冶金行業(yè)連鑄連軋-中間包冶金講義課件

1、中間包冶金中間包冶金主講教師：閔 義2007.11連鑄理論及工藝連鑄理論及工藝1. 前言前言1.1 中間包的作用中間包的作用l中間包是煉鋼生產(chǎn)流程的中間環(huán)節(jié)，而且是由間歇操作轉(zhuǎn)向連續(xù)操作的銜接點(diǎn)。中間包作為冶金反應(yīng)器是提高鋼產(chǎn)量和質(zhì)量的重要一環(huán)。無論對(duì)于連鑄操作的順利進(jìn)行，還是對(duì)于保證鋼液品質(zhì)符合需要，中間包的作用是不可忽視的。1.1 中間包的作用中間包的作用l(1)分流作用。對(duì)于多流澆鑄，由多水口中間包進(jìn)行分流。l(2)連澆作用。在多爐連澆時(shí)，中間包存儲(chǔ)的鋼液在換鋼包時(shí)起到銜接的作用。 l(3)減壓作用。盛鋼捅內(nèi)液面高度有56m，沖擊力很大。在澆鑄過程中變化幅度也很大。中間包液面高度比鋼包低

2、，變化幅度也小得多，因此可用來穩(wěn)定鋼液澆鑄過程，減小鋼流對(duì)結(jié)晶器凝固坯殼的沖刷。l(4)保護(hù)作用。通過中間包液面的覆蓋劑，長水口以及其他保護(hù)裝置，減少中間也中的鋼液受外界的污染。對(duì)中間包的要求對(duì)中間包的要求l滿足純凈鋼生產(chǎn)的要求：中間包是鋼液凝固之前所經(jīng)過的最后一個(gè)耐火材料容器，對(duì)鋼的質(zhì)量有著重要的影響。應(yīng)該盡可能排除掉鋼水中非金屬夾雜物；防止鋼液吸收空氣以及耐火材料中的氧，避免二次氧化，以滿足純凈鋼的品質(zhì)要求。l滿足連續(xù)生產(chǎn)的要求：轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐技術(shù)的推廣應(yīng)用后，轉(zhuǎn)爐壽命大幅度增加，中間包壽命成為連續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。要求提高中間包耐火材料壽命，以及在線快速更換易損毀元件等。1.2 中間包結(jié)構(gòu)中

3、間包結(jié)構(gòu)l中間包一般由包體、包蓋、水口和控流裝置組成。l中間包容量一般取鋼包容量的2040，小容量鋼包取大值，大容量鋼包小值。l為了保證多爐連澆時(shí)的鑄坯質(zhì)量，其儲(chǔ)存的鋼液，應(yīng)大于換包所需的時(shí)間。鋼液在中間包內(nèi)的停留時(shí)間和中間包容量及鑄速有關(guān)，為使鋼液在中間包內(nèi)有必要的停留時(shí)間，應(yīng)根據(jù)鑄速來核算中間包的容量。停留時(shí)間縮短，對(duì)排除非金屬夾雜物不利。1.3 中間包種類中間包種類l 中間包的形狀類型很多，包括矩形、三角形、橢圓形、v形、Y形、H形等，可根據(jù)車間情況及鑄機(jī)尺寸等選用，以矩形中間包應(yīng)用較多。l如果按其結(jié)構(gòu)分類，大體上可分為板坯連鑄用中間包和小方坯連鑄用中間包。板坯連鑄用中間包用于大型板坯連

4、鑄，板帶類產(chǎn)品對(duì)清潔度要求最為嚴(yán)格，所以國內(nèi)外關(guān)于矩形板坯連鑄中間包的研究最多。1.4中間包冶金的研究內(nèi)容中間包冶金的研究內(nèi)容l爐外精煉使鋼液純凈度提高，鋼液和環(huán)境(大氣、耐火材料等)間雜質(zhì)濃度差別(或化學(xué)位差別)增大，重新污染的可能性和速率都將增大。l爐外精煉后，鋼液溫度是均勻的，而當(dāng)鋼液流過中間包時(shí)其溫度又會(huì)再次改變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)。l所以，鋼液通過中間包的過程中，發(fā)生某些物理和化學(xué)的變化是不可避免的。l“中間包冶金”的概念是在20世紀(jì)80年代初期提出的，研究成果已為工程時(shí)間所應(yīng)用和檢驗(yàn)。研究內(nèi)容主要為：l(1)清除鋼液再次污染的來源，即防止二次氧化、減輕耐火材料侵蝕、減少鋼包渣的卷入以及渣中

5、不穩(wěn)定氧化物的危害。l(2)改善鋼液流動(dòng)條件，最大可能去除鋼中非金屬夾雜物；亦即防止短路流，減小死區(qū)，改進(jìn)流線方向，增加鋼液的停留時(shí)間。l(3)選擇合適的包襯耐火材料和覆蓋劑，既減輕熱損失又有利于吸收分離和上浮的夾雜物。l(4) 控制好鋼液溫度，必要時(shí)增加加熱措施，使鋼液過熱度保持穩(wěn)定。1.5 中間包冶金的研究方法中間包冶金的研究方法l作為一種連續(xù)操作的反應(yīng)器，它與轉(zhuǎn)爐、電爐及鋼包等間歇操作反應(yīng)器的概念是不同的。反應(yīng)工程學(xué)的原理得到更多更深入的運(yùn)用。主要研究方法有：l物理模擬： 主要是用水模型的方法來研究中間包流場(chǎng)特征，如速度場(chǎng)，控制元件對(duì)流動(dòng)特征的影響，夾雜物去除的影響等。l數(shù)學(xué)模擬： 用計(jì)

6、算流體力學(xué)方法求解中間包流場(chǎng)。2 中間包物理模擬中間包物理模擬l中間包內(nèi)基本的物理現(xiàn)象是鋼液的流動(dòng)，各種冶金過程都是在流動(dòng)的鋼液中進(jìn)行的，所以研究中間包內(nèi)的流動(dòng)現(xiàn)象是中間包冶金的基礎(chǔ)。l研究證明，用水模型來研究鋼包、中間包、結(jié)晶器等內(nèi)部的鋼液流動(dòng)不僅是可行的，而且能夠正確反映實(shí)際鋼液流動(dòng)的數(shù)值和規(guī)律。l直接測(cè)量高溫下的鋼液的流速，不僅在測(cè)量技術(shù)方面有難度，而且研究費(fèi)用也很高。在開發(fā)新工藝以及改進(jìn)現(xiàn)有工藝時(shí)，模型研究是一種成本低、見效快的可靠工具。l物理模擬的目的l第一個(gè)目的是尋求有利的操作參數(shù)：例如利于鋼液中夾雜物的上浮，設(shè)置控流元件，元件位置、尺寸等參數(shù)可以通過流場(chǎng)測(cè)量、刺激響應(yīng)技術(shù)、夾雜物

7、模擬等實(shí)驗(yàn)確定。l第二個(gè)目的是找出過程的某些主要參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，而這些關(guān)系也可應(yīng)用于實(shí)際冶金過程。2.1物理模擬方法物理模擬方法l中間包中鋼液的流動(dòng)，是鋼液在重力作用下從盛鋼捅水口流人中間包，然后從中間包水口流出，在這種情況下一般可視為粘性不可壓縮穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，忽略化學(xué)反應(yīng)的影響。l系統(tǒng)只要滿足幾何相似，運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力學(xué)相似即可，而運(yùn)動(dòng)是動(dòng)力所驅(qū)動(dòng)的，所以中間包鋼液流動(dòng)的物理模擬，需要滿足模型和原型幾何相似和動(dòng)力學(xué)相似。l影響流動(dòng)狀態(tài)的作用力主要有慣性力、重力、粘性力和表面張力。l 在中間包冶金過程的物理模擬中，常用水來模擬鋼液，考慮等溫流動(dòng)時(shí)，水模型中的流動(dòng)和中間包中鋼液流動(dòng)相似的條件為Re數(shù)和

8、Fr數(shù)保持不變，即：lFr數(shù)相等時(shí)有：lRe數(shù)相等時(shí)有：l當(dāng)模型與原型為1：1時(shí)，可以同時(shí)保證Fr數(shù)和Re數(shù)相等，二者相似最為理想。但選用1：1模型成本較高，而且試驗(yàn)場(chǎng)地受到限制。l常用的中間包物理模擬方法：l同時(shí)考慮Fr數(shù)和Re數(shù)相等；l只考慮Fr數(shù)相等，Re數(shù)處于同一自?；瘏^(qū)（即Re都處于大于第二臨界值時(shí)，湍流程度和流速不受Re的影響）；l同時(shí)考慮Fr數(shù)和We數(shù)相等：考慮中間包覆蓋劑的卷入間題時(shí)，需要考慮液體表面張力的作用。要求模型為原型的0.6倍。l非等溫流動(dòng)的模擬。2.2 停留時(shí)間分布的測(cè)定停留時(shí)間分布的測(cè)定l中間包是連續(xù)反應(yīng)器。鋼包注流的沖擊，水口處對(duì)鋼液的抽吸以及中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形

9、狀，使中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)狀態(tài)很復(fù)雜。l進(jìn)入中間包中各流體分子或流體微團(tuán)從流入到流出這段過程中，實(shí)際經(jīng)歷的路徑長短小一，它們的流速分布也不同，從而在中間包內(nèi)的停留時(shí)間也就各不相同。l流體分子(或微閉)在中間包內(nèi)停留時(shí)間的長短及分布，對(duì)中間包的各種冶金功能有非常重要的影響，因此測(cè)定中間包內(nèi)流體的停留時(shí)間分布，并用來分析中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀態(tài)及對(duì)其冶金功能的影響。2.2.1 刺激響應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)刺激響應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)2.2.1.1實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法l測(cè)量停留時(shí)間分布，通常應(yīng)用刺激一響應(yīng)”實(shí)驗(yàn)。此方法在類似于中間包這類非理想流動(dòng)的反應(yīng)器個(gè)得到了廣泛采用。l其方法是：在中間包注入流處輸入一個(gè)刺激信號(hào)，信號(hào)一般使用示蹤

10、劑來實(shí)現(xiàn)，然后在中間包出口處測(cè)量該輸入情號(hào)的輸出，即所謂響應(yīng)，從響應(yīng)曲線得到流體在中間包內(nèi)的停留時(shí)間分布。l水模中常用的示蹤劑有：電解質(zhì)、發(fā)光或染色物質(zhì)作為示蹤劑，例如KCl，NaCl，通常為脈沖式加入。2.2.1.2 應(yīng)用原則應(yīng)用原則l響應(yīng)信號(hào)要能夠真正反映反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)的真實(shí)狀態(tài)：應(yīng)用刺激響應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：l(1)刺激響應(yīng)過程必須是線性過程，刺激估號(hào)在數(shù)量上的變化導(dǎo)致響應(yīng)在相應(yīng)量上的變化是成比例的 l(2)作為刺激信號(hào)的示蹤劑不能參與反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的任何化學(xué)反應(yīng)，即不會(huì)因反應(yīng)導(dǎo)致示蹤列物質(zhì)的增加或減少。l(3)脈沖式加入刺激信號(hào)，示蹤劑應(yīng)瞬時(shí)加入。l(4)刺激與響應(yīng)信號(hào)安易于測(cè)量。2.

11、2.2 停留時(shí)間分布函數(shù)停留時(shí)間分布函數(shù)2.2.2.1停留時(shí)間分布函數(shù)停留時(shí)間分布函數(shù)E(t)l分子在反應(yīng)器內(nèi)的壽命不相同。但反應(yīng)器中反應(yīng)物分子數(shù)眾多，分子在反應(yīng)器內(nèi)的壽命分布應(yīng)服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。圖22為各個(gè)分子在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間的分布規(guī)律，大多數(shù)分子的停留時(shí)間在中等范圍波動(dòng)，壽命極短及極長的分子都不多，這種分布曲線稱為停留時(shí)間分布函數(shù)E（t）。其定義為：Edt是進(jìn)入反應(yīng)器的流體中在系統(tǒng)內(nèi)的壽命居于t和t+dt之間的那部分分子。l通過反應(yīng)器的全部流體分子可以看作為1，即：l壽命低于t1的流體所占分率為：l壽命高于t1的流體所占的分率：lE(t)的均值為：lE(t)的方差（離散度）：2.2.2.2

12、平均停留時(shí)間平均停留時(shí)間l當(dāng)中間包鈉液的體積為vR，由鑄速所決定的鋼液流出的體積流率為Q時(shí)，由此可算出平均停留時(shí)間：l當(dāng)中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)沒有死區(qū)現(xiàn)象存在時(shí)，二者計(jì)算的平均停留時(shí)間應(yīng)當(dāng)一致。也就是說，鋼液在中間包內(nèi)的實(shí)際停留時(shí)間應(yīng)等于所測(cè)得的E(t)的數(shù)學(xué)期望。l在實(shí)驗(yàn)中，往往利用兩者的差別來判斷中間包內(nèi)死區(qū)的大小。l曲線曲線A：鋼液流動(dòng)為活塞流，示蹤劑分子和加人前后的流體沒有混合，經(jīng)過時(shí)間tc后全部示蹤劑由水口流出，所以仍然保留脈沖特征。l曲線曲線B：如果鋼液流動(dòng)為全混流、示蹤齊脈沖加入后立刻與中間包內(nèi)鋼液混合，混合均勻并立即由水口流出，以后隨著鋼液流出的示蹤劑將逐漸減少、所以B曲線呈現(xiàn)衰減的

13、曲線特征。2.3 流場(chǎng)顯示及流速測(cè)量的實(shí)驗(yàn)技術(shù)流場(chǎng)顯示及流速測(cè)量的實(shí)驗(yàn)技術(shù)l但是建立了合適的模型，還必須有合適的實(shí)驗(yàn)技術(shù)才能得到良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。l流場(chǎng)顯示技術(shù)是研究各種復(fù)雜流動(dòng)的有效方法。流場(chǎng)顯示的任務(wù)就是把透明流體(如水)的流動(dòng)現(xiàn)象，設(shè)法用圖像顯示出流動(dòng)圖形(流譜)供定性分析之用，并力求做到根據(jù)這些流動(dòng)圖形作出流場(chǎng)某種物理量的定量測(cè)量，中間包中的許多流動(dòng)現(xiàn)象，例如注流沖擊、卷渣、夾雜物上浮等，都可以通過流動(dòng)顯示進(jìn)行研究；l流動(dòng)測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)代化，不但提供了各種流動(dòng)的流譜，而且還可提供定量的測(cè)量數(shù)據(jù)，如激光測(cè)速法、高速攝影法等技術(shù)2.3.1 流動(dòng)顯示技術(shù)流動(dòng)顯示技術(shù)l顯示出來的流動(dòng)圖形既便于直接

14、觀察，也可用照相或攝影的方法記錄下來。l最常用的顯示方法是示蹤法。示蹤粒子一般在流動(dòng)的上游即中間包上方注流處加人。要求示蹤劑的密度和流體應(yīng)盡量接近或者粒子的粒度非常細(xì)小，可以和流體同步流動(dòng)。還要有強(qiáng)的反射性能，以便觀察和攝影。l常用的示蹤劑有聚苯乙烯塑料粒子和鋁粉等，染料也可作為示蹤劑，在低速(小于1m/s)時(shí)可用水性染料，如茵紅、高錳酸鉀、甲基藍(lán)等；較高速(大于1m/S)時(shí)，可用油性染料如苯、二甲苯、硝基苯、十二烷基酒精等。2.3.2 高速攝影在流場(chǎng)顯示中的應(yīng)用高速攝影在流場(chǎng)顯示中的應(yīng)用l高速攝影是把高速運(yùn)動(dòng)變化過程的空間信息和時(shí)間信息緊密聯(lián)系在一起進(jìn)行圖像記錄的一種攝影方法。我們?cè)谟^測(cè)快速

15、流動(dòng)過程時(shí)，用它來放大時(shí)間標(biāo)尺，使人們能直接觀看并研究某一特定時(shí)刻的空間一時(shí)間圖像。l攝影頻率在102幅/s以下稱為普通攝影，在102103幅/s的稱為快速攝影，1034x104幅/s的稱為次高速攝影,4X1O4幅/s以上的稱為高速攝影。高速攝影不僅能將瞬變、高速過程連續(xù)記錄下來，給人們以直觀形象和生動(dòng)可靠的結(jié)果，并且能對(duì)研究對(duì)象的瞬時(shí)狀態(tài)、流場(chǎng)變化、運(yùn)動(dòng)軌跡等進(jìn)行記錄，并運(yùn)用圖像分析儀等設(shè)備進(jìn)行定量計(jì)算。l此外還有激光多普勒測(cè)速和熱線流測(cè)速等技術(shù)。但應(yīng)用的較少。2.4 夾雜物的模擬方法夾雜物的模擬方法l在中間包冶金學(xué)中，研究非金屬夾雜物的變化和去除是很重要的內(nèi)容。中間包內(nèi)，夾雜物是在流動(dòng)的介

16、質(zhì)中變化、長大和去除的。用水模型研究鋼液流動(dòng)時(shí)，也需要用適當(dāng)?shù)牧Ｗ觼砟M非金屬夾雜物在流動(dòng)介質(zhì)中涉及夾雜物去除的現(xiàn)象有：夾雜物的碰撞長大、夾雜物上浮、鋼液對(duì)夾雜物的潤濕性以及渣層和包襯捕獲夾雜物的能力等。對(duì)這些復(fù)雜的現(xiàn)象進(jìn)行模擬是相當(dāng)困難的。l主要材料有空心玻璃球、發(fā)泡塑料粒子等，好的模擬材料對(duì)模擬效果非常中要。2.5多級(jí)取樣與系統(tǒng)分析多級(jí)取樣與系統(tǒng)分析l連鑄壞及其制成品的夾雜物狀況和來源作系統(tǒng)的研究，找出改進(jìn)鋼質(zhì)量的途徑。l(1)選擇BaO、SrO、La2O3等氧化物作為爾蹤劑加人中間包渣及結(jié)晶器保護(hù)渣中以追蹤夾雜物的可能來源；l(2)按一定時(shí)間和規(guī)則在中間包鋼液中取大樣、小樣及渣樣；l(3

17、)按一定時(shí)間和規(guī)則在結(jié)晶器未凝固鋼液中取小樣、鉛筆樣及渣樣；l(4)在鑄坯上按一定部位取長條樣、大樣。l 系統(tǒng)分析內(nèi)容：l (1)用化學(xué)法分析渣中CaO、Al2O3、MgO、SiO2、MnO、FeO等；l (2)用光學(xué)顯微鏡觀察金相試樣中的夾雜物，每個(gè)試樣觀察200個(gè)視場(chǎng)，按夾雜物的類型和尺寸的統(tǒng)計(jì)平均值評(píng)價(jià)鋼的清潔度；l (3)用大樣電解法分解鋼中粒徑大于50um的氧化物夾雜，對(duì)典型夾雜物進(jìn)行照相和電子探針分析；l (4)用掃描電境分析夾雜物形貌、構(gòu)成和成分。l (5)分析鋼中Si、Mn、O全、P、S、Als含量；l (6)必要時(shí)，對(duì)使用過的耐火材料工作層進(jìn)行分析。l采用多級(jí)取樣和系統(tǒng)分析的

18、研究方法從多方面直接評(píng)價(jià)鋼的清潔度，雖然尚不能顯現(xiàn)鋼液內(nèi)夾雜物的變化過程，但和中間包鋼液流動(dòng)的數(shù)學(xué)物理模擬相結(jié)合，可以較為確切地分析中間包冶金學(xué)的有關(guān)問題。3 中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)現(xiàn)象中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)現(xiàn)象3.1 中間包鋼液流動(dòng)特性中間包鋼液流動(dòng)特性l注入?yún)^(qū)的流速很高，達(dá)到1m/s以上，高速注流抽引周圍鋼液向下流動(dòng)，注流速度逐漸減小，但幅度不大，到達(dá)底部時(shí)速度依然很大。l設(shè)置一個(gè)擋墻和一個(gè)壩時(shí)中間包內(nèi)的流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。擋墻可以阻止頂面回流，并使注流的沖擊限制在較小區(qū)域內(nèi)，減少渣的卷入。壩(也可稱下?lián)鯄?可以阻止鋼液沿包底的運(yùn)動(dòng)，形成向上液流，有利于其中夾雜物的去除。鋼液流過壩后，折向上方的液流重新轉(zhuǎn)向

19、水口，形成回流。l中間包水模型流場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果表明，中間包內(nèi)鋼液流場(chǎng)中含有由液液射流、駐點(diǎn)流動(dòng)、匯流出流及旋渦等流動(dòng)現(xiàn)象。注流的危害注流的危害l注流卷入空氣有如下四種方式；l(1)注流為光滑的層流，沖擊到中間包表面形成一個(gè)凹坑，卷人到凹坑周圍的空氣強(qiáng)烈振動(dòng)，氣泡崩裂成細(xì)小的氣泡；l(2)注流處于層流與湍流的過渡區(qū)，注流表面出現(xiàn)不規(guī)則形狀，沖擊到熔池表面產(chǎn)生渦流流動(dòng)，不斷卷人崩裂的空氣泡；l (3)注流表面為高度發(fā)展的湍流，注流沖擊區(qū)形成很不規(guī)則的波浪運(yùn)動(dòng)，卷入的空氣分散成細(xì)小的氣泡；l (4)注流分裂成液滴散流，每個(gè)液滴都卷入空氣，吸氧速率大大增加。匯流旋渦的危害匯流旋渦的危害l匯流旋渦形成過程

20、，最初液面出現(xiàn)不穩(wěn)，有少量液滴吸入熔池內(nèi)部，隨著液面下降，在水口上方形成旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，最后形成貫通的旋渦漏斗。l鋼液流出過程形成的匯流旋渦，能把液面上的渣卷入鋼液內(nèi)部甚至卷入空氣，增加二次氧化，重惡化鋼的質(zhì)量。在連續(xù)澆鑄換包時(shí)，經(jīng)常發(fā)生。自然對(duì)流對(duì)流場(chǎng)的影響自然對(duì)流對(duì)流場(chǎng)的影響l自然對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力是由流體的密度差引起的，而密度差則可能由溫度差或濃度差引起，溫度差引起自然對(duì)流的情況較多。在連鑄操作中，產(chǎn)生溫度差的原因有：l(1)換包時(shí)，鋼包內(nèi)鋼液與中間包內(nèi)鋼液液溫度不同；l(2)中間包鋼液散熱損失降低；l(3)中間包加熱。3.2 改進(jìn)中間包鋼液流動(dòng)的措施改進(jìn)中間包鋼液流動(dòng)的措施l 改進(jìn)中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)

21、的主要方法是：消除包底鋪展的流動(dòng)，使下游的流動(dòng)有向上趨勢(shì)，延長注入到出口的時(shí)間，增加熔池深度以減輕匯流旋渦等。具體措施：l增大中間包容量：增大小間包容積，使平均停留時(shí)間增加，有利于夾雜物去除。l改進(jìn)包型。l在容積一定條件下，增大有效容積，減小死區(qū)體積。對(duì)于不夠大的中間包，可通過改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如加設(shè)擋墻或壩。3.2.1增大中間包容量增大中間包容量l優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：l一是使鋼液在中間包內(nèi)有較長的停留時(shí)間，以利于夾雜物上浮，提高鋼液的清潔度。l二是便于與拉坯速度配合，行利于換包時(shí)順利澆注，改善換包時(shí)鑄坯的質(zhì)量。l增加熔池深度是擴(kuò)大容量的一種有效辦法。 較深的熔池表面流速較小，減輕了液面波動(dòng)，這對(duì)減輕二次

22、氧化也是有利的。3.2.2 擋墻（堰）、壩和導(dǎo)流隔墻的應(yīng)用擋墻（堰）、壩和導(dǎo)流隔墻的應(yīng)用l設(shè)置檔墻可以阻止表面回流，并使鋼液湍動(dòng)顯著的部分集中在注入流區(qū)，下游形成流動(dòng)平穩(wěn)的熔池。l壩的作用是阻擋沿包底的流動(dòng)，使流動(dòng)方向轉(zhuǎn)向上方。l檔墻設(shè)于壩的上游才有改善中間包流動(dòng)的結(jié)果，反之，壩在擋埔的上游，反而使包底鋪展流動(dòng)更嚴(yán)重。3.2.3導(dǎo)流隔墻導(dǎo)流隔墻l考慮到自然對(duì)流對(duì)鋼液流動(dòng)方向的影響以及避免壩體上浮的危害，用導(dǎo)流隔墻來控制中間包流動(dòng)是更有效的方法。l在一個(gè)將上下游完全隔開的耐火材料壁上設(shè)置若干個(gè)不同尺寸和傾角的孔洞，使鋼液根據(jù)需要的方向流過孔洞，這就是導(dǎo)流隔墻。l導(dǎo)流隔墻可以與過濾器和其它控流裝置

23、配合使用。3.3.3 多水口中間包流動(dòng)特性及改進(jìn)措施多水口中間包流動(dòng)特性及改進(jìn)措施l對(duì)于多流小方坯連鑄機(jī)，使用多水口中間包，一般容積較小，注流在個(gè)間包的中間，各水口和注流的水平距離相差甚大，所以各流的平均停留時(shí)間和停留時(shí)間分布也各不相同。l外側(cè)水口的距離L長，停留時(shí)間長，熱損失大，有時(shí)容易凍結(jié)，不能順利開澆。l內(nèi)側(cè)水口的距離L短，夾雜物去除的機(jī)會(huì)少。改進(jìn)措施改進(jìn)措施3.2.4 中間包湍流控制技術(shù)中間包湍流控制技術(shù)l在注流沖擊點(diǎn)設(shè)置緩沖器，緩沖器均構(gòu)造簡單，安裝方便，容易在個(gè)間包上應(yīng)用。應(yīng)用緩沖器可以改善個(gè)間包鋼液流動(dòng)，起到以下作用：l(1)減弱盛鋼桶注流的沖擊作用，減少卷渣、卷入氣體；l(2)

24、增大滯止時(shí)間，減少包中死區(qū)體積；l(3)減少對(duì)中間包注流區(qū)耐火材料的沖刷、侵蝕；l(4)減緩“匯流旋渦的生成。取得控制鋼液流動(dòng)的效果。l但緩沖器不能改變中間包內(nèi)鋼液流場(chǎng)的整體態(tài)勢(shì)，還需要和其他控流元件相配合。湍流控制器的種類湍流控制器的種類中間包流場(chǎng)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)舉例中間包流場(chǎng)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)舉例l1 薄板坯連鑄中間包堰壩位置優(yōu)化薄板坯連鑄中間包堰壩位置優(yōu)化 l1.1 堰與水口中心距優(yōu)化堰與水口中心距優(yōu)化 l將原中間包的單擋墻控流方式改為堰壩組合控流方式。具體為，在原有單一壩的基礎(chǔ)上增加堰。 圖4.1 中間包內(nèi)堰壩位置示意圖l其中X1的變化水平為：272mm、322mm、372mm、422mm、472mm、

25、522 mm 、572 mm 、622mm；X2的變化水平為：200mm、230mm、260mm、290mm、320mm、350mm、450mm。l實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)X1的8個(gè)水平和X2的7個(gè)水平進(jìn)行了全因素實(shí)驗(yàn)，共56組。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)兩遍。l通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)堰壩中心距在290350mm之間變化時(shí)，最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間較大，死區(qū)體積分率較小。故本研究以堰壩中心距為290mm為例，分析了堰壩中心距不變情況下，堰與水口中心距變化對(duì)流體流動(dòng)特征的影響規(guī)律，以確定較為合理的堰與水口中心距X1， 2503003504004505005506006504045505510

26、0120140160180200Time,sDistance between weir and nozzle,mm tmin tpeak圖4.2 最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間與堰水口中心距的關(guān)系250300350400450500550600650283032343638404244 Dead zone volume,%Distnce between weir and nozzle,mm圖4.3 死區(qū)體積分率和堰與水口中心距的關(guān)系1.2 堰壩中心距優(yōu)化堰壩中心距優(yōu)化 l綜合三個(gè)特征參數(shù)看，實(shí)驗(yàn)效果較好的堰與水口中心距為422mm，472mm和522mm。由于此時(shí)的死區(qū)體積分率仍然較大，需要進(jìn)一步優(yōu)化

27、堰壩中心距。l當(dāng)堰壩中心距為290mm、320mm和350mm時(shí)，最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間均相對(duì)較長，且三個(gè)位置對(duì)應(yīng)的死區(qū)體積分率分別為31.15%，31.011%和30.774%，死區(qū)體積變化不大。由于具備了較長的最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間，流體在中間包內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路線更長，更曲折，為夾雜物的充分上浮提供了條件。200250300350400450404550556065100120140160180200Time,sDistance between weir and dam,mm tmin tpeak圖4.4 最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間與堰壩中心距的關(guān)系2002503003504004502728293

28、0313233 Dead zone volume,%Distance between weir and dam,mm圖4.5 死區(qū)體積分率與堰壩中心距的關(guān)系2 堰壩幾何尺寸優(yōu)化堰壩幾何尺寸優(yōu)化 l雖然確定了較佳的堰壩位置，但存在的問題依然比較明顯，即獲得的死區(qū)體積分率較大，仍然難于提供理想的堰壩組合方案。由于壩高和堰深對(duì)中間包內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)路線有顯著影響，以下部分將在上述優(yōu)化堰壩位置的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究堰壩幾何尺寸對(duì)中間包內(nèi)流體流動(dòng)特征的影響，從而尋求最佳的堰壩幾何尺寸。l實(shí)驗(yàn)中，將堰壩位置固定在效果比較好的優(yōu)化位置上進(jìn)行堰壩尺寸的優(yōu)化，即堰與水口中心距472mm，堰壩間距350mm。其中，堰深H

29、1的變化水平為：130mm、150mm、170mm、190mm、210mm，壩高H2的變化水平為：180mm、200mm、220mm， 圖4.6 中間包內(nèi)壩高和堰深變化示意圖0246810121416404550140160180200220Time,sSerial number tmin Tpeak圖4.7 堰壩尺寸對(duì)中間包流體流動(dòng)最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間的影響0246810121416262830323436Dead zone volume,%Serial number圖4.8 堰壩尺寸對(duì)中間包流體流動(dòng)死區(qū)體積分率的影響l綜合最小停留時(shí)間、峰值時(shí)間和死區(qū)體積分率三者來看，當(dāng)堰與水口中心距為4

30、72mm，堰壩中心距為350mm，壩高為200或220mm，堰深為170mm時(shí)，中間包內(nèi)流體流動(dòng)特征參數(shù)最佳，此時(shí)的最小停留時(shí)間在50s左右，峰值時(shí)間在190s左右，死區(qū)體積分率減少至2728%左右。 3 壩上溢流孔尺寸優(yōu)化壩上溢流孔尺寸優(yōu)化l上述優(yōu)化過程中，無論如何改變堰壩位置和堰壩尺寸，雖然最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間會(huì)有所延長，但死區(qū)體積分率仍然比較大，即使最佳堰壩組合方案所對(duì)應(yīng)的死區(qū)體積分率也和原方案(單擋墻)相差不大，均在2628%之間。l對(duì)溢流孔尺寸進(jìn)行優(yōu)化之后，從右圖可以看出，底流明顯減小。底流的減小，使得流體的最小停留時(shí)間延長，改善了流體流動(dòng)特性。由此可得，對(duì)溢流孔進(jìn)行優(yōu)化是相當(dāng)必要

31、，也是效果顯著的。圖4.10 壩上溢流孔改變前后示意圖l溢流孔優(yōu)化之后，最小停留時(shí)間及峰值時(shí)間分別延長了27s和46s，分別增加了52%和24%，死區(qū)體積分率由27.179%減少至18.321%，減小了33%。圖4.9 壩底部溢流孔優(yōu)化前后流場(chǎng)顯示圖4.12 堰壩組合優(yōu)化方案中間包流體流動(dòng)狀況4 中間包夾雜物控制中間包夾雜物控制l連鑄坯夾雜物來源l1.下渣l2.空氣再氧化l3.卷渣l4.耐火材料l5吸入空氣l6.浸入式水口堵塞（大型夾雜）l7.結(jié)晶器卷入保護(hù)渣4.1注流的二次氧化及保護(hù)措施注流的二次氧化及保護(hù)措施l鋼液注流保護(hù)澆鑄包括鋼包注流保護(hù)澆鑄和中間包注流保護(hù)澆鑄，通常有耐火材料保護(hù)套管

32、、長水口及惰性氣體屏蔽等方法，生產(chǎn)高清潔度鋼時(shí)則可綜合采用上述方法。l通過注流保護(hù)澆鑄，既可防止注流的二次氧化，又能避免澆注沖擊液面使鋼液裸露而造成的二次氧化。二次氧化不但使鋼中的大型氧化物夾雜增多，而且在澆鑄時(shí)使中間包水口被Al2O3夾雜堵塞的可能性增加，同時(shí)也使鋼中氮含量增加。氣體保護(hù)的不同措施氣體保護(hù)的不同措施l美國伯利恒鋼鐵公司在鋼包上滑板底部開一個(gè)環(huán)形槽，在槽內(nèi)通入氬氣。l鋼包集流水口的防護(hù)裝置，接口用插座和墊圈來密封。在插座內(nèi)裝有環(huán)形管，氬氣從環(huán)形管上的縫通入。氬氣管道和插座連接在鋼包底部。l密封中間包，包底吹氬穿過鋼液，在液面上形成保護(hù)氣氛。4.2中間包夾雜物的運(yùn)動(dòng)中間包夾雜物的

33、運(yùn)動(dòng)4.2.1流動(dòng)狀態(tài)下夾雜物運(yùn)動(dòng)規(guī)律流動(dòng)狀態(tài)下夾雜物運(yùn)動(dòng)規(guī)律4.2.1.1夾雜物的上浮夾雜物的上浮l在中間包內(nèi)，夾雜物依然可以通過上浮由鋼液中排除。按常規(guī)看法，夾雜物上浮去除速度服從斯托克斯(Stokes)公式：lu為夾雜物的上浮去除速度；m為鋼液的密度； s為夾雜物的密度；g為重力加速度。D p為夾雜物的直徑，為鋼液黏度系數(shù)。l從本質(zhì)上來說，斯托克斯(Sokes)公式所計(jì)算的上浮速度是顆粒在重力場(chǎng)中流體介質(zhì)內(nèi)作加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到介質(zhì)摩擦阻力而達(dá)到的終速度，其初速度比該值還要小得多。l在中間包內(nèi)，流體本身的流動(dòng)速度比上述速度高出很多，小的夾雜物顆粒，在中間包中將跟隨流動(dòng)的鋼液一同運(yùn)動(dòng)，只有大

34、顆粒夾雜物在鋼液流速較低的區(qū)域能夠上浮。l對(duì)鋼液潤濕的夾雜物，在浮到表面后，可能重新被流動(dòng)的鋼液帶回其中。l只有對(duì)鋼液不潤濕的夾雜(稱為疏鐵性夾雜)，能自動(dòng)從鋼液中分離出來。如 Al2O3。4.2.1.2夾雜物的碰撞與凝聚夾雜物的碰撞與凝聚l在流動(dòng)的鋼液中，夾雜物顆粒容易碰撞而凝聚成大顆粒，液態(tài)的夾雜物凝并后成為較大液滴；顆粒的碰撞凝聚是夾雜物去除的重要形式。顆粒的碰撞有以下四種方式：l布朗碰撞：是小顆粒夾雜物熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。lStokes碰撞：大小顆粒夾雜物上浮速度不同造成的。l速度梯度碰撞：不同流線上的夾雜物速度不同造成的。l湍流碰撞：夾雜物具有脈動(dòng)速度造成的。4.3 中間包吹氬中間包吹氬l

35、中間包吹氬不是為了增強(qiáng)攪拌，而是用惰性氣泡清洗鋼液。l最初在中間包中吹氬著眼于脫氫。試驗(yàn)證明吹氬50-80NL/min可清除開澆階段的增氫現(xiàn)象。l但是中間包吹氬最明顯的效果是去除夾雜物。中間包吹氬的主要方式是在中間包底部某個(gè)位置通過多孔磚或多孔氬管吹入微小氣泡。中間包底吹氬作用中間包底吹氬作用l(1)排列成列的吹員孔口垂直于沿包底流動(dòng)的液流布置，類似于在包底設(shè)置了壩，促使鋼液轉(zhuǎn)向上方流動(dòng)，其作用比壩的效果還強(qiáng)烈；l(2)員氣泡的浮力產(chǎn)生氣泡泵現(xiàn)象，促使該局部的湍動(dòng)能耗散率顯著增大，有利于夾雜物顆粒碰撞長大而排除；l(3)上浮的氣泡可以捕獲夾雜物顆粒、并攜帶著它一同上浮，這樣就使微細(xì)夾雜物顆粒上

36、浮速度增大到氣泡上浮的速度。l許多研究證明，夾雜物去除速率等于氣泡產(chǎn)生數(shù)與每一氣泡和顆粒碰撞數(shù)的乘積：l積分后可得：l因子依次分別為每個(gè)氣泡清洗體積；單位體積內(nèi)顆粒數(shù)；捕獲夾雜概率；吹氣生成氣泡數(shù)；溫度變化引起的膨脹。l吹氬量越大、氣泡直徑越小，吹氬深度越深，則式中的const越大，亦即夾雜去除率越高。l中間包吹氬適宜用小的氣泡，有利于捕獲更多的夾雜物顆粒。這和鋼包吹氬攪拌的目的是有區(qū)別的。l另外，氬氣泡會(huì)帶走一些熱量。受熱平衡的限制，中間包吹氬流量不能很大。實(shí)例實(shí)例l日本住友金屬鹿島廠在60-80t中間包中用多孔磚吹氬，微孔直徑200um，在吹氬區(qū)上游設(shè)置一個(gè)隧道擋墻，其布置如圖4-19所示

37、。底部上升的氬氣泡流還有控制沿包底鋼流的作用。對(duì)管線鋼API-X60的抗HIC(氫誘導(dǎo)裂紋)指標(biāo)有顯著改進(jìn),如圖4-20所示。l 中間包吹氬的另一作用是防止長水口結(jié)瘤堵塞，為此要把氬氣直接吹如長水口，氬氣隨鋼液進(jìn)入結(jié)晶器后上浮逸出。l常用的方法是通過塞棒中心的鐵管往下吹氬。也可以制成復(fù)合的長水口，將多孔材料或吹氣槽鑲嵌在水口中或滑板上，吹入的氬氣量為0.851.42m3/h。水口結(jié)瘤的原因可歸納如下：(1)鋼液溫度下降，導(dǎo)致鋁脫氧反應(yīng)平衡移動(dòng)在水口中析出Al2O3；(2)高速流動(dòng)的鋼液由水口耐火材料的孔隙抽引空氣到鋼液中，與鋼液中的鋁反應(yīng)生成Al2O3 ；(3)水口內(nèi)鋼流有很大速速度梯度和湍動(dòng)

38、能，使Al2O3顆粒能碰撞長大，大顆粒夾雜物(100um)可節(jié)助法向脈動(dòng)速度穿過邊界層到達(dá)并粘附在耐火材料表面；(4)由于凝固偏析和鋼液與耐火材料的化學(xué)反應(yīng)，在耐火壁面附近形成雜質(zhì)(Si、C等)富集層，其濃度梯度導(dǎo)致表面張力梯度，產(chǎn)生借助馬拉戈尼(Marangoni)效應(yīng)使小顆粒夾雜物穿透層流底層而粘附在壁面。水口吹氬的缺點(diǎn)水口吹氬的缺點(diǎn)l吹氬還對(duì)減輕結(jié)晶器內(nèi)鋼液的二次氧化有利。l然而，水口吹氬產(chǎn)生的部分氬氣泡會(huì)隨鋼液進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)，直徑很小的員氣泡有可能在鋼凝固前來不及上浮并析出，造成鋼坯和鋼板的皮下氣泡缺陷。對(duì)于品質(zhì)要求很嚴(yán)格的鋼板，可能成為質(zhì)量事故的原因。大的氬氣泡能從結(jié)晶器浮出，但上浮速

39、度快造成結(jié)晶器鋼液面波動(dòng)，對(duì)鋼坯質(zhì)量也有不利影響。l所以，最好的辦法還是減輕二次氧化，降低鋼液中的Al2O3夾雜物。另外，把Al2O3夾雜改性成為鋁酸鈣夾雜，也是防止堵塞水口的有效方法。4.5 中間包內(nèi)鋼液卷渣及其控制中間包內(nèi)鋼液卷渣及其控制l在連鑄過程中為對(duì)鋼液起到保溫、防止二次氧化、吸收夾雜物等冶金作用，必須使用中間包覆蓋劑，但是在中間包澆鑄過程中，也常常發(fā)生鋼液卷渣現(xiàn)象，在鋼中形成大型夾雜物，因此有必要開展防止在澆鑄過程中發(fā)生卷渣現(xiàn)象的技術(shù)研究。 4.5.1影響小間包鋼液卷渣的因素影響小間包鋼液卷渣的因素l(1)鋼渣界面流動(dòng)的剪切力和表面波，主要是盛鋼桶注流的沖擊引起的表面波動(dòng)；l(2)

40、注流沖擊區(qū)的湍流，由于注流形成的液液射流的影響，將表面渣卷入鋼液內(nèi)部；l(3)中間包水口處的匯流旋渦，匯流旋渦的生成是使中間包覆蓋劑卷入結(jié)晶器內(nèi)的重要原因，尤其是在中間包液位較低時(shí)。4.5.2減輕中間包鋼液卷渣的方法減輕中間包鋼液卷渣的方法l1. 采用長水口或套管注入鋼液l中間包保持正常液位時(shí)，鋼包敞開澆鑄，注流有極大的流速，產(chǎn)生的沖擊力引起液面強(qiáng)烈波動(dòng)，沿鋼渣界面產(chǎn)生剪切力，把渣子卷入鋼液。當(dāng)中間包的注流采用長水口或套管保護(hù)時(shí)，注流引起的液面表面波動(dòng)明顯減輕，鋼渣界面剪切力減弱，鈉液卷渣明顯減少。l2.合理的液面深度l匯流旋渦是產(chǎn)生中間包鋼液卷渣的主要原因，由前面分析可知，產(chǎn)生匯流旋渦有一定

41、的臨界高度，低于其臨界高度必然產(chǎn)生匯流旋渦。這一點(diǎn)在更換盛鋼桶時(shí)尤其需要注意。3.旋渦控制裝置旋渦控制裝置4.鋼液卷渣的自動(dòng)檢測(cè)與控制鋼液卷渣的自動(dòng)檢測(cè)與控制l匯流旋渦控制設(shè)備復(fù)雜，在澆鑄后期由于鋼液的侵蝕磨損，抑制功能下降。l如果能早期檢測(cè)出鋼流混渣的現(xiàn)象，及時(shí)停止?jié)茶T，可保證鑄坯質(zhì)量。l早期的卷渣發(fā)生在注流中心，必須使用儀器檢測(cè)。l普遍應(yīng)用的是電磁檢測(cè)法：根據(jù)鋼和渣透磁性的差別，測(cè)定感應(yīng)電流電壓再將輸出信號(hào)放大后，可發(fā)出聲光報(bào)誓信號(hào)并啟動(dòng)閥門將注流關(guān)閉。5.鋼液過濾技術(shù)鋼液過濾技術(shù)l 過濾是將懸浮在液體中的固相顆粒有效地加以分離的常用方法，通過過濾操作以獲得純凈的液體，或獲得作為產(chǎn)品的固體

42、顆粒。l工業(yè)上使用過濾方法涉及的范圍很廣，從簡單的粗濾到高精復(fù)雜的分離。最早是以化學(xué)工業(yè)為主，將陶瓷過濾器廣泛用于食品、醫(yī)藥、金屬、粉料輸送、環(huán)境衛(wèi)生、降低噪音、放射性廢料處理等領(lǐng)域。l在冶金方面，1964年布羅迪克(K.L.Brondyke) 對(duì)熔融鋁進(jìn)行了過濾研究，過濾技術(shù)及相關(guān)工藝的研究取得了很大進(jìn)展。l過濾技術(shù)的應(yīng)用，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，主要表現(xiàn)在：l(1)泡沫陶瓷過濾器的使用，可在生產(chǎn)條件下完全去除液態(tài)金屬攜帶的大塊夾雜物。l(2)可去除相當(dāng)部分液態(tài)金屬中懸浮的細(xì)小夾雜物，例如鋁合金熔體經(jīng)多孔剛玉陶瓷過濾器后，直徑為5um以上的氧化物夾雜大部分被濾去，50um以上的夾雜物能完全濾去。l

43、(3)采用網(wǎng)型過濾器可減少金屬中的氣體含量。濾網(wǎng)阻擋和吸附了氣體夾雜物。l(4)可改善金屬液的流動(dòng)性，提高其可澆鑄性。5.1過濾機(jī)理過濾機(jī)理l冶金熔體通過過濾去除夾雜物，有三種過濾機(jī)理，即篩網(wǎng)過濾、濾餅過濾和深層或深床過濾。l(1)篩網(wǎng)過濾。是物理過程，凡大于網(wǎng)眼尺寸的夾雜物均被保留下來，小于網(wǎng)眼尺寸的夾雜則隨液體一起流走。這種過濾器一般可用來濾掉外來大塊夾雜物，如耐火材料、爐渣等。l(2)濾餅過濾。懸浮液中的夾雜物顆粒在通過多孔介質(zhì)時(shí)被截留，逐漸沉積于過濾介質(zhì)的表面而形成濾餅，而濾餅層成了有效的過濾介質(zhì)。l(3)深層或深床過濾?？梢杂糜谶^濾尺寸小于網(wǎng)孔徑的細(xì)小夾雜。固體顆粒并不形成濾餅而是沉

44、積于介質(zhì)內(nèi)部的孔隙中。5.2 鋼液過濾器鋼液過濾器l20世紀(jì)80年代初，美國人首先將陶瓷過濾器技術(shù)用于高溫合金的凈化。1983年，日本開始開發(fā)過濾技術(shù)在煉鋼中的應(yīng)用，并在普碳鋼連鑄中進(jìn)行半工業(yè)試驗(yàn)。l國內(nèi)近年來也開展了陶瓷過濾器的開發(fā)。針對(duì)泡沫陶瓷過濾器的材質(zhì)選擇、制造技術(shù)等開展了大量研究。已研制成功多孔泡沫陶瓷過濾器，并在高溫合金和連鑄鋼液中試用，取得較好的效果。5.2.1鋼液過濾器的要求鋼液過濾器的要求l鋼液澆鑄溫度高，過濾器工作條件思劣。另外，鋼液澆鑄的時(shí)間長，生產(chǎn)規(guī)模大。鋼液過濾器必須滿足下列工藝要求。l(1)耐高溫、能在1600高溫下正常使用，能承受鋼液通過過濾器時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和機(jī)械

45、沖擊應(yīng)力。l(2)澆鑄過程中能夠抵抗渣的化學(xué)侵蝕，盡可能做到與中間包壽命同步。l(3)既要有效地去除夾雜物，完成過濾的任務(wù)，又要減少對(duì)鋼液的阻力，以保證較高的生產(chǎn)率。l(4)保持溫度穩(wěn)定性，避免鋼液通過過濾器后溫度過度下降，以保證正常生產(chǎn)。l(5)安裝使用方便，成本較低。5.2.2過濾器的結(jié)構(gòu)與形式過濾器的結(jié)構(gòu)與形式l目前國內(nèi)外實(shí)際用于鋼液的過濾器的結(jié)構(gòu)主要有兩大類，即直通孔型和線圈式或泡沫型。l泡沫式過濾器能去除65以上的Al2O3夾雜物，然而其阻力大，容易引起堵塞，這種過濾器只能用于已去除大部分夾雜的較清潔鋼液，進(jìn)一步去除微型夾雜物。l直通孔型過濾器的孔徑一般在1050mm，孔徑大，對(duì)鋼液

46、流動(dòng)阻力小，具有理想的鋼液通過速度，因此直通孔型過濾器一般能用于正常生產(chǎn)。l然而也正是由于孔徑大，孔隙的迷宮度小，所以其去除夾雜物的能力不如泡沫式過濾器。5.2.3過濾器的材質(zhì)過濾器的材質(zhì)l過濾器的材質(zhì)主要從過濾器的高溫性能、成本以及對(duì)夾雜物的去除效率來考慮。l目前泡沫陶瓷過濾器應(yīng)用較多的材料是鋯鋁質(zhì)。氧化鋯是具有良好的耐高溫性和耐化學(xué)侵蝕性，但抗熱沖擊性能不好，添加少量的CaO或MgO可以改進(jìn)其抗熱震性能。l此外氧化鋯中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35的氧化鋁制成過濾器，具存極好的抗熱震性能和耐火度。l氧化鈣有很好的抗熱器件能，對(duì)Al2O3夾雜物有強(qiáng)化學(xué)吸收作用、是一種理想的鋼液過濾器材料。但氧化鈣的缺點(diǎn)

47、是易水化，通常加入氧化鐵等穩(wěn)定劑來提高氧化鈣的穩(wěn)定性。l莫賴石有較高的耐火度和很好的抗熱震性，也可用來制造過濾器。5.2.4過濾器的加工與制造過濾器的加工與制造l泡沫型陶瓷過濾器的制造工藝氣孔直徑在10um以上的采用壓縮法制造，對(duì)氣孔直徑在10um下的采用注漿法制造。l壓縮法類似于制造泡沫耐火磚，將陶瓷骨料與細(xì)粉按一定比例混合，然后同有機(jī)粘合劑或無機(jī)帖結(jié)劑均勻地混合攪拌，經(jīng)過一定時(shí)間的停料和醒料后，置于模內(nèi)壓成(擠壓或輥壓)一定的形狀，然后在一定溫度下干燥、燒成。l注漿法的工藝過程類似于一般的制陶瓷的方法，先將陶瓷材料制成料漿，將泡沫塑料做成一定的形狀的空腔，然后將陶瓷料漿流入塑料基體間的間隙

48、中，干燥后進(jìn)行燒成。使塑料燒失成為空洞，同時(shí)陶瓷成分燒結(jié)。5.2.5過濾器的安裝過濾器的安裝5.3鋼液應(yīng)用過濾器原理鋼液應(yīng)用過濾器原理5.3.1泡沫陶瓷過濾器過濾原理泡沫陶瓷過濾器過濾原理l對(duì)微小夾雜物的吸附作用：介質(zhì)表面對(duì)夾雜物的潤濕性能好于鋼液，金屬液流經(jīng)泡沫型陶瓷過濾器被分成細(xì)小液流，夾雜物與過濾介質(zhì)的接觸面積和接觸機(jī)會(huì)增加，白發(fā)脫離鋼液的趨勢(shì)。另外過濾通道存在極微小的凸凹面，利于夾雜物吸附。l濾餅作用：大于過濾器表面孔徑的夾雜物沉積在過濾器表面，逐漸形成了一層“濾餅”，使流通孔道進(jìn)一步變細(xì)，可濾掉更細(xì)小的夾雜物。l泡沫陶瓷過濾器通道窄小，隨著過濾的進(jìn)行，孔徑進(jìn)一步減小，通道阻力逐漸增大

49、，可能發(fā)生堵塞，需要經(jīng)常更換過濾器或停止?jié)茶T。泡沫過濾器適用于間歇式生產(chǎn)操作。5.3.2 Ca0直通孔過濾器過濾原理l直通孔式過濾器已應(yīng)用于連鑄中間包。一種過濾方式是直接去除夾雜物，即過濾器本身的過濾作用；另一種是間接去除夾雜物，即通過改變鋼液流動(dòng)狀況來促使夾雜物碰撞、聚合、上浮。l流動(dòng)控制作用：直通孔過濾器安裝在中間包內(nèi)的擋墻或隔墻上，在過濾器上游區(qū)域，加強(qiáng)了鋼液流動(dòng)的湍動(dòng)能，促進(jìn)了夾雜物的碰撞長大；經(jīng)過過濾器后，鋼液流動(dòng)趨于平穩(wěn)，減少了液面波動(dòng)，有利于夾雜物的上浮。l化學(xué)反應(yīng)的作用：鋼液通過直通孔式過濾器時(shí)，被分成了眾多的管流，增大了鋼液中的夾雜物與Ca0壁面接觸的機(jī)會(huì)。在孔徑中易發(fā)生速度

50、梯度碰撞和湍流碰撞。l與CaO壁接觸的Al2O3易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)鈣鋁酸鹽，已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中得到證實(shí)。過濾器表面上而脫離鋼液：圖5-2中，在使用后，經(jīng)取樣分析A處1-6部分Al2O3平均含量由使用前的0.5，提高到1.6。同N在B、C、D比原始含量高34，檢測(cè)12CaO7 Al2O3。鈣鋁酸鹽的物理化學(xué)性能化合物CaO，%Al2O3，%熔點(diǎn)，密度，kgm-33CaOAl2O362381535304012CaO7Al2O3485214552830CaOAl2O3356516052980CaO2Al2O3227817502980CaO6Al2O389218503380Al2O301002020-

51、6 中間包鋼液溫度控制及加熱技術(shù)中間包鋼液溫度控制及加熱技術(shù)6.1 中間包內(nèi)鋼液溫度拴制中間包內(nèi)鋼液溫度拴制6.1.1 對(duì)中間包內(nèi)鋼液溫度的要求對(duì)中間包內(nèi)鋼液溫度的要求l中間包個(gè)鋼掖溫度是連鑄操作制度的核心，是保證連鑄坯質(zhì)量的重要保障。l中間包是儲(chǔ)存、分配鋼液的最后一個(gè)耐火材料容器，中間包流出的鈉液溫度就是鋼的澆鑄溫度。l中間包鋼液溫度過低，易造成連鑄后期鋼液流動(dòng)性差，鋼中夾雜物增多，甚至產(chǎn)生水口堵塞等事故；l鋼液溫度過高，一方面必然使出鋼溫度提高，使鋼質(zhì)量變差及耐火材料損耗嚴(yán)重，另一方面限制了連鑄機(jī)拉速的提高，增加了拉漏危險(xiǎn)等。6.1.2中間包溫度分布中間包溫度分布l在靠近換面處，由于鋼液向

52、覆蓋劑傳熱，鋼液上表面存在一低溫區(qū)；同時(shí)由于渣面的對(duì)外傳熱和包襯的熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致鋼液產(chǎn)生自然對(duì)流，在中間包底部形成一低溫區(qū)域；中間包內(nèi)中上部鋼液則構(gòu)成了高溫區(qū)。研究表明：頂部存在低溫鋼液區(qū)；中上部溫度均勻，為等溫區(qū)；底部存在低溫區(qū)。l從測(cè)定結(jié)果可知，中間包內(nèi)上下層鋼液溫度相差5206.1.3澆鑄過程中中間包鋼液隨時(shí)澆鑄過程中中間包鋼液隨時(shí)間的變化間的變化l為了保證連鑄工藝的順利進(jìn)行，對(duì)中間包內(nèi)鋼液溫度制度最重要的要求就是在連鑄整個(gè)過程中中間包鋼液過熱度盡量少波動(dòng)，鋼液過熱度的大范圍波動(dòng)帶來的害處如下：l(1)鋼液溫降過大，開澆時(shí)造成水口凝鋼，甚至使開澆失??；l(2)中間包鋼液溫度不穩(wěn)定、加劇了結(jié)

53、晶器坯殼生長的不均勻性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致拉漏；l(3)不利于拉速的穩(wěn)定，難以實(shí)現(xiàn)高速連鑄作業(yè)；l(4)不利于中間包鋼液中夾雜物的上浮分離；l(5)使結(jié)晶器保護(hù)渣殼厚度不足，損害鑄坯表面質(zhì)量。6.1.4 中間包熱損失的途徑中間包熱損失的途徑6.1.5中間包包襯的熱工特性中間包包襯的熱工特性l材料的蓄熱能力由其密度、比熱容和所在位置的內(nèi)外溫度差所決定。減小耐火材料的密度可以降低包襯的蓄熱。目前中間包多用絕熱板、耐火磚砌筑或用不定形耐火材料制造。l中間包包襯的傳熱和畜熱是同時(shí)進(jìn)行的，同樣是降低鋼液溫度的因素。兩種熱損失綜合來考慮，稱之為包襯的熱工特性，不同中包材料、尺寸不同，其熱工特性存在差異。l中包烘

54、烤是減少溫降的有效措施。6.1.6 澆鑄溫度確定澆鑄溫度確定l中間包鋼液目標(biāo)溫度的確定：中間包鋼液目標(biāo)溫度是由所澆鑄鋼種的液相線溫度TL加上相應(yīng)鋼種規(guī)定的過熱度來確定的。幾種具有代表性的計(jì)算方法如下：l過熱度T的確定，通常因鋼種而異。對(duì)于厚板材，為減少內(nèi)部裂紋和中心偏析，偏低為好(520)；對(duì)表面質(zhì)量要求較高的冷軋薄板，偏高為好(2030)。國內(nèi)鋼廠根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，按照鋼種、鑄坯斷面及澆鑄條件不同設(shè)置不同。6.2 中間包加熱技術(shù)中間包加熱技術(shù)l中間包加熱目的：l(1)為了保證鋼坯質(zhì)量，持別是為了減輕中心偏析，鋼液澆鑄溫度應(yīng)保持穩(wěn)定，希望限在 5內(nèi)，但出于澆鑄過程中間包方散熱損失，利用加熱技術(shù)進(jìn)行

55、彌補(bǔ)是必要的。l(2)把煉鋼和澆鑄作為大系統(tǒng)來考慮，應(yīng)有合理的溫度配置，為了降低不必要的高出鋼溫度、應(yīng)該在盛鋼桶及中間包內(nèi)加熱鋼液。l(3)對(duì)于設(shè)備容量小，熱損失大，鋼液溫度不好控制的煉鋼車間，把中間包加熱看作彌補(bǔ)鋼液散熱損失的作法。6.2.1鋼液感應(yīng)加熱技術(shù)鋼液感應(yīng)加熱技術(shù)l熱效率可達(dá)8090。6.2.2 等離子加熱技術(shù)等離子加熱技術(shù)l等離子體被稱為物質(zhì)的第四態(tài)，是氣體在強(qiáng)電場(chǎng)作用下解離牛成正負(fù)離子數(shù)相等的物質(zhì)狀態(tài)。在常壓下等離子弧具有極高的溫度(30OO5000) 。l等離子弧有轉(zhuǎn)移型和非轉(zhuǎn)移型兩類。非轉(zhuǎn)移弧的兩個(gè)電極均位于等離子槍中，應(yīng)用方便，但加熱效率低；轉(zhuǎn)移弧的負(fù)電極位于等離子槍中，

56、正電極由被加熱的鋼液來充當(dāng)，加熱效率高，但在包襯中要裝入導(dǎo)電電極。7 中間包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與耐火材料中間包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與耐火材料7.1 中間包容量中間包容量l最初的中間包僅僅作為儲(chǔ)存和分配鋼液的容器，對(duì)中間包容量沒有嚴(yán)格要求。為了節(jié)省投資，一股傾向來用小容量中間包。隨著對(duì)鑄坯清潔度要求的提高，為了增加中間包去除夾雜物的效果，往往加大熔池深度，因而中間包容量逐步增大。l中間包熔池深度與容量的關(guān)系l中間包類型l矩形矩形：應(yīng)用最多。二水口的于板坯或方坯用于小方坯。lV形：形：多用于多流小方坯。l三角形三角形：多用于小方坯，四流或六流水口沿底邊排，入口在頂角附近。lT形形：多用于方還和小方坯。小方坯中間包是多流

57、的，二流的也可用于板坯。l另外有一些中間包應(yīng)用不規(guī)則的特殊形狀。l中間包結(jié)構(gòu)參數(shù)：在容量和形狀一定條件下，確定熔池深度H和鋼液入口到水口間距離L是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要內(nèi)容。l熔池深度和匯流旋渦形成高度有關(guān)，中間包熔池深度至少應(yīng)為500mm，考慮到更換鋼包時(shí)掖面下降因素以及在旋渦漏斗形成前出現(xiàn)微小旋混的可能性，中間包深度應(yīng)更大一些。l 增加注入鋼流到水口的水平距離L，有利于夾雜物的去除。但L的大小和連鑄機(jī)的尺寸特別是注流間距有關(guān)，獨(dú)立變動(dòng)的余地不大。當(dāng)中間包的基本尺寸確定后，在中間包內(nèi)設(shè)置擋墻和壩也同樣是增加L。7.2 中間包耐火材料中間包耐火材料l硅質(zhì)絕熱扳l在連鑄發(fā)展的初期，中間包容量小而且

58、對(duì)它的要求比較單一，因此砌筑中間包使用通常的耐火磚或高鋁磚。用這種方法砌筑中間包勞動(dòng)量大，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。砌好后必須長時(shí)間加熱烘烤。l硅質(zhì)絕熱板具有較大的氣孔率，體積密度小，因此隔熱保溫性能優(yōu)良；不烘烤即可使用；具有良好的抗熱震性，能夠承受注流的沖擊。也有較大的體脹率，容易堵牢各部分間縫隙。使用后的殘板容易破碎清除，修包勞動(dòng)強(qiáng)度較小。l中間內(nèi)襯示意圖l1絕熱纖維層，1550mm；l2永久層，50100mm；l 3支撐層，050mm；l4絕熱板，3050mm。l堿性耐火材料l硅質(zhì)耐火材料屬酸性氧化物，不吸附鋼中夾雜物，特別是Al2O3夾雜，當(dāng)澆鑄錳含量較高的鋼種和鋁鎮(zhèn)靜鋼時(shí)，易發(fā)生下列反應(yīng)，造成增Si。l目前，鎂質(zhì)材料成為主導(dǎo)趨勢(shì)。8中間包覆蓋劑中