中间包冶金

中间包冶金东北大学2019年8月15日连铸技术21中间包冶金发展的概况2中间包冶金技术3中间包结构物理模拟方法4中间包吹氩气体净化技术连铸技术31中间包冶金发展的概况“中间包冶金”概念是在20世纪80年代初期被提出来的，中间包冶金是一项特殊的炉外精炼技术，是从钢的熔炼和精炼到制成固态连铸坯这个生产流程中保证获得优良钢质量的关键一环。在连铸过程中起到重要的作用。随着高效连铸的推进，中间包冶金技术已经成为高效连铸必不可少的重要技术。它对扩大连铸品种﹑增大连铸比﹑提高铸机作业率﹑掌握浇铸过程的中间包钢水温度的变化规律﹑优化生产作业﹑顺利进行多炉连浇﹑改善钢坯质量等均起到重要作用。连铸技术4中间包的作用减小钢水静压力，使中间包的注流稳定——稳流作用；在两流以上的多流连铸机中，中间包起到分配器的作用——分流作用；在多炉连浇中，储存一定量的钢水，保证换包时不至于停浇——连浇作用。此外，中间包还是一个半连续的钢水精炼容器，具有以下的精炼功能：防止钢水二次氧化和吸气；改善钢水流动状态，防止卷渣，促进钢水的夹杂物上浮；钢水成分微调；夹杂物形态控制；精确控制钢水过热度。连铸技术52中间包冶金技术1.长水口Ar封2.密封盖3.内衬耐火材料4.挡墙和坝5.过滤器6.Ar气吹洗装置7.覆盖剂8.钢包下渣监测系统9.加热装置10.塞棒吹氩连铸技术61）防止钢水再污染技术钢包到中间包水口保护浇注;防止钢包到中间包卷渣技术;防止钢水与内衬耐火材料反应;中间包加盖密封技术;连铸技术72）促进夹杂物去除技术增大中间包容量;中间包内的控流装置;中间包气体吹洗—吹氩技术;中间包使用合适的覆盖剂;连铸技术83）相关技术的发展中间包喂丝技术;中间包加热技术;连续测温技术;连铸技术9中间包控流装置演变的历史可划分为4个时期：(1)20世纪70年代，开始在中间包内安置堰和坝；(2)20世纪80年代，中间包开始使用导流隔墙、过滤器；(3)20世纪90年代中期，中间包开始使用湍流控制器；(4)近年来，在中间包内开始研究和应用气幕隔墙技术。连铸技术10为了有效地去除中间包钢水中的非金属夹杂物，中间包内的钢水流动应具有以下的流动特征：大的最小停留时间；小的死区体积；大的活塞流体积与死区体积之比和较大的活塞流体积与混合流体积之比；有指向表面的流动；平静的渣层；有限的混合区。连铸技术112.1大容量中间包中间包容量影响到中间包液面高度和中间包钢水在包内的停留时间。大容量中间包可以保证换钢包时中间包钢水处于相对稳定状态，防止卷渣，这对生产表面质量和内部质量要求高的产品如深冲钢和汽车板尤为重要。为了不发生卷渣，中间包钢水必须在最小深度以上操作。北美20世纪80年代以后投产使用的中间包容量均为45t以上，其中最大的中间包容量为70t。日本的中间包容量均在60t以上，最大的中间包容量达84t。连铸技术12中间包容量对钢水清洁度的影响连铸技术132.2中间包采用堰和坝中间包内采用堰(weir)和坝(dam)作为控流装置是最普遍的应用技术措施之一，是最简便而有效的净化钢液的方法。在中间包中安置堰和坝，可以有效改变钢液流向，延长钢水停留时间，有利于夹杂物的上浮。中间包采用典型的堰、坝结构如图。连铸技术14堰，又称挡渣堰或上挡墙。横跨整个中间包宽度，从钢液面上部延伸至距中间包底部一定距离，钢水可从其下方流过。其在中间包的作用是：1）可以控制钢包注流冲击区的大小，控制钢包注流对中间包钢水的搅拌强度，促进夹杂物碰撞和粘结成大颗粒，以便使小颗粒夹杂物聚合成大颗粒上浮去除。2）可以将随钢包注流进入中间包的炉渣挡在注流钢包注流冲击区内，防止从钢包卷入到中间包的渣子流入到中间包水口侧，减少钢水因钢包卷渣造成的二次污染。3）可以将大包注流冲击引起的中间包钢水表面波动限制在堰的上游，稳定堰的下游中间包钢水液面，有利于减少因表面卷渣、二次氧化和机械冲刷所产生的夹杂量。连铸技术15坝，又称导流坝或下挡墙。横跨整个中间包宽度，从中间包底部向上延伸至距钢液面之下一定距离，钢水从其上流过。它具有以下的作用：1）可以防止中间包短路流的形成，延长钢水在中间包内的流动距离，增加钢水在中间包的停留时间。2）可以将钢包注流的冲击限制在冲击区内，降低钢水的水平流动速度。3）使流过坝的钢水产生指向钢液表面的流动，缩短夹杂物的上浮距离，有利于夹杂物上浮去除和顶渣捕获夹杂物。在中间包中，坝和堰常常是一起使用，以获得理想的中间包钢水的流动和冶金效果。连铸技术162.3中间包采用导流隔墙及过滤器导流隔墙(baffle)是一个在中间包将上下游完全隔开的挡墙，并在上面设置若干个不同尺寸和倾角的导流孔。钢液根据需要的方向流过导流孔，其通过导流隔墙后的流速和方向由孔的大小和倾角决定。导流隔墙的作用是，当钢水通过导流隔墙时，将中间包的湍动流动限制在一定的范围内，可产生指向钢液表面的流动，以促进夹杂物与顶渣接触的机会，有利于去除夹杂。导流隔墙在中间包中可以起到堰坝组合相同的或优于堰坝组合的作用。连铸技术17过滤器(filter)为带有微孔结构材料的隔墙，它横跨整个中间包宽度，从钢液面上方一直延伸到中间包底部，钢水从微孔流过。其作用有，在中间包的钢水中，直径大于50μm的大颗粒夹杂物可以采取简便的净化措施将它们与钢水分离从而使它们上浮排除。但直径小于50μm的夹杂物因其上浮速度很小而难以去除。过滤器就是用来捕捉这些小颗粒夹杂物，以净化钢水。但过滤器因微孔容易堵塞，钢水通过过滤器的流量小和成本高，在应用上受到限制。连铸技术18导流隔墙和过滤器连铸技术19导流隔墙的结构（孔的大小、数目、分布和倾角）以及安放位置对中间包的流动特性都有很重要的影响。导流隔墙还可以和直通孔过滤器相结合使用，过滤器安装在导流孔处，钢液从过滤孔洞中流过，于是过滤器不仅有吸附夹杂物的作用，而且也成为一种有效的流动控制装置。连铸技术202.4中间包湍流控制器湍流控制器（turbulenceinhibitor）是一种小的容器形结构的装置，位于钢包注流下方。钢水从钢包长水口高速流出，进入到湍流控制器中，受到湍流控制器的限制，再从湍流控制器的上口反向流出。湍流控制器是20世纪90年代中期开发的一种新型控流装置。湍流控制器的作用：1）对钢包注流的冲击起缓冲和限制作用，以获得平稳的流动。2）改善中间包钢水的流动特性，延长停留时间，有利于钢水中的夹杂物上浮分离。3）减轻大包开浇和更换时大包注流冲击中间包钢水造成的钢水飞溅，减少中间包衬的侵蚀。4）增加中间包钢水流动的活塞流体积，降低死区体积。连铸技术21连铸技术222.4中间包吹氩钢液中的小颗粒夹杂物，由于中间包钢水的湍流流动，很难通过采用上述的控流装置将其去除。通过在中间包一定的位置吹入微小的氩气泡，在该位置上形成气幕隔墙，既可以改善中间包流体的流动特性，气幕又可以对夹杂物起到隔离作用，阻止夹杂物流到中间包水口侧。另外，与小气泡碰撞的大、小夹杂物，将被气泡带到钢液面上，进入到覆盖渣中，有利于钢水中的夹杂物上浮分离，提高中间包的夹杂物去除能力。在密闭的中间包中吹氩，可以使中间包内的气氛在开浇和浇注过程中处于惰性气氛中，可以防止钢水的二次氧化和从大气中吸气。连铸技术23（a）无流动控制装置(b)挡墙和坝(c)多孔挡板中间包内各种流动形态控制装置连铸技术24加入湍流控制器的双挡墙中间包内的流动状态连铸技术25有气幕隔墙的中间包流体流动状态连铸技术26湍流控制器的钢流控制模型连铸技术273中间包结构物理模拟方法中间包流动过程模拟实验的相似准数物理模拟实验要保持发生在模型和原型的流动过程相似，则必须保证模型与原型之间的几何相似和动力相似。几何相似要求模型的几何尺寸与原型的对应的几何尺寸具有固定的相似比，而动力相似要求在模型与原型中作用在流体微元上的力相同且由这些力组成的相似准数应相等。当原型中间包的湍流Reynolds准数Ret,和Froulde准数Frp和模型中间包的湍流Reynolds准数Ret和Froulde准数Frm相等时.连铸技术28中间包水模试验装置连铸技术29水和钢液的物理性能连铸技术30中间包物理模拟实验方法停留时间分布曲线测定从实验测定得到的停留时间分布曲线RTD(ResidenceTimeDistribution)，可以直接得到从加入示踪剂到示踪剂流至中间包水口时的最小停留时间tmin(又称响应时间)和示踪剂浓度达到最大时的峰值时间tmax。还可得到各流体微元在中间包的实际平均停留时间tav。连铸技术31连铸技术32典型的中间包停留时间分布曲线连铸技术33中间包流体流动的体积可划分为活塞流体积(plugvolume)或分散活塞流体积(dispersedplugvalume)、死区体积(deadvalume)和完全混合流体积(wellmixedvolume)。到目前为止，各体积占中间包液体体积的分率计算模型有三种。Kemeny等人最早应用混合流动模型(mixedflowmodel)分析实验得到的停留时间曲线，来计算活塞流体积分率、死区体积分率和混合流体积分率。连铸技术34死区完全滞止的中间包流动模型连铸技术354中间包吹氩气体净化技术中间包钢液中夹杂物的运动行为在中间包内，钢液始终处于流动状态，夹杂物在其中的运动也因此比平静钢液复杂得多。许多学者对钢液中夹杂物的运动状态进行深入研究后认为：夹杂物在钢液中发生以下几种行为：(1)夹杂物的上浮在中间包内，夹杂物依然可以通过上浮从钢液中排除。按常规看法，夹杂物上浮去除速度服从斯托克斯(Stokes)公式。连铸技术36斯托克斯(Stokes)公式所计算的上浮速度是颗粒在重力场中流体介质内作加速度运动时，受到介质摩擦阻力而达到的终速度，其初速度比该值还要小得多。而在中间包内，流体本身的流动速度往往比上述速度高出很多，所以小颗粒的夹杂物，在中间包中将跟随流动的钢液一同运动，只有大颗粒夹杂物在钢液流速较低的区域能够上浮。如果考虑夹杂物同钢液流动的跟随性，除非钢液的流动方向偏向上方，否则小粒径的夹杂不可能上浮出来。中间包容量较大时，钢液停留时间会长一些，但是也没有根本的改变。所以仅仅依靠上浮运动，小颗粒夹杂物无法从钢液中除去。Stokes公式仅适用雷诺数Re小于2的情况。Stokes上浮公式仅适用于静止状态或层流状态（Re≤2）。如前面所述，中间包内雷诺数Re≥1000，故应用于中间包时，应该使用修正了的Stokes-Newton公式连铸技术37斯托克斯(Stokes)公式Stokes-Newton公式连铸技术38(2)夹杂物的碰撞长大在流动的钢液中，夹杂物颗粒容易相互碰撞而不断长大，长大的颗粒，较碰撞前更容易上浮，所以颗粒的碰撞长大是夹杂物去除的一种重要形式。颗粒的碰撞有以下四种方式：(a)布朗碰撞。夹杂物颗粒在钢液中做无规则的热运动而产生的碰撞，中间包内夹杂物碰撞属于布朗碰撞的类型很少。(b)斯托克斯碰撞。颗粒上浮速度与其大小有关。大颗粒夹杂物上浮的速度大，在上浮时可能追上小颗粒夹杂物而与之碰撞成为更大颗粒，因而上浮速度加快，更容易捕获其他颗粒。在中间包内，斯托克斯碰撞是夹杂物碰撞长大去除的重要形式之一。连铸技术39(c)速度梯度碰撞。颗粒沿流线轨迹运动，高速流线上的颗粒将追上低速流线上的颗粒，只要两颗粒的距离不超过它们的半径之和，颗粒将发生碰撞。这种碰撞和流场速度有关，当流场速度梯度不够大时，梯度碰撞不是主要的方式。但在某些速度场有急剧变化的部位，梯度碰撞是可能的。(d)湍流碰撞。夹杂物被夹带入湍流旋涡中，引起夹杂物之间的碰撞。湍流碰撞是夹杂物颗粒碰撞长大的重要形式。对于中间包反应器，其流场中湍动能耗散率值比较大，很容易发生湍流碰撞，因而其内夹杂物的碰撞方式主要是湍流碰撞。连铸技术40(3)夹杂物与耐火材料表面的粘附中间包内耐火材料的表面与钢液中的夹杂物接触时，夹杂物会粘附在耐材表面与钢液分离。促使夹杂物上浮去除是中间包的重要冶金功能之一，而夹杂物的上浮去除又和中间包内钢液的流动状态有着密切的关系。。钢液在中间包内的流动状态可分为全混流、活塞流、短路流、死区四种。全混流区流体搅动激烈，有利于