连铸工艺控制培训讲义

2 目目 录录 第一章第一章 连铸钢水的质量控制连铸钢水的质量控制 1 1 连铸钢水的温度控制 1 1 2 连铸钢水的成分控制 5 1 3 钢水含氧量的控制 16 第二章第二章中间包冶金中间包冶金 2 1 中间包冶金功能 17 2 2 中间包钢水夹杂物的去除 20 2 3 中间包操作过程的流动现象 24 2 4 中间包精炼技术 29 第三章第三章 连铸保护渣连铸保护渣 3 1 连铸用中间包覆盖剂 29 3 2 结晶器保护渣 34 第四章第四章 连铸操作连铸操作 4 1 生产准备状态 41 4 2 备机操作 44 4 3 浇铸操作 48 4 4 连铸钢水拒浇的条件 52 第五章第五章 连铸常见工艺事故及处理措施连铸常见工艺事故及处理措施 5 5 1 钢包事故 55 5 5 2 中间包事故 57 5 5 3 结晶器事故 60 5 5 4 其它事故 63 第六章第六章 连铸的先进工艺连铸的先进工艺 6 1 结晶器液位自动控制 65 6 2 动态软压下 68 6 3 方坯连铸电磁搅拌技术 70 6 4 高碳连铸的组合电磁搅拌技术 78 2 第一章第一章连铸钢水的质量控制连铸钢水的质量控制 与传统的模铸相比 连铸对钢水质量有着严格的要求 它既要保证稳定适宜的钢水温度和脱氧程度 以满足可浇性 又要最大限度地降低钢中 S P 杂质及气体含量 以确保连铸 的顺行和铸坯质量的提高 保证合格钢水的及时供应 是提 高连铸生产的基础和前提 1 11 1 连铸钢水的温度控制连铸钢水的温度控制 一 连铸钢水温度控制的重要性一 连铸钢水温度控制的重要性 钢水的浇注温度是浇注的重要工艺参数 连铸的要求比 模铸要严格 原因 1 1 合适的浇注温度是顺利连铸的基础合适的浇注温度是顺利连铸的基础 钢水温度过低 容易引起中间包水口冻结 迫使浇注中 断 钢水温度过高 容易引起钢水包水口失控 会使坯壳减 薄和厚度不均 造成漏钢 2 2 合适的浇注温度是获得良好铸坯质量的基础合适的浇注温度是获得良好铸坯质量的基础 浇注温度偏高浇注温度偏高 会加剧钢水的二次氧化 加剧对钢水包衬会加剧钢水的二次氧化 加剧对钢水包衬 耐火材料的侵蚀耐火材料的侵蚀 增加钢中非金属夹杂物增加钢中非金属夹杂物 使铸坯鼓肚 内使铸坯鼓肚 内 裂 中心疏松和偏析等缺陷的产生 裂 中心疏松和偏析等缺陷的产生 浇注温度偏低浇注温度偏低 使结晶器内钢液形成冷壳 恶化铸坯的使结晶器内钢液形成冷壳 恶化铸坯的 表面质量 且使钢中的非金属夹杂物难于上浮排除 降低钢表面质量 且使钢中的非金属夹杂物难于上浮排除 降低钢 2 的纯净度 的纯净度 二 连铸钢水的温度要求二 连铸钢水的温度要求 1 高温 高温 由于增加了中间包的热损失 中间包水口小 浇注 时间长 因此钢水温度比模铸高 20 50 才能顺利浇注 2 均匀均匀 实际上钢包内钢水温度是上下偏低 中间温度高 这样会造成中间包钢水温度也是两头低中间高 不利于浇 注过程的控制 因此要求钢包内钢水温度均匀 3 稳定稳定 连铸时供给的各炉钢水温度不要波动太大 保持在 10 20 三 连铸钢水浇注温度的确定三 连铸钢水浇注温度的确定 连铸钢水的浇注温度 一般是指中间包内的钢水温度 连铸钢水的浇注温度 一般是指中间包内的钢水温度 钢水的浇注温度等于该钢种的液相线温度加上中间包钢水合钢水的浇注温度等于该钢种的液相线温度加上中间包钢水合 适的过热度适的过热度 T TC C T TL L T T TC 浇注温度 TL 钢的液相线温度 T 中间包钢水的过热度 1 1 钢的液相线温度的计算钢的液相线温度的计算 钢水的液相线温度是确定浇注温度的基础 它取决于钢钢水的液相线温度是确定浇注温度的基础 它取决于钢 水中所含元素的性质和含量 水中所含元素的性质和含量 普碳 低合金应用 普碳 低合金应用 T TL L 1537 1537 88 C 8 Si 5 Mn 30 P 25 S 5 Cu 4 Ni 2 M 88 C 8 Si 5 Mn 30 P 25 S 5 Cu 4 Ni 2 M o 2 V 1 5 Cr o 2 V 1 5 Cr 2 2 2 过热度的确定过热度的确定 钢水的过热度的最大值出现在一炉钢的浇注总时间的四 分之一左右 此时中间包内钢水温度最高 称为最大过热度 浇注结束时钢水温度减去液相线温度等于浇注末期过热度 连铸钢水过热度对连铸机产量和铸坯质量的影响 高的过热度 会使拉速降低 增加拉漏的危险性 中心偏析严 重 但有利于夹杂物的上浮 相反 低的过热度会使拉速提 高 拉漏的几率减小 中心偏析减轻 夹杂物上浮困难 中间包内合适的钢水过热度决定于 所浇注的钢种 钢包和中间包内合适的钢水过热度决定于 所浇注的钢种 钢包和 中间包内的热状况 中间包容量和形状 中间包内衬材质 中间包内的热状况 中间包容量和形状 中间包内衬材质 铸坯断面 钢水纯净度和铸坯的内部质量 铸坯断面 钢水纯净度和铸坯的内部质量 一般来说 钢种含碳量低 铸坯断面小 则钢水的过热 度取低些 相反 钢种中 C Si Mn 含量高 铸坯断面大 则钢水的过热度取低些 不同的钢种 过热度的取值如下 板坯高 C 高 Mn 钢 5 10 碳结钢 10 15 铝镇静钢 15 30 硅钢 5 10 不锈钢 15 20 3 浇注温度的确定 TL TC T 选择合适的过热度 加上钢种的液相线温度 例 浇注普碳钢 Q235 其化学成分为 2 钢号CSiMnPS Q2350 14 0 220 12 0 300 35 0 65 0 040 0 040 TL 1537 88 0 14 8 0 12 5 0 35 30 0 04 25 0 04 1520 TL 1537 88 0 22 8 0 30 5 0 65 30 0 04 25 0 04 1510 因此 该钢种的液相线温度范围为 1510 1520 钢水 过热度取 30 则该钢种的浇注温度范围为 1540 1550 四 连铸钢水传递过程中温度的变化规律四 连铸钢水传递过程中温度的变化规律 生产过程中 钢水进入钢包后 随着时间的推移 其温 度逐渐降低 要确定不同钢种的合理浇注温度 必须确定出 出钢至浇注各个阶段的温度损失 钢水过程总温降 T总 T1 T2 T3 T4 T5 T1 出钢时的温降 主要取决于钢水的出钢温度 出钢时间 钢水包容量及 包衬材质 加入合金的种类和数量 包衬的状态等 缩短出 钢时间 减少包衬吸热 可减少出钢时的温降 T T2 2 出钢后到钢水炉外精炼站运输过程中的温降 出钢后到钢水炉外精炼站运输过程中的温降 主要取决于钢包容量 包衬材质和钢包表面覆盖 等待 时间和运输距离等因素 钢包包衬温度愈高 钢水热损失愈 少 加快钢包周转 保证红包出钢 是减少钢水温降的有效 办法 T T3 3 钢水在钢包处理过程中的温降 钢水在钢包处理过程中的温降 2 主要取决于钢水的炉外处理方法 当钢包采用吹氩处理 时 50 吨钢包不烘烤吹 3 分钟的氩气降温 30 T T4 4 钢包运至中间包处的过程温降 钢包运至中间包处的过程温降 主要取决于大包开浇的 等待时间 T T5 5 钢水在中间包内的温降 钢水在中间包内的温降 主要取决于中间包内衬吸热和钢水表面的辐射散热 试验测定表明 如果中间包钢液表面无任何覆盖剂 表面的 辐射散热占总热损失的 90 因此中间包内钢液表面的覆盖 保温是不可缺少的 炭化稻壳具有良好的保温效果 五 出钢温度的确定五 出钢温度的确定 根据钢种 铸坯断面等确定了中间包钢水温度的目标值 再加上钢水传递过程中总温降 T 就可确定出钢温度 T出 TC T总 浇注第一包钢水时 因中间包内钢水热损失较大 为便 于开浇 要求出钢温度比连铸时提高 10 15 例如国内本 钢 120 吨转炉连铸 Q235板坯的出钢温度 1 浇注温度 1530 1535 2 过程温降 大包到中间包的温降 30 35 吹氩后到开浇等待时间温降 10 吹氩降温 15 出钢降温 60 所以 出钢温度为 T出 1535 35 10 15 60 1655 2 六 连铸钢水温度控制的对策六 连铸钢水温度控制的对策 连铸钢水温度控制的目的 连铸钢水温度控制的目的 使中间包钢水浇注温度在目 标温度范围内 但实际生产中 影响因素很多 温度波动大 偏离预定的目标温度 为此必须对钢水温度进行调整 1 稳定出钢温度 稳定出钢温度是控制的基础 具体措施为 1 转炉内钢水温度是不均匀的 终点测温点应选定具有代 表性的位置 2 转炉冶炼应根据铁水成分 温度等确定适当的冷却剂加 入量 并要稳定冶炼工艺操作 提高终点出钢温度的命中率 3 维护好出钢口 缩短出钢时间 4 各厂根据本厂的生产实际 建立出钢温度控制模式 2 2 减少传递过程中的钢水温降减少传递过程中的钢水温降 浇注过程温降中 出钢温降和中间包温降最大 且波动 比较大 因此降低过程温降 关键是要降低出钢过程温降和 中间包温降 1 红包出钢 对于 150 吨的钢包 包衬提温 20 出钢 温降可减少 1 包衬温度低于 800 应用煤气烘烤 2 缩短钢包出钢前的等待时间 对于 150 吨的钢包出钢前 钢包等待时间 10 20 由于包衬周围的热大量向四周散失 包衬散失热量相当于钢液温降 11 13 所以应使钢包在出 2 钢前的等待时间缩短到最低程度 3 钢包液面加覆盖剂 采用炭化稻壳覆盖钢液可减少热损 失 13 3 4 钢包加绝热层和钢包加盖 150 吨钢包 包衬采用绝热 层可减少温降 12 钢包预热情况下 钢包加盖可减少温降 22 5 加速钢包周转 严格控制钢包周转 缩短钢包周转时间 虽然预热时间减少 但包内热含量要高 减少热损失 6 减少中间包的热损失 A 开浇时 降温较大 开浇困难 开浇前中间包必须预热 B 砌砖中间包烘烤时间在 2 小时以上 若预热温度从 750 提到 1000 可减少开浇时温度损失 1520 C 砌绝热板中间包 开浇前预热 20 30 板子表面温度 800 与冷包比减少初期温降 1520 D 中间包加盖或加炭化稻壳覆盖 七 钢水温度不正常的处理七 钢水温度不正常的处理 一 钢水温度不均匀时的处理 吹氩 1 连铸钢水为什么要进行吹气搅拌 1 从炼钢炉出到钢包的钢水 在钢包内钢水温度分布是不 均匀的 由于包衬吸热和钢包表面的散热 在包衬周围钢水 温度较低 而钢包中心区域温度较高 这样如把钢水注入中 间包 由于中间包衬的吸热再加上钢包底部钢水温度较低 就会造成中间包钢水温度降低过大而接近液相线温度 导致 2 水口冻结 浇注中断 2 钢包上 下部钢水温度低而中间温度高的特点 导致浇 注过程中中间包钢水温度前 后期低 中期温度高 引起结 晶器坯壳生长厚度的不均匀性 同时影响铸坯的内部质量 2 2 吹气的目的吹气的目的 借助吹惰性气体搅拌来均匀温度 使包底附近的低温钢 水向表层移动 并且使包内温度均匀化 1 1 均匀钢水温度 促使钢包内上 下部钢水温度的均匀 均匀钢水温度 促使钢包内上 下部钢水温度的均匀 2 2 均匀钢水成分 出钢时加入的铁合金 在搅拌时得到很 均匀钢水成分 出钢时加入的铁合金 在搅拌时得到很 好的均匀 好的均匀 3 3 促使钢水中的非金属夹杂物上浮 促使钢水中的非金属夹杂物上浮 3 吹气种类的选择 生产中常用的钢包搅拌气体有惰性气体 Ar 和不活泼 气体 N2 Ar 不溶解于钢水 也不与任何元素发生化学反应 是一种 理想气体 但其成本很高 约为 N2成本的 5 10 倍 N2 便宜 高温下 N 能溶解在钢水中 能与钢中的一些元素 反应生成氮化物 影响钢的质量 因而它的使用受到了一定 的限制 4 吹气量的确定 吹气压力和吹气流量的控制应以不使钢水裸露翻腾为原 则 否则钢水发生二次氧化 使钢中氮和夹杂物含量增加 影 响钢包吹气搅拌效果最重要的因素是吹气流量和吹气压力的 2 选择 吹入钢水中的气体 分散成无数的小气泡而上浮 同 时 在高温钢水中气体被加热而膨胀 这样产生的上浮力 抽引力相当于吹入气体体积的 50 100 倍钢水进行循环运动 从而产生了强烈的搅拌作用 随着吹气量的增加 搅拌强度 的增加 如果吹气量超过某一临界值 吹入的气体从钢包底 部向上形成穿流 容易引起钢水的喷溅 加重了钢水的二次 氧化 减轻了搅拌强度 吹氩压力 0 2 0 3MPa 吹氩流量 0 10 0 20m3 min 吹氩耗量 0 1 0 5Nm3 t 吹氩搅拌时间应大于钢水温度和成分混匀的时间 3 5min 二 包内钢水温度偏高时 在吹气搅拌的同时向钢水中加入轻型的洁净的废钢降温 冷却效果比较稳定 加入 1 的废钢 可使包内钢水温度降低 约 14 即每降温 1 需加废钢 0 7 公斤 三 包内温度偏低时 在钢包内对钢水进行加热处理 1 加热对连铸带来的益处 1 有可能进一步降低出钢温度 减轻转炉的额外负担 提 高炼钢炉的生产率 2 可以更精确地控制钢水的温度和成分 特别是可对因各 种事故造成的低温钢水进行应急补救 使连铸生产更趋于稳 定 2 3 钢水包钢水加热装置可以成为炼钢和连铸之间的缓冲设 备 有利于炼钢 连铸的均衡生产 因此 钢水包内钢水的加热技术正在成为炼钢 连铸实现高 效 均衡 稳定生产的重要措施 2 加热的方法 1 电弧加热法 也称钢包炉 LF 炉 法 它由钢包盖 盖上有三个电极 孔 喷粉系统 除尘系统 电极加热系统和测温取样系统所 组成 钢水面上覆盖一层 75mm 左右厚的合成脱 S 渣 加热时 降下电极 然后钢水在吹气搅拌的同时被电弧加热 根据需 要喷吹脱氧剂和合金对钢水成分进行微调 此种加热方法使 用埋弧加热 热效率高 脱硫和扩散脱氧的效果好 费用低 采用的比较多 2 化学加热法 用喷枪吹氧使加入到钢水中的铝等元素氧化 释放大量 的热量 使钢水快速升温 因在浸渍罩内几乎没有渣子 所 以吹入的氧气 与钢水直接接触 氧化效率高 因而特别易 于预测钢水的升温情况 试验表明 当吹氧 4min 铝粉耗量为 0 5 时 kg t 150 吨钢水包内钢水温度可升高约 20 1 2 连铸钢水的成分控制 钢水成分首先应满足钢种规格的要求 但符合要求的钢 水不一定完全适宜连铸 例如 普碳钢 模铸要求 S 含量为 0 050 以下 但连铸要求 S 含量为 0 030 以下 2 因此 必须根据连铸工艺和铸坯质量的特殊要求 对钢 水的成分进行严格的控制 一 控制原则一 控制原则 1 成分的稳定性 控制成分在较窄的范围 连浇炉次的钢水成分一定要稳 定 才能保证铸坯的性能均匀 2 2 抗裂纹敏感性抗裂纹敏感性 连铸坯受到强制冷却凝固过程中的热应力 组织应力 静压力 拉坯矫直力等 一旦在铸坯的薄弱部位造成应力集 中 就会引起铸坯的表面裂纹或内部裂纹 因此 必须控制 裂纹倾向的元素 避开各成分裂纹敏感区 减少对裂纹有害 元素的含量 加入第三种元素消除不良元素的影响 3 3 钢水的可浇性钢水的可浇性 防止水口堵塞 采取合理的脱氧制度 不使铸坯产生皮 下气泡 二 钢水中元素的种类二 钢水中元素的种类 1 合金元素 有意加入到钢水中的 使其达到规定的成分范 围 保证钢的机械性能和使用性能 如 Si Mn 等 2 杂质元素 不希望在钢中存在的 也不是有意加入的 对 钢的性能起有害作用 如 P S 等 3 微量元素 有意加入的 是为了改变钢的某一种性能的 2 如 B Ti V 等 4 残余元素 由原材料或耐火材料带入的 在炼钢的过程中 难以去除的 影响钢的热脆性和腐蚀性 如 As Sb Cu 等 三 成分控制三 成分控制 1 C 是钢中最基本的也是对钢的组织性能影响最大的元素 必须对它进行精确控制 多炉连浇时 各包次之间钢水的 含碳量的差别要求 0 02 因为 C 0 10 0 12 时 对铸坯纵裂纹的敏感性最大 结 晶器热流最低 结晶器内凝固坯壳不均匀 主要是此含 C 量 在凝固过程中的包晶反应造成的 2 Si Mn 控制在较窄的范围内 保证连浇炉的 Si Mn 的相 互稳定 必须经过炉外精炼的成分微调 达到钢 种的要求 3 P S S 0 020 板坯表面热裂纹增加 P S 含量应 根据产品质量要求按钢种的下限控制 4 残余元素 钢中原料带入的 不是有意加入的 在钢水的 精炼过程中又不能去除 残留在钢中的元素 如 Cu Sn Pb 等 其总量 0 20 1 3 1 3 连铸钢水的纯净度控制连铸钢水的纯净度控制 钢水纯净度是指钢中气体 N2 H2 O2 含量和非金属夹 杂物的含量 形态和分布 纯净度高 可改善钢的性能 减 少铸坯的缺陷 提高内部质量 提高最终产品的机械性能和 2 使用性能 一 冶炼钢水含氧量的控制一 冶炼钢水含氧量的控制 1 炼钢熔池中氧的行为 钢水的氧受熔池中的 C 和炉渣中的 FeO 的控制 O 实际随着 C 的降低而增加 C 高则 O 低 终点氧愈高 产 生的夹杂物愈多 O 实总是高于 O 平 它们之间的差值称为熔池的过剩氧 这些过剩的氧靠出钢时的脱氧操作去除 因此 要控制冶炼 终点的钢水中的氧含量 2 转炉终点氧含量的控制 转炉冶炼为了减少终点氧含量 应减少后期拉 C 次数 防止后吹 后吹的钢水一定要包内增 C 利用 C O 反应激烈 沸腾 对钢水脱氧 降低钢中夹杂物的含量 二 夹杂物种类和形态的控制二 夹杂物种类和形态的控制 1 Si 和 Mn 的脱氧 仅用 Si Mn 脱氧的钢 Mn Si 3 0 脱氧产物为固态的 SiO2 结晶器面上产生粘的浮渣 钢水流动性差 易造成漏 钢的危险 Mn Si 3 6 脱氧产物颗粒半径大 液态的硅酸盐 有利于夹 杂物上浮 因此 在保证钢的成分条件下 钢中 Si 按中下限控制 Mn 按中上限控制 易于得到 液态的硅酸锰 提高流动性 改善了钢水的可浇性 2 铝脱氧 2 强脱氧剂 与 Si Mn 脱氧比可保持从出钢到浇注再到凝 固时 钢中氧含量始终是低浓度 AI2O3夹杂在钢中呈群簇状 具有树枝形的特点 1 AI2O3夹杂的影响 A 尽管群簇状夹杂物尺寸相当大 但外形复杂的树枝状间包 含钢 提高了夹杂物的显密度 因而显著降低夹杂物上浮速 度 B AI 0 006 时 全部为 AI2O3夹杂 定径水口易造成结瘤 C AI 镇静钢中 AI 0 02 0 05 不发性水口堵塞的中包水 口直径为 50 70mm 2 防止钢水中 AI2O3群簇状夹杂物堵水的措施 用 Fe Al Si 合金代替 Al 脱氧 可稳定提高 Al 的回收率 纯 Al 的熔点是 660 而合金熔化温度较高 加入的合金在 钢包内保持固态时间较长 受热内部应力增加 合金炸裂有 利于 AI 向钢水中溶解 同时 合金中 Si 的初晶体包围 Al Si 共晶体 保护 Al 不被空气氧化 使合金分散在钢水中 2 第二章第二章 中间包冶金中间包冶金 传统的中间包只起到储存 分配钢水和稳定注流的作用 随着连铸对钢的质量要求日益提高 人们把中间包作为钢包 与结晶器之间的一个精炼反应器 以进一步改善钢的质量 2 1 2 1 冶金功能冶金功能 一 净化功能一 净化功能 在中间包内采用挡墙加坝 吹 Ar 过滤器等措施 降低 钢中非金属夹杂物的含量 生产高纯度钢 改善钢水流动形 态 延长钢水在中间包内的停留时间 促进非金属夹杂物的 上浮排除 二 调温功能二 调温功能 在中间包内可以对钢水进进行温度的调整 最后达到中 间包前 中 后期钢水温差小于 5 三 精炼功能三 精炼功能 由塞棒杆中心孔向结晶器喂入 Al Ti B 等合金元素 达到钢种的要求 实现了上述要求 就进一步净化了进入结晶器的钢水清 洁度 提高了中间包当作一个连续精炼冶金反应器的构想 2 2 2 2 中间包钢水夹杂物的去除中间包钢水夹杂物的去除 夹杂物上浮速度夹杂物上浮速度 在静止液体中质点上浮速度 在静止液体中质点上浮速度 V 2 R g l s 9 cm s R 夹杂物质点半径 cm 2 l 钢流密度 s 夹杂物密度 钢液粘度 g 重力加速度 二 影响因素二 影响因素 由于中间包钢水流动的紊流作用 夹杂物相互碰撞聚合 加速了夹杂物上浮 而聚合速度取决于紊流动能的消失速率 中间包的紊流强度可促使包内夹杂物质点的碰撞聚合 有利 于夹杂物的上浮 三 采取的措施三 采取的措施 1 增加钢水在中间包平均停留时间 使夹杂物有足够的时间 上浮 中间包大容量发展 2 改善液体流动轨迹 液体把夹杂物带到中间包表面区 缩 短了上浮距离 在中包内设障碍物 改变流动方向 消除死 区 3 钢包注流不应把夹杂物带入中间包底部而是在某一定高度 中包液位由浅熔池向深熔池方向发展 四 钢水平均停留时间四 钢水平均停留时间 1 钢水从钢包入口连续流出到结晶处所经历的时间叫理论平 均停留时间 2 钢水在中间包内的停留时间越长 夹杂物上浮的几率就越 大 目前停留时间一般为 3 10min 促使中间包内夹杂物上浮的最有效的办法是 采用大容 量 深熔池的中间包 2 2 3 中间包操作过程的流动现象中间包操作过程的流动现象 一 中间包钢液流动概念一 中间包钢液流动概念 描述液体流动的基本参数是流动速度 流动轨迹和紊流 强度 Re 2000 层流 Re 2000 紊流 若钢包水口注流速度为 3 2 m s Re 26105 高度紊流 中间包水口注流的 Re 12105 高度紊流 中间包内流速 1 2 m s Re 104 中等紊流 2 钢包注流冲击区 钢包注流进入到中间包的冲击区 可能存在的流动状态 是 1 注流为自由流股 流股卷入周围液体而逐渐消失 2 注流流入一个对称的中间包 引起多种类型的循环流动 3 注流流入非对称的中间包 引起多种类型的循环流动 3 注流卷入空气 钢包注流相当于 喷射泵 的作用 把周围的空气卷入 到液体中 加重了二次氧化 污染钢水 卷入空气量主要取 决于注流的紊流程度 注流为光滑的层流 卷入空气量较少 2 注流为脉动紊流 卷入空气量较多 注流为高度紊流 卷入空气量很多 注流为分散的液滴 卷入空气量最大 注流卷入的空气进入中间包冲击区 破裂成细小的气泡而引 起附加的环流 4 旋涡 当容器中液体快流完而液面降到临界高度时 在流出口 上方形成旋涡 其危害 1 中间包渣卷入到结晶器中 2 把空气卷入到液体中 3 使中间包注流不稳定 搅乱结晶器的钢液流动 防止的措施 只要液面下降到临界高度时就产生 通过中间 包的合理设计 控制合适的液面高度 在适当 的位置安放挡墙和坝 减轻旋涡 卷渣带来的 危害 5 流动不稳定性和波的形成 在开浇时中间包液面升高或在换钢包和浇注末期中间包 液面降低时 有液面升高或降低时 流速变化而导致表面波 的形成 入口和出口条件变化 不稳定性导致表面波 表面 波的扩散 引起中间包钢渣界面的搅动而卷入渣子 对质量 不利 二 中间包流动形态控制二 中间包流动形态控制 1 中间包无控制流动 2 1 钢包注流带入大量空气 沸腾作用 使中间包表面呈 波浪运动 加剧了二次氧化 2 中间包底存在钢水停滞区 温度不均匀 3 由于有死区存在 中包容积未能充分利用 夹杂物不易 上浮 2 2 中间包控制流动中间包控制流动 沿中间包宽度方向放置露出液面的挡墙 流体仅能从底 部通道流过 1 1 挡墙的作用挡墙的作用 A 封闭钢包注流冲击区的紊流 防止表面卷渣 从底部通道 流过的液体 分裂成两股回流 一个是沿中间包顶部的回 流 另一个是向中间包边墙而流向水口 有利于夹杂物的 上浮 加速液体的再循环 B 挡墙可消除中间包底部区域的死区 C 改善钢水流动的轨迹 使流动沿钢渣界面流动 缩短了夹 杂物上浮距离 有利于渣子吸收 2 坝 中间包底部沿宽度方向砌一定高度的障碍物 有不同的 形状和结构 与墙同时采用 减少了死区 平均停留时间比 单用挡墙增加了 2 倍 比没有时增加了 4 倍 夹杂物可以充 分地上浮 缺点 浇注结束时中间包和墙或坝之间保留一定量的钢水而 不易清除 2 三 中间包卷渣三 中间包卷渣 1 中间包保持正常液位 钢包为敞开浇注 中间包内的流动 特点是 1 沿钢 渣界面有剪切力作用把渣子卷入内部 2 注流冲击力引起液体表面波浪运动 液位下降时 这种 剪切力和波浪造成的卷渣更严重 2 中间包保持正常液位 采用长水口浇注 中间包内的流动 特点 1 钢 渣界面流动剪切力减轻 2 减轻了由注流引起的波浪运动 3 中间包卷渣的影响因素 1 钢渣界面流动的剪切力和表面波 2 注流冲击区的紊流 3 低液位时水口上部形成的旋涡 防止方法 保持中间包最大的熔池深度 1 1 1 2m 安装 挡渣墙和挡渣坝 2 4 2 4 中间包精炼技术中间包精炼技术 一 一 中间包吹氩搅拌中间包吹氩搅拌 1 作用 1 增加搅拌 促进夹杂物上浮 2 形成液面保护层 3 改善流动善状况 2 方式 1 在中间包底部安装多孔透气砖 2 在工作层与永久层之间嵌入多孔的管状气体分配 2 器 3 在挡墙上安装多孔砖 4 使 Ar 气泡均匀地从底部上浮 使夹杂物上浮 在中间包塞棒中心孔的浸入式水口向结晶器吹 Ar 防止水口 堵塞 生产中广泛采用 但必须注意管子连接处的密封性 如密封不好 如同一个 喷射泵 吸入空气 加重了钢水的二次氧化 二 夹杂物形态控制二 夹杂物形态控制 原则上讲 钢包钢水成分微调技术均可应用于中间包 在中间包内加入易氧化元素 Ti Al Ca 或微量元素 B V 钢水与污染源 渣子 包衬 空气 接触时间较短 有利于提高元素的回收率 中间包熔池浅 钢水停留时间有 限 为确保元素能充分吸收 广泛采用喂丝法 喂丝 在中间包内喂入 Ca 丝 Ca Si Ca Si Ba 的包芯线 目的 把高熔点的串簇状的 Al2O3改为低熔点的球形铝酸钙 12CaO 7 Al2O3 改善了钢水的流动性 防止了 Al2O3堵水口 三 中间包过滤器三 中间包过滤器 1 目的 采用钢包精炼和中间包冶金技术只能去除大于 50 m 的大颗粒夹杂 过滤技术可去除小于 50 m 的夹杂 2 钢种 钢的薄板制品 汽车板 食品缶头 要求高的深冲 2 性 轮船用的钢丝 要求高的深拉性 高碳钢 要求 高的抗疲劳性 3 原理 传统的钢水过滤技术是依赖于钢水与夹杂物之间密 度的差别 促使夹杂物上浮 见斯托克斯 公式 向渣层转移最终被渣子吸收 过滤器 不同于上浮分离法 它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 杂物从液体中分离出来 净化了钢液 1 筛网过滤器 凡是大于网眼尺寸的夹杂物都被机械地截 住 而小于网眼的夹杂物随液体流走 一般用来过滤外 来大块夹杂物 炉渣 耐材等 2 饼状过滤器 钢水经过多孔介质时 固体夹杂物沉积在 过滤器上部 随着过滤的进行 滤饼层逐渐变厚 钢水 流动阻力增大 为保持液体恒定流量 要求迅速增加整 个滤饼层上的金属静压力 3 深床过滤器 去除夹杂物尺寸一般小于网眼孔径 为有 效地捕捉夹杂 必须迅速把夹杂物传到网孔表面并粘附 烧结在上面 而粘附决定于夹杂物与钢水的润湿和网孔 的表面状态 如 Al 脱氧钢 Al2O3与钢水不润湿 流动 把 Al2O3传输到网孔表面而沉积下来 原理 是一个液体传递过程 1 流体流动把夹杂物传输到过滤器表面 2 过滤器捕获夹杂物 捕获机制有直接截留 沉淀和流体 2 传递 3 高温下夹杂物烧结在表面上 最终会使过滤器堵塞 钢 水断流而失效 泡沫陶瓷过滤器是一种微孔结构材料 具有高容量疏松 度 82 90 每 1cm3泡沫陶瓷上有 10000 个的过滤表面 4 材质 1 与钢水长时间接触过程中 过滤器能承受热应力和机械 应力的作用 2 能抵抗钢水和渣子的侵蚀而不发生化学作用 3 既能有效清除夹杂物 又没有过大的阻碍钢液流动的阻 力 目前主要材质 莫来石 3Al2O3 SiO2 氧化铝 99 Al2O3 稳定氧化锆 ZrO2 MgO 泡沫陶瓷过滤器具有重量轻 孔径弯曲 表面积大 压力损 失小 高温机械性能好 能截除钢中细颗粒的 Al2O3夹杂 四 中间包加热技术四 中间包加热技术 在浇注过程中 钢水温度 钢水成分和钢水流动性是控 制连铸机生产率和铸坯质量的三个重要的变量 提出了浇注 过程中温度稳定控制的概念 其中重要的是中间包钢水温度 稳定性控制问题 加热目的 浇注过程中 中间包内钢水温度保持稳定 波动 小 是生产优质钢的基本条件 但中间包开浇 2 连浇换包和浇注结束时 钢水温度偏低 使夹杂 物上浮分离困难 严重时会冻结水口 为此 采 用中间包加热技术 补偿钢水温度降低 使中间 包钢水温度保持在目标范围内 有利于稳定浇注 操作 提高铸坯质量 同时在正常浇注期间 适 当加热可补偿钢水自然温降 1 中间包钢水目标温度控制对策 1 最大能量损失原则 即每炉高温出钢 钢包站调温 加废钢 中间包目标温度值 2 优化能量损失原则 即严格按温度损失决定出钢温度 在钢包站不降温不加热以达到中间包目标温度值 3 最小能量损失原则 按预定温度出钢 在钢包或中间包 补充能量以达到目标温度值 第一种是不可取的 出钢温度高造成炉子和钢包耐火材 料寿命低 对质量不利 第二种是按炼钢过程能量优化原则以决定出钢温度 这 样要求完整 准确地掌握从出钢到浇注过程中各工序的温降 和严格的管理 同时要求在线计算机根据操作时间计算出钢 温度和各阶段的温度值 不允许有失误 第三种对策可以提高炉衬寿命 能准确控制中间包钢水 温度 但需要向钢包或中间包输入外加能量 安装加热设备 使用费用较高 2 中间包加热的方法及效果 2 1 电磁感应加热 中间包采用热电偶连续测温 以自动调 节加热器的电流 3 等离子加热 在中间包上方安一个或多个等离子枪 火 炬下方高温等离子区温度达 4000 8000 高温的离子 气体通过辐射 对流和分子复合把能量转换为钢水的热 量 中间包钢水流动行为对等离子加热效率 钢水温度 和成分的均匀性有重要影响 在等离子加热区必须有充 分的 混合把热量均匀地分配到各流 为此把等离子枪安在注流冲 击 区或在两挡墙之间的合适位置 利用注流动能来搅拌钢水 钢 包注流产生的搅拌能量为 E M3 2 2A2 其中 M 钢包水口钢水流量 钢水密度钢水密度 A 钢包长水口面积 2 第三章第三章 连铸保护渣连铸保护渣 连铸采用固体粉末保护渣浇注 对改善铸坯的表面质量 具有明显的效果 连铸采用粉末保护渣浇注 在欧洲从 1962 年开始的 法国的 东方优质钢公司 1963 年采用了浸入水 口与保护渣的技术 实践证明 采用此技术后 无论从扩大 连铸钢种 还是提高铸坯质量方面都是一项极为有效果的措 施 我国的连铸钢是从 1972 年开始用浸入式水口保护浇注的 70 年代中期以后得到了迅速的发展 目前国内所有的板坯铸 机和绝大多数大方坯铸机都采用了粉末保护渣浇注 从 80 个代起连铸保护渣的发展趋势和现状来看 高速的 大型板坯连铸机和特殊钢连铸保护渣研制仍是主要课题 保 护渣的化学组成朝着高碱度玻璃化的特征发展 发展的品种 更加系列化 以适应不同钢种 不同结晶器以及不同连铸工 艺参数的要求 保护渣相关的物理性质可以采用各种经验公 式进行计算 保护渣的配方设计已逐步正规化 3 1 3 1 连铸用中间包覆盖剂连铸用中间包覆盖剂 在连铸过程中 中间包起着承前启后的重要作用 它将 钢液分成一股以上的钢流并使钢流保持稳定的静压头 而且 它是一个反应容器 可以改进冶金质量 随着中间包容积的 增大 钢液在中间包内停留的时间也增加了 保持钢水温度 提高钢液质量迫在眉睫 因此 用以保护中间包钢液不被二 2 次氧化 减少中间包钢液的温降 吸收从钢液中上浮的夹杂 物 以保证结晶器顺利浇注的中间包覆盖剂很重要 一 一 覆盖剂在连铸过程中的作用覆盖剂在连铸过程中的作用 1 绝热保温及防止钢液面结壳 如果覆盖剂不加 热损失很大 甚至会造成钢水温度过 低 钢液面结壳 水口冻结等到事故 而且 由于裸露的高 温钢液的热辐射 造成操作环境的恶劣 2 隔绝空气 防止钢液的二次氧化 根据铸坯夹杂来源分析 当不采用保护渣浇注时 由空 气二次氧化物约占总氧化物 35 连铸时 钢液在中间包内 停留时间一般为 5 分钟以上 覆盖剂在钢液面上形成适当厚 度的融熔层 将能吸收钢液面上的非金属夹杂物 耐火材料 颗粒等浮游物 二 二 对覆盖剂的要求 工艺 对覆盖剂的要求 工艺 1 不能与钢水发生反应 也不能产生氢气 氧气 2 必须有吸附钢中夹杂物的能力 3 保温性能好 流动性不能太高 因为这会在浇注快要结束 时随钢水一同卷入结晶器 5 覆盖剂不能形成坚硬的外壳 否则会住塞棒并很难进行温 度测量 三 对覆盖剂的性能要求三 对覆盖剂的性能要求 1 化学成分 2 同结晶器一样 中间包的覆盖剂的化学成分的确定也是 以硅酸盐相图为理论基础 确定 1 以 CaO Al2O3 SiO2三元系成份后还配以适当的 Na2O CaF2等熔剂 以调整熔点和粘度 2 配以适当的碳粉调整熔化速度 增加隔热保温作用 3 为了降低液渣的氧势和传氧速度 一般要求 FeO 小于 5 4 为了提高熔渣吸收上浮 Al2O3的能力 粉渣中尽可能低 2 熔化温度 一般控制在 1200 1450 熔化温度太低 保温效果不好 熔化温度太高 难以形成液渣层或渣层太薄 将影响防 止二次氧化和吸收夹杂物的能力 并增 加了增碳的危险性 3 熔化速度 中间包覆盖剂应有适当的熔化速度 从而使钢液上较长 时间保持三层结构 一般覆盖剂在 1450 熔化速度在 20Pa s 以上 4 粘度 中间包覆盖剂多为酸性渣 属稳定性渣 常称之为 长 渣 当 Al2O3含量增加或温度降低时 粘度也不会陡然上升 一般中间包覆盖剂的粘度在 1450 时大于 1Pa s 由于粘度 2 较大 粘稠的液渣层盖在钢液面上 象密封的盖子一样 起 到了良好的冶金效果 5 熔化模型 两种中间包覆盖剂 H1 H2在坩锅底部为 1450 加热 5 分钟后 粉剂 30g 的熔化模型结果 熔化情况试样高度 m 熔融层 mm烧结层 mm粉渣层 mm H1260 5 0 8205 H2250 5 1 0204 6 水份 一般对吸水率有严格的要求 希望控制在 0 5 以下 以 便提高覆盖剂的铺展性和避免由于渣含水量高造成钢液的增 氢 增氧 三 覆盖剂的种类与选择覆盖剂的种类与选择 1 1 单一型 目前国内外使用最广泛 保温效果良好的单一型中间包 覆盖剂是碳化稻壳和稻壳灰 1 碳化稻壳是稻壳经充分碳化处理的产物 稻壳灰是稻壳燃 烧后的残体 它们的含碳量大都在 30 60 之间 碳化稻壳 和稻壳灰具有体积轻 导热性能差 覆盖在钢液面上 能有 效减少钢液的热损失 2 二者在钢液面上不能形成液态熔融层 因此 它只能起到 绝热保温作用 而不具有防止二次氧化和吸收夹杂物的功能 2 另外 由于碳含量较高 钢液直接与这些碳接触 极易使之 增碳 因此 对浇铸那些碳含量要求严格的钢种 不能采用 碳化稻壳作中间包的覆盖剂 3 二者都非常轻 使用中常常粉尘飞扬 采用植物性有机结 合剂 如淀粉 米粉 面粉等交其制成颗粒状的可以改善使 用环境 2 复合型 1 这种类型的渣多以某种天然矿物或某种副产品为基体 如 电厂灰 高炉水渣 硅灰石等 再配以适当的助熔剂和炭质 材料的机械混合物 一般称为中间包保温剂 2 根据不同的使用性能分为含碳类和无碳类 3 它可制成粉状或粒状 当它加入到中间包钢液面上时 会 形成有熔融层 过渡层 粉状层的三层结构 象 棉被 一 样 盖在钢液面上 大大提高了保温性能 其液渣层可以防 止钢液的二次氧化 吸收上浮的夹杂物 因此 复合型的保 护渣具有全面的冶金功能 4 复合型的中间包覆盖剂的成分可以控制足够厚的熔融层 这样可以防止粉渣中的碳污染钢水 在粉渣熔化过程中 其 碳颗粒会逐渐集合在熔渣上部 结果在粉末层与熔渣层的界 面处形成一个碳的浓化层 而与钢液接触的液渣层的碳含量 却很低的 如果没有液渣层 或因所配渣的熔化性能不好 渣子熔化以后不能形成一定的熔融层 而是形成溶渣层夹杂 2 着石墨层 那么钢液会直接与碳浓化层接触 无疑会造成钢 液的增碳 四 四 中间包保护渣使用及操作标准中间包保护渣使用及操作标准 1 为防止中间包散热和二次氧化 在钢液面上升至 100mm 时 应加入中间包保护渣 2 加入量控制 开浇首炉加 100kg 以上 20 包 以后各 炉加 15 20 一包 10kg 两包 3 注意事项 A 渣层厚度不允许超过 100mm 否则应通过中间包溢流咀将 余渣放出 并适当补充新渣 B 保护渣应分别从塞棒孔加入 当大包钢流冲击区液面平稳 后 才可以从该点补加部分中包渣 C 在浇注结束前应及时测量 用 O2管 渣厚 并确保其不 进入结晶器内 3 2 3 2 结晶器保护渣结晶器保护渣 一 保护渣的作用 1 1 绝热保温绝热保温 位于结晶器液面上层的粉状渣层 结构松散 具有良好 的绝热保温作用 可以防止结晶器中钢水表面结壳或避免保 护渣形成熔渣后又固结成盖 并可防止浸入水口周围结渣 其作用在于保护渣上层粉状层有一定的厚度 2 2 防止钢液的氧化防止钢液的氧化 2 保护渣加入到钢液面后 覆盖于钢水面上的液渣层 隔 绝空气与钢水表面的接触 保护钢水表面不受空气的二次氧 化 为了更好地起到保护作用 液渣层应均匀覆盖于钢水面 上 渣中不应含有使钢氧化的成分 如应限制渣中 FeO 含 量小于 4 熔渣的透气性要好 对钢液的润湿性要好 3 3 净化钢液界面 吸附钢液中夹杂物净化钢液界面 吸附钢液中夹杂物 上浮至结晶器液面上的氧化物 可能被卷入坯壳 形成 表皮和表面夹杂物 因此 保护渣的液渣层应具有良好的吸 收和溶解夹杂物理学能力 为此保护渣的熔渣应有低的粘度 对氧化物夹杂的润湿性好 吸收夹杂物以后自身性能要稳定 目前用的都属于硅酸盐类的保护渣 4 4 在结晶器和坯壳之间起到润滑作用在结晶器和坯壳之间起到润滑作用 钢液面上的液渣膜填充到结晶器和坯壳间的润滑功能十 分重要 保护渣的润滑作用与形成渣膜的厚度 均匀性和晶 都有直接的关系 5 控制传热的速度和均匀性 二 保护渣层的结构二 保护渣层的结构 把结晶器保护渣加入到结晶器钢液面上 它可以迅速形 成熔渣层 烧结层和粉渣层三层结构 整个渣层的厚度约为 30 50mm 由于铸坯的向下运动和结晶器的上下振动 熔渣 受到粘性力的作用 流入到结晶器壁与坯壳之间并形成渣膜 熔渣不断地消耗 粉渣不断地加入 使钢液面上形成了稳定 的三层结构 2 1 粉渣层 目前 保护渣一般以粉状形式使用 为颗粒状 在浇注 过程中受热后往往也转变为粉状 粉体特性本身具有既不同 于一般固体 也不同于气体或液体的运动规律 构成粉体特 性的因素有 粒度大小 粒子间的相互作用力 粒子充填状 态 粒子的大小是粉体最基本的特性 粒子越细小 有利于 提高保护渣的绝热保温性能和熔化速度 降低熔化温度 但 不利于铺展性 易增加粉尘对环境的污染 粉状渣的粒度一般小于是 0 147mm 颗粒渣的粒度在 0 5 1 0mm 之间 厚度 加入一定量的保护渣后 粉渣层应保持一段时间 粉渣层要有适当的厚度 20mm 粉渣的熔化速度通常由配入 炭质材料的种类 粒度 数量和配炭方式来控制 2 烧结层 随着拉坯的进行 结晶器内液渣不断消耗 与此同时 均匀地不断向结晶器内添加新渣粉 使渣层连续产生液渣 在渣层厚度不变的情况下 各层厚度处于动态平衡 生产上 要求其在钢液面上形成稳定的层状结构 而且对各渣层的厚 度也有一定的要求 炭质材料配入的不同 可使保护渣呈不 同的层状结构 1 保护渣中配加炭黑 双层结构 2 炭黑为无定型结构 含碳量很高 粒径很细 分散度大 吸附力强 炭黑开始氧化的温度较低 氧化速度很快 一般 炭黑完全烧尽的时间较短 所以 炭黑在渣层中温度较低的 区域是有较强的控制效率的 能有效地控制保护渣的熔化速 度 在高温区的控制速度大大降低 由于燃烧性好 可使渣面活泼 改善保护渣的铺展性 2 保护渣中配加石墨 三层结构 石墨为晶型结构 颗粒较粗大 多呈片状 其机械分隔 作用和阻滞作用差 但骨架作用明显 由于开始氧化的温度 较高 氧化速度较慢 一片石墨完全烧尽的时间较长 所以 在高温区有较强的控制能力 当保护渣中配加石墨或加入量 小于是 1 5 的炭黑时 在较低温度区时发性烧结 使保护渣 形成粉渣层 烧结层和液渣层三层合理的结构 4 复合配炭 多层结构 当采用石墨和小于 1 5 的炭黑复合配炭时 保护渣将形 成粉渣层 烧结层 半熔层和液渣层的多层结构 目前 关 于保护渣的结构模型存在不同的观点 大致有三种 双层 不存在烧结层 可以避免结晶器挂渣 从而减少铸坯 表面夹渣 凹坑等缺陷 但要求浇注条件稳定 对炭 质材料选择较严 成本高 供液渣能力下降 三层 烧结层温度接近于液渣层 温度升高时很容易形成液 渣 可以保证连续的供给液渣 维持一定厚度的液渣 层 2 多层 弥补前两种结构的不足 即烧结层薄 减少挂渣的几 率 半熔层发达 供液渣的能力大 3 液渣层 液渣层很必要 应有适当的厚度范围 10 15 稳定性 要好 过低过高会在板坯表面产生裂纹和夹渣 液渣层的厚 度取决于保护渣的熔化速率和消耗速率之间的质量平衡 假 设保护渣的熔化速率不变 则液渣层厚度取决于渣的消耗速 率 以吨钢消耗公斤数 0 6kg t 或单位时间消耗公斤数 kg min 表示 生产中测定的方法 把一根钢丝和一根铜丝绑在一起 放入结晶器渣层中 由于液渣渣温度比铜的熔点高 所以铜 熔化 量出铜丝熔化的长度即为液渣层的厚度 三 保护渣的组成三 保护渣的组成 首先要考虑获得稳定的三层渣层结构 以实现保护渣的 各种作用 其次要从当地的资源情况出发 降低保护渣的成 本 1 选取 以 SiO2 CaO Al2O3系中的低熔点 低粘度区为基础 含有适当的 Na2O CaF2等元素 CaO 30 50 SiO2 45 60 Al2O3 20 熔点 1300 1500 2 组成 1 基料部分 提供 SiO2 CaO 和 Al2O3的基本造渣 料 2 2 辅助材料 调节熔化温度及粘度而提供 Na2O CaF2等成分 起助熔作用 3 熔速调节剂 为调剂熔化速度而配入的能提供碳 粒的材料 SiO2 CaO 各占 50 为了保持保护渣的中性和弱酸性 CaO SiO2 0 6 1 2 对氧化性夹杂有较好的润湿作用 SiO2易于吸收难溶浮渣 TiO2 CaO 吸收 Al2O3和 Cr2O3 控制 Al2O3 5 15 降低熔渣熔点 控制 FeO 5 降低熔渣氧化性 加炭质材料 3 7 控制熔渣熔化速度 助熔材料的加入量取决于浇注的钢种和熔融保护渣需要 的粘度 四 保护渣的熔化性能四 保护渣的熔化性能 1 熔化温度 多种材料的机械混合物 为了统一其熔化温度的标准 人们把保护渣熔化达到一定流动性的温度定义为熔化温度 为了保证保护渣熔融层达到合适的厚度 并在结晶器后仍能 以熔融状的渣皮贴在铸坯表面 保护渣应比结晶器下端口坯 壳的温度低 50 这样来控制保护渣的熔化温度 1 目的 使保护渣在钢液弯月面处保持熔融的状态 并使结 晶器的上部凝固的表面渣膜处于粘滞的流动状态 起到充分润滑铸坯的作用 2 2 要求 保护渣的熔点应低于 1200 1050 1200 熔点主要取决于化学成分 以三元素相图的低熔点 为基础 其熔点一方面由的百分数决定 另一方面 视加入熔剂的种类和数量而定 可降低保护渣的熔 点 2 熔化速度和熔化均匀性 1 熔化表示 通常用一定质量的试样在测定温度下完全熔化 所需的时间来表