中間包冶金發(fā)展概況

中間包冶金

東北大學Saturday,December10,202211中間包冶金發(fā)展的概況2中間包冶金技術3中間包結構物理模擬方法4中間包吹氬氣體凈化技術21中間包冶金發(fā)展的概況“中間包冶金”概念是在20世紀80年代初期被提出來的，中間包冶金是一項特殊的爐外精煉技術，是從鋼的熔煉和精煉到制成固態(tài)連鑄坯這個生產流程中保證獲得優(yōu)良鋼質量的關鍵一環(huán)。在連鑄過程中起到重要的作用。隨著高效連鑄的推進，中間包冶金技術已經成為高效連鑄必不可少的重要技術。它對擴大連鑄品種﹑增大連鑄比﹑提高鑄機作業(yè)率﹑掌握澆鑄過程的中間包鋼水溫度的變化規(guī)律﹑優(yōu)化生產作業(yè)﹑順利進行多爐連澆﹑改善鋼坯質量等均起到重要作用。3中間包的作用減小鋼水靜壓力，使中間包的注流穩(wěn)定——穩(wěn)流作用；在兩流以上的多流連鑄機中，中間包起到分配器的作用——分流作用；在多爐連澆中，儲存一定量的鋼水，保證換包時不至于停澆——連澆作用。此外，中間包還是一個半連續(xù)的鋼水精煉容器，具有以下的精煉功能：防止鋼水二次氧化和吸氣；改善鋼水流動狀態(tài)，防止卷渣，促進鋼水的夾雜物上??；鋼水成分微調；夾雜物形態(tài)控制；精確控制鋼水過熱度。42中間包冶金技術1.長水口Ar封2.密封蓋3.內襯耐火材料4.擋墻和壩5.過濾器6.Ar氣吹洗裝置7.覆蓋劑8.鋼包下渣監(jiān)測系統(tǒng)9.加熱裝置10.塞棒吹氬51）防止鋼水再污染技術鋼包到中間包水口保護澆注;防止鋼包到中間包卷渣技術;防止鋼水與內襯耐火材料反應;中間包加蓋密封技術;62）促進夾雜物去除技術增大中間包容量;中間包內的控流裝置;中間包氣體吹洗—吹氬技術;中間包使用合適的覆蓋劑;73）相關技術的發(fā)展中間包喂絲技術;中間包加熱技術;連續(xù)測溫技術;8中間包控流裝置演變的歷史可劃分為4個時期：(1)20世紀70年代，開始在中間包內安置堰和壩；(2)20世紀80年代，中間包開始使用導流隔墻、過濾器；(3)20世紀90年代中期，中間包開始使用湍流控制器；(4)近年來，在中間包內開始研究和應用氣幕隔墻技術。9為了有效地去除中間包鋼水中的非金屬夾雜物，中間包內的鋼水流動應具有以下的流動特征：大的最小停留時間；小的死區(qū)體積；大的活塞流體積與死區(qū)體積之比和較大的活塞流體積與混合流體積之比；有指向表面的流動；平靜的渣層；有限的混合區(qū)。102.1大容容量中間包包中間包容量量影響到中中間包液面面高度和中中間包鋼水水在包內的的停留時間間。大容量量中間包可可以保證換換鋼包時中中間包鋼水水處于相對對穩(wěn)定狀態(tài)態(tài)，防止卷卷渣，這對對生產表面面質量和內內部質量要要求高的產產品如深沖沖鋼和汽車車板尤為重重要。為了了不發(fā)生卷卷渣，中間間包鋼水必必須在最小小深度以上上操作。北北美20世紀80年年代以后投投產使用的的中間包容容量均為45t以以上，其其中最大的的中間包容容量為70t。日日本的中間間包容量均均在60t以上上，最大的的中間包容容量達84t。11中間包容量量對鋼水清清潔度的影影響122.2中中間包采用用堰和壩中間包內采采用堰(weir)和壩(dam)作作為控流裝裝置是最普普遍的應用用技術措施施之一，是是最簡便而而有效的凈凈化鋼液的的方法。在在中間包中中安置堰和和壩，可以以有效改變變鋼液流向向，延長鋼鋼水停留時時間，有利利于夾雜物物的上浮。。中間包采采用典型的的堰、壩結結構如圖。。13堰，又稱擋擋渣堰或上上擋墻。橫橫跨整個中中間包寬度度，從鋼液液面上部延延伸至距中中間包底部部一定距離離，鋼水可可從其下方方流過。其其在中間包包的作用是是：1）可以控控制鋼包注注流沖擊區(qū)區(qū)的大小，，控制鋼包包注流對中中間包鋼水水的攪拌強強度，促進進夾雜物碰碰撞和粘結結成大顆粒粒，以便使使小顆粒夾夾雜物聚合合成大顆粒粒上浮去除除。2）可以將將隨鋼包注注流進入中中間包的爐爐渣擋在注注流鋼包注注流沖擊區(qū)區(qū)內，防止止從鋼包卷卷入到中間間包的渣子子流入到中中間包水口口側，減少少鋼水因鋼鋼包卷渣造造成的二次次污染。3）可以將將大包注流流沖擊引起起的中間包包鋼水表面面波動限制制在堰的上上游，穩(wěn)定定堰的下游游中間包鋼鋼水液面，，有利于減減少因表面面卷渣、二二次氧化和和機械沖刷刷所產生的的夾雜量。。14壩，又稱導導流壩或下下?lián)鯄?。橫橫跨整個中中間包寬度度，從中間間包底部向向上延伸至至距鋼液面面之下一定定距離，鋼鋼水從其上上流過。它它具有以下下的作用：：1）可以防防止中間包包短路流的的形成，延延長鋼水在在中間包內內的流動距距離，增加加鋼水在中中間包的停停留時間。。2）可以將將鋼包注流流的沖擊限限制在沖擊擊區(qū)內，降降低鋼水的的水平流動動速度。3）使流過過壩的鋼水水產生指向向鋼液表面面的流動，，縮短夾雜雜物的上浮浮距離，有有利于夾雜雜物上浮去去除和頂渣渣捕獲夾雜雜物。在中間包中中，壩和堰堰常常是一一起使用，，以獲得得理想的中中間包鋼水水的流動和和冶金效果果。152.3中中間包采用用導流隔墻墻及過濾器器導流隔墻(baffle)是是一個在中中間包將上上下游完全全隔開的擋擋墻，并在在上面設置置若干個不不同尺寸和和傾角的導導流孔。鋼鋼液根據需需要的方向向流過導流流孔，其通通過導流隔隔墻后的流流速和方向向由孔的大大小和傾角角決定。導流隔墻的的作用是，，當鋼水通通過導流隔隔墻時，將將中間包的的湍動流動動限制在一一定的范圍圍內，可產產生指向鋼鋼液表面的的流動，以以促進夾雜雜物與頂渣渣接觸的機機會，有利利于去除夾夾雜。導流流隔墻在中中間包中可可以起到堰堰壩組合相相同的或優(yōu)優(yōu)于堰壩組組合的作用用。16過濾器(filter)為帶帶有微孔結結構材料的的隔墻，它它橫跨整個個中間包寬寬度，從鋼鋼液面上方方一直延伸伸到中間包包底部，鋼鋼水從微孔孔流過。其其作用有，，在中間包包的鋼水中中，直徑大大于50μm的的大顆粒夾夾雜物可以以采取簡便便的凈化措措施將它們們與鋼水分分離從而使使它們上浮浮排除。但但直徑小于于50μμm的夾夾雜物因其其上浮速度度很小而難難以去除。。過濾器就就是用來捕捕捉這些小小顆粒夾雜雜物，以凈凈化鋼水。。但過濾器器因微孔容容易堵塞，，鋼水通過過過濾器的的流量小和和成本高，，在應用上上受到限制制。17導流流隔隔墻墻和和過過濾濾器器18導流流隔隔墻墻的的結結構構（（孔孔的的大大小小、、數數目目、、分分布布和和傾傾角角））以以及及安安放放位位置置對對中中間間包包的的流流動動特特性性都都有有很很重重要要的的影影響響。。導流流隔隔墻墻還還可可以以和和直直通通孔孔過過濾濾器器相相結結合合使使用用，，過過濾濾器器安安裝裝在在導導流流孔孔處處，，鋼鋼液液從從過過濾濾孔孔洞洞中中流流過過，，于于是是過過濾濾器器不不僅僅有有吸吸附附夾夾雜雜物物的的作作用用，，而而且且也也成成為為一一種種有有效效的的流流動動控控制制裝裝置置。。192.4中中間間包包湍湍流流控控制制器器湍流流控控制制器器（（turbulenceinhibitor））是是一一種種小小的的容容器器形形結結構構的的裝裝置置，，位位于于鋼鋼包包注注流流下下方方。。鋼鋼水水從從鋼鋼包包長長水水口口高高速速流流出出，，進進入入到到湍湍流流控控制制器器中中，，受受到到湍湍流流控控制制器器的的限限制制，，再再從從湍湍流流控控制制器器的的上上口口反反向向流流出出。。湍湍流流控控制制器器是是20世世紀紀90年年代代中中期期開開發(fā)發(fā)的的一一種種新新型型控控流流裝裝置置。。湍流流控控制制器器的的作作用用：：1））對對鋼鋼包包注注流流的的沖沖擊擊起起緩緩沖沖和和限限制制作作用用，，以以獲獲得得平平穩(wěn)穩(wěn)的的流流動動。。2））改改善善中中間間包包鋼鋼水水的的流流動動特特性性，，延延長長停停留留時時間間，，有有利利于于鋼鋼水水中中的的夾夾雜雜物物上上浮浮分分離離。。3）減輕大包包開澆和更換換時大包注流流沖擊中間包包鋼水造成的的鋼水飛濺，，減少中間包包襯的侵蝕。。4）增加中間間包鋼水流動動的活塞流體體積，降低死死區(qū)體積。20212.4中間間包吹氬鋼液中的小顆顆粒夾雜物，，由于中間包包鋼水的湍流流流動，很難難通過采用上上述的控流裝裝置將其去除除。通過在中中間包一定的的位置吹入微微小的氬氣泡泡，在該位置置上形成氣幕幕隔墻，既可可以改善中間間包流體的流流動特性，氣氣幕又可以對對夾雜物起到到隔離作用，，阻止夾雜物物流到中間包包水口側。另另外，與小氣氣泡碰撞的大大、小夾雜物物，將被氣泡泡帶到鋼液面面上，進入到到覆蓋渣中，，有利于鋼水水中的夾雜物物上浮分離，，提高中間包包的夾雜物去去除能力。在密閉的中間間包中吹氬，，可以使中間間包內的氣氛氛在開澆和澆澆注過程中處處于惰性氣氛氛中，可以防防止鋼水的二二次氧化和從從大氣中吸氣氣。22（a）無流動動控制裝置(b)擋墻和和壩(c)多孔孔擋板中間包內各種種流動形態(tài)控控制裝置23加入湍流控制制器的雙擋墻墻中間包內的的流動狀態(tài)24有氣幕隔墻的的中間包流體體流動狀態(tài)25湍流控制器的的鋼流控制模模型263中間包結構構物理模擬方方法中間包流動過過程模擬實驗驗的相似準數數物理模擬實驗驗要保持發(fā)生生在模型和原原型的流動過過程相似，則則必須保證模模型與原型之之間的幾何相相似和動力相相似。幾何相相似要求模型型的幾何尺寸寸與原型的對對應的幾何尺尺寸具有固定定的相似比，，而動力相似似要求在模型型與原型中作作用在流體微微元上的力相相同且由這些些力組成的相相似準數應相相等。當原型中間包包的湍流Reynolds準數數Ret,和和Froulde準準數Frp和模型中中間包的湍流流Reynolds準準數Ret和Froulde準數Frm相等時時.27中間包水模試試驗裝置28水和鋼液的物物理性能29中間包物理模模擬實驗方法法停留時間分布布曲線測定從實驗測定得得到的停留時時間分布曲線線RTD(ResidenceTimeDistribution)，可以以直接得到從從加入示蹤劑劑到示蹤劑流流至中間包水水口時的最小小停留時間tmin(又稱響應時時間)和示蹤蹤劑濃度達到到最大時的峰峰值時間tmax。還還可得到各流流體微元在中中間包的實際際平均停留時時間tav。3031典型的中間包包停留時間分分布曲線32中間包流體流流動的體積可可劃分為活塞塞流體積(plugvolume)或分散活活塞流體積(dispersedplugvalume)、死區(qū)區(qū)體積(deadvalume)和完全混合合流體積(wellmixedvolume)。到目前前為止，各體體積占中間包包液體體積的的分率計算模模型有三種。。Kemeny等人最早應應用混合流動動模型(mixedflowmodel)分析實驗得得到的停留時時間曲線，來來計算活塞流流體積分率、、死區(qū)體積分分率和混合流流體積分率。。33死區(qū)完全滯止止的中間包流流動模型344中間包吹氬氬氣體凈化技技術中間包鋼液中中夾雜物的運運動行為在中間包內，，鋼液始終處處于流動狀態(tài)態(tài)，夾雜物在在其中的運動動也因此比平平靜鋼液復雜雜得多。許多多學者對鋼液液中夾雜物的的運動狀態(tài)進進行深入研究究后認為：夾夾雜物在鋼液液中發(fā)生以下下幾種行為：：(1)夾雜雜物的上浮在中間包內，，夾雜物依然然可以通過上上浮從鋼液中中排除。按常常規(guī)看法，夾夾雜物上浮去去除速度服從從斯托克斯(Stokes)公式。。35斯托克斯(Stokes)公式所計計算的上浮速速度是顆粒在在重力場中流流體介質內作作加速度運動動時，受到介介質摩擦阻力力而達到的終終速度，其初初速度比該值值還要小得多多。而在中間間包內，流體體本身的流動動速度往往比比上述速度高高出很多，所所以小顆粒的的夾雜物，在在中間包中將將跟隨流動的的鋼液一同運運動，只有大大顆粒夾雜物物在鋼液流速速較低的區(qū)域域能夠上浮。。如果考慮夾夾雜物同鋼液液流動的跟隨隨性，除非鋼鋼液的流動方方向偏向上方方，否則小粒粒徑的夾雜不不可能上浮出出來。中間包包容量較大時時，鋼液停留留時間會長一一些，但是也也沒有根本的的改變。所以以僅僅依靠上上浮運動，小小顆粒夾雜物物無法從鋼液液中除去。Stokes公式僅適適用雷諾數Re小于于2的情情況。Stokes上浮公式式僅適用于靜靜止狀態(tài)或層層流狀態(tài)（Re≤2）。。如前面所述述，中間包內內雷諾數Re≥1000，故應用用于中間包時時，應該使用用修正了的Stokes-Newton公公式36斯托克斯(Stokes)公式Stokes-Newton公式式37(2)夾雜雜物的碰撞長長大在流動的鋼液液中，夾雜物物顆粒容易相相互碰撞而不不斷長大，長長大的顆粒，，較碰撞前更更容易上浮，，所以顆粒的的碰撞長大是是夾雜物去除除的一種重要要形式。顆粒粒的碰撞有以以下四種方式式：(a)布布朗碰碰撞。。夾雜雜物顆顆粒在在鋼液液中做做無規(guī)規(guī)則的的熱運運動而而產生生的碰碰撞，，中間間包內內夾雜雜物碰碰撞屬屬于布布朗碰碰撞的的類型型很少少。(b)斯斯托克克斯碰碰撞。。顆粒粒上浮浮速度度與其其大小小有關關。大大顆粒粒夾雜雜物上上浮的的速度度大，，在上上浮時時可能能追上上小顆顆粒夾夾雜物物而與與之碰碰撞成成為更更大顆顆粒，，因而而上浮浮速度度加快快，更更容易易捕獲獲其他他顆粒粒。在在中間間包內內，斯斯托克克斯碰碰撞是是夾雜雜物碰碰撞長長大去去除的的重要要形式式之一一。38(c)速速度梯梯度碰碰撞。。顆粒粒沿流流線軌軌跡運運動，，高速速流線線上的的顆粒粒將追追上低低速流流線上上的顆顆粒，，只要要兩顆顆粒的的距離離不超超過它它們的的半徑徑之和和，顆顆粒將將發(fā)生生碰撞撞。這這種碰碰撞和和流場場速度度有關關，當當流場場速度度梯度度不夠夠大時時，梯梯度碰碰撞不不是主主要的的方式式。但但在某某些速速度場場有急急劇變變化的的部位位，梯梯度碰碰撞是是可能能的。。(d)湍湍流碰碰撞。。夾雜雜物被被夾帶帶入湍湍流旋旋渦中中，引引起夾夾雜物物之間間的碰碰撞。。湍流流碰撞撞是夾夾雜物物顆粒粒碰撞撞長大大的重重要形形式。。對于于中間間包反反應器器，其其流場場中湍湍動能能耗散散率值值比較較大，，很容容易發(fā)發(fā)生湍湍流碰碰撞，，因而而其內內夾雜雜物的的碰撞撞方式式主要要是湍湍流碰碰撞。。39(3)夾夾雜物物與耐耐火材材料表表面的的粘附附中間包包內耐耐火材材料的的表面面與鋼鋼液中中的夾夾雜物物接觸觸時，，夾雜雜物會會粘附附在耐耐材表表面與與鋼液液分離離。。促使夾夾雜物物上浮浮去除除是中中間包包的重重要冶冶金功功能之之一，，而夾夾雜物物的上上浮去去除又又和中中間包包內鋼鋼液的的流動動狀態(tài)態(tài)有著著密切切的關關系。。。鋼鋼液在在中間間包內內的流流動狀狀態(tài)可可分為為全混混流、、活塞塞流、、短路路流、、死區(qū)區(qū)四種種。全全混流流區(qū)流流體攪攪動激激烈，，有利利于均均勻鋼鋼液成成分和和溫度度，同同時也也有利利于夾夾雜物物的碰碰撞去去除，，但容容易導導致夾夾渣和和鋼液液暴露露于空空氣中中。因因此此必須須采用用一定定的控控流措措施，，將湍湍流較較好地地限制制在沖沖擊區(qū)區(qū)內，，并保保證澆澆注區(qū)區(qū)渣層層的平平穩(wěn)覆覆蓋。?；钊饔杏欣谟阡撘阂褐械牡膴A雜雜物上上浮去去除，，因此此，設設計控控流裝裝置時時我們們應盡盡量提提高活活塞流流的體體積。。短路路流使使夾雜雜物來來不及及上浮浮就從從水口口流出出，引引起大大量下下渣，，為此此應盡盡量減減少甚甚至避避免短短路流流。死死區(qū)減減少了了中間間包的的有效效容積積，使使中間間包內內鋼液液的平平均停停留時時間縮縮短，，對夾夾雜物物的上上浮不不利，，所以以也應應盡量量縮小小死區(qū)區(qū)的體體積。。40中間包包吹氬氬的主主要形形式(1)埋埋設透透氣管管此工藝藝去除除夾雜雜物，，凈化化鋼液液效果果明顯顯。對對大于于200μm的的大型型夾雜雜物去去除效效率為為98%，對對100-200μm的的中型型夾雜雜去除除效率率為93%，，對小小于100μμm的的夾夾雜物物去除除效率率為47%。。(2)安安裝條條形透透氣磚磚在中間間包底底部安安裝一一種鎂鎂質條條形透透氣磚磚，將將氬氣氣通過過該透透氣梁梁吹入入鋼液液中，，獲得得了較較令人人滿意意的效效果。。結果果大尺尺寸夾夾雜物物全部部去除除，小小尺寸寸夾雜雜物降降低了了50％％，微微小夾夾雜物物的去去除效效果不不明顯顯。在在透氣氣磚的的選擇擇上應應充分分考慮慮具有有通氣氣量大大、攪攪拌效效果好好，重重復開開吹率率高、、抗沖沖刷耐耐侵蝕蝕、高高溫性性能好好等特特點，，還需需要考考慮到到以下下幾個個因素素：壽壽命長長，不不必在在鋼包包使用用過程程中改改換透透氣磚磚；不不堵塞塞，確確保每每爐鋼鋼都能能實施施底吹吹氬調調溫和和均勻勻成分分。(3)使使用噴槍用噴槍噴吹吹氣體，吹吹氣位置、、吹氣量、、覆蓋劑均均對夾雜去去除效果有有影響。用用旋轉噴槍槍吹氬在降降低鋼液中中的夾雜物物，特別是是小于50μm的的夾雜物物方面，可可以達到預預期的效果果。41中間包內常常見的兩種種吹氣方式式42條形透氣梁梁置于多孔孔擋墻后側側43中間包底吹吹氬氣對夾夾雜物去除除的原理中間包吹氬氬不是為了了增強攪拌拌，而是用用惰性的氣氣泡清洗鋼鋼液。中間間包吹氬使使鋼液溫度度和成份均均勻，并進進一步促進進夾雜物的的去除，其其機理是：：氣泡與夾夾雜物碰撞撞吸附到一一起，粒徑徑增大，上上浮速度增增大，易于于被鋼液表表面的渣層層吸收。最最初在中間間包中吹氬氬著眼于脫脫氫。實驗驗證明吹氬氬（標態(tài)50～80L/min）可可清除開澆澆階段的增增氫現象。。但是中間間包吹氬最最明顯的效效果是去除除夾雜物。。中間包吹吹氬的主要要方式是在在中間包底底部某個位位置通過安安放條形透透氣磚，目目的是用Ar氣氣形成一個個微氣泡屏屏幕，將鋼鋼液中的夾夾雜引到鋼鋼液與覆蓋蓋劑的界面面而分離出出去。44中間包吹氬氬實驗45氣體流量0.040m3/h方案案RTD曲線46條形透氣梁梁置于多孔孔擋墻后側側，距入水水口amm處處：方案b0～b6。根根據經驗及及國內外相相關資料，，多將條形形透氣梁置置于此位置置，可以促促進夾雜物物上浮，有有利于夾雜雜物去除。。在這種情情況下，由由于液位差差等多種因因素的影響響，氣體流流量對流場場的影響與與多孔擋墻墻不同孔數數控流效果果的影響相相比，前者者的影響較較大。通通過對實驗驗數據的分分析可見，，在其他條條件相同的的情況下當當氣體流量量為0.024m3/h和和0.040m3/h時時，最最小停留時時間相對較較大，死區(qū)區(qū)比例較小小，混流區(qū)區(qū)較大，因因此選為最最佳氣體吹吹入量。47條形透氣梁梁置于出水水口下沉區(qū)區(qū)上沿480.048m3/h氣體流流量方案案C049在包底吹氬氬有3個個作用如下下：1.排列列成列的吹吹氬孔口垂垂直于沿包包底流動的的液流布置置，類似于于在包底設設置了壩，，促使鋼液液轉向上方方流動，有有利于夾雜雜物上浮。。其作用比比壩的效果果還強烈。。2.氬氣氣泡的浮力力產生氣泡泡泵現象，，促使該局局部的湍動動能耗散率率顯著增大大，有利于于夾雜物顆顆粒碰撞長長大而排除除。3.上浮浮的氣泡可可以捕獲夾夾雜物顆粒粒，并攜帶帶著它一同同上浮，這這樣就使微微細夾雜物物顆粒上浮浮速度增大大到氣泡上上浮的速度度，這種作作用和浮游游選礦法有有些類似。