（钢铁冶金专业论文）漩流中间包夹杂物去除的水模拟实验研究.pdf

虻b f ：! 如 j1 | | i ； ! 毫 ： 譬 p h y s i c a ls i m u l a t i o no fi n c l u s i o nr e m o v a l 仔o m l i q u i d s t e e li ns w i r l i n gt u n d i s h b y c h e n z h o u s u p e i s o r ： p r o f c s s o rz o uz o n g s l m n o m l e 嬲t e mu i l i v e r s 埘 j 锄u a d ，2 0 0 8 蕊势? o q 罐1毒a童?妒。摹抟-l舯。尹 叠。0斑耄。 ，tf-lj，li、 爹， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：黼 日 期：2 驴哆二7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 一 。j 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 圭 东北大学硕士学位论文 摘要 漩流中间包夹杂物去除的水模拟实验研究 摘要 漩流中间包是一种新型中间包，由于漩流室的引入，既可以实现湍流控制器的作用， 还可以在基本不改变原有中间包结构的基础上，避免离心中间包所必需的外加电磁设 备，具有改善中间包内流场、促进夹杂物聚集长大、上浮和去除等优点。 本文在漩流室中间包可行性研究的基础上，采用聚丙烯塑料粒子作为非金属夹杂物 模拟粒子，模拟了非金属夹杂物在钢液中的上浮率，详细分析了漩流中间包内夹杂物的 上浮率随漩流室设计参数变化的规律，这些参数包括漩流室高度、直径、入口方向和入 口流量大小；还对双流漩流中间包的流场所引起的夹杂物上浮率的非对称性做了研究， 从而为改善非对称的夹杂物上浮率找到合适的设计参数。采用真空泵油和液体石蜡混合 物模拟了中间包内的液渣层，研究了影响钢液卷渣与裸渣的漩流室工艺参数，为进一步 优化漩流中间包内漩流室的位置和参数提供实验依据。通过本文的物理模拟研究，得到 了如下结论： ( 1 ) 在漩流室直径一定的情况下，随着漩流室高度的增大，夹杂上浮率大致呈现先 增加后减小的变化趋势；当漩流室高度一定时，夹杂物上浮率的变化趋势不仅与漩流室 直径有关而且特定的漩流室高度下有着特定的规律。 ( 2 ) 在漩流室条件不变的情况下，旋转漩流室，改变漩流室的入口方向与中间包长 度方向的夹角，夹杂上浮率基本不发生变化。漩流中间包随着入口流量的增加，夹杂物 颗粒的上浮率会不同程度地下降。 ( 3 ) 漩流中间包是利于夹杂物的上浮去除的，单流漩流中间包较好的设计参数为： 直径2 8 0 i m ，高度1 4 0 m m ，7 3 9 7 斗m 、5 5 7 3 “m 、4 4 5 5 “m 夹杂物上浮率分别从不加漩 流室时的8 5 1 6 、7 5 3 1 、6 1 8 7 提高到8 7 1 4 、8 2 2 3 、6 7 2 2 。 ( 4 ) 不加漩流室时，双流中间包结构对称，夹杂物上浮率总体呈现对称分布；漩流 室的加入引起入口位置的非对称分布使得漩流中间包内的夹杂物上浮率呈非对称分布， 漩流室入口方向旋转6 0 度后可以改善这种不对称性。 ( 5 ) 随着漩流室高度的增大，卷渣现象越来越明显；随着直径的增大，卷渣现象却 得到逐步改善。 ( 6 ) 随着漩流室高度的增大，裸渣现象越来越明显；随着直径的增大，裸渣现象却 得到改善。 ( 7 ) 随着渣层厚度的增加，卷渣现象越来越明显，而裸渣却得到改善。随着流量的 增大，卷渣和裸渣现象均明显加剧。 i i - 东北大学硕士学位论文摘要 关键词漩流中间包漩流室水模型实验夹杂物模拟非金属夹杂卷渣裸渣 - i i i 东北大学硕士学位论文 a b s l 卫疵 p h v s i c a lsi m u l a t i o no fi n c l u s i o nr e m o v a l 仔o m l i q u i ds t e e li ns w i r l i n gt u n d i s h a bs t r a c t s 诵r l i n gf l o wt u i l d i s h ( s f t ) i sak i i l do fn e w l yd e v e l o p e dt u l l d i s h w 胁as w i r l i i 唱 c l l a m b e ri nn l et u n d i s kt h ef h 】删o no ft u l b u l e n c ei n l l i b i t i n gp o u r i n gp a dc a nb e 觚l yr e a l i z e d a n da t l es 锄et i i n e ，s i i i l i l 盯m e t a l l u 玛i c a le 虢c t 谢t l lc e n t r i 如g a ln o wt i l n d i s hc 趾a l s ob e a t t a i n e dw i l o u te l e c 仃o m 雒皿e t i ce q v i p m e mo fc 训旬g a ln o wt u n d i s h n 妯1 p r o v e st l l e n m d i s hn o wf i e l da n dp r o m o t c si n d u s i o nn o a t a t i o 玛c o a l e s c e n c ea n dr e m o v a l i i lt l l i s p 印e r o n 舭b 嬲i so f 恤佗a s i b i i 姆s t u d yo fs w i r i i n gn o wt u n d i 啦 p o l y p r o p y l e n ep l a s t i cp a r t i c l e sa r eu s e dt 0s 证m l a t em en o n - m e t a l l i ci i l c l 璐i o n t h en o a t a t i o n r a t eo fn o n m e t a l l i ci 1 1 c l u s i o ni ns t e e l r a ss i i n u l a ：t e d t h e 丑。蜥o ni 铆c ev a r i a t i o no fh l c l u s i o n s 诵t l l 嘶r l i n gc h a m b e rd i 锄e t e r ，h e i g h t ，i n i e tn o wr a t e ，p o i s o n ，p a m c l es i z e sa r l dq u 觚t i t ) ra r e s t u d i e d 1 1 1 eu l l s 弼眦l e t r i c a ln o 切舫o nr a t ei i lt l l et 、os 仃a n ds 丽r l i n gn o wt u n d i s hi ss t u d i e d b e c a u s eo ft 1 1 ea s y m m e 仃i c a lp o s i t i o no fi 1 1 i e t t h e s er e s u l t sa r ee s s e n t i a lf o ro p t i m i z i i l gm e p o s i t i o na i l dp 黜啦e t e r so f 娟，i r l i n gc l l a m b e ri ns 谢r l i n gn o wt u n d i s h b e s i d e s ，t t l em i x t u r eo f v a c u l _ l i np u i n po i l 觚dl i q u i dp a r a m ni s 锄p l o y e dt 0s i r n u l a t e 恤l i 叫ds l a gi i l 龀t u i l d i s h t h es l a g 咖i n e n ta n ds l a gl a y e ro p e i l i n gb yv o n e xa n dl e v e ln u c t u a l i o na r em l d i e d b y p h y s i c a ls i m u l a t i o n ，廿l ef o l l o w i n gc o n c l u s i o 璐a r eo b t a l i n e d ： ( 1 ) u r l d e rc e r t a i l ld i 锄e t e ro fs w i r l i i l gc k m l b e r ，i r l c l u s i o nn o t a t i o nr a t ea p p r o x i i 】均t c l y e n b 锄c e di 1 1 i t i a l l y 跚dt l l ed e c r e 嬲e du 1 1 d e rc e r t a i nh e i g h to f s 、7 l 柚i 1 1 9c l l a m l ) e r ，廿：屺v 撕a t i o no f i i l c i u s i o nn o t a t i o nr a t ew i ms w i r l i n gc h a m b e rd i a m 酏e rd e p e n d so nt h ec h 锄b e r h e i g h t ( 2 ) w i m 舭s 嬲圮洲堍c h a i i l b e r ，也cm l u s i o nn o t a t i o n 咖ei sn o tc h a n g e dw h n e r o 伽n gs 谢r l i n gc h 卸1 b e rt ov a r ) ，t l ：屺i i l l e td i r e c t i o n w 洫i n c r e 嬲i i l gt l l en o wr a t eo fi i l l 吒 妣l u s i o nf l o t a t i o nm t ei sr e d u c e dd i 虢r e n t l y ( 3 ) s w i r l i n gn o wt i l n d i s hh a sa d v a n t a g ei i l i n c l u s i o nn o a t i n gr a t e ，1 ko p t i i i l a l t e c h r l o l o g i c a lc o n d i t i o no fs i l l g l es 咖l ds w i r l i n gn o wt i l n d i s hi s ：2 8 0 m mi nd i 锄1 e t e ra n d 1 4 0 1 1 1 mi i lh e i g h t ，c o m p a r e d 谢mn 0 锄诎i n gc h a i i 】b e r ，t t l er e m o v a lo f 7 3 9 7 p m 、5 5 7 3 u m a i l d4 4 5 5 u mi i l c l l l s i o n s 妣r e 嬲e df o m8 5 16 ，7 5 31 ，6 1 8 7 t o8 7 1 4 ，8 2 2 3 ， 6 7 2 2 r e s p e c t i v e l y ( 4 ) w i t l l o u ts w i r l i n gc h 锄1 b e r t h es t c e ln o wi nat 、s 劬m dt u n d i s hi s 咖e t r i c a l ，t l l e d i 8 t r i b 嘶o no fn o a t a t i o nr a t ei s 町m m “c a l t h e 1 s y i n m e t r i c a li i l c l u s i o nn o t a t i o n 瑚【t e ：i s ， 东北大学硕士学位论文a b s l l - a c t i i l d u c e db y l ea s y m m e 仃i c a lp o s i t i o no f 砒e ti ns 谢d i n gf l o wt i m d i s h i ti sag o o dm e 嬲u r et o i m p r o v et l l eu n s y l m l l “c a ld i s t r i b u t i o no fn o a t a t i o nm t eb yr o t a t i n gs w i d i n gc h a m b e ri i l l e t d i r e c t i o n6 0 0 ( 5 ) a st h eh e i g l i to fs w i 订i n gd l 缸n b e ri l l c r e 嬲e d ，t 1 1 es l a ge i 血a p m e n tg e ts e v e r e r ；b y c o n 位随，弱l ed i a m 成e ro f 删i 1 1 9c h 锄曲e ri i l c r e 嬲e d ，t 1 1 es l a ge n 伽p m e n ti si m p r o v e ds t e p b ys t 印 ( 6 ) a sm el l e i g h to fs w i r l i i 培c l l a m b e ri n c r e a s e d ，t l l es l a gl a y e ro p e i l i n gg e ts e v e r e r ；b y c o n t m s t ，嬲t l l ed i a m e t e ro fs w i r l i n gd 啪b e ri i l c r e a s e d ，t l l es l a gl a y e ro p e n i i l gi 玎1 p v e d g r e a t l y ( 7 ) a s 廿l e “c k n e s so fs l a gl a y e ri i l c r e a s e s ，l es l a ge n 协巾m e mg e t ss e v e r e r ，b u tm es l a g l a y e ro p 耐n gi si i i l p r o v e d a st 1 1 en o w r a t ei n c r e a s e d ，b o m l es l a ge n 托a p i n e n t 锄i ds l a gl a y e r o p e i l i n gg e tm o r es e v e r e r 1 ( e yw o r d ss w m i n gf l o wt u l l d i s ks 、) l ，i r l i n gc h 锄b e r w a t e rm o d e la ( p 幽e n t ，i 1 1 c l u s i o n s i i i l u l a t i o l l ，n o n - m e t a l l i ci i l c l u s i o 玛s l a ge l i 嗽巾m e n t ，s l a gl a y e ro p e n i n g v 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t 聪i c t 目勇乏v i 第1 章绪论1 1 1 概述1 1 2 中间包去除夹杂的冶金现状及技术2 1 2 1 中间包的外形结构及设计2 1 2 2 中间包吹气及防下渣技术3 1 2 3 中间包控流技术5 1 3 中间包去夹杂物理模拟实验研究8 1 3 1 夹杂物的主要来源。8 1 3 2 夹杂物的形成与去除9 1 3 3 中间包物理模拟研究。1 1 1 3 4 模拟夹杂物的选取1 2 1 4 本课题研究目的和内容1 3 1 4 1 研究目的1 4 1 4 2 研究内容。1 4 第2 章单流漩流中间包的夹杂物模拟实验1 5 2 1 夹杂物运动行为1 5 2 2 模型设计。1 7 2 2 1 相似准数的确定j 1 7 2 2 2 实验参数的选取19 2 3 实验方案与装置。2 0 2 3 1 水流量的选取2 0 2 3 2 模型参数的选取2 0 2 3 3 实验装置2 2 v i ，ilip 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 2 3 4 实验步骤2 3 2 4 夹杂物上浮率计算结果及分析2 4 2 4 1 一定直径下漩流室高度对上浮率的影响一2 4 2 4 2 一定高度下漩流室直径对上浮率的影响3 0 2 4 3 漩流室入口方向对上浮率的影响3 6 2 4 4 漩流室入口流量对上浮率的影响3 7 第3 章双流漩流中间包的夹杂物模拟试验3 9 3 1 实验参数的选取3 9 3 1 1 水流量的选取3 9 3 1 2 模型参数的选取3 9 3 1 3 夹杂物颗粒粒径的选取4 0 3 2 实验方案设计4 0 3 3 实验装置4 1 3 4 实验步骤4 l 3 5 实验数据处理与分析4 2 3 5 1 不加漩流室时夹杂物的上浮率情况4 2 3 5 2 漩流室直径2 0 0 1 1 1 i i l 下漩流室高度对上浮率的影响4 2 3 5 3 漩流室直径2 0 0 衄旋转6 0 0 下漩流室高度对上浮率的影响4 6 第4 章单流漩流中间包卷渣及裸渣模拟实验5 0 4 1 模拟介质的选取5 0 4 2 油层厚度的确定5 1 4 3 实验方案51 4 4 实验步骤5 2 4 5 卷渣实验结果及分析5 2 4 5 1 漩流室高度对卷渣的影响5 2 4 5 2 漩流室直径对卷渣的影响5 6 4 5 3 漩流室入口流量对卷渣情况的影响5 8 4 6 裸渣实验结果及分析5 9 4 6 1 漩流室高度对裸渣的影响。5 9 4 6 2 漩流室直径对裸渣的影响6 1 v i i | - l l ，l i j j 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 4 6 3 漩流室入口流量对裸渣情况的影响6 3 第5 章结论6 3 参考文献6 6 致谢一6 9 。r，多 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 在连续铸钢技术发展的初期，中间包只是作为钢液的储存和分配器来使用。随着连 铸技术的发展和对铸坯质量要求的不断提高，钢液质量对连铸工艺的重要意义渐渐为人 们所认识。为了保证连铸工序的顺利进行和多炉连浇，必须确保钢液有足够的纯净度， 要尽可能精确地控制钢液的成分范围，并要在足够长的时间内保持稳定的钢液温度和过 热度。因此，作为钢的冶炼过程中的最后一个有耐火材料的容器，而且是由间歇操作转 向连续操作的衔接点，中间包的作用是不可忽视的。它除了稳定注流、实现多炉连浇外， 更重要的是起到促进夹杂物的上浮排除和纯洁钢液的重要作用。中间包内钢液的流动状 态对延长钢水在中间包内的停留时间、减少卷渣和改善夹杂物的上浮排出有重要作用， 它直接影响到铸坯的质量。为了得到高清洁度的连铸钢坯，许多冶金工作者致力于研究 中间包内钢液流动的控制形式和夹杂物在其中的运动行为，以优化中间包内型设计，提 高铸坯质量。 中间包在钢水精炼中的地位与作用日益得到人们的重视，早在2 0 世纪8 0 年代初期 多伦多大学教授麦克莱恩( m c l e 趾a ) 就首创提出了“中间包冶金学 。二十多年来，国 内外关于中间包冶金展开了大量的学术研究。人们通过采取相应的中间包冶金技术，实 现了很多重要的冶金功能，如夹杂物的上浮与分离、钢的合金化、含钙夹杂物的变性、 过热度控制以及温度和成分的均匀化等等。中间包应该发挥的作用有： ( 1 ) 合理储存钢水，按工艺要求进行有效分流保证对连铸机均衡、连续和稳定地供 给钢水； ( 2 ) 清除钢水再污染的来源，即防止二次氧化、减轻耐火材料侵蚀、减少钢包渣的 卷入以及渣中不稳定氧化物的危害； ( 3 ) 改善钢水流动条件，即足够的停留时间，防止短路流，改进流动方向，减小死 区体积，有一定的混合流动区域及湍流区域，创造上扬流动，降低渣与金属交接面处的 流速以避免卷渣现象； ( 4 ) 选择合适的包衬耐火材料和溶池覆盖剂，既减少热损失，又有利于吸收和分离 上浮的夹杂物； ( 5 ) 控制好钢水温度，使钢水过热度保持稳定。 为了实现上述功能，人们采用数学物理模拟的方法研究各种中间包冶金技术，如中 间包结构设计、抑制二次氧化、耐火材料和覆盖渣控制、更换钢包操作时温度和成分控 制、吹氩清洗、过滤、加热钢液、热中间包重复使用等。 -lj， 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 中间包去除夹杂的冶金现状及技术 1 2 1 中间包的外形结构及设计 目前，所用的中间包形状较多，可以说是五花八门，例如有槽形( 或称为矩形) 、梯 形、椭圆形、三角形、t 形和近似t 形、h 形、v 形、楔形等多种类型。通过实验研究 和实践表明，槽形、楔形中间包多用于单流和两流板坯连铸机上：梯形、椭圆形、三角 形和t 形或近似t 形、h 形、v 形中间包多用于多流方坯( 圆坯) 连铸中间包上。下图1 1 是一些常用的中间包外形结构示意图。+ 图1 1 一些常用的中间包外形结构示意图 f 适1 1 咖i c t i l m li l l u s 臼纵i o no f c 伽1 m o i l l y 璐e dt 明d i s h e s 中间包冶金即利用钢水在中间包的停留时间，使其充分上浮，从而实现钢渣分离。 随着连铸的发展，拉速不断提高，钢水在中间包内的停留时间相应减少，不利于杂质上 浮、去除。铸坯质量也会随之受到影响，为了解决这一问题，必须延长钢水在中间包当 中的停留时间，因此只有合理控制钢水流动状态。当前广泛应用于工业生产的有很多种， 这里做一简介。 ( 1 ) 大容量中间包的使用 中间包大容量是为了提高连浇时钢的清洁度，使在换包时能保持在相对稳定的状态 下，不卷渣又不必减小拉速，这在生产表面质量和内部质量要求高的产品如深冲产品和 汽车板时尤为重要。为了不使钢包涡流卷渣发生，保证中间包操作最小深度是必要的。 张立峰【l 】等人研究指出，在控流装置相同的条件下，6 0 吨的中间包比1 0 吨的中 间包 o 】t 多去除4 2 4 ，大颗粒夹杂物多去除2 5 9 ，微观夹杂物多去除1 1 8 。 武钢二炼钢厂的实验【2 】证明：中间包再次扩容后，从冶金效果上看，钢水的停留 时间由2 8 4 1 s 延长到3 4 0 1 s ，有利于小直径夹杂物的充分上浮，使钢水的纯净度进一步 提高；采用扩容中间包使得武钢二炼钢厂“三炉四机 生产模式造成的炉机不匹配现象 得到一定程度的改善，减少了铸机大幅度降速带来的不利影响；从使用效果看，扩容中 2 - j，lfilj- 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 间包有利于减少连铸坯中的夹杂物，提高连铸坯质量。懈1 钢在使用扩容中间包后 夹杂废品比以前减少9 7 ，电磁钢的废品在产量增加的情况下减少6 8 6 2 。 ( 2 ) 挡墙、坝和过滤器( 或称多孔挡板) 的使用 7 0 年代开始出现了中间包安装挡墙和坝的方法。王建军等【3 ，4 j 利用数学模型比较了 有无挡墙的情况下夹杂物的排除率。结果表明，在中间包内设置挡墙和坝是促使夹杂物 上浮和排除的一个很好办法。目前中间包内设置挡墙的形式有单、双挡墙和多挡墙。其 中采用多挡墙的较多。蔡开科等【5 】研究指出单挡墙的中间包钢水的夹杂物含量为无挡墙 的夹杂物含量的9 1 6 ，而采用复合挡墙的中间包钢水的夹杂物含量为无挡墙的夹杂物 含量的6 8 6 。 ( 3 ) 导流挡板的使用 导流挡板是在一个上下有完全隔开的耐火材料上设置若干个不同尺寸和倾角的孔 洞制成的。钢液根据需要的方向流过孔洞，其通过导流挡板后的流速和方向由孔的大小 和方向决定，带有导流挡板的中间包中流向各水口的钢液更加均匀睁引。 (a)(b) ( a ) b 拥e w i m 咖i i 咖h o l e s嘞b 锄e w i 恤s l 孤幽g h o l e s 图1 2 多孔挡墙结构示意图 f i g 1 2s c h e m a t i ci l l u s n a t i o no f b 棚e s ( 4 ) 过滤器的使用 过滤器是一种强制性分离夹杂物的方法，使夹杂物沉淀，滞留在多孔的过滤介质中， 过滤时夹杂物被捕获而液体自由流过，从而把夹杂物从液体中分离出来，净化了钢液。 如环状叠式过滤器，c a o 质直孔型过滤器，陶瓷狭孔过滤器等【9 1 1 】。 1 2 2 中间包吹气及防下渣技术 中间包吹气不仅可以改变钢液的流动状态，促使钢液的混合，有利于温度成分的 均匀，而且产生的小气泡捕获夹杂物颗粒，带动夹杂物上浮，有利于纯净钢的生产，惰 性气体上浮后在中间包上部形成惰性气氛，对中间包中的钢水有保护作用。 - 3 - 东北大学硕士学位论文笫l 章绪论 从上世纪8 0 年代，人们就开始了中间包吹气技术的研究。如中间包塞棒、水口吹 氩实现保护气氛浇注，防止钢液氧化，改变钢水在水口内的流动状态，阻碍钢水中业0 3 夹杂物向水口内壁富集，防止水口堵塞【1 2 1 。中间包底部吹气( 如图1 3 ) ，又叫中间包气 幕挡墙技术。 1 一中间包2 一中间包盖3 一隔墙4 一多孔砖5 一浸入式水口 图1 3 中间包吹气示意图 f 噜1 3s k e t c hm 印o f g 鹬b l o w i n gi i lt u i l d i s h 它主要是在中间包底部某个位置通过多孔砖或多孔吹氩管吹入微小气泡。在中间包 内形成气泡幕，类似于在包底设置了坝，改变钢液的流动方向，延长钢液在中间包内的 停留时间，同时气泡上升的过程中捕获颗粒夹杂物，有利于夹杂物的上浮。进入二十一 世纪后，中间包气幕挡墙对高纯净钢生产的作用已经引起了广大冶金工作者的重视。近 年来，国内外冶金工作者采用数学物理模拟相结合的方法，展开了对于中间包内气幕对 钢液，夹杂物传输行为的理论研究，并进行了工业试验研究。 在中间包初、末期及更换钢包时，中间包内钢液的流动总是处于不稳定状态。在连 续浇铸更换钢包时，经常发生前后钢包连接区钢坯中夹杂物指标上升【1 3 1 4 1 。如图1 4 。 冀 口皿 h 察 张 眯 i 、 。八j 、 ， ， 一 图1 4 更换钢包时铸坯中的夹杂物含量变化 f i g 1 4v a r i a t i o no fi n c l u s i o nc o n t e n td 嘶n gi 棚ec h 锄咎 4 了 j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 这和汇流旋涡卷渣有密切关系。因而，研究者开发了各种防下渣技术，综合起来有 上躲、下藏与抑制法三种，最为积极有效的当属抑制法。目前工业上用得最多的是上躲 法，这些方法都是针对临界高度来解决【”】。上躲法是在撤走大包和更换中间包之前留下 深度大于临界高度的钢液量的情况下停止浇注，从上部躲避旋涡的发生，因而也称为过 量余钢法。该法要以显著牺牲钢液收得率为代价；下藏法就是局部性降低出水口附近的 包底位置，使临界高度部分以至全部藏入该降低部位之内，从下部躲避旋涡，从而达到 减少下渣和提高钢水收得率的双重目的。抑制法就是采取措施从根本上降低产生汇流旋 涡的临界高度，推迟旋涡的发生或阻止贯通式漏斗状旋涡的形成，从而减少以至消除汇 流旋涡卷渣并提高钢水收得率。抑制汇流旋涡的典型装置有浮游阀( f v ) 、旋转阀 ( c r v ) 、旋转管阀( r t v ) 、精确控制阀( p c v ) 、双功能塞棒( d f s ) 、各种钢流卷渣检测 装置等。由日本川崎公司开发成功的离心流动中间包可促进非金属夹杂的上浮和分离， 极大地改进非正常浇铸期特别是钢包交换期的铸坯质量。 ， 1 2 3 中间包控流技术 为了改善连铸中间包内钢液的流动状况，减少中间包钢液内的夹杂物，或防止中间 包夹杂物进入结晶器，为进一步满足市场对高质量产品的需求，提高连铸生产效率，降 低成本，当今国内外在中间包应用技术上又有所改进或开发了一些新技术。其中包括设 置湍流控制器和应用离心中间包。 美国f o s e c o 公司设计了一种新型防涡流垫，其接受钢包长水口高速钢流的入口开 始设计成方形( 如图1 5 所示) 。 图1 5 方形湍流控制器结构示意图 f i g 1 5s c h e m a t i ci l l 醛h a t i o no fq u a d r a l et u r b u l e n c ei l l l l i b i t i n gp o l l r i n gp a d - 5 - 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 后改为圆形( 如图1 6 所示) ，由高铝质耐火材料( 处0 3 7 5 ) 浇注烧结而成。防涡流 垫安装在中间包底部的钢包注流冲击区，它不仅可使中间包内衬免受冲击，还可使钢包 长水口冲出的钢流向注流中心折回，削弱涡流能量，从而显著减少喷溅和表面涡流，并 改善停留时间分布( r 1 ：d ) 参数，为结晶器提供更洁净的钢水。 图1 6 圆形的湍流控制器结构示意图 f i g 1 6s c h e m a t i ci l l l l s _ 唿t i o n0 fc 硫u k t u 而u l e n c ei i l l 曲i t i n gp o 耐n gp a d 新型防涡流垫已在美国多家钢厂使用。美国u v 钢公司将防涡流垫与堰坝一起使 用的结果表明：防涡流垫对中间包钢液流动状态有很大改善，这种安装在注流冲击点的 湍流控制器，均构造简单，安装方便，容易在中间包上应用。应用湍流控制器可以改善 中间包钢液流动，起到以下作用： ： ( 1 ) 减弱盛钢桶注流的冲击作用，减少卷渣、卷入气体； ( 2 ) 增大滞留时间，减少中间包中死区体积； ( 3 ) 减少对中间包注流区耐火材料的冲刷、侵蚀； ( 4 ) 减缓“汇流旋涡”的生成，取得控制钢液流动的效果。 但是，湍流控制器不能改变中间包内钢液流场的整体态势，还需要和其它控流元件 相配合。这方面的研究也取得了很好的结果。 中间包内钢液的流动是复杂的三维湍流流动，强烈的湍流特性必将妨碍中间包钢液 内夹杂物的上浮去除。同时，中间包内的湍流特性还容易使钢液裸露于保护渣之外而产 生二次氧化。因此要想提高钢液纯净度，提高产品质量，在保证钢液温度合理的条件下， 应该尽量降低进入中间包内钢液的湍流特性，并延长其运动路径，以达到延长夹杂物上 浮时间和改善上浮环境的目的。中间包内的流动控制装置就是在这个要求下诞生的。近 年来不少学者提出了多种形式的湍流控制器以及日本a k 钢厂提出离心中间包等 流动控制设备和工艺，较大程度地提高了连铸坯的质量。 离心中间包( c e n t r i 如g a lf 1 0 w t u l l d i s l l ) ，简称c f t 中间包。首先由日本川崎公司开 6 - j 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 发成功，是一种高效钢水净化技术。离心中间包将传统中间包分为两个部分：接受钢水 一端为离心室，呈圆筒形；其余部分则为分配室。离心室容积小于分配室，两室底部相 连通。在离心室外部，使用马达对钢液实施电磁搅拌，使其在离心室内产生水平回转流。 图1 7 离心中间包装置 f i g 1 7s c ：h e m a t i c so fc e i l t r i 如g a ln o wt u n d i s h 离心中间包装置图如图1 7 。钢包容量1 6 0 t ，铸速2 t i i 血，中间包旋转室a 7 t ，分配室 b 2 3 t ，合并一起的中间包容量为3 0 t 。离心式中间包分离夹杂物是基于离心分离的原理， 使得钢水中密度较小的夹杂物向钢水旋转轴心部位集中，对其进行集中分离。在此过程 中，还由于钢水回转流中的紊流的作用，促进了钢水中夹杂物间的分离和凝聚，加速了 夹杂物的分离速度。另外离心分离式中间包中的钢水水平回转流使得钢水垂直方向上的 流动状态发生变化，因此可抑制钢包中的钢水直接流入中间包，促进了钢包交换部位的 渣分离。 实践证明：由于钢水旋转流动，中间包分配室总氧含量比钢包中约降低一半，夹杂 物总量约减少一半，使冷轧和热轧卷板的表面缺陷指数降低到常规中间包6 0 的水平， 达到了高拉速、高清洁度的目的。 在静压力的作用下，从中间包冲击区上部注入的钢液必将带动该区域内大量钢液向 下运动，并产生很强的扰动，这种现象对钢液中夹杂物的去除是不利的。设置湍流控制 器就是为了抑制这种扰动，同时迫使钢液改为向上流动，从而达到改善中间包内钢液夹 杂物去除效果的目的。而离心中间包从另一角度出发提出解决方案，它利用外加的电磁 场使钢液和夹杂物在中间包圆柱容器内旋转，在离心力的作用下，比钢液轻的夹杂聚合 上浮，钢液从圆柱容器底部流入中间包内，从而达到去除夹杂和缓冲流动的目的。离心 中间包在改善钢液中夹杂物的去除方面取得了很大的进展，但是电磁搅拌设备的引入和 运行改变了中间包结构，提高了钢材的生产成本。 - 7 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 基于传统的湍流控制器、离心中间包的设计原理，我们提出了一种名为漩流中间包 的新方案，即在长水口注流区安装一个漩流室，让钢液从漩流室的底部沿切线方向流入 漩流室，以达到将钢液本身的势能转化为其旋转动能的目的，使钢液在漩流室内产生旋 转。通过这样的方法，既可以实现湍流控制器的作用，还可以在基本不改变原有中间包 结构的基础上，避免离心中间包所必需的外加电磁设备，而达到与之相似的冶金效果。 1 3 中间包去夹杂物理模拟实验研究 1 3 1 夹杂物的主要来源 非金属夹杂物根据其来源可分为内生夹杂物和外来夹杂物。内生夹杂物主要是脱氧 和合金化元素与溶解在钢液中的氧、硫以及氮等发生反应而形成的产物。生产中对不同 钢种采用不同的脱氧剂，从而在钢中形成不同的内生夹杂物。外来夹杂物是指从炼钢到 浇铸的全过程中，钢液与空气、耐火材料、炉渣及保护渣相互作用的产物以及机械卷入 钢液的各种氧化物。连铸坯中外来夹杂物主要来源如下： ( 1 ) 二次氧化产物。文献1 1 6 j 指出，在浇注过程中，钢水二次氧化有四种方式：注流 与空气接触直接吸氧；注流卷入空气与中间包、结晶器内的钢液相互作用：耐火材料与 钢水的相互作用；卷入的渣滴与钢水的相互作用。 ( 2 ) 卷渣。包括旋涡卷渣和钢流冲击卷渣。旋涡卷渣指中间包浇铸后期包液面较低 时产生汇流旋涡产生的卷渣；钢流冲击卷渣主要是浇注过程中中间包和结晶器内的钢液 面受到钢流的冲击造成的卷渣l l 。， ( 3 ) 耐火材料的冲蚀。文献【1 8 】指出：钢包内衬、中间包包衬、塞棒和水口等耐火材 料是大型夹杂的主要来源，在外来大型夹杂中有7 0 7 5 是来自耐火材料。机械冲刷、 高温钢水冲刷钢包和中间包内衬，使之熔融剥落进入钢液中形成大型外来夹杂。长期以 来，大部分冶金行业的中间包内衬一直采用硅质绝热板，而目前不少钢种采用m 脱氧， 钢中溶解的烈会使硅质绝热板中的s i 0 2 发生以下反应：4 【舢】+ 3 ( s i 0 2 ) _ 2 a 1 2 0 3 + 3 【s i 】，这 样增加了钢液中a 1 2 0 3 夹杂。镁质绝热板的使用则阻止了这种反应的发生，但由于必须 添加保证强度的有机结合剂，因而使钢中增氢，从而钢坯产生皮下气泡，所以国外冶金 企业研制使用了无机结合的镁橄榄石质的绝热板，国内部分厂家率先使用了超细粉结合 的镁质涂料，从邯钢使用效果来看，气泡废品率和夹杂废品率都降低了【1 9 1 。为了适应冶 炼洁净钢的要求，在继续推广已有的镁质涂料的基础上，国内又有厂家开发了c a o 质内 衬。例如，宝钢等厂已开发研制了镁钙质涂料，提高了钢水的纯净度。实际上外来夹杂 与内生夹杂经常是共生的。在炼钢过程中，内生夹杂物常以外来夹杂物为核心析出，并 且同外来夹杂物及钢液发生交互作用，从而使其成分和形态发生变化【2 0 j 。 - 8 - 譬 。l j ，l。， 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 1 3 2 夹杂物的形成与去除 为了保持进入连铸环节的钢液的清洁度，必须在此环节防止夹杂物的生成和带入， 采取的相应措施如下( 我们这里只谈论中间包的保护) ： 一、防止钢液的二次氧化，钢液的二次氧化是指钢液脱氧后，继续和空气中的氧或 其他氧化物作用，使钢中的氧含量升高。为了防止钢液的二次氧化，应对钢液进行保护 浇注，具体措施如下： ( 1 ) 注流的保护。钢液注流的保护包括钢包注流的保护和中间包注流的保护。通常 有长水口、浸入式水口及惰性气体屏蔽等方法。通过注流保护浇注，既可以防止注流的 二次氧化，又可避免浇注时钢流冲击液面使钢液裸露而造成的二次氧化。图1 8 为几种注 流保护方法l 1 7 j 。 盛钢桶 中间包 结晶器 a 气与曝 气剖f 惰 j 忆 争 bcd 一液化气 图1 8 几种注流保护方法 f i g 1 8m e t i i o ( 1 so fs l r a n df l ) 、 ，p “) t e c t i o n ( 2 ) 使用中间包覆盖剂。为了防止钢液的二次氧化，生产高纯净钢，仅仅靠对注流 的保护是不够的，因为中间包内高温钢液裸露于空气中，同样会受到空气的污染，因此 减少钢液的二次氧化的另一措施就是在中间包内加覆盖剂【2 1 1 。从提高钢水清洁度的角度 来讲，覆盖剂应具备隔绝空气、绝热保温、吸收从钢液中分离出来的非金属夹杂物的功 能。目前使用的覆盖剂有三种：酸性，典型的为炭化稻壳，绝热性好，成本低，但不利 于吸收中间包中上浮的夹杂；中性，典型的为s i 0 2 砧2 0 3 质材料，有一定的绝热性，成 本较低，有吸收夹杂的能力；碱性，以m g o 或白云石为基的材料，吸收夹杂能力强， 但绝热性能不好，易产生保护渣结壳现象。v l u l o w 等人研究覆盖剂对钢水清洁度的影 响时，发现高m g o 的碱性覆盖剂的