（钢铁冶金专业论文）四流大方坯连铸中间包的结构优化研究.pdf

j、l 每 ad i s s e r t a t i 。ni ne 曼丛q 坠墨丛曼垫! ! 坚鳝y s t u d yo ns t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no ff o u r - s t r a n d b l o o m c a s t i n g t u n d i s h b ym az h e n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rc h e nm i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 ，y，-r 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 ：6 己 总。 学位论文作者签名：谁 i ! t 期：w 譬、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： _ 东北大学硕士学位论文 摘要 四流大方坯连铸中间包的结构优化研究 摘要 中间包是连铸工艺过程中的关键环节之一，无论对于连铸操作的顺利进行，还是 对于保证钢水品质的符合需要，都起到十分重要作用。中间包内钢水理想的流动状态， 能够延长钢水在中间包内的停留时间、均匀温度、减少卷渣和促进夹杂物的上浮，因 而直接影响着连铸坯的质量。近年来冶金工作者采取了一系列措施来强化和扩大中间 包的冶金功能，其中的重要措施就是在中间包内设置适当形式的控流装置，使之形成 合理的流场。 为了配合钢铁公司发展需要，增加品种钢产量，某炼钢厂计划采用现有的大方坯 铸机生产品种钢，但目前铸机的四流梯形中间包内未设任何控流装置，难以满足品种 钢生产的需要，因而需要对现有中间包进行结构优化。 论文结合该钢厂四流大方坯梯形连铸机中间包的实际情况，采用水模拟和数学模 拟相结合的数理模拟研究方法，以确定该中间包的最佳控流装置。数模部分，根据连 续性方程和动量方程建立描述中间包内流体流动的数学模型，采用f l u e n t 商业软件 进行数值计算，选出较优方案；水模部分，根据相似原理，在弗鲁德准数相等和实验 模型与原型的几何相似比为1 ：4 条件下，建立实验模型，最终确定最佳控流方案。 结果表明，原型中间包内流体存在较大的死区，且各流间的流动特性差异较大， 尤其是近水口的2 流、3 流处存在明显短路流，不仅造成包内钢水温度分布不均匀， 也不利于夹杂物的上浮，影响铸坯洁净度。采用优化后的湍流控制器+ 导流墙+ 坝组 合控流装置能够显著改善中间包中内钢水的流动状态，使钢水在各流间合理分配，并 延长了钢水的平均停留时间，提高活塞流体积分率，降低死区体积分率，均衡了各流 间的温度分布，有利于促进铸机生产顺行和铸坯质量的提高。 关键词：连铸，大方坯，中间包，结构优化，数学模拟，水模拟 一i i 冉 3 东北大学硕士学位论文 a b st r a c t s t u d yo ns t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no ff o u r - s t r a n db l o o mt u n d i s h a bs t r a c t t u n d i s hi sa ni m p o r t a n tv e s s e li nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s ，a n di th a sa ni m p o r t a n t e f f e c to nc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g ya n dp r o d u c tq u a l i t y t h ef l o w i n gc o n d i t i o no f m o l t e ns t e e li nt u n d i s hi sc o n s i d e r e dt ob ev e r yi m p o r t a n tt ol e n g t h e nt h er e s i d e n c et i m eo f m o l t e ns t e e li nt u n d i s h ，u n i f o r mt h em o l t e ns t e e lt e m p e r a t u r e ，r e d u c et h ew r a p p e ds l a ga n d i m p r o v et h ef l o a t i n ga n de x c l u d i n go f i n c l u s i o n si nt h em o l t e ns t e e l ，a n dt h u si n f l u e n c e st h e q u a l i t yo fc a s t i n gp r o d u c t s i nr e c e n ty e a r s ，t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm e t a l l u r g i s t s t o o kas e r i o u sa c t i o no ns t r e n g t h e n i n ga n de n l a r g i n gt h et u n d i s hm e t a l l u r g i c a lf u n c t i o n a n d o n eo ft h ei m p o r t a n tm e a s u r e si st oi n s t a l lt h ea p p r o p r i a t ef l o wc o n t r o ld e v i c e st oo b t a i n r e a s o n a b l ef l o wp a t t e r n w i mt h ed e v e l o p m e n to fac e r t a i nc o m p a n y , v a r i e t ys t e e l sa r ee x p e c t e dt op r o d u c ei nt h e b l o o mc o n t i n u o u sc a s t e ro ft h es t e e l m a k i n gp l a n tt h a th a sa r ep r o d u c i n gp l a i nc a r b o ns t e e l b u ti tc o u l dn o tm e e tt h en e e dt op r o d u c ev a r i e t ys t e e l s ，b e c a u s et h e r ew e r en of l o w c o n t r o l l i n gd e v i c e si nf o u r - s t r a n dt r a p e z et u n d i s h s ot h et u n d i s hs t r u c t u r en e e d sf u r t h e r o p t i m i z a t i o n i np r e s e n tw o r k ，a c c o r d i n gt ot h e4 - s t r a n db l o o mc a s t i n gt u n d i s ha tac e r t a i ns t e e l m a k i n g p l a n t ，t h em a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d sw e r eu s e dt oo b t a i nt h eo p t i m u m f l o wc o n t r o ld e v i c e t h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，d e s c r i b i n gt h ef l o wp h e n o m e n ai n t h e t u n d i s h ，w a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ec o n t i n u i t ye q u a t i o na n dm o m e n t u me q u a t i o n ， m e a n w h i l et h ef l u e n tc o m m e r c i a ls o f t w a r ew a su s e dt oc a l c u l a t e ，a n dt h eb e t t e rs c h e m e h a db e e nd e t e r m i n e d t h ew a t e rm o d e l ，1 4o ft h ep r o t o t y p ea n dm a d eo fp l e x i g l a s ，w a s u s e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e db a s e do nt h ef r o u d es i m i l a r i t yb ys i m i l a r i t y p r i n c i p l e t h r o u g ht h e s ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a ls t u d i e s ，t h eo p t i m u ms c h e m ew a s o b t a i n e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eu n s u i t a b l ef l o w i n gp a t t e r n so ft h em o l t e ns t e e lr e s u l t e dt h a t t h ei n c l u s i o n si nt h em o l t e ns t e e lh a r d l yh a v et i m et of l o a tu p w a r di nt h ep r o t o t y p et u n d i s h a n dt h u st h ec l e a n l i n e s so fb l o o mw a si n f l u e n c e d ，c a u s e db yt h el a r g ed e a dv o l u m ea n dt h e s i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nf l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c sa m o n gf o u rs t r a n d s ，n a m e l y , t h e r ea r es h o r t i i i 、 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c i r c u i tf l o wi ns t r a n d2a n ds t r a n d3n e a rt h eo u t l e to ft h ee l o n g a t e dn o z z l e t h eo p t i m u m i n n e rc o n f i g u r a t i o no ft u r b u l e n c ei n h i b i t o r + b a f f l e + d a me f f e c t i v e l yi m p r o v e dt h ef l o w p a t t e r ni nt u n d i s h ，m o d i f i e dt h em o l t e ns t e e ld i s t r i b u t i o na m o n gt h es t r a n d s ，p r o l o n g e dt h e a v e r a g er e s i d e n c et i m e ，i n c r e a s e dp l u gf l o wv o l u m ea n dd e c r e a s e dd e a dv o l u m e ，e q u a l i z e d t e m p e r a t u r ep r o f i l ea m o n gs t r a n d s ，w h i c hc o n t r i b u t e s t oo b t a i ns t a b l eo p e r a t i o na n d i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h eb l o o m k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ，b l o o m ，t u n d i s h ，c o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o n ，m a t h e m a t i c a l s i m u l a t i o n ，w a t e rm o d e l i n g 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 学位论文版权使用授权书- i 摘要i l a bs t r a c t i i i 第一章绪论l 1 1 前言l 1 2 本研究目的及意义2 1 3 本研究内容”3 第二章文献综述5 2 1 连续铸造技术的概况”5 2 1 1 连续铸造技术的概况5 2 1 2 我国连铸技术的发展5 2 2 中间包冶金7 2 2 1 中间包的作用7 2 2 2 中间包冶金技术的发展“8 2 2 3 中间包的研究方法1 3 第三章中间包的数学模拟1 5 3 1 数学模拟的基本理论1 5 3 1 1 流场计算的基本控制方程1 5 3 1 2 数学模拟的求解方法1 7 3 1 3f l u e n t 软件介绍1 8 3 2 本课题中间包的数学模型1 9 3 2 1 基本假设1 9 3 2 2 实验方案2 0 3 2 3 计算网格的划分2 0 3 2 4 边界条件2 0 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 数学模拟的实验结果与分析2 1 3 3 1 中间包内流场的基本特征2 2 3 3 2 流线分布2 4 3 4 本章小结”2 6 第四章中间包的物理模拟2 7 4 1 实验的原理2 7 4 1 1 相似理论”2 7 4 1 2 相似准数2 8 4 2 实验设计2 9 4 2 1 水模型的建立2 9 4 2 2 实验方案3 1 4 2 3 实验研究方法及评价指标3 2 4 3 中间包流场优化结果3 5 4 3 1 停留时间及流动模式分析3 5 4 3 2 中间包内流体流动显示分析4 3 4 3 4 产生漩涡的临界高度的测定4 7 4 4 本章小结4 8 第五章结论“4 9 参考文献5 l 致谢5 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论弟一早珀了匕 改革开放以来，中国钢铁工业取得了长足的发展，已连续多年作为世界上最大的 钢铁生产、进口和消费国，国家统计局的数据显示，2 0 0 7 年国内粗钢产量达4 8 9 2 4 亿吨，较上年增长1 5 7 ，为国民经济持续、稳定、健康的发展做出了重要贡献。但 国内钢铁行业的结构性矛盾仍然比较突出，一些高技术含量、高附加值的产品仍需从 国外大量进口。在行业并购的大潮下，要实现我国钢铁业“不仅是钢铁大国，还要是 钢铁强国”的战略目标，仍需要进一步提高行业技术水平，其中发展高效高质的连铸 技术显得尤为重要【l 4 】。 高效高质的连铸技术对连铸过程中钢水的温度、成分等提出了更高的要求。而这 些要求主要通过采用具有先进技术的冶金设备和合理的工艺参数来实现。作为连铸过 程中重要环节之一的中间包越来越受到了冶金工作者关注，其内涵在被不断扩大，从 而形成一个独特领域一中间包冶金。 随着研究的深入，中间包已不再是传统意义上的钢水储存、稳流、分配器，正朝 着促进夹杂物上浮分离、对夹杂物进行改质变性处理以及对钢水进行微合金化的冶金 精炼反应器的方向发展。中间包冶金效果与中间包内流体流动特性密切相关，合理的 中间包流场，对防止钢水二次氧化、延长钢水在中间包内停留时间、促进夹杂物上浮 去除等具有重要的作用，而这些作用能否实现直接关系到铸坯的质量的好坏。多流中 间包为优化中间包内的流场，通常采用在中间包内设置堰、坝、多孔挡墙、过滤器、 湍流控制器、吹惰性气体等措施，改善钢水的流动状态，并使各流的钢水具有相似的 流动特性，以达到提高钢水洁净度的目的。 钢水在中间包内的流动是一个在高温状态下复杂的湍流流动过程，在实验室内的 主要研究方法有数学模拟和物理模拟两种方法，两者相辅相成能达到较好的研究效果。 物理模拟分为热态模拟和冷态模拟，开始于2 0 世纪7 0 年代。随着计算机及软件的发 展，8 0 年代初产生了用计算机来对冶金容器内的流体流动进行模拟的数学模拟。至今 国内外已应用这两种方法对中间包内流体流动进行了相当多的研究工作，并应用于生 产中取得了明显的效果【5 j 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 本研究目的及意义 随着科学技术的不断发展和人们物质文化生活的不断提高，对作为基础材料的钢 铁工业产品也提出了越来越高的要求，这就迫使冶金工作者在进一步提高钢铁产品质 量方面做更多的研究开发工作，连铸中间包冶金技术就是其中需要大力发展和研究开 发的关键技术之一。 连铸中间包的出口温度或过热度及夹杂物含量与铸坯的表面质量、内部质量有很 大的关系。特别是多流中间包的情况，各流出口温度( 过热度) 和夹杂物含量必然有所 差异，不利于对各流铸坯质量的控制。如何减小各流出口之间的温差，降低钢水中的 夹杂物含量，简化连铸生产调度，是冶金工作者一直关心和研究的课题之一。 关于夹杂物问题，无论是转炉的脱氧产物、大包和中间包渣还是二次氧化产生的 氧化物，都应尽可能地从中间包过程中脱除，但如果中间包参数设计得不合理，就难 以在中间包内脱除细小的夹杂物。对多流连铸中间包来说，理想的情况应该是各流的 夹杂物含量尽可能地少且各流的夹杂物含量尽可能地接近。但由于钢水相对于各个流 的停留时间不同，必然会造成各个流的夹杂物含量有所差异，其差异程度和含量的高 低，主要取决于中间包参数设计的合理程度。 采用多流中间包的_ 个主要原因是为了提高连铸的生产率，但从以上的分析可知 其带来的问题比传统的单流或双流要多得多。因此研究、分析和掌握多流中间包内钢 水的流动特征是十分必要的。 本课题的原型中间包为某公司转炉厂四流大方坯连铸机的梯形中间包，该铸机现 在主要生产普通钢种。为了配合公司发展需要，增加品种钢产量，转炉厂计划采用该 铸机生产品种钢，但目前的中间包内未设任何控流装置，难以满足品种钢生产的需要。 因此，本课题通过对该中间包内钢水的流动行为进行优化研究，开发出合理的控流装 置，实现中间包内钢水合理分配，提高钢水的洁净度，从而达到提高铸坯质量的目的。 本课题的研究，对转炉厂扩大生产品种钢，升级改造现有生产设备，提高铸坯质量和 经济效益等具有重要意义。 通过本研究的最终达到目的：优化设计后的中间包，包内的钢水要有较好的流态， 尽可能延长钢水的平均停留时间，减小死区体积分率，以及促进夹杂物的上浮去除， 从而提高铸坯质量；中间包的四个流应具有比较一致的流动特性，从而保证从四个水 e l 流出钢水的温度、夹杂物水平接近，降低浇注过程中钢水的过热度要求；最终以对 现有设备较小的改动，生产出高质量铸坯。 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 。1 3 本研究内容 本课题四流大方坯连铸机铸坯断面尺寸：1 5 0 m m x l 5 0 m m 、1 5 0 m m x 2 2 0 m m 、 1 5 0 m m x 2 6 0 m m ，拉速范围：1 5 2 3 m m i n 。 课题的实验流程：首先提出优化设计方案，建立数学模型，通过软件计算得到不 同方案流场的直观状态，比较后得到优选方案。之后对各方案进行水力学模拟，获得 中间包的停留时间分布曲线及流场状况，分析中间包的流动特征，得到最佳方案。通 过数模和水模的分析比较，说明优化设计的控流装置的合理性，并最终确定最佳控流 装置的设计及结构尺寸。 具体研究内容包括： ( 1 ) 研究四流中间包内设置控流装置的不同结构尺寸、相对位置对中间包流场的 影响； ( 2 ) 研究在不同控流装置组合形式下中间包内的流动模式( 平均停留时间、响应时 间、峰值时间、活塞流、全混流及死区的体积大小) ； ( 3 ) 研究中间包合理的液面操作高度； ( 4 ) 确定最佳的中间包内控流装置结构、几何尺寸、安装位置以及工艺操作参数。 3 东北大擘硕士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 连续铸造技术的概况 2 1 1 连续铸造技术的概况 液态金属连续铸造的概念早在1 9 世纪中叶就已提出。1 8 4 0 年，塞勒斯( s e l l e r s ) 在 美国申请了连续铸造铅管的专利。1 8 4 6 年，贝塞麦( b e s s e m e r ) 采用水冷、旋转双辊式 连铸机生产了锡板、铅板和玻璃板。随后，移动结晶器连续浇注的概念和垂直浇注的 立式连铸法也相继提出。1 9 3 3 年，连续铸造的先驱者德国人琼汉斯( j u n g h a n s ) 采用立 式带振动结晶器的连铸机，首先浇注铜铝合金获得成功，使有色合金的连续铸造早在 2 0 世纪3 0 年代就应用于生产。4 0 年代，琼汉斯又建成第一台浇注钢水的试验连铸机。 当时就已经开始研究振动水冷结晶器、浸入式水口和保护浇注等技术，为现代连铸机 奠定了基础。随后相继在美国、英国、奥地利、日本等国建成了中间性试验连铸机。 在2 0 世纪5 0 年代，连续铸造技术仍处于工业试验阶段。6 0 年代，连续铸造进入了工 业应用阶段，许多连铸设备相继问世。7 0 年代，连续铸造技术在能源紧张的压力下得 到了迅猛的发展。8 0 年代，连续铸造技术成为成熟的技术在冶金工业中得到了广泛采 用。9 0 年代至今，连续铸造技术又掀起了一场新的变革，许多新的连铸技术被先后提 出，部分已处于开发试生产阶段。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、6 0 年代弧形铸机的出现、7 0 年代由能源危机推 动的大发展、到8 0 年代日趋成熟的技术和9 0 年代新的变革 6 0 多年的发展历程。当 前一个国家连铸技术水平的高低已成为衡量其钢铁工业现代化程度的重要标志【删j 。 连铸技术的迅速地发展，主要由于它比传统的模铸具有更大的优越性：连铸可以 节省能源7 0 8 0 、提高成材率1 0 1 4 、节省劳动力7 5 、节省占地面积3 0 ， 并简化工序、改善劳动条件、易于实现自动化，而且可以提高质量，扩大品种，尤其 是可以促进管理、技术以至整个企业素质的提高，从而带来巨大经济效益，增强在国 际市场的竞争力。目前连铸生产快速发展已成为推动炼钢和整个钢铁生产蓬勃发展的 主要技术动力之一。 连铸设备和技术的日益完善和成熟，是与许多新技术的出现分不开的。其中具有 代表性的技术有： ( 1 ) 钢水准备：钢水的气体和电磁搅拌、喂线、真空处理、喷粉、化学和物理加 5 - 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 热、保护浇注等技术。 ： ( 2 ) 中间包：感应和等离子加热、氢气搅拌、流量精确控制、覆盖剂、钢水过滤、 钢流控制、热中间包返回交换、碱性包衬、中间包真空浇注、水口在线快换等技术。 ( 3 ) 结晶器：浸入式水v i 、电磁搅拌、热顶结晶器、电磁制动、在线调宽、液压 振动、非正弦振动等技术。 ( 4 ) 二次冷却及铸坯导向：汽水雾化冷却、e m s 、轻压下技术、铸坯表面在线检 测等技术。 2 1 2 我国连铸技术的发展 我国是较早发展连铸技术的国家之一，其发展经历了起步较早、缓慢发展、引进 移植、自我创新、迅速发展、高效改造等阶段。早在2 0 世纪5 0 年代中期，当连铸技 术尚处于工业性试验阶段时，我国就开始了连铸方面的试验性研究工作。1 9 5 7 年第一 台工业性试验铸机在上钢公司设计建成；次年年底，第一台生产性立式连续铸造机就 在重钢三厂投产。进入6 0 年代，中国连铸技术的开发与应用掀起了一股高潮，突出表 现在对弧形连铸技术的开发上。从6 0 年代后期到7 0 年代，我国连铸技术的开发都是 立足于国内，其发展极其缓慢。1 9 7 8 年我国连铸坯产量1 1 2 万吨，连铸比仅为3 5 ， 而同期世界连铸坯产量已达1 5 亿吨左右，连铸比约2 1 。改革开放以来，为改变我 国连铸生产的落后状况，国家对发展连铸技术给予了高度重视，先后从国外通过引进 设备、技术转让以及合作制造等方式在国内增建了一批具有国际先进水平的连铸机。 这些高水平连铸机的引进，为我国消化引进连铸技术、提高连铸技术水平创造了有利 条件，大大促进了我国连铸生产技术的发展。从1 9 8 9 年起，连铸坯产量的增长成为中 国钢产量增长的主要部分。从1 9 9 4 年起，连铸坯产量的增长超过了钢产量增长的绝对 量，带动了中国钢产量的迅速增长。1 9 9 8 年中国钢铁工业的连铸比达到6 7 ，2 0 0 1 年连铸比超过8 5 7 ，2 0 0 2 年连铸比超过9 0 9 - n 】。 尽管我国近十多年来取得了很大成绩，但和世界工业发达国家的技术水平相比仍 存在不小的差距，要克服这些不足，使我国的连铸技术达到或超过西方工业发达国家 水平。结合国家冶金发展规划，现阶段的工作主要集中在以下几方面： ( 1 ) 高效化改造。实现连铸高效化，其核心是提高连铸机的拉速。如国外低碳板 坯铸速普遍大于2 n g m i n ，最高3 0 m m i r a1 3 0 r a m x1 3 0 m m 和1 5 0 m m x1 5 0 m m 低碳方 坯最大铸速分别超过4 m m i n 和3 5 m m i n ，高拉速下连铸机生产效率会得到大大的提 高，而我国现阶段的生产水平与领先水平有较大差距。提高连铸机拉速，需要解决结 6 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 晶器和二冷段的冷却效果、结晶器的液面控制及相关技术问题。 ( 2 ) 增加连铸钢种品种，提高铸坯质量。主要是扩大连铸钢种的范围和比例，完 善高碳钢、合金钢连铸的技术手段，实现连铸以生产普碳低合金钢为主向扩大生产优 质碳素钢、高碳钢、高强度合金钢的转变。同时，要从炼钢到连铸整个过程加快新技 术及装备的应用与改造，提高钢的纯净度，改善铸坯内部结构，生产无缺陷铸坯。 ( 3 ) 提高自动化控制水平。国外连铸机中已普遍采用结晶器液面检测与控制技术， 计算机铸坯质量跟踪和判定技术、漏钢预警与控制技术在大型板坯连铸机中得到使用， 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还较低，采用新 技术与新设备少。 ( 4 ) 积极采用连铸新工艺、新技术成果，追赶世界先进水平。如国外精炼比迅速 提高，相关配套技术同步发展。目前国外精炼比已超过7 0 ，中间包耐材寿命一般可 达3 0 h 包，最高约l o o h 包。而我国精炼比仅为2 0 ，中间包最高寿命3 0 h 包。特别 是对一些性能要求比较高的钢种，如高碳重轨钢，由于现有设备的不足以及生产工艺 的落后，从而引发一系列的问题，因而提高冶炼工艺成为冶金工作者需要迫切解决的 问题之一【1 2 1 。 2 2 中间包冶金 2 2 1 中间包的作用 中间包浇铸是炼钢生产流程的中间环节，而且是由间歇操作转向连续操作的衔接 点，是提高钢产量和质量的重要一环。无论对于连铸操作的顺利进行，还是对于保证 钢水质量，中间包的作用都是不可忽视的。通常认为中间包起到以下作用【5 j ：分流作 用、连浇作用、减压作用及保护作用。随着连铸技术的发展和对铸坯质量要求的不断 提高，连铸工艺对钢水质量的重要意义渐渐为人们所认识。现代冶金观点认为：精炼 过程越延续至接近凝固阶段，越有利于提高铸坯质量。所以中间包作为连铸过程的中 间容器，已由原来的简单容器转变为具有冶金功能的反应器，而且这种功能也变得越 来越强。因此随研究的深入，中间包被认为还应具有如下精炼功能： ( 1 ) 清除钢水再次污染的来源，即防止二次氧化，减轻耐火材料侵蚀，减少盛钢 桶渣的卷入以及渣中不稳定氧化物的危害。 ( 2 ) 改善钢水流动条件，最大可能去除钢中非金属夹杂物，亦即防止短路流，减 小死区，改进钢水流动方向，增加钢水的停留时间。 7 一 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 ( 3 ) 选择合适的包衬耐火材料和熔池覆盖剂，既减轻热损失又有利于吸收上浮的 夹杂物。 ( 4 ) 控制好钢水温度，必要时增加加热设施，使钢水过热度保持稳定。 2 2 2 中间包冶金技术的发展 “中间包冶金学”的概念是在2 0 世纪8 0 年代初期提出的，多伦多大学教授a m c l e a n 是首创者【l 引，主要研究两个方面的内容：一是当钢包向中间包注入钢水时， 防止钢水被污染；二是对中间包钢水进行精炼处理，提高产品质量。近年来，中间包 冶金的学术研究逐渐成为热门课题，国内外许多学者对中间包冶金进行了广泛和深入 的研究，开发了多项中间包内控制流场的技术【1 4 1 饥。如中间包结构设计、流动控制技 术、抑n - - 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、加热钢水、热中间包重复使用等，常用的中间包控流装置和精炼方法如 图2 1 所示。 7 图2 1 中间包冶金过程的主要改善措施 f i g 2 1t y p i c a li m p r o v i n gm e a s u r e so ft u n d i s hm e t a l l u r g y 1 过滤器；2 感应加热，电磁搅拌；3 保护水口+ 吹氩；4 再加热；5 堰和坝 6 出流控制；7 覆盖剂；8 浸入式水口；9 底吹气 2 2 2 1 防止钢水再次污染技术 防止钢水再次污染，就是抑制钢水二次氧化、减轻耐火材料的侵蚀、减少渣的卷 入以及渣中不稳定氧化物的危害，使钢水的纯净度保持精炼后的水平。 二次氧化是钢水污染的重要原因【1 8 l ，其防止措施是采用保护浇铸技术，即从钢包 到中间包注流采用大包长水口和吹惰性气体保护浇铸，中间包液面加覆盖保护渣并全 8 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 程吹氩保护以隔断空气，或者采用密封罩来减少钢水二次氧化。 为防止中间包钢水卷渣，采用长水口保护浇铸、适当的控流装置、合理的液面深 度以及浇铸速度都可以减小液面波动，减少钢水卷渣现象的发生【1 9 2 1 1 。在非稳态浇铸 过程中，汇流旋涡的产生是中间包卷渣的主要原因。因此在换包过程中，在中间包内 设置类似于转炉出钢时使用挡渣球的浮游阀，可以有效地减少中间包渣卷入结晶器的 数量。英国钢铁公司与素而陶瓷公司共同开发研制成功的旋转 2 2 , 2 3 、德国d i d i e r 耐 火材料公司开发的旋转管阀2 4 】以及黄晔开发研究的双功能塞棒【2 5 】都可以有效地消除 汇流旋涡的影响，减少中间包卷渣，大大提高钢水收得率和洁净度。 耐火材料对钢水的再氧化作用已引起冶金工作者的广泛关注。被侵蚀的中间包包 衬耐火材料一部分成为钢水二次氧化的氧化源，一部分进入钢水成为非金属夹杂。有 文献资料【2 纯8 1 指出，中间包工作衬在钢水浇铸过程中会部分溶解到钢水中去，其中分 解出的氧会成为钢水再次氧化的来源。耐火材料材质不同，在钢水中溶解度也不同， 随着耐火材料材质由酸性到碱性的变化，其溶解度减小。如s i 0 2 质耐火材料在钢中的 溶解度较大，而m g o 、c a o 、a 1 2 0 3 等材质的工作衬对于常压下用a 1 脱氧的钢水来说 则是稳定的。目前为了适应多炉连浇的需要以及防止钢水污染，中间包衬趋向于使用 碱性材质和中间包内衬的全部钙质化【2 9 ，3 0 1 。 2 2 2 2 优化中间包的结构设计 为了充分发挥多流中间包冶金功能，目前主要是采取一定措施均匀各流间钢水的 温度，防止卷渣并将钢水中的夹杂物去除掉。中间包钢水的净化主要是通过夹杂物粘 附在包衬上或使其上浮至渣金界面被保护渣吸收来完成的，因此凡是有利于钢水中夹 杂物碰撞和聚合的行为都有利于夹杂物的去除，其主要技术手段有中间包钢水流动控 制、过滤器、中间包吹气搅拌等技术。 ( 1 ) 增大中间包容量 为了使中间包内夹杂充分上浮去除，目前中间包向大容量和深熔池方向发展。增 大中间包容量可使钢水在中间包内有较长停留时间，从而有利于夹杂上浮去除；增大 中间包熔池深度，一方面可以增大钢水在中间包内的最小停留时间，另一方面增大了 反应器体积，亦即增大了平均停留时间；较深的熔池表面流速较小，减轻了液面波动， 从而可以减轻钢水二次氧化。 张立峰等人【3 1 1 研究了不同容量中间包采取相同控流装置的冶金效果，其研究结果 表明，6 0 t 中间包夹杂去除率比1 0 t 中间包高出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 。 9 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 英国钢铁公司拉文斯克雷格厂的中间包由2 5 t 扩大至4 5 t 后，铸坯氧化铝夹杂数 量减少，夹杂在内弧侧聚集的现象也大为改善【3 2 1 。 吴永生等人【3 3 1 对扩容中间包冶金效果的研究表明，扩容后中间包内钢水平均停留 时间与扩容前相比延长了3 0 。 ( 2 ) 堰和坝 目前，在中间包内设置挡渣堰和导流坝是应用最为普遍的技术措施。通过在中间 包合理设置堰和坝，改善包内钢水的流态，可以增加钢水在中间包内停留时间，减小 中间包死区体积，显著促进夹杂物的上浮，而堰和坝的位置、尺寸以及数量对结果影 响很大。中间包设置堰、坝结构对直径5 0 1 0 0 t m 的夹杂物上浮最为有利。堰、坝合 理组合还可以减轻渣的卷入。 李义科等【3 4 1 利用数学物理模拟研究方法优化，设计了某钢厂连铸中间包控流装 置。其数学模拟研究结果表明，中间包不设置堰、坝时，活塞区体积分率仅8 8 ，而 死区体积分率则高达1 6 1 ，采用优化后的堰、坝控流组合方式，其活塞区体积分率 可达3 6 7 ，而死区体积分率则降至3 2 。其水模拟实验结果与数学模拟结果基本相 同，中间包不设置堰、坝控流装置，死区大，活塞区小，优化后中间包内流体的流动 特性大为改善。 王利亚( 35 】利用数学模拟的方法研究了中间包内堰、坝对中间包内钢水流动的影 响，其研究结果表明挡渣堰可以阻止表面回流，使注流产生的湍动集中在注入流区， 在下游形成流动平稳的熔池。而导流坝则可阻挡沿包底的流动，使流体流动折向上方。 同时他还指出，堰j 坝要配套设置，且堰应设置于坝的上游，才能改善中间包内流场。 王立涛等 3 6 1 采用数学模拟的方法，对板坯中间包内的钢水流动及夹杂物去除率进 行了模拟研究。结果表明，设置挡墙和坝后，中间包内有效防止了短路流，延长了平 均停留时间，夹杂物整体排除率明显提高，大大改善了中间包的冶金效果。 ( 3 ) 导流墙 导流墙是一个可取代堰、坝的单片式隔墙，其上设置一个到若干个不同尺寸和倾 角的孑l 洞，以控制钢水的流速和方向。导流墙对于控制自然对流对钢水流动方向的影 响以及避免坝体上浮都非常有效。在实际使用过程中，导流墙还能吸附非金属夹杂， 提高钢水纯净度。 英国钢铁厂的实践表明，在六流中间包中采用不对称、能承受7 h 以上浇铸的陶瓷 质导流挡板后，与不设控流装置中间包的冶金效果相比，内、外侧水口的钢水温度差 降低了7 ，拉漏现象的发生率降低了4 0 ，拉坯成型率提高了8 ，并且无水口阻塞 1 0 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 现象【3 7 】。 ml l o u r y 等人【3 8 】对a 1 t i l c ok a n s a s 钢铁厂的六流t 型中间包进行了水模和数模实 验，实验的中间包有两种形式。一种是内设上、下挡渣墙，而另一种在第一种基础之 上又加了多孔导流挡板。实验证明：带有导流挡板的中间包内流向各水口的钢水更加 均匀，从内侧水口流出的钢水的平均停留时间比前者延长了3 5 ，但对于从外侧水口 流出的钢水来说，平均停留时间却略有些缩短。 李东辉等【3 9 1 通过数学物理模拟研究了中间包内流体流动及夹杂物的传输行为，提 出了一种新型中间包挡墙流动控制形式一双板多孔挡墙流动控制。结果表明，中间包 采用多孔挡墙流动控制后，夹杂物上浮率比堰、坝组合控流装置提高1 0 左右，特别 是提高了中间包去除小颗粒夹杂物的能力，提高了钢水洁净度。 ( 4 ) 湍流控制器 图2 2 方形湍流控制器结构示意图 f i g 2 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fq u a d r a t et u r b u l e n c ei n h i b i t i n gp o u r i n gp a d 湍流控制器示意图见图2 2 ，其相关研究工作始于二十世纪9 0 年代初，基本思路 是在中间包长水口下方安装一种流动控制装置，以抑制钢包高速注流对中间包流体流 动的干扰h 叭。该装置能减弱中间包流动的湍流程度，有利于钢水中夹杂物的上浮，而 且还能减小对中间包冲击区包衬耐火材料的冲刷侵蚀，提高中间包使用寿命，并获得 平稳的液面流动，减少液面涡流造成的卷渣。我国此项研究工作也开展得较早，在一 些钢厂应用后效果显著。目前该技术在国内外许多钢厂得到了推广应用。 rw c r o w l e y 等人h 1 】在三重挡渣墙的中问包中加设湍流控制器发现，采用湍流控 制器后活塞流体积分率增加，死区体积分率下降，最小停留时间提高。工厂实践表明， 除了降低正常浇注和换包时的湍流外，还可以在新开浇时将大包水口完全打开，水口 11 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 阻塞次数减少，钢中的氧含量降低。 张立等【4 2 1 通过对采用湍流控制器的中间包进行水模拟实验研究后指出，中间包采 用合理的湍流控制器，可改善中间包钢水流动特性，延长钢水在中间包内停留时间， 提高中间包活塞流体积分率，降低死区体积分率。而且采用湍流控制器后，中间包液 面流动平稳，无小而急的旋涡流动产生，因此可避免卷渣的发生。 钟良才等【4 3 】通过水模拟实验，研究了不同结构的湍流控制器对中间包流体流动特 性的影响。研究结果指出圆形和方形无顶缘的湍流控制装置对改善中间包流体流动特 性效果不理想，而带顶缘的圆形，特别是方形湍流控制装置，可以显著地改善中间包 流体流动特性。 m o r a l e s 等m 】对安装有控流装置的中间包流场进行了数学物理模拟研究。其研究 结果表明，装有湍流控制器和坝的中间包比装有堰和坝或无控流装置的中间包产生了 更大的活塞流体积，能更有效地消除钢水表面的湍流和扰动现象，促进夹杂物的上浮。 ( 5 ) 其他结构的控流方式 中间包吹氩，可使钢水温度和成分更加均匀，并可进一