钢的浇注与凝固9

1、中间包冶金 江江 西西 理理 工工 大大 学学2022年7月7日21中间包冶金发展的概况2中间包冶金技术3中间包结构物理模拟方法4中间包吹氩气体净化技术31 1中间包冶金发展的概况中间包冶金发展的概况中间包冶金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流程中保证获得优良钢质量的关键一环。在连铸过程中起到重要的作用。已经成为高效连铸必不可少的重要技术。它对扩大连铸品种增大连铸比提高铸机作业率掌握浇铸过程的中间包钢水温度的变化规律优化生产作业顺利进行多炉连浇改善钢坯质量等均起到重要作用。4中间包的作用中间包的作用 减小钢水静压力，使中间包的注流稳定稳流作用；在多流连铸机中

2、，起到分配器的作用分流作用；在多炉连浇中，保证换包时不至于停浇连浇作用。中间包还是一个半连续的钢水精炼容器，具有以下的精炼功能：防止钢水二次氧化和吸气；改善钢水流动状态，防止卷渣，促进夹杂物上浮；钢水成分微调；夹杂物形态控制；精确控制钢水过热度。52中间包冶金技术中间包冶金技术1.长水口 Ar 封2.密封盖 3.内衬耐火材料4.挡墙和坝 5.过滤器6.Ar 气吹洗装置7.覆盖剂 8.钢包下渣监测系统 9.加热装置10.塞棒吹氩61 ）防止钢水再污染技术）防止钢水再污染技术钢包到中间包水口保护浇注防止钢包到中间包卷渣技术防止钢水与内衬耐火材料反应中间包加盖密封技术72） 促进夹杂物去除技术促进夹

3、杂物去除技术增大中间包容量中间包内的控流装置中间包气体吹洗吹氩技术中间包使用合适的覆盖剂 83 ）相关技术的发展）相关技术的发展中间包喂丝技术中间包加热技术连续测温技术9中间包控流装置演变的历史可划分为 4 个时期：(1) 20 世纪 70 年代，开始在中间包内安置堰和坝；(2) 20 世纪 80 年代，中间包开始使用导流隔墙、过滤器；(3) 20 世纪 90 年代中期，中间包开始使用湍流控制器；(4) 近年来，在中间包内开始研究和应用气幕隔墙技术。 10为了有效地去除中间包钢水中的非金属夹杂物，中间包内的钢水流动应具有以下的流动特征： 大的最小停留时间； 小的死区体积； 大的活塞流体积与死区

4、体积之比和较大的活塞流体积与混合流体积之比； 有指向表面的流动； 平静的渣层； 有限的混合区。112.1大容量中间包大容量中间包中间包容量影响到中间包液面高度和中间包钢水在包内的停留时间。大容量中间包可以保证换钢包时中间包钢水处于相对稳定状态，防止卷渣，为了不发生卷渣，中间包钢水必须在最小深度以上操作。北美 20 世纪 80 年代以后投产使用的中间包容量均为 45t 以上，其中最大的中间包容量为 70t。日本的中间包容量均在 60t 以上，最大的中间包容量达 84t。12中间包容量对钢水清洁度的影响中间包容量对钢水清洁度的影响 132.2 中间包采用堰和坝中间包采用堰和坝在中间包中安置堰和坝，

5、可以有效改变钢液流向，延长钢水停留时间，有利于夹杂物的上浮。中间包采用典型的堰、坝结构如图。 14堰，又称挡渣堰或上挡墙。横跨整个中间包宽度，从钢液面上部延伸至距中间包底部一定距离，钢水可从其下方流过。其在中间包的作用是： 1）可以控制钢包注流冲击区的大小，控制钢包注流对中间包钢水的搅拌强度，促进夹杂物碰撞和粘结成大颗粒上浮去除。 2）可以将随钢包注流进入中间包的炉渣挡在注流冲击区内，减少钢水因钢包卷渣造成的二次污染。 3）可以将大包注流冲击引起的中间包钢水表面波动限制在堰的上游，稳定堰的下游中间包钢水液面，减少因表面卷渣、二次氧化和机械冲刷所产生的夹杂量。15坝，又称导流坝或下挡墙。横跨整个

6、中间包宽度，从中间包底部向上延伸至距钢液面之下一定距离，钢水从其上流过。它具有以下的作用：1）可以防止中间包短路流的形成，延长钢水在中间包内的流动距离，增加钢水在中间包的停留时间。2）可以将钢包注流的冲击限制在冲击区内，降低钢水的水平流动速度。3）使流过坝的钢水产生指向钢液表面的流动，缩短夹杂物的上浮距离，有利于夹杂物上浮去除和顶渣捕获夹杂物。在中间包中，坝和堰常常是一起使用， 以获得理想的中间包钢水的流动和冶金效果。162.3 中间包采用导流隔墙及过滤器中间包采用导流隔墙及过滤器 导流隔墙是在中间包将上下游完全隔开的挡墙，并在上面设置若干个不同尺寸和倾角的导流孔。钢液根据需要的方向流过导流孔

7、，其通过导流隔墙后的流速和方向由孔的大小和倾角决定。导流隔墙的作用是，当钢水通过导流隔墙时，将中间包的湍动流动限制在一定的范围内，可产生指向钢液表面的流动，以促进夹杂物与顶渣接触的机会，有利于去除夹杂。导流隔墙在中间包中可以起到堰坝组合相同的或优于堰坝组合的作用。17 过滤器为带有微孔结构材料的隔墙，它横跨整个中间包宽度，从钢液面上方一直延伸到中间包底部，钢水从微孔流过。其作用有，在中间包的钢水中，直径大于 50m 的大颗粒夹杂物可以采取简便的净化措施将它们与钢水分离从而使它们上浮排除。过滤器就是用来捕捉这些小颗粒夹杂物，以净化钢水。但过滤器因微孔容易堵塞，钢水通过过滤器的流量小和成本高，在应

8、用上受到限制。 18导流隔墙和过滤器导流隔墙和过滤器 1920导流隔墙的结构（孔的大小、数目、分布和倾角）以及安放位置对中间包的流动特性都有重要的影响。导流隔墙还可以和直通孔过滤器相结合使用，过滤器安装在导流孔处，钢液从过滤孔洞中流过，于是过滤器不仅有吸附夹杂物的作用，而且也成为一种有效的流动控制装置。212.4 2.4 中间包湍流控制器中间包湍流控制器湍流控制器位于钢包注流下方。钢水从钢包长水口高速流出，进入到湍流控制器中，受到湍流控制器的限制，再从湍流控制器的上口反向流出。湍流控制器的作用：1）对钢包注流的冲击起缓冲和限制作用。2）改善中间包钢水的流动特性，延长停留时间，有利于钢水中的夹杂

9、物上浮分离。3）减轻大包开浇和更换时大包注流冲击中间包钢水造成的钢水飞溅，减少中间包衬的侵蚀。4）增加中间包钢水流动的活塞流体积，降低死区体积。22湍流控制器结构湍流控制器结构23湍流控器结构简图湍流控器结构简图 242.4 中间包吹氩中间包吹氩在中间包一定的位置吹入微小的氩气泡，在该位置上形成气幕隔墙，既可以改善中间包流体的流动特性，气幕又可以对夹杂物起到隔离作用，阻止夹杂物流到中间包水口侧。与小气泡碰撞的大、小夹杂物，将被气泡带到钢液面上，进入到覆盖渣中，有利于钢水中的夹杂物上浮分离，提高中间包的夹杂物去除能力。在密闭的中间包中吹氩，可以使中间包内的气氛在开浇和浇注过程中处于惰性气氛中，可

10、以防止钢水的二次氧化和从大气中吸气。2526 （a）无流动控制装置 (b)挡墙和坝 (c) 多孔挡板 中间包内各种流动 形态 控制装置 27加入湍流控制器的双挡墙中间包内的流动状态加入湍流控制器的双挡墙中间包内的流动状态 28有气幕隔墙的中间包流体流动状态有气幕隔墙的中间包流体流动状态29湍流控制器的钢流控制模型湍流控制器的钢流控制模型 303 3中间包结构物理模拟方法中间包结构物理模拟方法物理模拟实验要保持发生在模型和原型的流动过程相似，则必须保证模型与原型之间的几何相似和动力相似。几何相似要求模型的几何尺寸与原型的对应的几何尺寸具有固定的相似比，而动力相似要求在模型与原型中作用在流体微元上

11、的力相同且由这些力组成的相似准数应相等。要求原型中间包的湍流 Reynolds 准数Ret, 和 Froulde 准数Frp 和模型中间包的湍流 Reynolds 准数Ret 和 Froulde 准数 Frm相等。31中间包水模试验装置中间包水模试验装置3233水和钢液的物理性能水和钢液的物理性能343.4 中间包物理模拟实验方法中间包物理模拟实验方法3.4.1 停留时间分布曲线测定从实验测定得到的停留时间分布曲线RTD(Residence Time Distribution)，可以直接得到从加入示踪剂到示踪剂流至中间包水口时的最小停留时间 tmin(又称响应时间)和示踪剂浓度达到最大时的峰值

12、时间 tmax。还可得到各流体微元在中间包的实际平均停留时间 tav。3536典型的中间包停留时间分布曲线典型的中间包停留时间分布曲线 37中间包流体流动的体积可划分为活塞流体积(plug volume)或分散活塞流体积(dispersed plug valume)、死区体积(dead valume) 完全混合流体积(well mixedvolume)。到目前为止，各体积占中间包液体体积的分率计算模型有三种。38Kemeny等人最早应用混合流动模型(mixed flow model)分析实验得到的停留时间曲线，来计算活塞流体积分率、死区体积分率和混合流体积分率。39Ahjua 和 Sahai对

13、混合流动模型提出了质疑。第一，在中间包流体流动中，示踪剂存在着轴向的扩散，最小停留时间和峰值时间不相等，即min max ；第二，用混合流动模型计算得到的三个体积分率之和不等于 1，与这三个体积分率的定义有矛盾。Ahjua 和 Sahai 提出一个修正混合流动模型来计算这三个体积分率。40Sahai 和 Emi把死区分为两种类型，第一种类型的死区是在死区中液体是完全滞止的，进入中间包的流体不能流入这一类型的死区。第二种类型的死区是死区中的液体流动非常缓慢，其内的液体一直与活塞流区和完全混合流区(统称活化区 active volume)有流体交换，停留时间大于两倍平均停留时间的那部分流体为死区体

14、积。绝大多数中间包流动的死区属于第二种类型。41死区完全滞止的中间包流动模型死区完全滞止的中间包流动模型 42死区非滞止的中间包流动模型死区非滞止的中间包流动模型43中间包水口产生旋涡的临界液位中间包水口产生旋涡的临界液位在连铸中，当一个浇次将要结束时，中间包液位逐渐下降，当液面降到与拉速相对应的临界高度时，便在中间包水口液面产生旋涡，造成钢液卷渣和吸气，影响铸坯质量。第一炉钢水的开浇液位也与中间包产生旋涡的临界液面密切相关。44临界液位与拉速和流量的关系临界液位与拉速和流量的关系(实型实型)45不同的流量存在一个不同的中间包水口产生旋涡的临界液面高度。中间包液面高度为 180200mm 时，

15、即使采用较小的流量来拉坯，也会使中间包水口产生旋涡。要在较低的中间包液面下浇注而不产生旋涡，需要用很低的流量进行拉坯。中间包液面较低时，若存在小的扰动如从下导流坝底孔有向中间包水口的流动，也很容易产生旋涡。因此，在异钢种连浇时，中间包液面高度不能控制过低。464 4中间包吹氩气体净化技术中间包吹氩气体净化技术 在中间包内，钢液始终处于流动状态，夹杂物在其中的运动也因此比平静钢液复杂得多。夹杂物在钢液中发生以下几种行为：(1) 夹杂物的上浮在中间包内，夹杂物依然可以通过上浮从钢液中排除。按常规看法，夹杂物上浮去除速度服从斯托克斯(Stokes)公式 。47Stokes 上浮公式仅适用于静止状态或

16、层流状态（Re2）。如前面所述，中间包内雷诺数 Re1000，故应用于中间包时，应该使用修正了的 Stokes-Newton 公式 48斯托克斯(Stokes)公式Stokes-Newton 公式 49(2) 夹杂物的碰撞长大夹杂物的碰撞长大颗粒的碰撞有以下四种方式：(a) 布朗碰撞。夹杂物颗粒在钢液中做无规则的热运动而产生的碰撞，中间包内夹杂物碰撞属于布朗碰撞的类型很少。(b) 斯托克斯碰撞。颗粒上浮速度与其大小有关。大颗粒夹杂物上浮的速度大，在上浮时可能追上小颗粒夹杂物而与之碰撞成为更大颗粒，因而上浮速度加快，更容易捕获其他颗粒。在中间包内，斯托克斯碰撞是夹杂物碰撞长大去除的重要形式之一。

17、50 (c) 速度梯度碰撞。颗粒沿流线轨迹运动，高速流线上的颗粒将追上低速流线上的颗粒，只要两颗粒的距离不超过它们的半径之和，颗粒将发生碰撞。 (d) 湍流碰撞。夹杂物被夹带入湍流旋涡中，引起夹杂物之间的碰撞。湍流碰撞是夹杂物颗粒碰撞长大的重要形式。51(3) 夹杂物与耐火材料表面的粘附夹杂物与耐火材料表面的粘附 中间包内耐火材料的表面与钢液中的夹杂物接触时，夹杂物会粘附在耐材表面与钢液分离 。52夹杂物的上浮去除和中间包内钢液的流动状夹杂物的上浮去除和中间包内钢液的流动状态的关系态的关系全混流流体搅动激烈，有利于均匀钢液成分和温度，也利于夹杂物的碰撞去除，但容易导致夹渣和钢液暴露于空气中。

18、活塞流有利于钢液中的夹杂物上浮去除，设计控流装置时应尽量提高活塞流的体积。短路流使夹杂物来不及上浮就从水口流出，引起大量下渣，应尽量减少甚至避免短路流。死区减少了中间包的有效容积，使中间包内钢液的平均停留时间缩短，对夹杂物的上浮不利。53中间包吹氩的主要形式中间包吹氩的主要形式 (1) 埋设透气管对大于 200m 的大型夹杂物去除效率为 98%，对 100-200m 的中型夹杂去除效率为 93%，对小于 100m 的夹杂物去除效率为 47%。(2) 安装条形透气砖将氩气通过该透气梁吹入钢液中，大尺寸夹杂物全部去除，小尺寸夹杂物降低了 50，微小夹杂物的去除效果不明显。在透气砖的选择上应充分考虑

19、具有通气量大、搅拌效果好，重复开吹率高、抗冲刷耐侵蚀、高温性能好等特点。(3) 使用喷枪 用喷枪喷吹气体，吹气位置、吹气量、覆盖剂均对夹杂去除效果有影响。用旋转喷枪吹氩在降低钢液中的夹杂物，特别是小于 50m 的夹杂物方面，可以达到预期的效果。54中间包内常见的两种吹气方式中间包内常见的两种吹气方式55条形透气梁置于多孔挡墙后侧条形透气梁置于多孔挡墙后侧 56中间包底吹氩气对夹杂物去除的原理中间包底吹氩气对夹杂物去除的原理中间包吹氩用惰性的气泡清洗钢液。中间包吹氩使钢液温度和成份均匀，并进一步促进夹杂物的去除，其机理是：气泡与夹杂物碰撞吸附到一起，粒径增大，上浮速度增大，易于被钢液表面的渣层吸

20、收。中间包吹氩的主要方式是在中间包底部某个位置通过安放条形透气砖，目的是用 Ar 气形成一个微气泡屏幕，将钢液中的夹杂引到钢液与覆盖剂的界面而分离出去。57中间包吹氩实验中间包吹氩实验 58在包底吹氩的作用：1. 排成列的吹氩孔口垂直于沿包底流动的液流布置，类似于在包底设置了坝，促使钢液转向上方流动，有利于夹杂物上浮。其作用比坝的效果还强烈。2. 氩气泡的浮力产生气泡泵现象，促使该局部的湍动能耗散率显著增大，有利于夹杂物颗粒碰撞长大而排除。3. 上浮的气泡可以捕获夹杂物颗粒，并携带着它一同上浮，这样就使微细夹杂物颗粒上浮速度增大到气泡上浮的速度。59中间包吹气位置的测试结果中间包吹气位置的测试

21、结果60中间包吹氩卷渣示意图中间包吹氩卷渣示意图61(a) 当条形透气梁通入的气体流量为 0 时，界面较平稳。(b) 当条形透气梁通入气体流量较小时，界面在气体喷吹的位置有所波动。(c) 随着条形透气梁通入气体流量的增加，界面出现了向上的突起，没有使油面吹开与大气接触。(d) 当条形透气梁通入气体流量不断增加时，气流将油层吹成一近似于圆周的裸露区，界面的波动十分明显。(e) 当条形透气梁通入气体流量进一步增大后，出现油层破碎，但油滴的量较少，而且很快上浮。(f) 如果条形透气梁通入气体流量再持续增大，那么将出现大量油滴卷入水中的现象，而且油滴在水中不断破碎，毫无规律地运动，不易上浮，形成了卷渣

22、。62中间包加热技术中间包加热技术钢包更换时，由于新钢包内钢液的密度与已注入中间包内钢液的密度之间存在差异，从而影响了中间包内钢液的流动形态，而密度的差异主要是源于钢液之间的温度差。连铸钢水在浇铸刚开始和快结束时，或更换钢包时，中间包钢液温度都将有下降。这不但会使钢液中夹杂物难于上浮，而且易造成水口堵塞。有时钢液的合金化，也在中间包进行，这就要求中间包钢液温度保持一定的水平。中间包加热技术正是在这种情况下发展起来的。63中间包加热情况一览表中间包加热情况一览表 64中间包采用加热技术，使中间包钢液温度稳定和均匀化，为添加合金，在中间包中精炼钢水创造了条件，也为稳定铸温、铸速，有利进行等温、高速

23、、低过热度浇铸以及实现多炉连浇创造条件，同时为炼钢炉低温出钢，减少冶炼时间带来了好处。 近十几年来，日本及西方一些国家相继开发了各种中间包钢水加热技术，主要加热方法有感应加热和等离子加热两种。65感应加热技术的原理实质上是电磁感应的原理。当交流电流通过初级线圈，环绕着线圈产生了交流磁场，交变磁通在次收线圈上(钢水)产生感应电动势，从而在闭合的线圈中产生感应电流，使金属加热。同时通过电磁感应加热时所形成的上升流使夹杂物上浮并通过电磁力（夹力）使夹杂物除去。66 等离子加热则是根据了气体被加热到一定温度后会变成离子状态的原理，利用等离子体的中心温度(可高达 3000) 来加热钢液。通过使用等离子射

24、流，各个流股的注入与钢液速度相对应，从而能控制温度，使得能量集中，加热温度高，且由于采用惰性气体作为工作气体(屏蔽)不会污染钢水。67连铸中间包工作衬的研究进展连铸中间包工作衬的研究进展第一代工作衬无工作衬阶段(连铸工艺出现在20世纪70年代,欧洲可能延长到80年代末)。把目前的永久衬直接当工作衬,钢水直接浇在永久衬上。此方法只可用于无需洁净炼钢的低质钢的生产。工作衬的维修费用很高,清除用后的渣壳也很困难。典型的高铝质低水泥浇注料内衬,其氧化铝含量在70%左右。68第二代工作衬绝热板阶段(20世纪7080年代),材质大部分为镁质。 (瑞典研究的无机结合橄榄石基泡沫绝热板)。此绝热板是保证洁净炼

25、钢的有效方法,该板以中间连锁板安装,与永久衬之间有填充砂支撑,采用真空成型,它绝热性能良好,但安装时劳动强度大。而且在使用过程中易钻钢变形而导致寿命下降,影响连铸正常生产。69第三代工作衬涂料衬阶段(20世纪8090年代)。它在日本兴起,瑞典、俄罗斯等欧洲国家也相继研究应用,我国于20世纪90年代迅速推广试验。材质有镁质和镁钙质;从施工方法来看有:人工湿法涂抹、人工半干法机械喷涂、人工湿法机械喷涂、机械全自动化半干法喷涂等。涂料衬采用湿法人工涂抹或机械喷涂时,需加20%30%水分,因而中间包使用前需要26h,甚至更长时间干燥以便除去水分。涂料衬虽然有比绝热板更好的整体使用性能,解体性更好,便于

26、清除渣壳,寿命还能满足现阶段连铸生产的需要。但是涂料衬无法满足更长的连续浇钢需要。新型干式衬可以弥补这一缺陷。70第四代工作衬为了适应高效连铸的发展,随着国内莱钢炼钢厂对连铸中间包定径水口快速更换与中包长寿技术率先开发成功,中间包对其工作衬使用寿命提出了更高的要求8,因此第四代干式料于20世纪90年代末应运而生,现正逐步取代涂料。由美国U-niversalRefractoryCompany率先研制使用的中间包干式工作衬理化性能及其与喷涂料的性能比较如表所示。71中间包干式料与喷涂料的性能比较中间包干式料与喷涂料的性能比较 72干式振动料理化性能指标干式振动料理化性能指标 73原料:电熔镁砂(w(MgO)97%,灼减0.2%),中档烧结镁砂(w(MgO)95%,灼减0.3%);结合剂:选用两种固体酚醛树脂, 其中一种含有促硬剂;烧结剂:有3种,即偏磷酸盐,聚磷酸盐,硅酸盐;改性剂：有2种,即含Cr2O3的天然原料,含Al2O3的合成原料。骨料与基质料的质量比为65 35,其中骨料粒度包括53mm、31mm和1m