣體凈化技術31 1中間包冶金發(fā)展的概況中間包冶金發(fā)展的概況中間包冶金是一項特殊的爐外精煉技術，是從鋼的熔煉和精煉到制成固態(tài)連鑄坯這個生產(chǎn)流程中保證獲得優(yōu)良鋼質量的關鍵一環(huán)。在連鑄過程中起到重要的作用。已經(jīng)成為高效連鑄必不可少的重要技術。它對擴大連鑄品種增大連鑄比提高鑄機作業(yè)率掌握澆鑄過程的中間包鋼水溫度的變化規(guī)律優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)順利進行多爐連澆改善鋼坯質量等均起到重要作用。4中間包的作用中間包的作用 減小鋼水靜壓力，使中間包的注流穩(wěn)定穩(wěn)流作用；在多流連鑄機中

2、，起到分配器的作用分流作用；在多爐連澆中，保證換包時不至于停澆連澆作用。中間包還是一個半連續(xù)的鋼水精煉容器，具有以下的精煉功能：防止鋼水二次氧化和吸氣；改善鋼水流動狀態(tài)，防止卷渣，促進夾雜物上??；鋼水成分微調(diào)；夾雜物形態(tài)控制；精確控制鋼水過熱度。52中間包冶金技術中間包冶金技術1.長水口 Ar 封2.密封蓋 3.內(nèi)襯耐火材料4.擋墻和壩 5.過濾器6.Ar 氣吹洗裝置7.覆蓋劑 8.鋼包下渣監(jiān)測系統(tǒng) 9.加熱裝置10.塞棒吹氬61 ）防止鋼水再污染技術）防止鋼水再污染技術鋼包到中間包水口保護澆注防止鋼包到中間包卷渣技術防止鋼水與內(nèi)襯耐火材料反應中間包加蓋密封技術72） 促進夾雜物去除技術促進夾

3、雜物去除技術增大中間包容量中間包內(nèi)的控流裝置中間包氣體吹洗吹氬技術中間包使用合適的覆蓋劑 83 ）相關技術的發(fā)展）相關技術的發(fā)展中間包喂絲技術中間包加熱技術連續(xù)測溫技術9中間包控流裝置演變的歷史可劃分為 4 個時期：(1) 20 世紀 70 年代，開始在中間包內(nèi)安置堰和壩；(2) 20 世紀 80 年代，中間包開始使用導流隔墻、過濾器；(3) 20 世紀 90 年代中期，中間包開始使用湍流控制器；(4) 近年來，在中間包內(nèi)開始研究和應用氣幕隔墻技術。 10為了有效地去除中間包鋼水中的非金屬夾雜物，中間包內(nèi)的鋼水流動應具有以下的流動特征： 大的最小停留時間； 小的死區(qū)體積； 大的活塞流體積與死區(qū)

4、體積之比和較大的活塞流體積與混合流體積之比； 有指向表面的流動； 平靜的渣層； 有限的混合區(qū)。112.1大容量中間包大容量中間包中間包容量影響到中間包液面高度和中間包鋼水在包內(nèi)的停留時間。大容量中間包可以保證換鋼包時中間包鋼水處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，防止卷渣，為了不發(fā)生卷渣，中間包鋼水必須在最小深度以上操作。北美 20 世紀 80 年代以后投產(chǎn)使用的中間包容量均為 45t 以上，其中最大的中間包容量為 70t。日本的中間包容量均在 60t 以上，最大的中間包容量達 84t。12中間包容量對鋼水清潔度的影響中間包容量對鋼水清潔度的影響 132.2 中間包采用堰和壩中間包采用堰和壩在中間包中安置堰和壩，

5、可以有效改變鋼液流向，延長鋼水停留時間，有利于夾雜物的上浮。中間包采用典型的堰、壩結構如圖。 14堰，又稱擋渣堰或上擋墻。橫跨整個中間包寬度，從鋼液面上部延伸至距中間包底部一定距離，鋼水可從其下方流過。其在中間包的作用是： 1）可以控制鋼包注流沖擊區(qū)的大小，控制鋼包注流對中間包鋼水的攪拌強度，促進夾雜物碰撞和粘結成大顆粒上浮去除。 2）可以將隨鋼包注流進入中間包的爐渣擋在注流沖擊區(qū)內(nèi)，減少鋼水因鋼包卷渣造成的二次污染。 3）可以將大包注流沖擊引起的中間包鋼水表面波動限制在堰的上游，穩(wěn)定堰的下游中間包鋼水液面，減少因表面卷渣、二次氧化和機械沖刷所產(chǎn)生的夾雜量。15壩，又稱導流壩或下?lián)鯄?。橫跨整個

6、中間包寬度，從中間包底部向上延伸至距鋼液面之下一定距離，鋼水從其上流過。它具有以下的作用：1）可以防止中間包短路流的形成，延長鋼水在中間包內(nèi)的流動距離，增加鋼水在中間包的停留時間。2）可以將鋼包注流的沖擊限制在沖擊區(qū)內(nèi)，降低鋼水的水平流動速度。3）使流過壩的鋼水產(chǎn)生指向鋼液表面的流動，縮短夾雜物的上浮距離，有利于夾雜物上浮去除和頂渣捕獲夾雜物。在中間包中，壩和堰常常是一起使用， 以獲得理想的中間包鋼水的流動和冶金效果。162.3 中間包采用導流隔墻及過濾器中間包采用導流隔墻及過濾器 導流隔墻是在中間包將上下游完全隔開的擋墻，并在上面設置若干個不同尺寸和傾角的導流孔。鋼液根據(jù)需要的方向流過導流孔

7、，其通過導流隔墻后的流速和方向由孔的大小和傾角決定。導流隔墻的作用是，當鋼水通過導流隔墻時，將中間包的湍動流動限制在一定的范圍內(nèi)，可產(chǎn)生指向鋼液表面的流動，以促進夾雜物與頂渣接觸的機會，有利于去除夾雜。導流隔墻在中間包中可以起到堰壩組合相同的或優(yōu)于堰壩組合的作用。17 過濾器為帶有微孔結構材料的隔墻，它橫跨整個中間包寬度，從鋼液面上方一直延伸到中間包底部，鋼水從微孔流過。其作用有，在中間包的鋼水中，直徑大于 50m 的大顆粒夾雜物可以采取簡便的凈化措施將它們與鋼水分離從而使它們上浮排除。過濾器就是用來捕捉這些小顆粒夾雜物，以凈化鋼水。但過濾器因微孔容易堵塞，鋼水通過過濾器的流量小和成本高，在應

8、用上受到限制。 18導流隔墻和過濾器導流隔墻和過濾器 1920導流隔墻的結構（孔的大小、數(shù)目、分布和傾角）以及安放位置對中間包的流動特性都有重要的影響。導流隔墻還可以和直通孔過濾器相結合使用，過濾器安裝在導流孔處，鋼液從過濾孔洞中流過，于是過濾器不僅有吸附夾雜物的作用，而且也成為一種有效的流動控制裝置。212.4 2.4 中間包湍流控制器中間包湍流控制器湍流控制器位于鋼包注流下方。鋼水從鋼包長水口高速流出，進入到湍流控制器中，受到湍流控制器的限制，再從湍流控制器的上口反向流出。湍流控制器的作用：1）對鋼包注流的沖擊起緩沖和限制作用。2）改善中間包鋼水的流動特性，延長停留時間，有利于鋼水中的夾雜

9、物上浮分離。3）減輕大包開澆和更換時大包注流沖擊中間包鋼水造成的鋼水飛濺，減少中間包襯的侵蝕。4）增加中間包鋼水流動的活塞流體積，降低死區(qū)體積。22湍流控制器結構湍流控制器結構23湍流控器結構簡圖湍流控器結構簡圖 242.4 中間包吹氬中間包吹氬在中間包一定的位置吹入微小的氬氣泡，在該位置上形成氣幕隔墻，既可以改善中間包流體的流動特性，氣幕又可以對夾雜物起到隔離作用，阻止夾雜物流到中間包水口側。與小氣泡碰撞的大、小夾雜物，將被氣泡帶到鋼液面上，進入到覆蓋渣中，有利于鋼水中的夾雜物上浮分離，提高中間包的夾雜物去除能力。在密閉的中間包中吹氬，可以使中間包內(nèi)的氣氛在開澆和澆注過程中處于惰性氣氛中，可

10、以防止鋼水的二次氧化和從大氣中吸氣。2526 （a）無流動控制裝置 (b)擋墻和壩 (c) 多孔擋板 中間包內(nèi)各種流動 形態(tài) 控制裝置 27加入湍流控制器的雙擋墻中間包內(nèi)的流動狀態(tài)加入湍流控制器的雙擋墻中間包內(nèi)的流動狀態(tài) 28有氣幕隔墻的中間包流體流動狀態(tài)有氣幕隔墻的中間包流體流動狀態(tài)29湍流控制器的鋼流控制模型湍流控制器的鋼流控制模型 303 3中間包結構物理模擬方法中間包結構物理模擬方法物理模擬實驗要保持發(fā)生在模型和原型的流動過程相似，則必須保證模型與原型之間的幾何相似和動力相似。幾何相似要求模型的幾何尺寸與原型的對應的幾何尺寸具有固定的相似比，而動力相似要求在模型與原型中作用在流體微元上

11、的力相同且由這些力組成的相似準數(shù)應相等。要求原型中間包的湍流 Reynolds 準數(shù)Ret, 和 Froulde 準數(shù)Frp 和模型中間包的湍流 Reynolds 準數(shù)Ret 和 Froulde 準數(shù) Frm相等。31中間包水模試驗裝置中間包水模試驗裝置3233水和鋼液的物理性能水和鋼液的物理性能343.4 中間包物理模擬實驗方法中間包物理模擬實驗方法3.4.1 停留時間分布曲線測定從實驗測定得到的停留時間分布曲線RTD(Residence Time Distribution)，可以直接得到從加入示蹤劑到示蹤劑流至中間包水口時的最小停留時間 tmin(又稱響應時間)和示蹤劑濃度達到最大時的峰值

12、時間 tmax。還可得到各流體微元在中間包的實際平均停留時間 tav。3536典型的中間包停留時間分布曲線典型的中間包停留時間分布曲線 37中間包流體流動的體積可劃分為活塞流體積(plug volume)或分散活塞流體積(dispersed plug valume)、死區(qū)體積(dead valume) 完全混合流體積(well mixedvolume)。到目前為止，各體積占中間包液體體積的分率計算模型有三種。38Kemeny等人最早應用混合流動模型(mixed flow model)分析實驗得到的停留時間曲線，來計算活塞流體積分率、死區(qū)體積分率和混合流體積分率。39Ahjua 和 Sahai對

13、混合流動模型提出了質疑。第一，在中間包流體流動中，示蹤劑存在著軸向的擴散，最小停留時間和峰值時間不相等，即min max ；第二，用混合流動模型計算得到的三個體積分率之和不等于 1，與這三個體積分率的定義有矛盾。Ahjua 和 Sahai 提出一個修正混合流動模型來計算這三個體積分率。40Sahai 和 Emi把死區(qū)分為兩種類型，第一種類型的死區(qū)是在死區(qū)中液體是完全滯止的，進入中間包的流體不能流入這一類型的死區(qū)。第二種類型的死區(qū)是死區(qū)中的液體流動非常緩慢，其內(nèi)的液體一直與活塞流區(qū)和完全混合流區(qū)(統(tǒng)稱活化區(qū) active volume)有流體交換，停留時間大于兩倍平均停留時間的那部分流體為死區(qū)體

14、積。絕大多數(shù)中間包流動的死區(qū)屬于第二種類型。41死區(qū)完全滯止的中間包流動模型死區(qū)完全滯止的中間包流動模型 42死區(qū)非滯止的中間包流動模型死區(qū)非滯止的中間包流動模型43中間包水口產(chǎn)生旋渦的臨界液位中間包水口產(chǎn)生旋渦的臨界液位在連鑄中，當一個澆次將要結束時，中間包液位逐漸下降，當液面降到與拉速相對應的臨界高度時，便在中間包水口液面產(chǎn)生旋渦，造成鋼液卷渣和吸氣，影響鑄坯質量。第一爐鋼水的開澆液位也與中間包產(chǎn)生旋渦的臨界液面密切相關。44臨界液位與拉速和流量的關系臨界液位與拉速和流量的關系(實型實型)45不同的流量存在一個不同的中間包水口產(chǎn)生旋渦的臨界液面高度。中間包液面高度為 180200mm 時，

15、即使采用較小的流量來拉坯，也會使中間包水口產(chǎn)生旋渦。要在較低的中間包液面下澆注而不產(chǎn)生旋渦，需要用很低的流量進行拉坯。中間包液面較低時，若存在小的擾動如從下導流壩底孔有向中間包水口的流動，也很容易產(chǎn)生旋渦。因此，在異鋼種連澆時，中間包液面高度不能控制過低。464 4中間包吹氬氣體凈化技術中間包吹氬氣體凈化技術 在中間包內(nèi)，鋼液始終處于流動狀態(tài)，夾雜物在其中的運動也因此比平靜鋼液復雜得多。夾雜物在鋼液中發(fā)生以下幾種行為：(1) 夾雜物的上浮在中間包內(nèi)，夾雜物依然可以通過上浮從鋼液中排除。按常規(guī)看法，夾雜物上浮去除速度服從斯托克斯(Stokes)公式 。47Stokes 上浮公式僅適用于靜止狀態(tài)或

16、層流狀態(tài)（Re2）。如前面所述，中間包內(nèi)雷諾數(shù) Re1000，故應用于中間包時，應該使用修正了的 Stokes-Newton 公式 48斯托克斯(Stokes)公式Stokes-Newton 公式 49(2) 夾雜物的碰撞長大夾雜物的碰撞長大顆粒的碰撞有以下四種方式：(a) 布朗碰撞。夾雜物顆粒在鋼液中做無規(guī)則的熱運動而產(chǎn)生的碰撞，中間包內(nèi)夾雜物碰撞屬于布朗碰撞的類型很少。(b) 斯托克斯碰撞。顆粒上浮速度與其大小有關。大顆粒夾雜物上浮的速度大，在上浮時可能追上小顆粒夾雜物而與之碰撞成為更大顆粒，因而上浮速度加快，更容易捕獲其他顆粒。在中間包內(nèi)，斯托克斯碰撞是夾雜物碰撞長大去除的重要形式之一。

17、50 (c) 速度梯度碰撞。顆粒沿流線軌跡運動，高速流線上的顆粒將追上低速流線上的顆粒，只要兩顆粒的距離不超過它們的半徑之和，顆粒將發(fā)生碰撞。 (d) 湍流碰撞。夾雜物被夾帶入湍流旋渦中，引起夾雜物之間的碰撞。湍流碰撞是夾雜物顆粒碰撞長大的重要形式。51(3) 夾雜物與耐火材料表面的粘附夾雜物與耐火材料表面的粘附 中間包內(nèi)耐火材料的表面與鋼液中的夾雜物接觸時，夾雜物會粘附在耐材表面與鋼液分離 。52夾雜物的上浮去除和中間包內(nèi)鋼液的流動狀夾雜物的上浮去除和中間包內(nèi)鋼液的流動狀態(tài)的關系態(tài)的關系全混流流體攪動激烈，有利于均勻鋼液成分和溫度，也利于夾雜物的碰撞去除，但容易導致夾渣和鋼液暴露于空氣中。

18、活塞流有利于鋼液中的夾雜物上浮去除，設計控流裝置時應盡量提高活塞流的體積。短路流使夾雜物來不及上浮就從水口流出，引起大量下渣，應盡量減少甚至避免短路流。死區(qū)減少了中間包的有效容積，使中間包內(nèi)鋼液的平均停留時間縮短，對夾雜物的上浮不利。53中間包吹氬的主要形式中間包吹氬的主要形式 (1) 埋設透氣管對大于 200m 的大型夾雜物去除效率為 98%，對 100-200m 的中型夾雜去除效率為 93%，對小于 100m 的夾雜物去除效率為 47%。(2) 安裝條形透氣磚將氬氣通過該透氣梁吹入鋼液中，大尺寸夾雜物全部去除，小尺寸夾雜物降低了 50，微小夾雜物的去除效果不明顯。在透氣磚的選擇上應充分考慮

19、具有通氣量大、攪拌效果好，重復開吹率高、抗沖刷耐侵蝕、高溫性能好等特點。(3) 使用噴槍 用噴槍噴吹氣體，吹氣位置、吹氣量、覆蓋劑均對夾雜去除效果有影響。用旋轉噴槍吹氬在降低鋼液中的夾雜物，特別是小于 50m 的夾雜物方面，可以達到預期的效果。54中間包內(nèi)常見的兩種吹氣方式中間包內(nèi)常見的兩種吹氣方式55條形透氣梁置于多孔擋墻后側條形透氣梁置于多孔擋墻后側 56中間包底吹氬氣對夾雜物去除的原理中間包底吹氬氣對夾雜物去除的原理中間包吹氬用惰性的氣泡清洗鋼液。中間包吹氬使鋼液溫度和成份均勻，并進一步促進夾雜物的去除，其機理是：氣泡與夾雜物碰撞吸附到一起，粒徑增大，上浮速度增大，易于被鋼液表面的渣層吸

20、收。中間包吹氬的主要方式是在中間包底部某個位置通過安放條形透氣磚，目的是用 Ar 氣形成一個微氣泡屏幕，將鋼液中的夾雜引到鋼液與覆蓋劑的界面而分離出去。57中間包吹氬實驗中間包吹氬實驗 58在包底吹氬的作用：1. 排成列的吹氬孔口垂直于沿包底流動的液流布置，類似于在包底設置了壩，促使鋼液轉向上方流動，有利于夾雜物上浮。其作用比壩的效果還強烈。2. 氬氣泡的浮力產(chǎn)生氣泡泵現(xiàn)象，促使該局部的湍動能耗散率顯著增大，有利于夾雜物顆粒碰撞長大而排除。3. 上浮的氣泡可以捕獲夾雜物顆粒，并攜帶著它一同上浮，這樣就使微細夾雜物顆粒上浮速度增大到氣泡上浮的速度。59中間包吹氣位置的測試結果中間包吹氣位置的測試

21、結果60中間包吹氬卷渣示意圖中間包吹氬卷渣示意圖61(a) 當條形透氣梁通入的氣體流量為 0 時，界面較平穩(wěn)。(b) 當條形透氣梁通入氣體流量較小時，界面在氣體噴吹的位置有所波動。(c) 隨著條形透氣梁通入氣體流量的增加，界面出現(xiàn)了向上的突起，沒有使油面吹開與大氣接觸。(d) 當條形透氣梁通入氣體流量不斷增加時，氣流將油層吹成一近似于圓周的裸露區(qū)，界面的波動十分明顯。(e) 當條形透氣梁通入氣體流量進一步增大后，出現(xiàn)油層破碎，但油滴的量較少，而且很快上浮。(f) 如果條形透氣梁通入氣體流量再持續(xù)增大，那么將出現(xiàn)大量油滴卷入水中的現(xiàn)象，而且油滴在水中不斷破碎，毫無規(guī)律地運動，不易上浮，形成了卷渣

22、。62中間包加熱技術中間包加熱技術鋼包更換時，由于新鋼包內(nèi)鋼液的密度與已注入中間包內(nèi)鋼液的密度之間存在差異，從而影響了中間包內(nèi)鋼液的流動形態(tài)，而密度的差異主要是源于鋼液之間的溫度差。連鑄鋼水在澆鑄剛開始和快結束時，或更換鋼包時，中間包鋼液溫度都將有下降。這不但會使鋼液中夾雜物難于上浮，而且易造成水口堵塞。有時鋼液的合金化，也在中間包進行，這就要求中間包鋼液溫度保持一定的水平。中間包加熱技術正是在這種情況下發(fā)展起來的。63中間包加熱情況一覽表中間包加熱情況一覽表 64中間包采用加熱技術，使中間包鋼液溫度穩(wěn)定和均勻化，為添加合金，在中間包中精煉鋼水創(chuàng)造了條件，也為穩(wěn)定鑄溫、鑄速，有利進行等溫、高速

23、、低過熱度澆鑄以及實現(xiàn)多爐連澆創(chuàng)造條件，同時為煉鋼爐低溫出鋼，減少冶煉時間帶來了好處。 近十幾年來，日本及西方一些國家相繼開發(fā)了各種中間包鋼水加熱技術，主要加熱方法有感應加熱和等離子加熱兩種。65感應加熱技術的原理實質上是電磁感應的原理。當交流電流通過初級線圈，環(huán)繞著線圈產(chǎn)生了交流磁場，交變磁通在次收線圈上(鋼水)產(chǎn)生感應電動勢，從而在閉合的線圈中產(chǎn)生感應電流，使金屬加熱。同時通過電磁感應加熱時所形成的上升流使夾雜物上浮并通過電磁力（夾力）使夾雜物除去。66 等離子加熱則是根據(jù)了氣體被加熱到一定溫度后會變成離子狀態(tài)的原理，利用等離子體的中心溫度(可高達 3000) 來加熱鋼液。通過使用等離子射

24、流，各個流股的注入與鋼液速度相對應，從而能控制溫度，使得能量集中，加熱溫度高，且由于采用惰性氣體作為工作氣體(屏蔽)不會污染鋼水。67連鑄中間包工作襯的研究進展連鑄中間包工作襯的研究進展第一代工作襯無工作襯階段(連鑄工藝出現(xiàn)在20世紀70年代,歐洲可能延長到80年代末)。把目前的永久襯直接當工作襯,鋼水直接澆在永久襯上。此方法只可用于無需潔凈煉鋼的低質鋼的生產(chǎn)。工作襯的維修費用很高,清除用后的渣殼也很困難。典型的高鋁質低水泥澆注料內(nèi)襯,其氧化鋁含量在70%左右。68第二代工作襯絕熱板階段(20世紀7080年代),材質大部分為鎂質。 (瑞典研究的無機結合橄欖石基泡沫絕熱板)。此絕熱板是保證潔凈煉

25、鋼的有效方法,該板以中間連鎖板安裝,與永久襯之間有填充砂支撐,采用真空成型,它絕熱性能良好,但安裝時勞動強度大。而且在使用過程中易鉆鋼變形而導致壽命下降,影響連鑄正常生產(chǎn)。69第三代工作襯涂料襯階段(20世紀8090年代)。它在日本興起,瑞典、俄羅斯等歐洲國家也相繼研究應用,我國于20世紀90年代迅速推廣試驗。材質有鎂質和鎂鈣質;從施工方法來看有:人工濕法涂抹、人工半干法機械噴涂、人工濕法機械噴涂、機械全自動化半干法噴涂等。涂料襯采用濕法人工涂抹或機械噴涂時,需加20%30%水分,因而中間包使用前需要26h,甚至更長時間干燥以便除去水分。涂料襯雖然有比絕熱板更好的整體使用性能,解體性更好,便于

26、清除渣殼,壽命還能滿足現(xiàn)階段連鑄生產(chǎn)的需要。但是涂料襯無法滿足更長的連續(xù)澆鋼需要。新型干式襯可以彌補這一缺陷。70第四代工作襯為了適應高效連鑄的發(fā)展,隨著國內(nèi)萊鋼煉鋼廠對連鑄中間包定徑水口快速更換與中包長壽技術率先開發(fā)成功,中間包對其工作襯使用壽命提出了更高的要求8,因此第四代干式料于20世紀90年代末應運而生,現(xiàn)正逐步取代涂料。由美國U-niversalRefractoryCompany率先研制使用的中間包干式工作襯理化性能及其與噴涂料的性能比較如表所示。71中間包干式料與噴涂料的性能比較中間包干式料與噴涂料的性能比較 72干式振動料理化性能指標干式振動料理化性能指標 73原料:電熔鎂砂(w(MgO)97%,灼減0.2%),中檔燒結鎂砂(w(MgO)95%,灼減0.3%);結合劑:選用兩種固體酚醛樹脂, 其中一種含有促硬劑;燒結劑:有3種,即偏磷酸鹽,聚磷酸鹽,硅酸鹽;改性劑：有2種,即含Cr2O3的天然原料,含Al2O3的合成原料。骨料與基質料的質量比為65 35,其中骨料粒度包括53mm、31mm和1m