连铸中间包挡渣堰系统的优化

连铸中间包挡渣堰系统的优化1前言中间包，作为炼钢工序最后一个盛装液态钢水的容器，如何最大限度的发挥其冶金功能，一直是连铸工作者关心的问题。在中间包内设置挡渣堰是最常用的手段之一，其中主功能一是挡往大包的下渣，二是调整中间包流场。我厂原来使用的挡渣堰是老式的堰坝结构，其仅能起到挡渣的作用，但对中包流场的调整作用很小。无法充分发挥中间包的冶金功能，主要存在以下缺陷：1.其虽可以改变中间包内的钢水流场，但中间包内的平均钢流速度仍较快，无法较好的增加钢水在中间包内的停留时间。2.由于钢水在挡墙及挡坝表面流速较快。容易造成挡墙及挡坝的耐材熔损，尤其是挡墙的熔损严重。当其熔损后无法起到挡墙的作用，其耐材熔入钢中增加钢水内的夹杂。本文主要介绍通过对本钢中间包渣堰系统的改进，在降低材料成本的前提下，提高渣堰系统整流作用，充分发挥中间包的冶金功能。2中间包新型挡渣堰系统的研究如何在现有的包型条件下，使中间包内的流场合理，有效的使中间包内钢水中的夹杂物上浮并被中间包覆盖剂吸收。本研究采用的具体手段将采用直通孔挡渣堰替代原有的堰坝结构的渣堰系统。同时采用直通孔挡渣堰加气幕挡墙。2.1新型挡渣堰系统的工作原理2.1.1直通孔挡渣堰的工作原理直通孔挡渣堰是在将中间包内钢水上下游完全隔开的耐火材料壁上(整体挡墙)设置若干不同尺寸和倾角的孔洞，使钢液根据需要的方向流过孔洞。钢液通过孔洞后的流速和方向由孔的大小和方向决定，以达到需要的流场效果。2.1.2气幕挡墙的工作原理前人研究通过中间包水模实验发现中间包内吹氩的主要作用不是为了增强搅拌，而是用惰性的气泡清洗钢液从而达到去除夹杂甚至脱气的作用[1]。住友金属鹿岛在中间包中用多孔砖吹氩试验显示，吹氩区的合理布置有控制沿包底钢流的作用[2]，此外新日铁在中间包内吹氩，从实验效果看夹杂物去除率相当高[3]。2.2直通孔挡渣堰和气幕挡墙的设计根据直通孔挡渣堰和气幕挡墙的冶金作用及我厂中间包的实际尺寸，对直通孔挡渣堰及气幕挡墙的本体由于中间包气幕挡墙有一个供气系统以保证向中间包内吹氩。因此可以保证气幕挡墙的正常工作。供气系统的氩气源采用中包密封氩，氩气经过减压后吹入气幕挡墙的气室，由挡墙上表面的气孔进入钢液。形成小气泡上浮，其流量可在流量计上显示。在操作过程中调节流量计控制吹氩量，以防止气量过大使中包钢涉及面裸露。2.3直通孔挡渣堰和气幕挡墙的材质设计由于目前本钢连铸生产规模大，浇铸时间长，因此直通孔挡渣堰必须满足下列工艺要求：1.耐高温，能在高温度下正常使用，可承受钢水的冲侵。2.既要有效地去除夹杂物，又要减少对钢水的阻力，以保证较高的生产率。3.保持温度的稳定性，避免钢液通过孔洞后温度过度下降。4.安装使用方便，成本较低。直通孔挡渣堰为镁质，因为镁质具有良好的高温强度和抗侵蚀能力，同时不污染钢水。气幕挡墙采用铝质材料，上部采用透气料，透气部位气孔要均匀，以保证氩气在上表面均匀吹出，透气量在5～50NL/min，工作压力为0.2MPa个大气压。下部及两侧砖体采用实料。在安装时，先平整中间包包底，再安装已连接好氩管的气幕挡墙;用砖和快干料将气幕挡墙固定;在中间包壁上用薄砖将氩管固定;喷涂或涂抹中间包涂料。挡墙及相关材质的使用寿命必须保证单中包浇次的浇钢要求。2.4直通孔挡渣堰和气幕挡墙的试验室研究我厂与东北大学合作，在试验室进行了水模仿真试验研究，实验选取的几何相似比为1/3，采用水模拟钢液，液体石蜡模拟钢水表面的覆盖渣，饱和NaCl溶液和高锰酸钾溶液作为示踪剂。考查的参数为峰值时间、平均停留时间及死区体积分率。试验室结果见表1(表1详见原文)。从试验结果我们可看出，与[1]相比[2]和[3]可以有效的减少峰值时间，提高钢水在中间包内的平均停留时间，保证钢水内的夹杂物中间包内有较长的上浮时间。特别是采用直通孔挡渣堰可极大的减少中间包内钢水的死区体积分率，最大限度的利用中间包的体积，使钢水在中间包内的更加均匀;[2]和[3]相比，[2]的区体积分率小，这主要是因为通过上排孔的钢水速度较快，对中间包两流区的搅动较大。而[3]通过气幕挡墙的氩气幕增加了峰值时间和平均停留时间。3直通孔挡渣堰和气幕挡墙的工业化使用在工业化试验前，我们设计两套试验方案，一是单使用有直通孔挡渣堰，二是采用直通孔挡渣堰加气幕挡墙的复合系统。3.1直通孔挡渣堰和气幕挡墙的现场安装位置3.2直通孔挡渣堰和气幕挡墙的实际现场安装及使用过程中的注意事项直通孔挡渣堰在安装时与原渣堰系统相似，安装时由天车将挡渣堰吊至中包的安装位置后，将挡渣堰打实，涂抹中间包涂料时将挡渣堰固定，其烘烤与使用与原渣堰一致。气幕挡墙在安装及使用过程中应注意以下几点：1.防止挡墙在浇铸过程中上浮。2.对中包内吹氩管的保护。3.浇钢过程中防止中包钢水裸露。4实施效果及分析该项目的实施分两个阶段，一是工业化试验阶段，二是现场推广阶段。工业化试验分两组，一是只采用直通孔挡渣堰替代原渣堰系统，二是只采用用直通孔挡渣堰加气幕挡墙替代原渣堰系统。实施效果主要是采用对比分析的方法，即在中间包的二个流区分别采用两种渣堰形式，通过对两流的铸坯进行取样分析对比的方法，来判定新系统的使用效果。4.1新型渣堰系统的使用寿命在进行了十个浇次的试验使用，该中包按正常计划进行浇钢，最高连铸炉数为14炉，每流过钢量约1000吨。经残样进行观察。结果显示，该直通孔过滤器在使用后保持完整，使用效果超过原挡渣堰。使用后直通孔孔径无扩张，孔形保持完好。完全满足使用要求。前两个浇次由于在浇钢前中间包铜管烧熔造成试验失败，使用后的气幕挡墙气室被压塌，有钢渗入气室。但气室下部的耐材完好。从第3个试验浇次以后，通过改进铜管的绝热后使用正常，满足生产要求。使用后的挡墙上面耐材可见图5。从图中可看出使用后挡墙完好。4.2新型渣堰系统的冶金效果为分析中间包直通孔过滤器对钢水夹杂物的影响，试验采用对比法，即在同一浇次的中包内1流侧使用直通孔过滤器，2流侧使用原挡渣堰。在两流同时取硫印样，在硫印坯的内、外弧的四分之一处取电镜样进行对比分析。试验共取两流浇次两炉样进行分析。结果分析见表2(表2详见原文)。从表2的可见，使用直通孔过滤器可有效的减少铸坯内的夹杂物，尤其是30μm以上的夹杂物，去除率在70%以上，对10～30μm的夹杂物也有较大的去除效果，去除率在50%左右。在一个浇次内的第2、5、8炉分别取电镜样进行对比分析。取样部位是铸坯内弧四分之一处，比较的主要是20μm以上的夹杂物。具体结果见表3(表3详见原文)。从表3可看出，采用气幕挡墙后可使大颗粒夹杂物的数量明显减少，两个采用气幕挡墙的试样没有40μm以上的夹杂物，在20～40μm的夹杂物有2个。4.3气幕挡墙对中间包增氮的影响对浇次第一炉前期取气体样进行氮分析发现在浇次，在本钢条件下，采用气幕挡墙可使增氮量与未采用气幕挡墙的增氮量相比减少2～3ppm。其主要原因是在开浇前通过对中间包吹氩起到了类似中间包吹扫的作用，减少在开浇过程中钢水与空气的接触几率。通过对浇次过程中的气体取样分析，采用气幕挡墙的对过程气体没有影响。即两流的氮含量基本相同。5结论中间包挡渣堰系统的经优化后在降低耐火材料消耗的同时提高了中间包的冶金能力，减少了中间包的气体增加量，具有良好的推广和使用价值。1)直通孔过滤器可稳定的在本钢正常生产中进行应用。并使耐材消耗降低12.6%。2)直通孔过滤器和气幕挡墙使中间包死区面积减少近10%，中间包体积利用率提高。3)直通孔过滤器后对成品坯夹杂物含量降低50%以上。4)气幕挡墙可使浇次前期中包增氮量降低2～3ppm，但对过程增氮影响不大。5)气幕挡墙后使大颗粒夹杂物的数量明显减少，两个采用气幕挡墙的试样没有20μm以上的夹杂物，说明气幕挡墙对夹杂物尤其是大颗粒夹杂的去除效果显著。