（钢铁冶金专业论文）六流大方坯连铸中间包和结晶器内钢液行为研究.pdf

+ 中文摘要 缡妥 随精连铸技术的发展和优化，对铸坯的质熬要求越来趟高，而影响遽铸坯及 誊| 懿纛慧因素之一魏怒 金属夹杂镪。硬究表明，连铸中熬大型夹杂彩主要亲漂 于中间包，因此，避免夹杂物随钢流进入结晶器最终被去除刚显得尤为必要。同 时，结晶器是连铸机的心脏，许多高效核心技术都围绕结晶器和结晶器相关设备 展开，阏此，深入了鳃和控制中阀包和结晶器内的钢液流动行为则是保证高效连 铸工艺顺行、提意铸坯质量兹关缝，蕨面，入们十分重税注漉在中瘸包和结鑫器 内的流动特征，最凿遍的研究方激为物理模拟和数值模拟。本文将采用数理模拟 的研究方法，依据攀钢六流大方坯连铸中间包和结晶器工艺参数；断面 2 8 0 x 3 8 0 m m 2 、2 8 0 3 2 5 煳2 ；整遽0 6 1 i n - d r a i n 。磷究不爨戆控滚装甏对中惩包 和不阐浸入式水口及电磁搅拌对绪晶器内钢液行为的影响。 由于攀钢六流大方坯中间包体积大，流间距长，因此不能忽略自然对流对钢 液流动躲影响。实验采用非等滠条 譬分别对无控流装置晕鞋有控流装置下中闻包内 钢液豹流动模式、滋度模式、夹杂物模式叛及流场等方嚣避季亍研究，秘步提岛了 广义f 曲线的概念；采用在中间包内多测点测试的方法，对中间包内的温度场进 行研究；对比了等淤和非等温情况下，钢液在中间包内的行为，证明了在非等温 凑猿下，中阗篷燕攘滚装萋懿必骚瞧。逶过逡一e 述系剜实羧分辑薯缝合数篷模羧 结果，发现“v ”墙十壤的甜方案较好的符合各项实验指标。 邋过对所设计的系列水口进行实验，对各水口所测的液面波动、冲击压力、 、掉击深度，保护渣瀵蕴结果进行分板；并应用f l u e n t 软件对设计水口避行数值 模拟。发现直通墼求翟6 聋和露孔囱上隶口i 搿较好邈承满足连铸工艺瑟袋。壹于 结晶器采用电磁搅拌技术可以明鼠的改善铸坯的凝固组织，抑制柱状晶的发展、 促进成分均匀、夹聚物细化分布均匀、改善铸坯的铸态质缀，从而使中心疏松、 中：0 镶褫、中心壤魏等簌鏊减少。为蓝，本文逐扔步探讨了在燕毫磁撵撵懿雩圭嚣 下，谯不同的水口类型下，结晶器内的流场和温度场的分布情况。 程上述实验的熬础上，最终提出适合于攀钢6 流大方媛中间包控流煺置和结 晶器浚入式东墨，为工业性试验萋鬏应用打下蒸硝。 关键诵：大方坯连铸，六流中间包，结晶器，控流装置，浸入式水口，电磁搅拌 数理模拟 一一茎塞塑茎 a b s 零r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n d o p t i m i z a t i o no f t h ec o n t i n u o u s c a s t i n g ( c c ) t e c h n o l o g y ， t h er e q u i r e m e n to f q u a l i t y 岛r 镪ei n g o to rc a s t i n gb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r , w h i c hi s m a i n l ya f f e c t e db yn o n m e t a li n c l u s i o n i tw a sr e s e a r c h e dt h a tt h el a r g e s c a i ei n c l u s i o n m o s t l y r o o t si nt u n d i s h ，t h em e a s u r es h o u l db et a k e nt oe f f e c t i v e l yc o n t r o lt h en o n m e t a l i n c l u s i o na n da v o i dt h ei n c l u s i o n e n t e r i n gi n t om o u l d a n dr e m o v e d f i n a l l y m o u l di st h e h e a r to ft h ec a s t e r ， m a n y n u c l e a rt e c l m o l o g i e sw e r e a p p l i e di nm o u l da n dc o r r e l a t i v e e q u i p m e n t i t i sn e c e s s a r ya n de s s e n t i a lt ok n o wa n dc o n t r o lt h es t e e lf l o w p a t t e r ni nt h e t u n d i s ha n dm o u l d ，w h i c hi st h ek e y p o i n tt oa s s u r eh i g h e re f f i c i e n c yc ct e c h n o l o g y a n di m p r o v et h es t e e l p r o d u c t s q u a t i 哆，t h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i cs i m u l a t i o n m e t h o d sw e r ew i d e l yt a k e nt or e s e a r c ht h er u l eo ff i o wp a t t e r n i nt h ea r t i c l e t i l e d i f f e r e n tf l o wc o n t r o ld e v i c e sf o rt u n d i s ha n dd i f f e r e n ti m m e r g i n gn o z z l ea n de m sf o r m o u l dw a s d e s i g n e dt or e s e a r c ht h es t e e lb e h a v i o r ，a c c o r d i n g t ot h et e c h n i c a lp a r a m e t e r 0 8 0 x 3 8 0 m m 2 ，2 8 0 x 3 2 51 1 3 1 1 1 2 ，b l o o ms e c t i o n ，0 8 m m i n ，c a s t i n gs p e e d ) f o rs i x s t r a n d b l o o mc ct u n d i s ha n dm o u l do f p a s y z h i h u ai r o n s t e e lg r o u pc o b e c a u s et h en a t u r a lc o n v e c t i o nh a sa 1 1i m p o r t a n te f f e c to nt h ef l u i df l o wi nc c a m d i s h ，i ts h o u l db ec o n s i d e r e dw h e nd o i n gw a t e rm o d e l a n dm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n f o rf l u i df l o wa n di n c l u s i o nr e m o v a li nt u n d i s ho fp a r t z h i h u ak o n & s t e e lg r o u pc o 。 t h en o n i s o t h e r m a lc o n d i t i o nw a s a d o p t e d t or e s e a r c ht h es t e e lf l o w p a t t e r n ， t e m p e r a t u r ep a 娃e m ，i n c l u s i o np a t t e r na n df l o wf i e l dw i t ha n dw i t h o u tf l o wc o n t r o l d e v i c e s 。t h eg e n e r a l i z e d f c n r v ew a st a b l e dt h r o u g he x p e r i m e n t 霹1 et e m p e r a t u r e f i e l dw a sd i s c u s s e dt h r o u g hm u l t i p o i n tm e a s u r e d i ti sn e c e s s a r yt oi n s t a l lt h ef l o w e o n t r o ld e v i c e sw i t ht h en o n - i s o t h e r m a lc o n d i t i o nb y c o n t r a s t i n gt h e s t e e lb e h a v i o rw i t h i s o t h e r m a la n dn o n 。i s o t h e r m a lc o n d i t i o n 。o nt h i sc o n d i t i o n , t h ec a s e4o f v w e i ra n d d a mw a sc h o s e n ，w h i c hw a ss a t i s f i e dt h ee n t i r ee x p e r i m e n t a li n d e x t h em e a s u r e dr e s u l t so ft h es u r f a c ef l u c t u a t i n g ，i m p a c t i n gp r e s s u r e ，i m p a c t i n g h e i 曲t ，a n dc o v e r i n go ff l u x a n dw e r ea n a l y z e dt h r o u g hm a k i n gt h ew a t e rm o d e l s i m u l a t i o n t b er e s u l t sw e r ev a l i d a t e da n ds u p p l e m e n t e db ym a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n u s i n g t h ef l u e n ts o f t w a r e i tw a sf o a n d t h a tt h ec a s e6o fs t r a i g h tc h a n n e ln o z z l ea n d c a s e llo ff o u rh o l e s ( u p ) n o z z l ew e r ec h o s e n ，w h i c hw l o r e s a t i s f i e da l lo ft h e e x p e r i m e n t a lr e q u i r e m e m s 。曩】oe m st e c h n o l o g yw 鑫s w i d e l ya d o p t e d ，w h i c hc a n i m p r o v et h ec o n c r e t i n g s t r u c t u r eo fi n g o to rc a s t i n g ，r e s t r a i nt h ef o r mo fc o l u n m a r l 重庆大学硕士学位论文 c r y s t a l s ，m a k et h ei n g r e d i e n tu n i f o r m i t y ，h a v et h ei n c l u s i o ne y e dd i s t r i b u t i n g ，a d v a n c e t h eq u a l i t yo f i n g o to rc a s t i n g ，a n dr e d u c et h ed e f e c t - t h ec e n t r a ls h r i n k a g e ，t h ec e n t r a l s e g r e g a t i o n ，t h e c e n t r a lc o n t r a c t i o nc a v i t i e se t c t h er e s u l t so ff l o wf i e l da n d t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n gw e r es i m p l yd i s c u s s e dw i t he m s ，w h i c hw e r et h ef o u n d a t i o n f o rs y s t e m i cr e s e a r c ho nd i f f e r e n tt e c h n i c a lp a r a m e t e rw i t l le m s o nt h eb a s i so ff o r e g o i n ge x p e r i m e n t s ，t h es o u n df l o wc o n t r o ld e v i c e sa n d i m m e r g i n gn o z z l ew e r ed e s i g n e d ，w h i c hw e r et h ep r e m i s eo fi n d u s t r ye x p e r i m e n ta n d a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：b l o o m c o n t i n u o u sc a s t i n g ，6 - s t r a n dt u n d i s h ，m o u l d ，f l o wc o n t r o ld e v i c e s ， i m m e r g i u gn o z z l e ，e m s ，p h y s i c a la n d m a t h e m a t i cs i m u l a t i o n 主要符号表 主要符号表 横截面积 m 2k 坞、逸挡墙孔之阀静距离 i n j 。 平均值 j 磁感应强度t 7 遁压毙热 k j k g 1 7 t 物质浓度k g m 3 m a x 中问包内平均浓度k g m 3m 汞墨流量系鼗p 水口直径 mp 夹杂物的粒裰 m q 模型中夹杂物的直径 m q 钢液孛夹杂鞠瓣童径 mr 水口外径 i i l翼 入口直径 mr e 电建移 vs 固体壁面襁糙度 r f l m s ： 电场强度 v mt 洛仑磁力 n f 。 莽鲁穗难数 。 重力加速崖 m s 2t r 质量通量k g m 2 s矗 搭拉晓夫准数夏 高度 m 五 综合传热系数 w m 2 k7 磁场强度 a l m“ 液瑟嘉凄、承西出鑫嵩麓 1 3 3 中间包的流数编号 电流 au 、 毫滚强度 av 电流密崖 a m 2v d v 渍动能 混合长液 流体长度 模型 时润步长麓接数 求最大值 示踪迹总鬣 实际 压力 体积流凝 流量 半径 极差 雷诺准数 标准差 l p a l h l ，h 越 _ 乎均停龆时闻标准差 时间 s 活塞流对应时间 s r t d 麴线峰，鲞对建瓣溺 s 中间包理论停留时间 s 环境温度 浇注澡发 表面溢发 温度 均流速度 m s 耩墅中夹杂物上浮遮霾 m s 中间包中夹杂物上浮遮度 m l s - 讳流体逋废方向矢量 m s 拉坯蘧度 m t m i n 死区体糖分数 皆 m m 一 矗昏加b g c g岛d以略dd五百f贽 g g 蹬矗a 嚣嚣 ， ，毛， 重庆大学硕士学位论文 力 混返流体积分数 功活塞流体积分数 w 中间包有效体积m 3 w短路流体积分数 w e韦伯准数 w e 塑料粒子加入量k g w g 塑料粒子捕集量 k g x 、y 、z 直角坐标系方向 z b中间包准数 a 、口角度 口液体体胀系数 。1 盯流体表面张力 e r g c m 2 盯k 、仃。、c 1 、c 2 、c 。数模相关系数 r中间包平均停留时间s f ，、r ，、r ，：近流、中间流、远流最短停 留时间 s f l 、r2 、r3 ：近流、中间流、远流平均停 留时间 s i ：平均停留时间 s r 雷诺应力 n m 2 i 相似比例系数 无因次量 密度 电阻率 钢液密度 夹杂物密度 水的密度 模拟夹杂物的密度 介质动力粘度 水的动力粘度 钢液的动力粘度 有效粘度系数 湍流粘度系数 波动 拉普拉斯算子 哈密顿算子 温差、过热度 流体粘度 湍动能耗散率 求和 k g m 3 q 1 1 1 k g m 3 k g m 3 k g m 5 k g m 3 p a s 篆蜘 f p 血衄 脚 p l 宕 ， 1 j a 日 p p p p p p p ppv 叶x 二 1 绪论 一一_ h _ _ _ 1 绪论 1 1 圈内外连铸技术的发展现状 连续铸钢( 以- f 麓穆连铸) 楚嚣蔻冶金领域最活跃戆令努支，也楚滚钢领 域内发餍最侠的技术之一。连簿囱闯世以来，便得到迅速地发展，主要体现在它 比传统的模铸具有飘大的优越性：连铸可以节省能源7 0 - 8 0 ；提商成材率 l o 】4 ；节省劳动力7 5 ；节省占地面积3 0 ；并簿化工序、改善劳动条件、 易予实蕊螽动纯；稀且可疆疆嵩葳羹，扩大赫释，茏萁楚哥班促进管瑾、技术以 至整个企业素质的提高，从而带来巨大经济效菔，增强在潮际市场的竞争力。连 铸技术对世界钢铁工业的发展产生了巨大的推动力。目前逡铸生产快速发展已成 为摆动薅钢秘整拿躐铁生产蓬勃发展懿主要技术凌力l l 】。 常婉连铸机的概念最早提出糟当追溯到美潮炼钢工作静汪瑟( b a t h a ) ( 1 8 8 6 年) 和德国土木工程师达勒恩( r m d a e l e n ) ( 1 8 8 7 年) 。随后的几十年中，人们对连铸技 术发生了浓厚的兴趣，戈其在1 9 2 0 t 9 3 5 年嘲，这一时期涟铸技术主要用予有色 金属铺鞫铝豹浇铸。1 9 3 3 年，瑷代连铸静羹罄久容汉酝( s 。j u n g h a n s ) 提出并 发展了缡晶器振动装露之后，才奠定了连铸技术在钢铁工业上应用的基础【2 j 。从此， 连续铸钢技术经历了“从本世纪4 0 年代的试验开发、5 0 年代开始步入工业生产、 弱年代弧影铸掇黪凌瑷、7 0 年代瘗麓澡莛瓿臻穗兹丈发袋、饕8 0 年代疆趋藏熬 的技术和9 0 年代新的交革”的近6 0 年历史发展历程。当前一个国家的连铸技术水 平的离低已成为衡量蕻钢铁工业现代化程度的煎要标志p j 。 二次世爨大战蜃，苏、美、茭、奥等国棚继建成一批半工业性鲍试验设备， 进行逡续铸钢的磷究。1 9 5 0 年鸯汉赫稻曼内渐曼( m a r m e s m a n n ) 公司合俸，建成了 世界上第一台能浇注5 吨钢水的涟铸机。6 0 年代以后，连铸进入稳定发展时期。 在机型方砥，6 0 年代初出现了立弯式连铸机，并研制成功了保护渣浇注、浸入式 东强鞫锈流绦护等赣技术，连镑技术发震速漫最著宓鬟浃了。1 9 6 0 年全壤爨连铸钢 产量为1 1 5 万吨，逐铸比仅为o 3 4 。至6 0 年代末，连铸机已达2 0 0 余台，铸机 年生产能力达4 0 0 0 万吨以上。在此时期，出现了旋转式逑铸机、空心圆坯铸机和 工字熬叛覆铸祝。1 9 6 4 年4 月在受地零百录公司世赛上第一台三班轮换正式生产 的= 韭纯弧形连铸辊投产，闻年6 月，中藿鬟庆钢铁公司第三炼钢厂鹃生产鍪弧 形铸机投产。为了生产铝镇静锱，在德国底林根厂的宽板坯弧形铸机上成功地开 发了澄入式水口和保护渣浇铸披术。7 0 年代以来，连铸生产技术围绕着降低连铸 坯憨裁、疆毫连铸奎产率、改善逐铸坯霞量这忍令中心课糕，褥至l 了遗猿戆发震。 到7 0 年代末，全世界连铸产量已逾2 亿吨，相当于1 9 7 0 年的8 倍。到了8 0 年代 重庆大学谈士学位论文 后，连铸进入了完全成熟的全盛时期，世界连铸比由1 9 8 1 年的3 3 ，8 上升到1 9 9 9 年麴8 4 4 e1 9 9 8 年美国镧产量为o ，9 3 亿睫，连铸魄为9 5 。3 ，弱本锈产量为0 9 0 7 亿吨，连铸比为9 6 9 ，欧盟1 5 国钢产鬣为1 5 3 亿吨，连铸比为9 5 8 ，澳大刹 难钢产量虽然仅为o 0 8 8 亿吨，但连铸比却达到9 9 4 i4 1 。2 0 0 0 年全球粗钢产量已 经突破8 亿吨大关，全球镧铁王竖的连镑晓已经达到8 5 以上l 弱。 我国子5 0 年代中期就开始进行连镑技术的研究，6 0 年代初与工盟先进国家瓣 时进入连铸技术工业应用阶段。由北京钢铁学院徐塞隙教授主持设计的重钢三厂 大弧型板坯逢铸机和重钢二厂厚板坯弧型连铸枫先后予1 9 6 4 年和1 9 6 7 年正式投 产，这两台弧罂连蒋辍在当时篷赛主帮怒签予领先承平。在6 0 年代磊麓爨弼年 代初期发展缓慢，到1 9 7 9 年仅有连铸机2 5 台，生产连铸坯1 5 0 4 万吨，连铸比 4 + 4 。改革开放后，国家对发展连铸技术给予高度重视，发展连铸生产和建设成 为我国锻铁鼓零发震中戆鬣器政策。1 9 8 8 年1 2 彝在全霆连铸工作会议上，冶金部 撼出“以连铸为中心，炼钢为基础，设备为傈证”酌生产方针，加快了连铸生产和建 设的发展。1 9 9 4 年，冶金部又提出“以遴铸为中心，以全连铸为方向，炼钢一炉外 处理一连铸三位一体优化缝构”，以发展连铸为企业优化结构的突破口。同时强调 援窭连铸高效纯( 高俸盘率、赢控速、懑滚浇炉数、簿藤量、嘉壹羟承平等) 。2 0 0 0 年连铸坯产量达93 6 7 万吨，连铸比达8 8 6 。全国煎点企业中鞍钢三炼钢厂、溅 钢一炼钢厂、珠江钢厂等1 0 个钢厂达到全连铸目标，其中武钢实现了全公司垒遴 镑生产。2 0 0 0 每邃镪产量达裂1 2 6 7 亿滤，连舞坯产爨已超过1 灏亿遘，连镑魄 达到8 5 7 3 ，与q - , t p 发达瀚家相接近【4 】。2 0 0 1 年我国滤铸坯总产餐为1 38 2 0 万淹， 滤铸坯总产量比上年实际量增23 7 0 万h 屯，增长2 0 7 ，至2 0 0 3 年，我国连铸比 达到9 5 9 6 。尽管我国近十多年来取得了很大成续，但和世界工业发达国家的 涟铸技术永平耨院仍存在不小豹差距，主要裹觋在： 目前圜外的常规连铸生产已趋成熟，连铸机的作业率普遍大于9 0 ，大型 板坯连铸机逶铸约1 0 0 2 0 0 万吨钢才漏钢一次，已基本可生产无缺陷铸坯( 包括 会金锈) 。焉我嚣簿凝生产稳定瞧较差，每放稳对较多，俸监率逐镳低，铸坯鼷爨 还有一定的麓距。 近终型连铸连轧技术在国外已产业化或加快产业化步伐。目前为止，n p b 薄竣坯连铸造霉k 生产线已投产和在建之中的约有4 0 赣，薄带连铸已建多台工试机 缀，预计不久将实现产监纯，丽我国迩在起步阶段。 国外离效连铸技术进一步发展。国外低碳板坯铸速普遍大予2 r r d m i n ，最高 可达3 0 m m i n ；1 3 0 m m x l 3 0 m m 和1 5 0 m m x l 5 0 m m 低碳方坯最大铸速分别超过 4 m m i 建帮3 5 m m i n ，连镑壤生产效率大大提毫。曩霉我霉与领先承乎喜较太差爨， 有的技术尚在开发。 2 ! 塑堡 国外魄连铸生产自动控制水平迅速提赢。国外连铸耷几中已普遍采掰结晶器 液嚣梭溅与控毒技术，计算视铸遮质量鼹踪露潮定投零、瀚镪颈警与控翻技术在 大型板坯连铸机中褥到使用，智能化技术也有了很大发展( 如智能化二冷段) 。而 我国总体控制水平逐较低，采用技术与设备少。 霪努壤惩毙逡速提毫，鞠关配套鼓米瓣步发疑。囊藤鬟磬精炼魄已超过 7 0 ，中间包耐材寿命一般可达3 0 h 包，最高约t o o h 包。而我国精炼比仅为2 0 ， 中问包煅高寿命3 0 1 1 包。 会金钢连铸姥国外比较蠢。目翦国外台金镪连铸眈一般已达到8 0 以上， 最高可这9 2 。焉我莺莰为5 左右潮。 按照国家冶金发展规划，我圈的连铸技术耍赶上或达到西方工业发达国家水 平，仍然有许多工作溪做。主要表现在： 遗效恁改造。实褒连铸意效伲，其孩心是提毫连铸辍戆拉速。撬褒连铸爨 拉速，需要解决结鼯器和二冷段的冷却效果、缩晶器的液谣控制及相关技术问题。 增加连铸品种，提高铸坯质量。主要魑扩大连铸钢种的范围和比例，完善 高碳铺、合金钢连铸躲技术手段，实现连铸以生产普碳低舍鑫钢为主自扩大生产 优溪辍豢钢、高酸镳、高强凄合金钢豹转变。潮时，要从憋钢至n 连铸整个过程热 快新技术及装备的应用与改造，提高钢的纯净度，改善铸燧内部结构，生产无缺 陷铸燃。 撬褰垂魂傀控裁末乎。 积极采用遴铸新工艺、新技术成果，追赶世界先进水平。 特别是对一些性能要求比较商的钢种，如商碳重轨钢，由于现有设备的不足 以及生产工艺落后，然两弓 发一系列阀题，撼蕊冶炼工艺成为冶金工l 乍袭需要追 切解决的问题之一既 1 2 飚前重轨钢的生产概况、现存问题及解决途径 我潮强铁路运浚为主要运麓方式，铁露逡埝熬裹速重鼗位裂瘸趋步，瑟班铁路 运输谣临着繁重而黩大的任务。随着社会与缀济发展需求，铁路的运输熊力成为限 制性环节，为此，国家已做出了加快铁路新线建设和旧线改造、提高铁路运能运力， 同时怒铁路运输瑷代化迈进的重大决策。2 0 0 2 年我国铁路藩运里程耀突破7 w k m ， 预计2 0 0 5 年将达7 5 w k r n 【s l ，其中一系列主干线如京沪线、京广线、啥大线、秦浼线 等将建成高速或快遮客运铁路线。我国铁路黛轨年需求量在1 3 0 1 4 0 万吨左右，考 虑其它部门年需钢轨约4 0 万吨，加上部分出口，其总需求量大体同我国现有4 家重 羲生产厂f 攀锈、惫镄、鞍镄强戴镶) 蕙蕊生产栽力稳当。扶数量上著虽霹蓥本渍是 要求饭高速重轨的开发在国内才刚刚起步，全长淬火轨供不应求；从总体上看，我国 重庆大学礞学位论文 钢轨产品的质餐等级和产品结构还有待提高与改善，这为重轨生产厂家提供了良好 巍照辊逞。 随着铁路行车速度的不断提高，行车速度要求达至0 2 5 0 k m h ，轴重增至3 0 t 以 上，钢轨的损坏由过去的磨损转变成各种形式的疲势损坏，由此引起钢轨的疲势 聚裂霹塑性交澎，戈其是爨滚动接触疲劳露产生静踏露剥离与孰耨波浪形磨损嚣 趋严重。钢轨的磨损主要表现为接触疲劳失效，因两造成线路上钢轨大量出现熊 鳞状裂纹和剥离掉块，咎其原因，则在于夹杂物，特别是a l z 0 3 夹杂物造成的。钢 轨失效主要表现在：轨头严重塑性变形和磨损：轨头失去大量金属，特别是轨 鬣角处，霹发骚至路蟊疆- f 2 m m 深。驻裹瑟变形：镄鞔交影荠不鞭子接魅表瓣， 不论上股钢轨躐者下股钢轨，材料冷作硬化可深至路丽以下8 r n m ，而上股钢轨轨 躐侧面可深至1 0 m m 。亚表谢变形后，钢中的硫化物夹杂和硅酸盐炎夹杂作为裂纹 投心可发震成蹬嚣裂纹帮剿亵，甚至弓l 起钢辕叛裂。波纹鹰损：主要发生在照 线上股钢轨踏褥，其形成与轮、轨共振肖关。另外，铁路高速化以后，行车酌安 全性和舒适性就显得更为堂臻，因此，良好的抗疲劳性能和焊接性能是高速铁路 蹦镪轨的基本特征一j 。 表1 1 钢轨内部廪量的要求 ! ! 坐! ：! ! ! ! 啪竺9 1 1 魁堡g ! ! ! 婴! 垡! l 监生! ， 一 夹杂物成分夹杂缓 标准 t 【o p sa 1 sh cm n abcd p p m p p m 2 0 0 k m 里0 锶0 3 5 0 0 35 0 0 0 4 l 。5o 。0 2 麴0 5 2 , 51 , 51 1 5l 5 h 标准 国内盟0 $ ，0 3 5 0 0 3 郢0 0 4 篓1 50 0 2 o 0 5 2 01 01 01 0 3 0 c k r a m 标准 e n 标璺o 5 0 。0 20 0 0 8 曼0 0 0 4 蔓l 。5 1 5 o 0 2 k 3 2 5 ，柱状涵发达，中心偏析严重；a t 2 5 ，中心等轴晶区扩 大，中心缡橇臻显藏辍；矗r m 0 0 n m m 2 ，霜溅魄0 6 ；确 保强发的同时有良好的断裂韧性；表面抗磨性好：非金属夹杂物少，无白点敏感 性，主娶需要解决两个问题：1 ) 精练后获得的干净钢水在述铸过程中如何防止再污 染；2 ) 麴t 霉获褥结搦致密，痰稔，缝魏，镶穆褒允谗菠基数述蒋坯，对予麓者主要 控制钢水的二次氧化，减少和去除夹杂物的凇入，对于届潜主要控制铸坯的柱状 晶和等轴晶比例。具体体现在炼钢环节则为中间包和结晶器冶金。 1 3 中润包和结晶器冶金【1 2 】 中间包和结晶器冶金处于整个炼钢过程的中间环节，对钢的产量和质量具有 重要的影响，在整个连铸过程中媳有举足轻爨的地位。 1 3 。l 审润色和结晶嚣冶金概念 “中间包冶金的概念是在2 0 世纪8 0 年代初期首先有加零大多伦多大学教授麦 7 重庆大学硕士学位论文 克莱恩提出，并形成独特理论和研究方法。作为一种连续操作的反应器，它与转 炉、电炉及钢包等间歇操作反应器的概念是不同的。中间包冶金并非单相的理想 流动，而是钢与渣两相的复杂的流动，而且有数量巨大的弥散相颗粒的碰撞和运 动。中间包内的钢液的温度场既不是等温的，也不是绝热的，而在非等温条件下 传热和流动相互促进的结果。国内曲英教授较早地研究了中间包内钢液流动的特 征；蔡开科教授等结合连铸工艺的需要，研究了中间包钢液温度控制，夹杂物去 除和中间包结构及钢液流动的关系问题。 “结晶器冶金”的概念目前虽然没有明确提出，但高效连铸技术的核心是结晶器 技术，国内外各种高效连铸技术的开发均以结晶器和结晶器相关构件为中心来开 展的，包括结晶器本体技术，结晶器液面有效控制，熔池流动的控制，结晶器的 冷却，铸坯支撑和强化冷却技术，振动技术，振动机构( 电磁制动，电磁搅拌) 类型。 因此，中间包和结晶器冶金其实可以看作是一项特殊的炉外精炼技术，是从 钢的熔炼和精炼到制成固态连铸坯这个生产过程中保证获得优良钢质量的关键环 节，对提高钢产品的竞争力意义显著。 1 3 2 中间包和结晶器在连铸过程中的作用【1 2 】 中间包的作用 中间包为钢液中夹杂的上浮提供了场所和机会，又为冶金技术的发展开辟了 新途径，其作用主要体现在： 1 1 分流作用：对于多流连铸机，由多水口中间包对钢液进行分流。 2 1 连浇作用：在多炉连浇时，中间包存储的钢液在换钢包时起到衔接作用。 3 ) 稳压作用：中间包液面高度比钢包低，而且在浇注过程中钢包液位时刻变化； 中间包液位在控制钢包出口流量的情况下，可以保持相对稳定，从而减轻了出流 对凝固坯壳的冲刷作用。 4 1 优良的钢水净化器：通过采取适当的措施，提高钢液纯净度。 5 、钢水调温容器：调节钢液温度，以保证连铸工艺顺行。 结晶器的作用 结晶器是连铸设备中晟为关键的部件，人称它是连铸机的心脏，其作用主要 表现在： 1 1 铸坯表面质量控制器：结晶器的性能对连铸机的生产能力和铸坯质量都起 着十分重要的作用； 2 1 高效的传热器：把钢水的热量迅速的传给冷却水，减少铸坯的各种缺陷； 3 1 钢水净化器：使钢水中的非金属夹杂物充分上浮而被保护渣吸收，以进一步 净化钢液。 8 一j 茎笙 4 ) 镪东凝固成型嚣：把钢水凝固成规定的形状，浇注所需要的钢坯。 l 。3 3 溪内羚謇缀巾溺包和绥晶器开发翡捆美工艺技术 嗣内外中间包相关工艺技术 1 ) 增大中间包容嫩 中溪包容量使锱滚在中润惫内富较长熬势黎时闽，扶蠢鸯联予夹杂爨豹充分 上浮。r ，a h e a r d i l s l 等人首先对水平连铸机上的大容量中间包内的钢液流动状态进 行模拟。s h i r a m 等人认为：采用大容量中间包提高了高速逡铸薄板坯的纯净度， 同时遴行低液位操l 乍促进了夹杂物的上浮。英嬲钢铁公司r a v e n s c r a i g 厂的中闻包 宙2 5 t 扩大虱4 5 t 麓，氯稼铝夹杂不仅数量减少、两且在铸坯肉弧铡聚集的现象疆 显改善 1 6 】。张立峰等人1 3 ，1 4 1 的研究指出，在控流装置相同的条件下，6 0 t 的中问包 比1 0 t 的中间包 o k 多去除4 2 4 ，大颗粒夹杂物多去除2 5 9 ，微观夹杂物多去 豫l l 。8 。吴永生簿人对扩容中藤包麴浚金效果遴行了秘究，褥至蟊下缝论，在 相同的挡墙条件下，中间包加高能延长钢液停黎时问约3 0 ，有利于钢中夹杂物的 上浮分离。 2 1 避受中闻包承翻堵塞帮改遴东墨技术 在冶炼锈镇静镧时，汞日缀荔发生靖塞现象。东京大学靛s ，d a 粥。菇s j 就承疆 堵塞原阁进行研究，认为钢液分散流动的存在是造成水口堵塞的缘由。j v a nd e r s t e 19 】等人研究了高、中、低含量s i 0 2 覆盖剂，对冶炼铝镇静钢的影响，认为中间 鼋采蠲c a o 、a 聂协含量裹，s i 晓含量诋瓣覆羞裁，骞稍予冶炼键镶羚锶。 g t m o u l d e n t 2 。t 研究囱云石质中间包滑动水口对冶炼铝镇静锎的影响，指出该种水 口降低了冶炼早期对钢液进行钙处理的可能性。在生产过程中一般采用塞棒或滑 动水黝来控制中阂镪内的钢东滚滚。最近欧淡，日本已经开发应用了麓转管阀， 通过德强s a a r s t a h l 绷厂的应蠲落明：旋转瞽闷降低了旋满静形或，在浇注遵程中， 能使中间包钢液面降到更低而不损害钢液的质艇【2 ”。 3 、中间包控流装鼹 堰、矮、导浚瓣 蠡、蓬滤爨粒瀵滚控翻器，隧及它们瓣缀合是中凌锈鬻采霸夔 控流裟鬣。s s i n g h 和s c k o r i a 的研究指出i 2 2 】，坝可以改变钢液的流动形态，消 除钢液短路流，促进钢液产生指向表面的流动。s c k o r i a m ”】等人比较了钢液在 装有域簸坝与堰秘来设控淹装置灼中闯包内静最短箨馨时阕。d i p a km a z u m s a r 等 人瑟5 ，勰研究了多种不嗣控流装鬟对中蔺餐肉镪液流动形态的影响，结祭褒鹤带孔 的导流隔墙在改誊中间包冶金效果上略有优势。m l l o u r y 撵人性，l 对a r m c o k a n s a s 钢铁厂的6 流t 型中间包进行数理模拟实验，一种设置堰藕坝，另一种除设置堰 鞠瑗努，还设置多魏等流疆罐。s h i r a k i 等人对蘧穗薅震的中阕龟j 童滤器逛 亍磅究， 表明：a 1 2 0 3 质的过滤器不能降低板坯中的夹杂物含量，而c a o 质的过滤器可以i 2 纠。 9 墅兰堡圭兰竺丝奎 l j h e a s l i p 2 9 1 研究指出：湍流控制器能改变中间包钢液的流动，减少了中间包注流 区的表面湍流现象，减少了出口回流的生成。a k 钢铁厂在改进中间包的实验过程 中得出，湍流控制器减少了中间包钢液湍流现象，确保换包期间拉速不变 。 4 ) 中间包喂线技术的研究 j r b o u r g u i g n o n 等人肛”介绍了不同的c a 处理技术，以解决钢液在精练或浇 铸过程中容易产生二次氧化或水口堵塞现象。r sb a t t m 等人【3 2 1 亦对中间包喂c a 线技术进行研究，认为加入c a 与a 1 2 0 3 夹杂物反应生成1 2 c a o 7 a 1 2 0 3 ，从而降低 夹杂物的熔点和密度，有利于夹杂物的上浮分离。另外，当中间包中的钢液温度 下降时，喂入的c a 线有助于保持钢液的流动性，从而避免了高熔点夹杂物阻塞水 口的现象。 5 ) 中间包加热技术的研究1 3 3 ，3 4 ，3 5 1 钢包更换时，由于钢水温差引起密度差，从而影响中间包内钢液的流动形态， 为消除这种差异，中间包加热技术就应运而生了。b g he d e l s t a h l 钢铁厂的水平连 铸机上采用了等离子加热器，直流等离子枪的加热弥补了钢水在中间包内的热量 损失，并可以将钢水加热到所需求的温度。n k kk e i h i n 钢铁厂采用1 4 m w 直流 转移型等离子弧加热，可以将中间包内的钢水温度控制在目标温度1 o 之内。 r y a m a n a k a 等人1 3 6 】指出，采用等离子加热时，中间包加盖，并采用气体搅拌均匀 熔池，中间包热传输性好，热利用率高，达到去除夹杂物的目的。 6 ) 中间包喷吹气体技术【3 7 1 加入气体一般为m ，通过灯的搅拌，加速了夹杂物的上浮。通过对高c 钢 坯中夹杂物测定结果可知：使用中间包吹灯技术，夹杂物的含量降低了2 5 。 7 ) 离心流中间包的应用( c e n t r i f u g a lf l o w t t m d i s h ) 【”3 9 1 利用电磁力旋转中间包内的钢水，使其转动，利用转动钢水所产生的离心力 促进夹杂物分离。实验证明，c f 中间包抑制了钢水短路流的产生，促进直径大于 1 0 0 微米的大夹杂物上浮。 国内外结晶器相关工艺技术1 4 0 1 1 结晶器本体技术 由于钢水进入结晶器经初始凝固后，产生一定的收缩，从而在结晶器和初生 坯壳间形成一定的气隙。气隙的出现导致结晶器传热能力下降，为消除或减少气 隙的不良影响，结晶器内腔设计成倒锥度形式。可以说，倒锥度结晶器的使用， 使连铸过程中的漏钢得到有效的控制。目前：小方坯连铸机结晶器主要有三种结 构形式：组合式结晶器、管式结晶器和喷淋结晶器。其中喷淋结晶器，采用喷水 冷却铜管方式，对水质和密封要求低，四面冷却均匀，角部冷却易于控制，最有 。j 壬l 盱得尹l 形牡执町i ，厚亨均鱼的坯壳。所以被广大厂家所采用。 l o 1 缝论 2 ) 缀晶器液面意效控青l j 4 1 , 4 2 1 结鹣器液位翡稔灞与控裁楚迤铸过程控镪豹核心嚣节之一，菠位酌波动可能 使结晶器保护渣和杂质大量卷入钢水，不但严隧影响铸坯的质量，甚至导致浇铸 过程中的溢钢和漏钢事故。目前常用的结晶器液位检测方法主要有：放射性同位 素法，热迄羁法，满泼法以及踅声波法等。露本鼗强铁公霹、武键第三练镪厂以 及陕铺笫二炼钢厂的部分连铸机采用涡流法，德国阿尔贝德萨尔公司伏克林斯厂 及陕西钢厂采用放射性同位素法。宝钢、日本新日铁公司君津4 # 板坯连铸机采用 热电偶法。另外，还有电磁感应法、激光法、筑外线法以及工业电视摄影法等。 结晶器滚位检测方法中最为藏熟的跫敖翦往馘彼索法。 3 1 熔池流动的控制 结晶器内钢液的流动对钢的质量产生重要影响。在结晶器内发生卷溉有三种 方式：繁一静发生在缭鑫器搴嚣瓣近，壶予镄滚表瑟瑟滚豢淀弓；莛，它麓裹速结 晶器内褥渣的主要方式。第二种黪渣方式发生在水口附近憨由于浸入深鹰过小， 造成水口出口流直接冲击渣层而引起的。第兰种卷渣方式与旋涡有关，假在目前 的操 乍祭 牛下，这秘方式影响较小。这几荦孛卷浚方式又与挝坯速度和水阴捶入深 度有饕j 彗接联系，耱剐是浸入式水口，萁形式对钢液在绪潞箍中的流动有较大彩 响，合理的浸入式水口形式是改祷结晶内钢液流动状况，降低注流的冲击深度， 分散注流带入的热餐，促使结晶器内形成均匀煺壳，促进夹溅物上浮的黛要手段。 对于方溪连铸疆采涟，缝鑫器一般采瑟壹逶或蹋藐浸入式东强浇铸。对予，l 、錾瑟， 高拉邋和一般的浇铸钢种大多数采用直通水翻浇铸；而对大断面、低拉遽、结构 钢和合众钢浇铸除了采用直通水口外，还可以采用四孔水嗣浇铸。对于板坯， 般采愆双馕孑东西；对手匿坯，袋恩三孔求口。 4 ) 缀动技术酬 结晶器振动对于改善铸坯年珀结晶器界面问的润滑非常有效，是连铸技术的基 本特征。结晶器振动是浇注成功的先决条件，怒连铸发展的一个重要里獠碑。1 9 4 9 年，s 。签汉慧帮l ，罗鼹第一次凑擞麓应燹予鼷豹浇注，嚣戆魏是隽了毒效遮改善薅 坯和结晶器壁间的润滑条件。结晶器振动经历了早期的非砸弦振动蓟正弦振动方 式，目前又发展到非正弦振动的过程。早期主蒙由凸轮实现的非正弦搬动，由于 渡形鼙一，在线不熊调节，未戆突理振动波形的优伲；中鼹雏李宪奎教授等提出 了用涟秆式机械传动实现结晶耩的菲正弦振动，通过改变涟释辊掏静释长沈和裙 相角来得到不同的非正弦振动波形。 5 1 电磁制动m 1 麓效连铸决定铸坯囊量静：萋l 器因素之一，是结螽器两镪拳熬滚动秘传热。结 晶器内的流动支配蒋结晶器内夹杂物和气泡的上浮分离；窍月面附近爵流动又支 重庆大学硕士学位论文 配着保护渣的卷吸、熔融和铺展。当拉速提高时，从浸入式水口侧孔吐出的钢水 流股，高速冲向铸坯的窄面，易使初生坯壳重熔、拉漏；向下的高速流股侵入液 相穴深处；使外来夹杂物不易上浮；同时沿窄面上升的反转流加强，导致弯月面 波动，使保护渣易被卷吸，增加铸坯内部保护渣性夹杂物。因此，为了提高浇铸 速度和减少铸坯缺陷，必须减小流股速度，改变结晶器中流动状态和控制弯月面 的波动。电磁制动装置产生的稳恒磁场可以明显地抑制结晶器内的紊流，减缓钢 液的流动速度，提高铸坯的表面和皮下质量，为实现高速连铸创造了重要条件。 6 ) 电磁搅拌一副 电磁搅拌技术应用于连铸生产始于2 0 世纪6 0 年代。现已成为连铸关键技术 的重要组成部分。国内对电磁搅拌研究主要为包头钢院、东工和大连理工，涉及 的厂家主要有攀钢、包钢、鞍钢和武钢。电磁搅拌具有以下冶金功能：曲减少铸坯 表面和皮下气孔；b ) 改善铸坯和轧材表面质量；c ) 减少纵向角裂；d ) 提高铸坯洁净 度：1 降低钢中夹杂物含量，2 降低钢中t 【o 含量；e )