改善鑄坯質(zhì)量的中包冶金技術(shù)研究進(jìn)展

1、改善鑄坯質(zhì)量的中包冶金技術(shù)研究進(jìn)展Yogeshwar Sahai教授俄亥俄州州立大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院美國俄亥俄州哥倫布 43210摘要：2000年以來，世界鋼產(chǎn)量迅速增加。與此同時(shí)，連鑄坯產(chǎn)量達(dá)到了鋼產(chǎn)量的90%以上。連鑄生產(chǎn)中，中包在控制鑄坯質(zhì)量方面發(fā)揮著十分重要的作用。本文介紹了連鑄生產(chǎn)中，改善鑄坯質(zhì)量的中包冶金技術(shù)進(jìn)展。鋼流控制、鋼水溫度控制、大容量中包、鋼包和中間包鈣處理以及中包熱循環(huán)利用等技術(shù)，這些技術(shù)可有效地改善鑄坯質(zhì)量。關(guān)鍵詞：連鑄 中間包 潔凈鋼 質(zhì)量 流場(chǎng)控制在鋼鐵生產(chǎn)過程中，連鑄作為重要環(huán)節(jié)被廣泛使用。2000年以來，世界鋼產(chǎn)量飛速增長(zhǎng)。2007年，中國鋼產(chǎn)量已經(jīng)超過了4

2、.89億噸，占世界鋼產(chǎn)量的36%。而世界鋼產(chǎn)量的90%以上都是通過連鑄生產(chǎn)的。與此同時(shí)，用戶對(duì)鋼鐵的質(zhì)量要求也越來越高。因此，鋼鐵生產(chǎn)者首要關(guān)心的是鋼的潔凈度和成分控制。中間包是鋼鐵生產(chǎn)中的最后一個(gè)冶金容器，鋼水通過它注入結(jié)晶器。在中間包轉(zhuǎn)送鋼水過程中，鋼水將與渣、耐火材料以及空氣接觸。因此，為保證鋼水分配過程中的成分和質(zhì)量，合理的中包外形設(shè)計(jì)和操作是十分重要的。在過去的二三十年，為了生產(chǎn)潔凈鋼，中間包冶金技術(shù)已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，本文將討論這些中包冶金技術(shù)的進(jìn)展。鋼的質(zhì)量要求包括嚴(yán)格的成分控制、非金屬夾雜物數(shù)量少、尺寸小且分布均勻。為了滿足嚴(yán)格的機(jī)械性能、特殊的延展性和耐用性要求，必需提高鋼水

3、的純凈度。非金屬夾雜物包括氧化物、硫化物、氮化物、碳化物以及它們的化合物或合成物。在正常條件下，當(dāng)鋼水溫度低于凝固點(diǎn)以下時(shí)，鋼中的硫化物、氮化物和碳化物將要析出來。某些特殊的氧化物夾雜、硫化物和碳化物顆?？捎脕砜刂其摰娘@微組織以改善其性能。然而，大部分氧化物夾雜和硫化物夾雜都以大顆粒形式存在于鋼水中。如果這些大顆粒夾雜物不去除，將會(huì)增加給生產(chǎn)帶來困難且產(chǎn)品質(zhì)量降低。鋼包脫硫可減小硫化物夾雜數(shù)量，以此來防止夾雜物進(jìn)入中包。氧化物夾雜有兩種：外來夾雜和內(nèi)生夾雜。外來夾雜來源于鋼水的二次氧化、爐渣或耐火材料顆粒。內(nèi)生夾雜來源于鋼中游離氧與脫氧劑如鋁或硅的反應(yīng)產(chǎn)物。未聚集長(zhǎng)大的內(nèi)生夾雜物的尺寸非常小且

4、不會(huì)對(duì)鋼水帶來不利影響。內(nèi)生夾雜的直徑一般小于50m，而外來夾雜物的尺寸卻比較大。中包的主要功能是將潔凈的鋼水按要求的流速、溫度和組成分配給各個(gè)鑄流。在提高鋼水質(zhì)量方面，要求中間包具有消除大型外來夾雜物的來源、避免內(nèi)生夾雜物聚集長(zhǎng)大以及鋼水在傳送過程中可去除任何殘余夾雜物等功能。為達(dá)到這些目的，必須避免鋼水傳送過程中被空氣和鋼包渣二次氧化。為避免鋼包渣進(jìn)入中包和中包渣帶入結(jié)晶器，必須防止它們發(fā)生乳化以及被卷入鋼水中。最近出版的書中將詳細(xì)討論潔凈鋼技術(shù)和非金屬夾雜物 1 。1 鋼水由鋼包流入中間包過程中的二次氧化和卷渣大型夾雜物的形成與鋼水二次氧化之間的顯著關(guān)系由圖1可以看出。Ohno等 2 發(fā)

5、現(xiàn)，鋼水二次氧化形成大型夾雜物數(shù)量大約是鋼包到中包之間形成大型夾雜物的2.5倍。且二次氧化產(chǎn)物的尺寸都在100m以上。采用物理密封方法可防止二次氧化，該方法將鋼流密封在一個(gè)耐火材料導(dǎo)流管或氬氣密封套內(nèi)。如圖2 3描述了耐火材料導(dǎo)流管內(nèi)氬氣密封和長(zhǎng)水口保護(hù)澆注應(yīng)用技術(shù)。氧化物包括FeO、MnO和SiO2, 鋼包渣進(jìn)入中包后，與鋼水中的鋁發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)簇狀三氧化二鋁殘留于板坯中。部分鋼包渣經(jīng)過中間包最終進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)，這些渣可能殘留在凝固的坯殼中，從而形成大型夾雜物或夾渣。采用大包下渣檢測(cè)系統(tǒng)可以有效地監(jiān)測(cè)大包下渣。電磁渦流法采用鋼渣探測(cè)器，可有效地監(jiān)測(cè)鋼流中的鋼渣，該方法由AMEPA公司開發(fā)4，已廣

6、泛應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)。AMEPA表示Angewandte Messtechnik und Prozessautomatisierung，也就是說檢測(cè)儀表和工程控制。現(xiàn)在，很多鋼鐵企業(yè)都采用AMEPA下渣檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的傳感器信號(hào)可以直接控制滑動(dòng)水口，這樣，可以最大限度減少鋼包下渣。圖3顯示了AMEPA傳感器探測(cè)到的鋼渣信號(hào) 5 ，該圖表明，傳感器可以在2秒鐘內(nèi)激活并關(guān)閉滑動(dòng)水口。圖1 影響鋼中夾雜物各種因素的相對(duì)作用 參考文獻(xiàn)2圖2 長(zhǎng)水口（b）和氬氣密封保護(hù)澆注參考文獻(xiàn)3圖3 AMEPA傳感器探測(cè)到的下渣信號(hào) 參考文獻(xiàn)52 中包尺寸的影響中包尺寸對(duì)提高鋼水質(zhì)量具有十分重要的影響。延長(zhǎng)鋼水在中包

7、中停留時(shí)間最有效方法是增大中包容量。拉速一定時(shí)，中包容量取決于鋼水的體積流量，容量大意味著鋼水在中間包的平均停留時(shí)間長(zhǎng)。增大中包容量可以減少鋼水中大型夾雜物 (簇狀三氧化二鋁)的數(shù)量，尤其是更換鋼包時(shí)。Tozaki等6將中包容量由65t增大到85t，并進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，其結(jié)果如圖4和圖5。無論是在穩(wěn)定澆注條件還是在非穩(wěn)定澆注條件下，簇狀三氧化二鋁夾雜物數(shù)量都有所減少。提高中包液面高度另一個(gè)好處是更換鋼包時(shí)不需要進(jìn)行降拉速操作。因此，提高中包液面高度，不僅可以提高鋼水質(zhì)量而且可以增加產(chǎn)量。Ishikura等7發(fā)表了在日本神戶鋼鐵廠進(jìn)行類似工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果，他們將該廠新建的4#連鑄機(jī)（中間包容量80t）與

8、舊的3#連鑄機(jī)（中間包容量50t）進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，中包容量為50t的連鑄機(jī)在1.4m/min拉速條件下生產(chǎn)鑄坯質(zhì)量與中包容量為80t的連鑄機(jī)在2m/min的拉速條件下生產(chǎn)鑄坯的質(zhì)量相當(dāng)。因此，提升連鑄機(jī)產(chǎn)量不會(huì)犧牲鑄坯質(zhì)量。他們還發(fā)現(xiàn)，采用80t中包，在更換鋼包時(shí)生產(chǎn)的鑄坯質(zhì)量也有顯著改善，如圖4。圖4 液面高度對(duì)簇狀三氧化二鋁的影響 參考文獻(xiàn)6圖5 液面高度對(duì)簇狀三氧化二鋁尺寸的影響 參考文獻(xiàn)6圖6 80t中包連鑄機(jī)鑄坯質(zhì)量改善情況3 控流裝置的影響為了改善鋼水的流動(dòng)特性，很多人嘗試在現(xiàn)有中間包中安裝各種控流裝置，如堰、壩、帶孔擋墻、鋼流緩沖器、穩(wěn)流器等。在實(shí)際工業(yè)試驗(yàn)中，已經(jīng)證實(shí)了各種控流裝

9、置的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還進(jìn)行了物理和數(shù)學(xué)模型研究如參考文獻(xiàn)817。合適的堰和壩位置將有利于延長(zhǎng)鋼水在中間包里的平均停留時(shí)間，也會(huì)增加鋼水在中包里單向流動(dòng)的體積量?？亓餮b置安裝得當(dāng)，可以使局部流場(chǎng)混合最小。這有利于夾雜物的聚集和去除。鋼流以湍流的方式高速注入中間包，尤其是長(zhǎng)水口保護(hù)澆注且沒有密封氣體。鋼流與中間包底部之間碰撞導(dǎo)致耐火材料侵蝕嚴(yán)重。為減輕鋼水的沖刷作用，在中間包底部設(shè)計(jì)一塊緩沖器。緩沖器由高致密且化學(xué)性能穩(wěn)定的耐火材料制成。帶溝紋的緩沖器對(duì)減少鋼水的湍流十分有利。Bolger和Saylor設(shè)計(jì)了減少鋼流湍流的緩沖器并發(fā)表了相關(guān)報(bào)告 18 。他們?cè)O(shè)計(jì)的緩沖器及其相關(guān)流場(chǎng)如圖7. 鋼水注入并經(jīng)

10、過擴(kuò)散后返回到自由液面，處于靜止?fàn)顟B(tài)。這些液面單向流通有利于夾雜物上浮。當(dāng)然，這些單向流通表面與緩沖器的原始形狀有關(guān)，而緩沖器形狀可能隨著耐火材料的侵蝕而變化。圖7 緩沖器及其相應(yīng)流場(chǎng)狀況示意圖 參考文獻(xiàn)18這里簡(jiǎn)要介紹控流裝置安裝位置優(yōu)化的計(jì)算機(jī)模擬研究。Mukhopadhyay等19研究了不同控流控制裝置對(duì)中包鋼水流動(dòng)和湍流狀況、夾雜物上浮情況的影響。他們模擬了裝有帶孔的擋墻、緩沖器、沖擊磚和壩等條件下的中包流場(chǎng)，三種條件下中包狀況如圖8。鋼水注入和鋼水流出側(cè)的鋼水液面如圖8。圖11顯示了鋼水注入側(cè)和鋼水流出側(cè)夾雜物上浮情況。如，擋墻區(qū)域的向上鋼流和向下鋼流。將安裝擋墻中包的鋼水不同速率和

11、湍流能的能值面用不同顏色表示如圖9和圖10. 在其它兩種形狀中包上也做了類似預(yù)測(cè)。作者還研究了在10500m夾雜物的上浮情況。圖11顯示了上浮夾雜物和隨鋼水流入水口夾雜物的百分比。由圖11可以發(fā)現(xiàn)，100m以上的夾雜物全部上浮，該類型夾雜物未進(jìn)入中包水口。為得到鋼水停留時(shí)間的臨界值，對(duì)圖11中的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析如圖12。結(jié)果顯示小顆粒夾雜物受湍流影響最大，其停留時(shí)間在2.5min20min之間。停留時(shí)間隨著顆粒尺寸的增大而減少，但直徑大于200m時(shí)，這種變化就不明顯。在該研究中，準(zhǔn)確地模擬了湍流熔池中夾雜物的非穩(wěn)態(tài)行為。因此，在中包設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析時(shí)，可采用CFA軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。圖8 安裝有帶孔

12、擋墻（頂部）、緩沖器（中部）和帶緩沖器與壩（底部）的中包參考文獻(xiàn)19圖9 帶擋墻中包內(nèi)鋼水的不同流速 參考文獻(xiàn)19圖10 帶擋墻中包的湍流能值圖 參考文獻(xiàn)19圖11 中包液面和中包鋼流出口中夾雜物顆粒分布圖12 帶擋墻中包內(nèi)夾雜物尺寸與停留時(shí)間的關(guān)系4 不帶控流裝置的大容量中包上文提到的各種控流裝置對(duì)鋼水潔凈度的作用。但最近已經(jīng)出現(xiàn)了一些變化，二次精煉工藝方面的重大進(jìn)展和精煉裝置在很多鋼鐵企業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)使鋼水的潔凈度能夠滿足使用要求，尤其是在穩(wěn)態(tài)下澆注更是如此。但即使精煉操作非常細(xì)心，在非穩(wěn)態(tài)條件下澆注，大型夾雜物也會(huì)形成。大容量中包為夾雜物上浮提供足夠的停留時(shí)間，且可防止在非穩(wěn)定條件下產(chǎn)生渦

13、流，這兩方面對(duì)連續(xù)澆注高質(zhì)量鋼水是很有效的，即使在高拉速下也是如此。此外，控流裝置不適合中包熱循環(huán)，就這一點(diǎn)而言，不裝控流裝置是非常經(jīng)濟(jì)的。大容量中包設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)大通鋼量和多連澆爐數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高質(zhì)量和低成本。5 鋼水溫度控制中包鋼水溫度對(duì)連鑄產(chǎn)品的質(zhì)量和性能、連鑄機(jī)操作以及耐火材料壽命等都有十分重要的影響。大容量鋼包的澆注周期可能達(dá)到1小時(shí)。系統(tǒng)溫度損失總是客觀存在的，特別是大容量鋼包、中包鋼水液面以及中包耐火墻等傳熱。因此，從鋼包到中間包，鋼水溫度都是連續(xù)變化的?？紤]中間包內(nèi)鋼水溫度損失，鋼流溫度變化必然導(dǎo)致中包鋼水溫度的改變。圖13（上方）20是伯利恒鋼鐵公司中包連續(xù)測(cè)溫的結(jié)果。

14、這也是大約20溫度變化范圍內(nèi)的典型的圓頂型溫度變化曲線。圖13（下方）20是連澆4爐中包鋼水溫度變化。圖中“A”代表換鋼包，且表明每爐鋼水的開澆溫度是不同的，各爐鋼水的中包最高溫度和最低溫度也是變化的。在這些例子中，中包鋼水溫度先升高且大約在20min內(nèi)達(dá)到最高，然后開始降低，直到該爐澆注結(jié)束。因此，在鋼包澆注結(jié)束時(shí)，中包鋼水溫度最低。Chakraborty and Sahai 21 為整個(gè)板坯澆次中的中間包和典型鋼包內(nèi)鋼水流場(chǎng)、傳熱開發(fā)了數(shù)學(xué)模型。圖14顯示一爐鋼水在47min澆注過程中，中包鋼水溫度變化。圖14中曲線A顯示在48min澆注時(shí)間內(nèi)，鋼流溫度下降的預(yù)報(bào)值。在這期間，鋼流溫度下降

15、了約40。在澆注前期鋼水溫度下降緩慢，然而在末期鋼流溫度迅速下降。主要原因在于：在澆注末期，鋼包中鋼水較少，熱損失速度相對(duì)較快。曲線B、C和D代表中包中三個(gè)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)鋼水溫度的預(yù)報(bào)值。預(yù)報(bào)表明，鋼水溫度在約25min之內(nèi)達(dá)到最大值，然后緩慢下降。中包預(yù)熱、保溫和鋼包隔熱效果好，可減少鋼流溫度損失。進(jìn)而影響中包鋼水溫度。圖13 正常連澆條件下中包鋼水溫度曲線 參考文獻(xiàn)20圖14 中包內(nèi)四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)鋼水溫度的變化 參考文獻(xiàn)21鑄坯質(zhì)量與鋼水過熱度的關(guān)系如圖15。在澆注方坯時(shí)，中包鋼水溫度對(duì)夾雜物指數(shù)和中心偏析指數(shù)的影響如圖15 22 。Matsumoto等 23 還研究了鋼水過熱度對(duì)板坯夾雜物指數(shù)的

16、影響，其結(jié)果見圖16。該結(jié)果表明，在高過熱度和低過熱度條件下，鋼水中夾雜物數(shù)量增加是一樣的。因此，保持中包過熱度在最合適溫度且波動(dòng)小十分重要。很多公司都采用中間包鋼水等離子或電磁感應(yīng)加熱技術(shù)，來保證中包溫度波動(dòng)小。圖15 鋼水溫度對(duì)夾雜物指數(shù)和中心偏析指數(shù)的影響 參考文獻(xiàn)22圖16 中包過熱度對(duì)板坯夾雜物指數(shù)的影響 參考文獻(xiàn)235、 鈣處理的影響很多鋼鐵公司已經(jīng)在鋼包和中包里對(duì)鋼水進(jìn)行鈣處理。鈣元素可將簇狀的大型三氧化二鋁夾雜物轉(zhuǎn)變成液態(tài)的鈣鋁酸鹽夾雜物，固態(tài)鈣鋁酸鹽夾雜物在接下來的熱軋和冷軋中被拉長(zhǎng)，然后碎斷成小顆粒夾雜物，從而消除鈣鋁酸鹽夾雜物對(duì)鋼材性能的危害。液態(tài)夾雜物可減少夾雜物見水口

17、中黏附甚至造成水口堵塞的事故， 獲得所要求的鋼流。鈣元素還可以改善鋼材的其它機(jī)械性能。很多工業(yè)性研究已得出了鋼水鈣處理的好處。例如，Yoshii等24在川崎鋼鐵公司的研究發(fā)現(xiàn)，鋼水鈣含量達(dá)到50ppm時(shí)，鋼水中的大型硫化物夾雜和氧化物夾雜大幅度降低（如圖17）。他們還發(fā)現(xiàn)，在更換鋼包過程中澆注的板坯，夾雜物數(shù)量也有所減少，鈣處理對(duì)鋼水的總體潔凈度也有所改善。圖17 鋼水鈣處理對(duì)大型夾雜物的影響 參考文獻(xiàn)246 中包熱循環(huán)利用一個(gè)澆次結(jié)束后，翻包操作有時(shí)會(huì)損壞中包的工作層。維修中包工作層所需耐火材料費(fèi)用非常高且勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此，很多鋼鐵公司，尤其在日本，都采用中包熱循環(huán)利用技術(shù)，日本神戶鋼廠首先

18、采用該技術(shù) 25 。該項(xiàng)操作是，在停澆后不久，將中包內(nèi)的所有殘鋼和殘?jiān)鼉A翻出去，然后自動(dòng)換上經(jīng)過預(yù)熱的新浸入式水口、更換滑動(dòng)水口閥門并維修損毀的耐火材料。最后，將中包烘烤到要求溫度，再投入生產(chǎn)。在熱中包循環(huán)利用操作中，沒有必要執(zhí)行上述全部操作步驟。由于預(yù)熱將導(dǎo)致中包內(nèi)殘鋼的氧化，這可能給下個(gè)澆次鋼水帶來非金屬夾雜物，因此，熱循環(huán)中包通常不進(jìn)行預(yù)熱。在確認(rèn)耐火材料確實(shí)需要維修后，再進(jìn)行相應(yīng)的維修操作。圖18所示，中包用于下一個(gè)澆次之前，可能需要翻渣或更換滑動(dòng)水口閥或維修與預(yù)熱耐火材料等操作。中包熱循環(huán)工藝將傳統(tǒng)的中包準(zhǔn)備時(shí)間縮短為25min，且耐火材料成本也只有傳統(tǒng)工藝的十分之一。圖18 中包熱

19、循環(huán)操作（SGV：滑動(dòng)水口閥，TD：中包）參考文獻(xiàn)257、高質(zhì)鋼的連澆系統(tǒng)圖19是Okimori 26給出澆注系統(tǒng)，如鋼包、中包和結(jié)晶器，圖中描述了澆注超級(jí)純凈鋼的主要裝置和工藝過程?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用了大包下渣檢測(cè)裝置，長(zhǎng)水口和水口密封避免鋼水二次氧化，中包加密封蓋、中包吹氬密封以及中包覆蓋劑。大容量中包和控流裝置有利于延長(zhǎng)鋼水在中包中的停留時(shí)間。緩沖器和壩可實(shí)現(xiàn)鋼水表面單向流動(dòng)，這有利于夾雜物上浮。中包采用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)來調(diào)節(jié)鋼水溫度。SEN吹氬可防止水口堵塞。中包采用高質(zhì)量的鎂質(zhì)耐火材料。該系統(tǒng)用于澆注高質(zhì)量的超低碳鋼（SULC）。一般來說，一個(gè)中包不可能同時(shí)使用上述裝置，但可以根據(jù)鋼種類

20、型和質(zhì)量要求來選擇不同中包冶金裝置。圖19 帶全部裝置的潔凈鋼澆注系統(tǒng)（鋼包、中包和結(jié)晶器）和工藝過程參考文獻(xiàn)268、結(jié)論本文介紹了提高連鑄鋼水質(zhì)量的一些重要中包冶金技術(shù)。對(duì)于澆注純凈鋼而言，以下幾方面是十分重要的，詳細(xì)的介紹請(qǐng)見參考文獻(xiàn)1。（1）避免或盡量減少鋼水在中包流入結(jié)晶器過程中，被空氣或氧化性爐渣二次氧化；（2）采用長(zhǎng)水口或帶氬氣密封的陶瓷密封管道來實(shí)現(xiàn)保護(hù)澆注；（3）采用大包下渣檢測(cè)防止大包下渣。采用抑制鋼渣流動(dòng)技術(shù)來避免中包渣進(jìn)入結(jié)晶器；（4）中包容量大且液面高度深，同時(shí)采用中包氬封技術(shù)或加入中包覆蓋劑；（5）鈣處理促使夾雜物變性；（6）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，使用控流裝置以獲得良好的中包

21、流場(chǎng)；（7）采用電磁感應(yīng)或等離子加熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)中包溫度的準(zhǔn)確控制，從而生產(chǎn)出高質(zhì)量鋼種；（8）中包熱循環(huán)利用技術(shù)可降低耐火材料成本，節(jié)省能源且提高鋼水潔凈度。致謝作者非常感謝本書參考文獻(xiàn)1合作者Toshihiko Emi博士在準(zhǔn)備該論文過程中所做的大量工作。參考文獻(xiàn)：1Sahai Y., Emi T. Tundish Technology for Clean Steel Production, World Scientific Publishers, 2008.2 Ohno T., Ohashi T., Matsunaga H., et al. Trans. ISIJ, 1975, 15, 40

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