（钢铁冶金专业论文）宽厚板坯连铸过程非金属夹杂物的控制研究.pdf

i ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y s t u d yo nt h ec o n t r o lo fn o n - - m e t a l l i ci n c l u s i o n sd u r i n g w i d ea n dt h i c ks l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s b yz h o uh a i b i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h um i a o y o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y n o v e m b e r2 0 0 8 0i l尊一_t l i j：， 。 ： 上0 j_ t 夕， 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己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：阁蹴 日期：卅m 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： 毋善?， ，“， ， 、 上，v r 一 东北大学博士学位论文摘要 宽厚板坯连铸过程非金属夹杂物的控制研究 摘要 宽厚板产品在油气输送、船舶制造、桥梁工程、电站锅炉、压力容器、重型机 械、海洋石油及军事工业中应用广泛。连铸过程的夹杂物控制已成为高品质宽厚板 生产的关键环节。 中间包内钢液流动的合理控制对其内夹杂物的去除至关重要，而结晶器内钢渣 界面波动与卷混行为的控制则是该连铸过程顺行与夹杂物控制的关键。因此，开展 宽厚板中间包内去夹杂控流技术及结晶器内流场特性及界面行为研究具有重要的科 学意义和现实指导意义。本论文结合国内某厂宽厚板生产线的实际，采用物理模拟 和数学模拟相结合的方法对连铸中间包和结晶器内的过程进行了研究，提出了有效 净化中间包钢液的控流方案和结晶器卷渣控制的水口参数并实施了现场应用研究。 主要研究内容和研究结果如下： ( 1 ) 结合宽厚板连铸中间包的实际，基于相似原理，选择模型与原形的弗鲁德准 数相等建立了几何比1 ：2 5 的中间包物理模型研究体系。结合该物理模拟系统，对修 正前后的组合模型的流动特性分析结果进行对比研究，找出了最优的流动特性分析 模型。结果表明：传统的组合模型在死区体积分数的计算上存在较大差异，用此来 分析中间包流动特性会造成很大的偏差：而s a h a i 的修正组合模型能准确的计算死区 体积分数，能较合理分析中间包内的流动特性。 ( 2 ) 利用s a h a i 的修正组合模型考察了不同控流装置对中间包内钢液流场以及夹 杂物去除效果的影响规律。结果表明：带顶缘和不带顶缘的抑湍器均能明显提高活 塞区的体积分数，且死区体积分数也有不同程度的降低；与带项缘的抑湍器组合的 中间包出口附近的挡坝设计参数对中间包内钢液的流动特性有影响；与带顶缘的抑 湍器组合的墙坝间距有一个控制钢液流动特性的最佳值。并利用计算机模拟对典型 控流方案下中间包内的流场特性作出描述。在水模型研究和检验数学模型的基础上， 进行综合分析研究，最终提出了有效提高钢水纯净度的中间包内控流装置。 ( 3 ) 结合宽厚板连铸结晶器的实际，利用数学模拟和物理模拟相结合的方法考察 不同工艺参数对结晶器内界面波动行为和内部流场的影响，并对结晶器内的钢渣卷 混机理进行了探索。 i i - 、j r 东北大学博士学位论文摘要 ( 4 ) 吹氩宽厚板坯结晶器内存在两种新的卷渣机理，即气泡群冲击卷渣和类旋涡 卷渣，且在实验拉速范围内没有发现弯月面附近的剪切卷渣。在各铸坯宽度及对应 的拉速范围内，吹气量小于4 1 j m i n 时基本都不会发生卷渣。 ( 5 ) 对于2 2 0 0 x 2 8 0 m m 2 断面宽厚板坯结晶器控制液面波动的最佳工艺参数如下： 4 l m i n 的吹氩量、1 5 0 的水口侧孔倾角、1 4 0 m m 的水口浸入深度。 ( 6 ) 宽厚板连铸的现场应用研究表明：连铸工艺参数改进后其夹杂物控制效果要 明显好于改进前。改进后，中间包与铸坯中的夹杂物含量比改进前分别降低8 和 2 0 ；中间包和铸坯内典型夹杂物尺寸由改进前的3 0 1 a m 和1 5 1 t m 分别降至改进后的 l o l x m 和5 1 m a 。 关键词：宽厚板坯连铸；夹杂物控制；连铸中间包；连铸结晶器 i - 1 r 乍 q - 、k ， 东北大学博士学位论文a b s t r a c t s t u d y o nt h ec o n t r o lo fn o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n sd u r i n g w i d ea n dt h i c ks l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s a bs t r a c t h e a v yp l a t ep r o d u c t sa r ew i d e l yu s e di nt h er e a l m so fo i la n dg a st r a n s m i s s i o n ，s h i p b u i l d i n g ，b r i d g ee n g l n e e r i n g ，b o i l e ro fp o w e rs t a t i o n ，w e s s u r ev e s s e l s ，h e a v ye q u i p m e n t ， o f f s h o r eo i l ，a n dm i l i t a r yi n d u s t r y 硼1 ei n c l u s i o nc o n t r o li nc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s si sa k e yf o rt h eh i g h q u a l i t yh e a v yp l a t ep r o d u c t i o n t h er e a s o n a b l ec o n t r o lo fm o l t e ns t e e lf l o wi sc r u c i a lf o rt h ei n c l u s i o nr e m o v a li nt h e t u n d i s h ，a n dt h ec o n t r o lo ft h es t e e l s l a gi n t e r f a c ea n ds l a ge n t r a p m e n tb e h a v i o ri nt h e m o l di sak e yf o rg u a r a n t e e i n gt h es m o o t ho p e r a t i o no fc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s sa n d c o n t r o l l i n gt h em a c r oi n c l u s i o n s t h e r e f o r e ，i th a si m p o r t a n ts c i e n t i f i ca n dp r a c t i c a l g u i d a n c es i g n i f i c a n c e s f o r d e v e l o p i n gt h e t u n d i s hf l o wc o n t r o l t e c h n o l o g y a n d u n d e r s t a n d i n gt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n di n t e r f a c i a lb e h a v i o ri nt h em o l d i nt h i sp a p e r , t h et r a n s p o r tp h e n o m e n ai nt h et u n d i s ha n dm o l dw e r es t u d i e db yu s i n gm a t h e m a t i c a la n d p h y s i c a ls i m u l a t i o n sa c c o r d i n gt ot h eh e a v yp l a t ep r a c t i c a lp r o d u c t i o np r o c e s si no n e d o m e s t i cs t e e lc o r p o r a t i o n , a n do n es c h e m eo ff l o wc o n t r o ld e v i c e sf o rc l e a n i n gt h e m o l t e ns t e e li nt h et u n d i s ha n dt h eo p t i m u ms u b m e r g e de n t r yn o z z l e ( s e n ) p a r a m e t e r sf o r r e s t r a i n i n gt h es l a ge n t r a p m e n te f f e c t i v e l yi nt h em o l dw e r ep r o p o s e d i na d d i t i o n ，t h e e f f e c t i v e n e s so fa p p l y i n gt h e o p t i m a lf l o wc o n t r o ld e v i c e sa n ds e nt ot h e a c t u a l p e r f o r m a n c ew a si n v e s t i g a t e d t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w i t l lt h ec o m b i n a t i o no ft h ew i d ea n dt h i c ks l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gt u n d i s h p r a c t i c a lp r o c e s s ，ap h y s i c a lm o d e lw i t ht h e s c a l e1 ：2 5w a se s t a b l i s h e db a s e do nt h e f r o u d es i m i l a r i t y b ym e a n 8o ft h em e a s u r e dr e s u l t so ft h ep h y s i c a lm o d e l ，t w oc o m b i n e d m o d e l sf o rc h a r a c t e r i z i n gt h em e l tf l o ww e r ec o m p a r e da n dt h eo p t i m a lc o m b i n e dm o d e l w a sf o u n do u t 1 h er e s u l t ss h o wt h a tt h et r a d i t i o n a lm o d e lm a ym a k em i s t a k e sb o mi nt h e e s t i m a t i o no nt h em e l tf l o wc h a r a c t e r i z a t i o na n di nt h ec h o i c eo fo p t i m a lf l o wc o n t r o l d e v i c e s a sar e a s o n a b l em o d i f i c a t i o nh a sb e e nm a d eo nt h ec a l c u l a t i o no fd e a dv o l u m e f r a c t i o n ，t h em o d i f i e dc o m b i n e dm o d e li ss u i t a b l ef o rc h a r a c t e r i z i n gt h em e l tf l o wi n s i n g l e s t r a n dt u n d i s h ( 2 ) t h ee f f e c to fd i f f e r e n tc o n t r o ld e v i c e so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e l tf l o wi nt h e t u n d i s hw a sa n a l y z e db yt h ea b o v e - m e n t i o n e dm o d i f i e dc o m b i n e dm o d e lp r e s e n t e db y s a h a i t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et u r b u l e n c ei n h i b i t o r sw i t ha n dw i t h o u tt o pe x t e n d i n gl i p i v w e l e i n v e s t i g a t e db yc o m b i n i n gt h e w a t e rm o d e l e x p e r i m e n t sa n dm a t h e m a t i c a l s i m u l a t i o n s ( 4 ) t h e r ef i let w on e wm e c h a n i s m so fm o l dp o w d e re n t r a p m e n ti nw i d ea n dt h i c k s l a bm o l dw i ma r g o nb l o w i n g , v i z p o w d e re n t r a p m e n tc a u s e db yt h ea t t a c ko fb u b b l e s s t r e a ma n dt h ev o r t e x ，a n daf l o wr e v e r s i n gf r o mt h en a r r o wf a c eo ft h em o l dg i v er i s et o t h ep o w d e re n t r a p m e n tw a sn o tf o u n di nt h ee x p e r i m e n t a lc a s t i n gs p e e dr a n g e w i t h d i f f e r e n ts l a bw i d t h sa n dc o r r e s p o n d e n tc a s t i n gs p e e d ，t h ep o w d e re n t r a p m e n tw i l ln o t o c 觚l l ei nt h em o l di ft h eg a sf l o w r a t eb l o w i n gi n t ot h es e ni sl e s st h a n4l m i n ( 5 ) t h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r sf o rc o n t r o l l i n gt h es u r f a c ef l u c t u a t i o ni nt h e m o l dw i t ht h es e c t i o no f2 2 0 0 x 2 8 0 m m za r et h a tt h ea r g o ng a sf l o wr a t eo f4 l m i n ，t h e n o z z l es i d ep o r ta n g l eo f 一15 0a n dt h en o z z l es u b m e r g e n c ed e p t ho f14 0r i m l ( 6 ) t h er e s u l t so fa p p l i c a t i o no fc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r si np r a c t i c e s h o w st h a tt h ep r e s e n t e dp r o c e s sp a r a m e t e r sa leb e t t e rt h a nt h eo r i g i n a lo n e s0 nt h e c o n t r o lo fn o n - m e t a l l i ci n c u s i o n s w i t ht h ep r e s e n t e dp r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h ei n c l u s i o n c o n t e n ti nt h et u n d i s ha n ds l a ba r ed e c r e a s e db y8 a n d2 0 t h a nt h o s eu n d e rt h eo r i g i n a l p r o c e s sp a r a m e t e r s ，r e s p e c t i v e l y a n dt h et y p i c a li n c l u s i o ns i z e si nt u n d i s ha n ds l a bi s lo p ma n d5 p mw i 廿lt h ep r e s e n t e dp r o c e s sp a r a m e t e r s ，w i h l ei ti s3 0 p r oa n d15 p r ow i 廿lt h e o r i g i n a lo n e s k e yw o r d s ：t h ew i d ea n dt h j c ks l a bc o n t i n u o u sc a s t i n g ；c o n t r o lo fn o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n s ； c o n t i n u o u sc a s t i n gt u n d i s h ；c o n t i n u o u sc a s t i n gm o l d v - 、 1 i 1， 东北大学博士学位论文 目录 目录 声明。i 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论l 1 1 我国连铸技术的现状1 1 2 中间包和结晶器冶金技术在连铸生产中的地位和作用。3 1 2 1 中间包冶金技术在连铸生产中的地位和作用3 1 2 2 结晶器冶金技术在连铸生产中的地位和作用5 1 3 宽厚板生产技术6 1 3 1 宽厚板生产的重要性6 1 3 2 我国宽厚板钢材生产技术的发展趋势7 1 3 3 宽厚板生产关键技术7 1 3 4 宽厚板生产发展趋势9 1 4 本文研究的目的、意义、内容及创新点。1 0 第二章前人工作分析1 6 2 1 中间包过程的模拟研究1 6 2 1 1 中间包过程的物理模拟研究l6 2 1 2 中间包过程的数学模型研究1 8 2 2 结晶器内钢渣界面行为的研究。1 9 2 2 1 结晶器内钢渣界面行为的物理模拟研究2 0 2 2 2 结晶器内钢渣界面行为的数学模拟研究2 4 第三章宽厚板坯连铸中间包数学物理模拟研究2 7 3 1 宽厚板坯连铸中间包物理模拟研究。2 8 3 1 1 物理模型的建立2 8 3 1 1 1 相似准数和模型参数的确定2 8 3 1 1 2 物理模型的构成2 9 3 1 2 实验方法2 9 3 1 3 实验方案3 2 3 1 4 实验结果与分析3 3 3 1 4 1 修正前后的组合模型流动特性对比分析3 3 、l y 、 、 、l o 第四章宽厚板坯连铸结晶器数学物理模拟研究5 5 4 1 宽厚板坯连铸结晶器物理模拟研究5 5 4 1 1 物理模型的建立5 5 4 1 2 物理模型相关参数的确定5 6 4 1 2 1 相似准则5 6 4 1 2 2 水模型相似条件5 7 4 1 2 3 渣金界面的相似条件5 8 4 1 2 4 物理模型中其它参数5 8 4 1 3 实验内容及方案5 9 4 1 3 1 结晶器内液面波动一5 9 4 1 3 2 结晶器内卷渣模拟6 0 4 1 4 实验结果与分析6 0 4 1 4 1 结晶器液面波动行为。6 0 4 1 4 2 吹氩结晶器内的卷渣行为一6 5 4 2 宽厚板坯结晶器内钢水流动与液面行为数值模拟一7 1 4 2 1 流动与界面行为数学模型的建立7 2 4 2 1 1 基本假设7 2 彻二 1 、 、 i 、 o 东北大学博士学位论文 目录 4 2 1 2 模型控制方程。7 2 4 2 1 3 网格划分和边界条件7 4 4 2 1 4 方程求解7 5 4 2 1 5 数值计算参数7 5 4 2 2 数值模拟结果与分析7 5 4 2 2 1 钢液流动和液面波动特征7 6 4 2 2 2 吹气量的影响7 7 4 2 2 3 水口侧孔倾角的影响8 0 4 2 2 4 水口浸入深度的影响8 2 4 2 2 5 拉速的影响8 5 4 3 本章小结8 8 第五章现场试验与应用效果研究9 0 5 1 试验条件及方法9 0 5 1 1 改进前后连铸工艺参数9 0 5 1 2 取样方案9 0 5 1 2 1 中间包内取样。9 0 5 1 2 2 铸坯取样9 0 5 1 3 分析检测方法9 l 5 2 试验结果及分析。9 l 5 2 1 工艺参数改进前连铸过程去夹杂效果9 l 5 2 2 工艺参数改进后连铸过程去夹杂效果9 3 5 3 本章小结9 4 第六章结论9 6 参考文献9 8 j l j 【谢110 作者简介111 攻读学位期间获得成果1 1 2 论文包含图、表、公式及文献一1 1 3 ，iil | i o 、lli， - k 、 东北大学博士学位论文 第一章绪论 i l l 第一章绪论 1 1 我国连铸技术的现状 钢铁是现代人类重要的基础材料。钢铁产业发展至今，形成了以连铸技术为核 心，连铸技术的发展是钢铁技术发展的核心，以后相当长的时间中也不会改变【l 】。多 年的实践已经证明连铸生产不断完善与优化已成为推进大型化、高速化、实现流程 连续紧凑、大幅度降低消耗与排放、优化钢铁产品质量的核心环节，也是流程向自 动化、智能化方向发展的主要推动环节【2 】。 中国近年来粗钢产量和连铸坯产量逐年递增( 如图1 1 所示) 。尤其是自2 0 0 0 年 开始，钢产量增长迅猛，2 0 0 7 年我国粗钢产量达到4 8 9 2 4 万吨，其中连铸比已经达 到9 8 8 6 。由此可见，除了一些特殊领域要求模铸外，其余钢材均以连铸的方式进 行生产。 1 9 9 0 1 11 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 年份 图1 1中国连铸坯产量及粗钢产量 f i g 1 1 o u t p u to fc c s t e e la n dc r u d es t e e li np & c h i n a 虽然我国连铸生产虽然取得了很大成绩，但也清醒地认识到我国连铸存在的问 题，与发达国家相比主要表现在：高水平连铸机所占比例不大，高附加值品种不多， 铸机作业率不高，浇铸速度不高，自动化控制水平不高，高质量的连铸坯所占比例 小等。进入2 l 世纪以来，随着全球经济的持续快速增长，对钢材需求的拉动越来越 大。随着连铸产量与连铸比的逐年递增，以及钢铁产量的逐渐接近饱和，市场已经 突破了钢材数量方面的低层次需求，逐渐转变为对质量上的高层次需求，客观上要 - 1 - -一it，i斗- 东北大学博士学位论文第一章绪论 求钢铁工业必须从传统的注重“产量型”向注重“品种型”、“质量型”转变。如低合金高 强度钢、优质合金钢、超级合金钢等一批具有高纯净度、高均匀性、超细晶等高端 产品，已经日益成为我国钢铁企业研发的重点。 近年来，我国钢铁工业发展迅速，出现了进口钢材下降、出口钢材增长、净进 口钢材大幅度减少的可喜现象，为我国经济的稳定快速增长做出了新的巨大贡献。 但必须看到我国虽然在钢铁的产能上有了高速的发展，而且在引导了国际的钢铁市 场发挥着重要作用，但我们整体的生产水平和技术水平与世界上钢铁强国相比还有 不小的差距。例如在近2 0 年，我国的连铸技术发展迅猛，在成熟生产技术的应用、 新技术的开发、应用基础研究等方面发展得很快，连铸机保有量和连铸坯产量已占 世界第一，2 0 0 3 年的连铸比已达到9 6 ，但我国目前连铸生产的品种、规格、质量 等与国民经济发展需要尚不匹配，铸机的实际作业率不到7 0 ，稳定的板坯连铸机 的拉速最高也没有超过2 0 m m i n 。与国际领先水平的主要差距表现在：应用同样顶 级的技术装备不能稳定生产顶级的产品；连铸技术的开发研究与生产应用之间的中 间环节一工程化技术的综合比较薄弱。产生此结果的原因除了我们整体的研发和创 新能力与国际有差距外，我们在技术开发研究和应用过程中缺乏整体和特有技术的 构架和集成。 在发展连铸过程中，为了发挥具有跨越优势的后发力，我国在上世纪9 0 年代初 提出了“高速连铸”，以提高拉速，减少铸机台数，节约投资和增加连铸生产率。1 9 9 5 年提出了“高效连铸”，即在高拉速基础上，还要考虑炉机匹配，高作业率，高无缺 陷坯，同时低成本。国家还设立了“高效连铸技术”攻关，以广州钢厂( 方坯) 和攀 钢( 板坯) 为依托，联合科研院所进行了九五攻关，方坯连铸的高效技术已在许多 工厂转化为生产力，目前，我国宝钢1 5 0 0 m m x 2 3 0 m m 大板坯的拉速为1 5 m r a i n ，广 钢的1 5 0 m m 方坯平均拉速为2 6 m r a i n ，首钢的1 2 0 m m 方坯拉速能达到3 8 m m i n ， 珠钢的16 8 0 m m x 6 3 m m 的薄板坯连铸设计拉速为5 m m i n 。这样的生产水平与日本钢 铁企业的连铸水平相比，仍有相当大的差距。因此在我国高效连铸技术的开发推广， 尤其是板坯的高拉速尚有很大的空间。 高效连铸技术的特征就是与常规连铸技术相比具有更高的浇铸速度、高的连铸 机作业率、高的连浇率、高的质量水平极高的出坯温度。其核心是高拉速，其目的 是提高连铸机和整个配套流程的生产效率及连铸坯质量。要实现以高拉速为核心的 高效连铸，首要要解决的问题是与此匹配的连铸钢水的质量。拉速提高整个节奏加 快，对钢水的精炼和中间包冶金提出了更高的要求，尤其对生产高级别的钢种更是 - 2 - 了 r 3 _ 0 膏 、 ； 。l 东北大学博士学位论文第一章绪论 如此。而我国目前在这方面与国际先进水平还有较大差距，有大量的研究开发工作 要做。 1 2 中间包和结晶器冶金技术在连铸生产中的地位和作用 钢中非金属夹杂物能否得到有效控制是关系到高级钢生产的成败。非金属夹杂物 包括氧化物，硫化物，氮化物，碳化物和复合物。一般条件下，氮化物和碳化物是 在钢冷却过程中析出。但是，大多数氧化物夹杂和一些硫化物夹杂则在钢水中已形 成。 大多数宏观夹杂是在将精炼的钢水由钢包转运到中间包，再由中间包到结晶器的 过程中产生的，尤其是在过渡操作期间。虽然连铸比模铸一开坯轧制法有许多优点， 但它还有许多技术难点尚未得到彻底解决，还需要我们根据各自不同的实际要求和 特点，针对不同的连铸工序段，做大量深入细致的研究开发工作。 1 2 1 中间包冶金技术在连铸生产中的地位和作用 连铸中间包工序段属于研究较多的工序段之一。究其原因，它是连接钢包与结晶 器之间的中间存储容器，具有存储钢液、稳定钢流、缓解钢流对结晶器的冲击与搅 拌、稳定浇铸操作、均匀钢液温度和成分、排除脱氧产物和非金属夹杂物等作用， 对于多流连铸机来说，还起到分配钢液的作用。 随着人们对中间包作用认识的提高，对中间包参数进行优化和设计研究的工作 也越来越深入。上世纪7 0 年代人们已认识到：改变中间包形状和加大中间包容积可 以达到延长钢液在中间包内的平均停留时间，提高夹杂物去除率的目的；通过安装 上挡渣墙和下挡渣墙，来控制钢液的流动，实现夹杂物有效碰撞、长大和上浮，并 尽量使中间包内各个部位的钢液活跃起来。8 0 年代人们发明了多孔导流挡墙中间包 过滤器，这两项技术可大大缓减夹杂物随钢液从大包注入后直接流入结晶器的不足。 近年来，中间包冶金技术的发展更加活跃，人们将中间包的功能进一步扩大化， 出现了预熔型中间包渣、活性钙内壁、中间包喂丝、中间包吹入惰性气体和电磁技 术等中间包精炼技术，甚至在中间包内实现直接合金化操作和中间包加热技术。典 型的中间包冶金新技术： h 型中间包：如图1 2 所示，其特点为两个分离的容器通过放置在这个容器之间 的底坝通道连接，前一包钢水和后一包钢水可以同时将钢水注入中包中。h 型中间 包现装有d c 弧等离子加热装置来生产所需要的纯净钢，可以实施不同钢种的浇注。 东北大学博士学位论文第一章绪论 图1 2h 型中间包示意图 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f “h s h a p ec o n t i n u o u sc a s t i n gt u n d i s h 离心流中间包：如图1 3 所示，中间包内对钢液施加一个使之旋转的力，以此来 达到去除夹杂的目的，目前此技术已在一流板坯不锈钢连铸机上实现。入口室内的 钢液受不断加强的电磁场的作用产生旋转运动，以此产生的离心旋转促进了夹杂物 的碰撞，聚合和上浮，增加了钢液的停留时间，防止换包时流入的钢包渣进入出口 室。由于半筒型磁体的尺寸并不很大，而且外夹杂和内生夹杂的去除效果很明显， 因此，c f 中间包适合于高优质特殊钢的连铸。 图1 3 离心中间包结构示意图 f i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fc e n t r i f u g a lt u n d i s h 去夹杂的陶瓷过滤器：用陶瓷过滤器去夹杂已成功地用于超级合金和铸铁金属 4 k 东北大学博士学位论文第一章绪论 液。但对于钢液，它的温度比较高，处理量大而且流速快，这些差别使得陶瓷过滤 器在钢液中的应用变得困难。上世纪8 0 年代已进行了大量的实验，如图1 4 所示。 陶瓷过滤器材料须承受钢水的高流量和高温而不影响夹杂物的吸附功能。过滤器滤 孔必须是大到不堵塞并且保证足够量的钢液通过而且具备从高速钢液流中捕捉夹杂 物应有的效率。在浇铸操作期间要更换过滤器影响成本和产量。因此此技术还需要 进一步的完善以使之真正工业化应用。 图1 4 陶瓷过滤器在中间包中应用不惫图 f i g 1 4 t h ea p p l i c a t i o no f n n i cf i l t e ri nc o n t i n u o u sc a s t i n gt u n d i s h 中间包吹氩：a r 气泡搅拌钢液促使了悬浮于钢液中夹杂的碰撞和聚合，促进了 夹杂物向气泡与钢液界面的传输。在无氧化性气氛条件下向中间包钢液中吹a r 是降 低外来和内生夹杂物一条很有效的途径。从长远来看，中间包小a r 气泡喷吹对生产 超纯净钢来讲是一种很有前途的方法，但需防止小气泡带入结晶器中。为了使此技 术在实际中实施，喷吹所需的材料和结构需作进一步完善，须接受长时间连铸的考 验。 总之，在现代连铸的应用和发展过程中，中间包的作用显得越来越重要，其内 涵在被不断扩大，从而形成一个独特的领域中间包冶金。中间包冶金已被纳入 铁水预处理、钢水二次精炼等炉外处理技术之中，是现代冶金生产中实现冶炼功能 的重新分配和优化组合的关键，不仅在提高质量、扩大品种、优化工艺、降低消耗 等方面发挥着巨大的作用，而且成为传统钢铁工艺流程的合理组合、系统优化以及 新流程的开发所不可缺少的重要工序 3 - 5 】。 1 2 2 结晶器冶金技术在连铸生产中的地位和作用 结晶器作为连铸机的“心脏 ，它的运行状况直接影响着连铸机的生产和铸坯质 - 5 - 东北大学博士学位论文第一章绪论 量，因此国内外都很重视高效连铸机技术的开发与应用。随着人们对结晶器作用认 识的提高，对结晶器参数进行优化和设计研究的工作也越来越深入。近年来，结晶 器冶金技术的发展十分活跃，为了充分发挥结晶器的效能，先后出现了预熔型保护 渣、结晶器在线调宽、结晶器喂丝、低过热度浇注、水口吹氩、电磁制动和电磁搅 拌等结晶器冶金技术。总之，在现代连铸的应用和发展过程中，结晶器的作用显得 越来越重要，其内涵也在被不断地扩大，从而已形成一个独特的领域一结晶器冶金。 总之，中间包和结晶器作为连铸机的核心设备，二者与相关技术的合理配置是 保证钢水及铸坯最终质量不断提高的关键环节。如表l 所示【6 】，铸坯最终各种缺陷的 形成均与钢水在中间包和结晶器内的流动、传热等相关传输现象以及中间包、结晶 器及水口的优化设计密切相关，而且影响连铸坯质量的各因素之间相互关联、相互 制约、相互影响。 表1 1 铸坯的主要缺陷和影响因素 1 a b l e1 1t h em a i nd e f e c t sa n df a c t o r sf o rt h es l a bq u a l i t y 1 3 宽厚板生产技术用 1 3 1 宽厚板生产的重要性 从轧制厚度来看的话，钢板的规格可分为薄板板材和中厚板板材。中厚板材尤 其是宽厚板，是我国现代化建设必不可少的钢铁产品，广泛应用于大直径长输油气 管线、造船、大跨度桥梁、锅炉、压力容器、机械制造、海洋平台、石油化工及军 舌 _ v 。 东北大学博士学位论文第一章绪论 事工业等部门。中厚板尤其是宽厚板生产水平及其材料所具有的水平，是衡量一个 国家钢铁工业及钢铁材料水平的标志。 与薄板坯相比，厚板坯铸坯的纯净度可以更好，板材的压缩比会更大，所生产 的板材质量会更好。 1 3 2 我国宽厚板钢材生产技术的发展趋势 进入2 l 世纪以来，大型造船业，海洋工程，桥梁、大口径石油、天然气输送管 线、大型压力容器和贮罐、重型建筑结构( 特别是高层、防火、耐候、大跨度和非 对称的空间结构用途) 、机械工程的技术进步和旺盛需求，极大地拉动了宽厚板的发 展，低合金、高强度的宽厚板的生产技术进步。目前尚有唐钢5 m 等宽厚板轧机正在 筹建之中。到2 0 1 0 年我国宽厚板的年生产能力可达到2 1 0 0 万t 以上。 低合金、高强度宽厚板是典型的高技术含量和高附加值产品，它的自主供应和 满足极端需求的能力，是国家工业发展战略和安全的综合能力的体现。低合金高强 度宽厚板不仅要求具有高的强度等级，要求高纯净度的钢水、高的韧性和抗疲劳特 性，还要求具有良好的焊接和加工性能及其它特殊性能。 宽厚板轧机生产的产品的厚度在5 1 0 0 ( 2 0 0 ) m m ，宽度在3 5 0 0 - 4 8 0 0 ( 5 3 0 0 ) m m 。 高强度宽厚板钢材的屈服强度一般在3 4 5 m p a 以上，用于重大钢结构的则有q 3 4 5 、 q 3 9 0 、q 4 2 0 和q 4 6 0 ，例如2 0 0 8 年奥运会主体工程国家体育场( 鸟巢结构) 就 大量使用了舞阳钢厂生产的厚度为1 1 0 m m 的q 4 6 0 e z 3 5 钢板。为了提高安全性和整 体性能，减轻自重，减少焊接量，造船和海洋平台则多用d 3 6 和e 3 6 以上的宽厚板， 用于大口径石油和天然气输送管线多用x 7 0 级以上，甚至x 1 0 0 和x 1 2 0 等级的抗硫 化氢腐蚀的宽厚板。这些用途的宽厚板往往还单独或综合要求具有良好的低温冲击 性能，抗焊接热影响和裂纹敏感特性，或者试件断面收缩率甲达到2 5 或3 5 以上 的抗层状撕裂的性能。 1 3 3 宽厚板生产关键技术 高纯度钢水和无缺陷板坯是生产高品质宽厚板的前提。 高品质宽厚板生产是基于炼钢一连铸一轧机一精整全流程的高效、准确的工艺 衔接和管理技术。舞阳钢厂全部采用电炉炼钢一模铸，宝钢部分电炉炼钢、模铸， 我国其它宽厚板生产企业均采用长流程生产工艺。长流程工艺生产宽厚板坯由铁水 预处理一转炉炼钢一炉外精炼一连续铸钢四部分组成。通过富集预处理，预先脱除 高炉铁水中的硫、磷、硅，除去这些元素和化合物的炉渣；对改善转炉炼钢操作， 东北大学博士学位论文第一章绪论 优化炼钢工艺，缩短炼钢周期，提高作业率有重要的意义。我国宽厚板生产企业已 经采用了复合吹炼、高精度副枪