中間包冶金3教材

1、中間包冶金中間包冶金中間包操作過程的流動現(xiàn)象中間包鋼水夾雜物的去除中間包流動形態(tài)控制中間包精煉技術中間包過濾應用中間包加熱技術8由儲存、分配鋼水和穩(wěn)定注流作用過渡到精煉作用，具體有：1）消除鋼水中夾雜物的污染，如鋼水二次氧化、耐火材料的侵蝕、鋼包下渣；2）促使鋼水中夾雜物的上浮分離，如改善鋼水流動形態(tài)、延長鋼水在中包內停留時間；3）防止中包表面覆蓋渣卷入鋼水，防止中包內鋼水旋渦和表面波的生成；4）采用附加的冶金工藝，完成中包精煉功能，如夾雜物形態(tài)控制，成分微調、溫度精確控制；第一節(jié) 中間包操作過程的流動現(xiàn)象vLReV 流體速度；L 容器長度； 動力粘度；Re2000 層流Re 2000 紊流/

2、uuu脈動速度平均速度流動速度uu/紊流強度2%10%1.1 流動概念1.2鋼包注流沖擊區(qū)注流為自由流股，流股卷入周圍液體后逐漸消失；注流流入一個對稱的有限空間，卷入的液體引起再循環(huán)流動；注流流入非對稱的中間包，引起多種類型的循環(huán)流動；自由流股封閉流股注流卷入空氣決定因素：注流直徑、軸向速度、鋼水粘度、注流紊流強度v光滑層流，卷入空氣少；v脈動紊流，卷入空氣較多；v高度紊流，卷入空氣很多；v分散液滴，卷入空氣最大。分散液滴為光滑層流60倍以上。注流形態(tài)對流動的影響： 光滑 粗糙 麻花旋渦v卷渣；v卷空氣；v注流不穩(wěn)定，攪亂結晶器鋼液流動。帶來的危害：旋渦形成有旋渦時流動形態(tài)流動不穩(wěn)定性和波的形

3、成v液面升高或降低時，流速有較大的變化而引起流動模式改變導致表面波的形成；v入口和出口條件發(fā)生變化時，流動不穩(wěn)定性導致表面波。表面波的擴散，會引起中間包鋼渣界面的攪動而卷入渣，對鑄坯質量有不利影響。第二節(jié) 中間包鋼水夾雜物的上浮夾雜物上浮50t，深度為1m，夾雜物上浮速度與時間的關系50t鋼水，2501300，拉速1.2m/min，平均停留時間為9min，說明小于70m，上浮困難9)(22grvitP由于中間包鋼水流動的紊流作用，夾雜物相互碰撞聚合加速了夾雜物上浮而聚合速度取決于紊流動能的消失速率：中間包紊流強度與鋼包吹氣攪拌大體相當，因此可以斷定中間包內會發(fā)生夾雜物質點的碰撞聚合，更有利于夾

4、雜物上浮排除。 為使中間包夾雜物充分上浮，應采取的措施是： 1)增加鋼水在中間包平均停留時間，使夾雜物有足夠的時間上浮。為此中間包向大容量方向發(fā)展； 2)改善液體流動軌跡。流體把夾雜物帶到中間包表面區(qū)，縮短上浮距離。為此在中間包加障礙物(如擋墻和壩)以改變流動方向消除中間包死區(qū) 3)鋼包注流不應把夾雜物帶入鋼包底部而是在某一定高度。為此中間包液面高度由淺向深熔池方向發(fā)展。中間包鋼水流量中間包鋼水體積rt若中間包長7m、寬1m、深1m則鋼水重量為49t，澆注2501500mm板坯拉速為1.5mlmin，則中間包鋼水流量約為4tmin。其平均停留時間： 然而，由于中間包流動的不穩(wěn)定性和存在不活躍的

5、死區(qū)，有些流動體單元流動快，而另一些流動慢，所以實際停留時間與理論平均停留時間之間是有偏差的。因此用停留時間分布來描述中間包鋼水流動特性，為此采用物理模型(水模型)，使用脈沖示蹤技術來測定中間包液體停留時間分布。 物理模型必須遵循原型和模型的幾何相似和描述流動的相似準數(shù)相。根據(jù)刺激響應原理在水模型的中間包入口處，特定量的示蹤別以脈沖方式注入鋼包鋼流，用探頭(如電導儀)測定出口處的濃度變化，則實際平均停留時間的定義：00)()(dttCdtttCtf根據(jù)測定的濃度曲線(也叫c曲線)，可以估計中間包內存在三個流動區(qū)： 1)活塞流區(qū)：即流體保持均一性以相同速度流過中間包，此時入口和出口濃度相等。定義

6、tP為滯止時間，即在出口處顯示示蹤劑的時間。tP越長，活塞流越強； 2)混合區(qū)：液體混合良好，示蹤劑均勻分散在整個液體中，任何時刻在出口處示蹤劑濃度與液體相同?；旌蠀^(qū)與c曲線峰值相關， 3)停滯區(qū)(死區(qū))：在中間包內一部分液體停留時間比平均停留時間要短，而另一部分液體停留時間又比平均停留時間要長，這說明有不活躍的死區(qū)存在。有死區(qū)存在時，c曲線有最高的峰值且出現(xiàn)長尾巴。第三節(jié) 中間包流動形態(tài)控制中間包無控制流動無控制流動模式缺點：v帶入大量空氣，加劇二次氧化，表面波等的形成；v存在鋼水停滯區(qū)，溫度不均勻；v有死區(qū)存在，中間包未能充分利用夾雜不易上浮。中間包控制流動擋墻有擋墻的流動模式作用：封閉鋼

7、包注流沖擊區(qū)的紊流，防止表面卷渣。沿中包頂部回流，可促使夾雜物上??；向中包邊墻流動后，可加速流體的再循環(huán)。ab對流動模式和平均停留時間有影響壩擋墻和壩的流動模式C、d 的位置擋墻和壩的聯(lián)合作用：減少死區(qū)，提高平均停留時間，增加夾雜物分離的幾率擋墻和壩影響使用擋墻鑄坯表面夾雜由2.9%減少到2.1%，如聯(lián)合使用壩，則表面夾雜由2.1%減少到0.3%。優(yōu)點：缺點：澆注結束時，中包和壩之間保留一定量的鋼水，不易清除。研究手段：采用水模和示蹤技術可改進設計，優(yōu)化等。中間包卷渣敞開澆注特點：v鋼渣界面有有剪切力作用把渣戶卷入內部；v注流沖擊力引起液體表面波浪運動。尤其當液位降低時(如200mm)。剪切力

8、和波浪造成的卷渣更為嚴重。長水口澆注特點：鋼渣界面流動剪切力減輕；減輕了由注流引起的波浪運動。如果中間包加擋墻墑和壩聯(lián)合作用則卷渣有明顯減少。中包卷渣的原因：鋼渣界面流動的剪切力和表而波；注流沖擊區(qū)的紊流；低液位時水口上部形成的旋渦 ，在澆注過程巾保持中間包最大的熔池深度(達1.11.2m)、長水口、大容量、保持穩(wěn)定、安裝擋墻和壩是防止卷渣的有效措施。措施：第四節(jié) 中間包精煉技術4.1中包雙層覆蓋渣覆蓋渣功能：絕熱保溫，防止散熱；吸收上浮的夾雜物(如A1203、鈣鋁酸鹽)杜絕二次氧化，防止空氣中o2、N2進入鋼水。 炭化稻殼完成1）和3）作用，但上浮的夾雜不能鉸渣于吸收。在中間包鋼水面加一層混

9、合渣(如caoCaF2一Mg0系）在鋼液面形成液渣層以吸收上浮夾雜，再在液渣上面加覆蓋劑(如炭化稻殼)。雙層渣的試驗結果表明，可使板坯表面渣斑發(fā)生率減少85。 中間包渣還可作為精煉劑，在澆注初期有去硫作用，但澆注后期由于渣中Feo十Mno的增加，硫又回到了鋼中。吹氬作用：增加攪拌能促進夾雜物上??；形成液面保護層；改善流動狀況。多孔透氣環(huán)氣體進入在6t中間包底部吹Ar試驗指出，在100mm多孔磚上開2mm小孔吹Af流量為50一80(標)Lmin，可消除澆注初期鋼水增氫，鋼中氧化物夾雜也有所下降。大方坯連鑄機30t中間包永久層和工作層之間嵌入多孔的管狀氣體分配器，使均勻的氣泡穿過中間包，持續(xù)使用6

10、h，使鋼中夾雜物減少25%。日本川崎在60一80t中間包用200m多孔磚吹Ar，可改善管線鋼的抗氫脆裂紋敏感性(即HIC值)。多孔透氣環(huán)利用旋轉的多孔透氣塞產生大量的微氣泡來促進夾雜物分離。轉速為100rmin，對低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼中小于50m夾雜物有明顯效果。還有在中間包擋墻安多孔磚的吹Ar試驗，可以解耀決連鑄鍍錫板的A12O3夾雜。 在中間包塞槽中心孔徑經浸入式水口向結晶器吹Ar防止水口堵塞，巳在生產上廣泛采用。但是必須注意管子連接處的密封性。如密封不好如同一個“噴射泵”吸入空氣，加重了鋼水的二次氯化。 原則上講，鋼包鋼水成分微調技術均可應用于中間包。在中間包加入員氧化元素(如Ti、Al、Ca)

11、或微量元素(如B、V)鋼水與污染源(如渣、包襯、空氣)接觸時間較短，有利于提高元素的回收率。由于中間包熔池淺，鋼水停留時間有限，為確保元素能充分吸收，廣泛應用喂絲法。（WF）WF目的：是把高熔點的串簇狀的Al2O3、改為低熔點的球形鋁酸鈣(如12caO7Al2O3)p以改善鋼水流動性，防止Al2O3堵水口。此法在小方坯連鑄中間包得到了應用，為增加包芯線穿越鋼水的停留時間采用螺旋式喂絲技術。用一臺輥式開卷機將包芯線送入導管進入中間包，喂絲進度可達20-30mmin。近年來，采用泡沫過濾器去除有色金屬(如A1、Cu）中夾雜物提高了純凈度使深沖壁厚為o11mm易拉罐的廢品率小于十萬分之一。目前鋼的薄

12、板制品(如汽車板、食品罐頭等)要求高的深沖性，輪胎鋼絲要求高的深拉性(冷拔到0.15-o.25mm)，高碳鋼(如軸承鋼)要求高的抗疲勞性。影響這些產品性能的主要原因是鋼中不變形的Al2O3夾雜。 在連鑄生產過程中，采用鋼包精煉和中間包冶金技術只可能去除大于50m的大顆粒夾雜，而小于50m的夾雜物難以去除。為把鋼中小顆粒夾雜物降到最低限度借助于有色金屬應用的成功經驗，在連鑄中間包采用過濾技術，這種方法已引起冶金工作者廣泛重視。過濾器不同于上浮分離法它是種強制性分離夾雜物的方法使夾雜物沉淀、滯留在多孔的過濾介質中。過濾時夾雜物被捕獲而液體自由流過，從而把夾雜物從液體中分離出來、凈化了鋼液。依據(jù)去除

13、夾雜物大小有三種過濾器：篩網過濾器 凡是大于網眼尺寸的夾雜物都被機械地截住這種過濾器一般用來過濾掉外來大塊夾雜物(如爐渣、耐火材料質點)；餅狀過濾器 鋼水經過多孔介質時，固體夾雜物沉積在過濾器上部，隨著過濾的進行，濁餅層逐漸變厚，鋼水流動阻力增大，為保持液體恒定流量，要求迅速增加整個濾餅層上的金屬靜壓力；深床(泡沫)過濾器 去除夾雜物尺寸一般小于網眼孔徑，為有效捕捉夾雜，必須迅速把夾雜物傳到網孔表面并粘附燒結在上面，而粘附決定于夾雜物與鋼水的潤濕和網孔的表面狀態(tài)。如AI脫氧鋼，Al2O3與鋼水不潤濕，流動把Al203。傳輸?shù)骄W孔表面面沉積下來。（篩網過濾器）（餅狀過濾器）（深床過濾器） 過濾器

14、不是一個簡單物理分離過程，而是一個流體傳遞過程： 1)流體流動把夾雜物傳輸?shù)竭^濾器表面，2)過濾器捕獲夾雜物，捕獲機制有直接截留、慣性沉淀和流體傳遞；3)高溫下夾雜物燒結在表面上。最終會使過濾器堵塞，鋼水斷流而失效。 泡沫陶瓷過濾器是一種微孔結構材料，具有高容量硫松度(82一90)，每I cm3泡沫陶瓷有10000cm2的過濾表面。深床過濾直接截留慣性沉淀流體傳遞為了有效地過濾夾雜物，對過濾器材質要求： 1)與鋼水長時間的接觸過程中，過濾器能承受熱應力和機械應力作用； 2)能抵抗鋼水和渣子的浸蝕而不發(fā)生化學作用； 3)既能有效清除夾雜物(尤其是細顆粒夾雜)，又沒有過大 的阻礙鋼液流動的阻力。

15、試驗表明，用孔隙度為20ppi(ppi為孔數(shù)/時)的陶瓷過濾器可以有效地過濾夾雜物，即使只有幾微米的Al203也可以濾掉，而過濾器面積主要決定于通過過濾器金屬總量和清潔度。泡沫陶瓷材料性能在多種過濾器中，深床陶瓷泡抹過濾器具有重量輕、孔徑彎曲、表面積大、壓力損失小、高溫機械性能好等優(yōu)點，能截除鋼水中細顆粒Al2O3夾雜。提高過濾器效率的辦法是；1)增加過濾器長度；2)降低流體速度；3)改善過濾器材質。 用兩個方法來評價過濾效果一是過濾前后的總氧量變化，二是用金相法來鑒定夾雜物類型和數(shù)量。 從感應爐熔化鋼水（C=0.38)脫氧后鋼水經過過濾器后其效果是：Al2O3平均含量從0.067減少到0.0

16、08，清除夾雜物效率達91：平均總氧量由340PPm降到383ppm，去氧效率達88.7。過濾后有的爐次總氧達到10Ppm或更低，已接近于Al脫氧最低的平衡氧含量(4Ppm)。 對過濾器附著夾雜物金相觀察指出，幾乎全部為Al2O3，因此認為總氧量的降低主要是去除Al2O3的結果。雙流大方坯連鑄機澆304不銹鋼，中間包加擋墻和壩，與使用2個泡沫過濾器(直徑200mm、厚38mm)的對比試驗結果表明：使用過濾器后方坯中的硅酸錳夾雜減少了74。 小方坯這鑄機澆注含Al鋼(Al0.024)，澆注時間約90min。在中間包的一流安裝了過濾器。試驗表明，過濾的鋼水經定徑水口只需燒一次氧來排除Al2O3的積

17、累，而其他水口要燒45次之多?？梢娛褂眠^濾器后大大降低了鋼水中Al203夾雜。 過濾器的試驗證明，Al203、TiN、鋁酸鈣、硅酸錳等夾雜都可有效地從鋼水中過濾掉，不僅能去除大顆粒夾雜，還能去除50m的夾雜，這對于生產高純凈度鋼提供了極為有效的工具。用于中間包泡沫陶瓷過濾器在澆注過程中鋼水溫度、鋼水成分和鋼水流動持供是控制連鑄機生產率和鑄坯質量三個重要的變量為把連鑄機產量和鑄坯質量的矛盾統(tǒng)一起來。提出了澆注過程溫度穩(wěn)定控制的概念，其中重要的是中間包鋼水溫度穩(wěn)定性控制問題。6.1 中間包鋼水溫度穩(wěn)定性控制對策中間包鋼水目標溫度控制對策有： 1)最大能量損失原則，即每爐高溫出鋼一鋼包站調溫(如加廢

18、鋼冷卻降溫)一中間包目標溫度值； 2)優(yōu)化能量損失原則，即嚴格按溫度損失決定出鋼溫度，在鋼包站不降溫不加熱以達到中間包目標溫度值； 3)最小能量損失原則，按預定溫度出鋼，在鋼包或中間包補充能量以達到目標溫度值。 第一種對策是不可取的出鋼溫度高造成爐子和鋼包耐火材料壽命低，對鋼質量也不利第二種對策是按煉鋼過程能量優(yōu)化原則以決定出鋼溫度。這樣要求完整、準確地掌握從出鋼到澆注過程中各工序的溫降和嚴格的管理，同時要求在線計算機根據(jù)操作時間計算出鋼溫度和各階段的溫度值，不允許有失誤。第三種對策可以提高爐襯壽命，能準確控制中間包鋼水溫度，但需要向鋼包或中間包輸入外加能量，安裝加熱設備，使用費用較高。)(qQTCTqCTQCdtdTMCepePaPPPepePaPMCqQTCTqCTQCdtdT)(q，TeQ，Ta當中間包液面穩(wěn)定時：0dtdMqQ 即：0)(PeaPMCTTQCdtdT)(eaPTTQC鋼包水口流量中間包熱損失鋼包鋼水溫度中間包鋼水溫度a為開澆期，由于中間包襯吸熱，鋼水溫度下降10一15；b為正常澆注期，經過10一15min，由于包襯吸熱達到飽和，同