冶金行业连铸连轧-中间包.ppt

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1、中间包冶金中间包冶金主讲教师：闵 义2007.11连铸理论及工艺连铸理论及工艺1.前言前言1.1 中间包的作用中间包的作用l中间包是炼钢生产流程的中间环节，而且是由间歇操作转向连续操作的衔接点。中间包作为冶金反应器是提高钢产量和质量的重要一环。无论对于连铸操作的顺利进行，还是对于保证钢液品质符合需要，中间包的作用是不可忽视的。1.1 中间包的作用中间包的作用l(1)分流作用。对于多流浇铸，由多水口中间包进行分流。l(2)连浇作用。在多炉连浇时，中间包存储的钢液在换钢包时起到衔接的作用。l(3)减压作用。盛钢捅内液面高度有56m，冲击力很大。在浇铸过程中变化幅度也很大。中间包液面高度比钢包低，变

2、化幅度也小得多，因此可用来稳定钢液浇铸过程，减小钢流对结晶器凝固坯壳的冲刷。l(4)保护作用。通过中间包液面的覆盖剂，长水口以及其他保护装置，减少中间也中的钢液受外界的污染。对中间包的要求对中间包的要求l满足纯净钢生产的要求：中间包是钢液凝固之前所经过的最后一个耐火材料容器，对钢的质量有着重要的影响。应该尽可能排除掉钢水中非金属夹杂物；防止钢液吸收空气以及耐火材料中的氧，避免二次氧化，以满足纯净钢的品质要求。l满足连续生产的要求：转炉溅渣护炉技术的推广应用后，转炉寿命大幅度增加，中间包寿命成为连续生产的关键环节。要求提高中间包耐火材料寿命，以及在线快速更换易损毁元件等。1.2 中间包结构中间包

3、结构l中间包一般由包体、包盖、水口和控流装置组成。l中间包容量一般取钢包容量的2040，小容量钢包取大值，大容量钢包小值。l为了保证多炉连浇时的铸坯质量，其储存的钢液，应大于换包所需的时间。钢液在中间包内的停留时间和中间包容量及铸速有关，为使钢液在中间包内有必要的停留时间，应根据铸速来核算中间包的容量。停留时间缩短，对排除非金属夹杂物不利。1.3 中间包种类中间包种类l 中间包的形状类型很多，包括矩形、三角形、椭圆形、v形、Y形、H形等，可根据车间情况及铸机尺寸等选用，以矩形中间包应用较多。l如果按其结构分类，大体上可分为板坯连铸用中间包和小方坯连铸用中间包。板坯连铸用中间包用于大型板坯连铸，

4、板带类产品对清洁度要求最为严格，所以国内外关于矩形板坯连铸中间包的研究最多。1.4中间包冶金的研究内容中间包冶金的研究内容l炉外精炼使钢液纯净度提高，钢液和环境(大气、耐火材料等)间杂质浓度差别(或化学位差别)增大，重新污染的可能性和速率都将增大。l炉外精炼后，钢液温度是均匀的，而当钢液流过中间包时其温度又会再次改变为不稳定状态。l所以，钢液通过中间包的过程中，发生某些物理和化学的变化是不可避免的。l“中间包冶金”的概念是在20世纪80年代初期提出的，研究成果已为工程时间所应用和检验。研究内容主要为：l(1)清除钢液再次污染的来源，即防止二次氧化、减轻耐火材料侵蚀、减少钢包渣的卷入以及渣中不稳

5、定氧化物的危害。l(2)改善钢液流动条件，最大可能去除钢中非金属夹杂物；亦即防止短路流，减小死区，改进流线方向，增加钢液的停留时间。l(3)选择合适的包衬耐火材料和覆盖剂，既减轻热损失又有利于吸收分离和上浮的夹杂物。l(4)控制好钢液温度，必要时增加加热措施，使钢液过热度保持稳定。1.5 中间包冶金的研究方法中间包冶金的研究方法l作为一种连续操作的反应器，它与转炉、电炉及钢包等间歇操作反应器的概念是不同的。反应工程学的原理得到更多更深入的运用。主要研究方法有：l物理模拟：主要是用水模型的方法来研究中间包流场特征，如速度场，控制元件对流动特征的影响，夹杂物去除的影响等。l数学模拟：用计算流体力学

6、方法求解中间包流场。2 中间包物理模拟中间包物理模拟l中间包内基本的物理现象是钢液的流动，各种冶金过程都是在流动的钢液中进行的，所以研究中间包内的流动现象是中间包冶金的基础。l研究证明，用水模型来研究钢包、中间包、结晶器等内部的钢液流动不仅是可行的，而且能够正确反映实际钢液流动的数值和规律。l直接测量高温下的钢液的流速，不仅在测量技术方面有难度，而且研究费用也很高。在开发新工艺以及改进现有工艺时，模型研究是一种成本低、见效快的可靠工具。l物理模拟的目的l第一个目的是寻求有利的操作参数：例如利于钢液中夹杂物的上浮，设置控流元件，元件位置、尺寸等参数可以通过流场测量、刺激响应技术、夹杂物模拟等实验

7、确定。l第二个目的是找出过程的某些主要参数的函数关系，而这些关系也可应用于实际冶金过程。2.1物理模拟方法物理模拟方法l中间包中钢液的流动，是钢液在重力作用下从盛钢捅水口流人中间包，然后从中间包水口流出，在这种情况下一般可视为粘性不可压缩稳态流动，忽略化学反应的影响。l系统只要满足几何相似，运动相似和动力学相似即可，而运动是动力所驱动的，所以中间包钢液流动的物理模拟，需要满足模型和原型几何相似和动力学相似。l影响流动状态的作用力主要有惯性力、重力、粘性力和表面张力。l 在中间包冶金过程的物理模拟中，常用水来模拟钢液，考虑等温流动时，水模型中的流动和中间包中钢液流动相似的条件为Re数和Fr数保持

8、不变，即：lFr数相等时有：lRe数相等时有：l当模型与原型为1：1时，可以同时保证Fr数和Re数相等，二者相似最为理想。但选用1：1模型成本较高，而且试验场地受到限制。l常用的中间包物理模拟方法：l同时考虑Fr数和Re数相等；l只考虑Fr数相等，Re数处于同一自模化区（即Re都处于大于第二临界值时，湍流程度和流速不受Re的影响）；l同时考虑Fr数和We数相等：考虑中间包覆盖剂的卷入间题时，需要考虑液体表面张力的作用。要求模型为原型的0.6倍。l非等温流动的模拟。2.2 停留时间分布的测定停留时间分布的测定l中间包是连续反应器。钢包注流的冲击，水口处对钢液的抽吸以及中间包内部结构和形状，使中间

9、包内钢液流动状态很复杂。l进入中间包中各流体分子或流体微团从流入到流出这段过程中，实际经历的路径长短小一，它们的流速分布也不同，从而在中间包内的停留时间也就各不相同。l流体分子(或微闭)在中间包内停留时间的长短及分布，对中间包的各种冶金功能有非常重要的影响，因此测定中间包内流体的停留时间分布，并用来分析中间包内钢液的流动状态及对其冶金功能的影响。2.2.1 刺激响应实验技术刺激响应实验技术2.2.1.1实验方法实验方法l测量停留时间分布，通常应用刺激一响应”实验。此方法在类似于中间包这类非理想流动的反应器个得到了广泛采用。l其方法是：在中间包注入流处输入一个刺激信号，信号一般使用示踪剂来实现，

10、然后在中间包出口处测量该输入情号的输出，即所谓响应，从响应曲线得到流体在中间包内的停留时间分布。l水模中常用的示踪剂有：电解质、发光或染色物质作为示踪剂，例如KCl，NaCl，通常为脉冲式加入。2.2.1.2 应用原则应用原则l响应信号要能够真正反映反应器内流动的真实状态：应用刺激响应实验时应遵循以下原则：l(1)刺激响应过程必须是线性过程，刺激估号在数量上的变化导致响应在相应量上的变化是成比例的 l(2)作为刺激信号的示踪剂不能参与反应器内发生的任何化学反应，即不会因反应导致示踪列物质的增加或减少。l(3)脉冲式加入刺激信号，示踪剂应瞬时加入。l(4)刺激与响应信号安易于测量。2.2.2 停

11、留时间分布函数停留时间分布函数2.2.2.1停留时间分布函数停留时间分布函数E(t)l分子在反应器内的寿命不相同。但反应器中反应物分子数众多，分子在反应器内的寿命分布应服从统计规律。图22为各个分子在反应器内停留时间的分布规律，大多数分子的停留时间在中等范围波动，寿命极短及极长的分子都不多，这种分布曲线称为停留时间分布函数E（t）。其定义为：Edt是进入反应器的流体中在系统内的寿命居于t和t+dt之间的那部分分子。l通过反应器的全部流体分子可以看作为1，即：l寿命低于t1的流体所占分率为：l寿命高于t1的流体所占的分率：lE(t)的均值为：lE(t)的方差（离散度）：2.2.2.2 平均停留时

12、间平均停留时间l当中间包钠液的体积为vR，由铸速所决定的钢液流出的体积流率为Q时，由此可算出平均停留时间：l当中间包内钢液流动没有死区现象存在时，二者计算的平均停留时间应当一致。也就是说，钢液在中间包内的实际停留时间应等于所测得的E(t)的数学期望。l在实验中，往往利用两者的差别来判断中间包内死区的大小。l曲线曲线A：钢液流动为活塞流，示踪剂分子和加人前后的流体没有混合，经过时间tc后全部示踪剂由水口流出，所以仍然保留脉冲特征。l曲线曲线B：如果钢液流动为全混流、示踪齐脉冲加入后立刻与中间包内钢液混合，混合均匀并立即由水口流出，以后随着钢液流出的示踪剂将逐渐减少、所以B曲线呈现衰减的曲线特征。

13、2.3 流场显示及流速测量的实验技术流场显示及流速测量的实验技术l但是建立了合适的模型，还必须有合适的实验技术才能得到良好的实验结果。l流场显示技术是研究各种复杂流动的有效方法。流场显示的任务就是把透明流体(如水)的流动现象，设法用图像显示出流动图形(流谱)供定性分析之用，并力求做到根据这些流动图形作出流场某种物理量的定量测量，中间包中的许多流动现象，例如注流冲击、卷渣、夹杂物上浮等，都可以通过流动显示进行研究；l流动测量技术的现代化，不但提供了各种流动的流谱，而且还可提供定量的测量数据，如激光测速法、高速摄影法等技术2.3.1 流动显示技术流动显示技术l显示出来的流动图形既便于直接观察，也可

14、用照相或摄影的方法记录下来。l最常用的显示方法是示踪法。示踪粒子一般在流动的上游即中间包上方注流处加人。要求示踪剂的密度和流体应尽量接近或者粒子的粒度非常细小，可以和流体同步流动。还要有强的反射性能，以便观察和摄影。l常用的示踪剂有聚苯乙烯塑料粒子和铝粉等，染料也可作为示踪剂，在低速(小于1m/s)时可用水性染料，如茵红、高锰酸钾、甲基蓝等；较高速(大于1m/S)时，可用油性染料如苯、二甲苯、硝基苯、十二烷基酒精等。2.3.2 高速摄影在流场显示中的应用高速摄影在流场显示中的应用l高速摄影是把高速运动变化过程的空间信息和时间信息紧密联系在一起进行图像记录的一种摄影方法。我们在观测快速流动过程时

15、，用它来放大时间标尺，使人们能直接观看并研究某一特定时刻的空间一时间图像。l摄影频率在102幅/s以下称为普通摄影，在102103幅/s的称为快速摄影，1034x104幅/s的称为次高速摄影,4X1O4幅/s以上的称为高速摄影。高速摄影不仅能将瞬变、高速过程连续记录下来，给人们以直观形象和生动可靠的结果，并且能对研究对象的瞬时状态、流场变化、运动轨迹等进行记录，并运用图像分析仪等设备进行定量计算。l此外还有激光多普勒测速和热线流测速等技术。但应用的较少。2.4 夹杂物的模拟方法夹杂物的模拟方法l在中间包冶金学中，研究非金属夹杂物的变化和去除是很重要的内容。中间包内，夹杂物是在流动的介质中变化、

16、长大和去除的。用水模型研究钢液流动时，也需要用适当的粒子来模拟非金属夹杂物在流动介质中涉及夹杂物去除的现象有：夹杂物的碰撞长大、夹杂物上浮、钢液对夹杂物的润湿性以及渣层和包衬捕获夹杂物的能力等。对这些复杂的现象进行模拟是相当困难的。l主要材料有空心玻璃球、发泡塑料粒子等，好的模拟材料对模拟效果非常中要。2.5多级取样与系统分析多级取样与系统分析l连铸坏及其制成品的夹杂物状况和来源作系统的研究，找出改进钢质量的途径。l(1)选择BaO、SrO、La2O3等氧化物作为尔踪剂加人中间包渣及结晶器保护渣中以追踪夹杂物的可能来源；l(2)按一定时间和规则在中间包钢液中取大样、小样及渣样；l(3)按一定时

17、间和规则在结晶器未凝固钢液中取小样、铅笔样及渣样；l(4)在铸坯上按一定部位取长条样、大样。l 系统分析内容：l(1)用化学法分析渣中CaO、Al2O3、MgO、SiO2、MnO、FeO等；l(2)用光学显微镜观察金相试样中的夹杂物，每个试样观察200个视场，按夹杂物的类型和尺寸的统计平均值评价钢的清洁度；l(3)用大样电解法分解钢中粒径大于50um的氧化物夹杂，对典型夹杂物进行照相和电子探针分析；l(4)用扫描电境分析夹杂物形貌、构成和成分。l(5)分析钢中Si、Mn、O全、P、S、Als含量；l(6)必要时，对使用过的耐火材料工作层进行分析。l采用多级取样和系统分析的研究方法从多方面直接评

18、价钢的清洁度，虽然尚不能显现钢液内夹杂物的变化过程，但和中间包钢液流动的数学物理模拟相结合，可以较为确切地分析中间包冶金学的有关问题。3 中间包内钢液流动现象中间包内钢液流动现象3.1 中间包钢液流动特性中间包钢液流动特性l注入区的流速很高，达到1m/s以上，高速注流抽引周围钢液向下流动，注流速度逐渐减小，但幅度不大，到达底部时速度依然很大。l设置一个挡墙和一个坝时中间包内的流场测量结果。挡墙可以阻止顶面回流，并使注流的冲击限制在较小区域内，减少渣的卷入。坝(也可称下挡墙)可以阻止钢液沿包底的运动，形成向上液流，有利于其中夹杂物的去除。钢液流过坝后，折向上方的液流重新转向水口，形成回流。l中间

19、包水模型流场测量的结果表明，中间包内钢液流场中含有由液液射流、驻点流动、汇流出流及旋涡等流动现象。注流的危害注流的危害l注流卷入空气有如下四种方式；l(1)注流为光滑的层流，冲击到中间包表面形成一个凹坑，卷人到凹坑周围的空气强烈振动，气泡崩裂成细小的气泡；l(2)注流处于层流与湍流的过渡区，注流表面出现不规则形状，冲击到熔池表面产生涡流流动，不断卷人崩裂的空气泡；l(3)注流表面为高度发展的湍流，注流冲击区形成很不规则的波浪运动，卷入的空气分散成细小的气泡；l(4)注流分裂成液滴散流，每个液滴都卷入空气，吸氧速率大大增加。汇流旋涡的危害汇流旋涡的危害l汇流旋涡形成过程，最初液面出现不稳，有少量

20、液滴吸入熔池内部，随着液面下降，在水口上方形成旋转流动，最后形成贯通的旋涡漏斗。l钢液流出过程形成的汇流旋涡，能把液面上的渣卷入钢液内部甚至卷入空气，增加二次氧化，重恶化钢的质量。在连续浇铸换包时，经常发生。自然对流对流场的影响自然对流对流场的影响l自然对流的驱动力是由流体的密度差引起的，而密度差则可能由温度差或浓度差引起，温度差引起自然对流的情况较多。在连铸操作中，产生温度差的原因有：l(1)换包时，钢包内钢液与中间包内钢液液温度不同；l(2)中间包钢液散热损失降低；l(3)中间包加热。3.2 改进中间包钢液流动的措施改进中间包钢液流动的措施l 改进中间包内钢液流动的主要方法是：消除包底铺展

21、的流动，使下游的流动有向上趋势，延长注入到出口的时间，增加熔池深度以减轻汇流旋涡等。具体措施：l增大中间包容量：增大小间包容积，使平均停留时间增加，有利于夹杂物去除。l改进包型。l在容积一定条件下，增大有效容积，减小死区体积。对于不够大的中间包，可通过改进内部结构，如加设挡墙或坝。3.2.1增大中间包容量增大中间包容量l优点：优点：l一是使钢液在中间包内有较长的停留时间，以利于夹杂物上浮，提高钢液的清洁度。l二是便于与拉坯速度配合，行利于换包时顺利浇注，改善换包时铸坯的质量。l增加熔池深度是扩大容量的一种有效办法。较深的熔池表面流速较小，减轻了液面波动，这对减轻二次氧化也是有利的。3.2.2

22、挡墙（堰）、坝和导流隔墙的应用挡墙（堰）、坝和导流隔墙的应用l设置档墙可以阻止表面回流，并使钢液湍动显著的部分集中在注入流区，下游形成流动平稳的熔池。l坝的作用是阻挡沿包底的流动，使流动方向转向上方。l档墙设于坝的上游才有改善中间包流动的结果，反之，坝在挡埔的上游，反而使包底铺展流动更严重。3.2.3导流隔墙导流隔墙l考虑到自然对流对钢液流动方向的影响以及避免坝体上浮的危害，用导流隔墙来控制中间包流动是更有效的方法。l在一个将上下游完全隔开的耐火材料壁上设置若干个不同尺寸和倾角的孔洞，使钢液根据需要的方向流过孔洞，这就是导流隔墙。l导流隔墙可以与过滤器和其它控流装置配合使用。3.3.3 多水口

23、中间包流动特性及改进措施多水口中间包流动特性及改进措施l对于多流小方坯连铸机，使用多水口中间包，一般容积较小，注流在个间包的中间，各水口和注流的水平距离相差甚大，所以各流的平均停留时间和停留时间分布也各不相同。l外侧水口的距离L长，停留时间长，热损失大，有时容易冻结，不能顺利开浇。l内侧水口的距离L短，夹杂物去除的机会少。改进措施改进措施3.2.4 中间包湍流控制技术中间包湍流控制技术l在注流冲击点设置缓冲器，缓冲器均构造简单，安装方便，容易在个间包上应用。应用缓冲器可以改善个间包钢液流动，起到以下作用：l(1)减弱盛钢桶注流的冲击作用，减少卷渣、卷入气体；l(2)增大滞止时间，减少包中死区体

24、积；l(3)减少对中间包注流区耐火材料的冲刷、侵蚀；l(4)减缓“汇流旋涡的生成。取得控制钢液流动的效果。l但缓冲器不能改变中间包内钢液流场的整体态势，还需要和其他控流元件相配合。湍流控制器的种类湍流控制器的种类中间包流场优化实验举例中间包流场优化实验举例l1 薄板坯连铸中间包堰坝位置优化薄板坯连铸中间包堰坝位置优化 l1.1 堰与水口中心距优化堰与水口中心距优化 l将原中间包的单挡墙控流方式改为堰坝组合控流方式。具体为，在原有单一坝的基础上增加堰。图4.1 中间包内堰坝位置示意图l其中X1的变化水平为：272mm、322mm、372mm、422mm、472mm、522 mm、572 mm、6

25、22mm；X2的变化水平为：200mm、230mm、260mm、290mm、320mm、350mm、450mm。l实验过程中对X1的8个水平和X2的7个水平进行了全因素实验，共56组。为了保证实验数据的准确性，每组实验重复两遍。l通过对实验数据的比较，发现当堰坝中心距在290350mm之间变化时，最小停留时间和峰值时间较大，死区体积分率较小。故本研究以堰坝中心距为290mm为例，分析了堰坝中心距不变情况下，堰与水口中心距变化对流体流动特征的影响规律，以确定较为合理的堰与水口中心距X1，图4.2 最小停留时间和峰值时间与堰水口中心距的关系图4.3 死区体积分率和堰与水口中心距的关系1.2 堰坝中

26、心距优化堰坝中心距优化 l综合三个特征参数看，实验效果较好的堰与水口中心距为422mm，472mm和522mm。由于此时的死区体积分率仍然较大，需要进一步优化堰坝中心距。l当堰坝中心距为290mm、320mm和350mm时，最小停留时间和峰值时间均相对较长，且三个位置对应的死区体积分率分别为31.15%，31.011%和30.774%，死区体积变化不大。由于具备了较长的最小停留时间和峰值时间，流体在中间包内的运动路线更长，更曲折，为夹杂物的充分上浮提供了条件。图4.4 最小停留时间和峰值时间与堰坝中心距的关系图4.5 死区体积分率与堰坝中心距的关系2 堰坝几何尺寸优化堰坝几何尺寸优化 l虽然确

27、定了较佳的堰坝位置，但存在的问题依然比较明显，即获得的死区体积分率较大，仍然难于提供理想的堰坝组合方案。由于坝高和堰深对中间包内流体的运动路线有显著影响，以下部分将在上述优化堰坝位置的基础上，重点研究堰坝几何尺寸对中间包内流体流动特征的影响，从而寻求最佳的堰坝几何尺寸。l实验中，将堰坝位置固定在效果比较好的优化位置上进行堰坝尺寸的优化，即堰与水口中心距472mm，堰坝间距350mm。其中，堰深H1的变化水平为：130mm、150mm、170mm、190mm、210mm，坝高H2的变化水平为：180mm、200mm、220mm，图4.6 中间包内坝高和堰深变化示意图图4.7 堰坝尺寸对中间包流体

28、流动最小停留时间和峰值时间的影响图4.8 堰坝尺寸对中间包流体流动死区体积分率的影响l综合最小停留时间、峰值时间和死区体积分率三者来看，当堰与水口中心距为472mm，堰坝中心距为350mm，坝高为200或220mm，堰深为170mm时，中间包内流体流动特征参数最佳，此时的最小停留时间在50s左右，峰值时间在190s左右，死区体积分率减少至2728%左右。3 坝上溢流孔尺寸优化坝上溢流孔尺寸优化l上述优化过程中，无论如何改变堰坝位置和堰坝尺寸，虽然最小停留时间和峰值时间会有所延长，但死区体积分率仍然比较大，即使最佳堰坝组合方案所对应的死区体积分率也和原方案(单挡墙)相差不大，均在2628%之间。

29、l对溢流孔尺寸进行优化之后，从右图可以看出，底流明显减小。底流的减小，使得流体的最小停留时间延长，改善了流体流动特性。由此可得，对溢流孔进行优化是相当必要，也是效果显著的。图4.10 坝上溢流孔改变前后示意图l溢流孔优化之后，最小停留时间及峰值时间分别延长了27s和46s，分别增加了52%和24%，死区体积分率由27.179%减少至18.321%，减小了33%。图4.9 坝底部溢流孔优化前后流场显示图4.12 堰坝组合优化方案中间包流体流动状况图4.12 堰坝组合优化方案中间包流体流动状况图4.12 堰坝组合优化方案中间包流体流动状况4 中间包夹杂物控制中间包夹杂物控制l连铸坯夹杂物来源l1.

30、下渣l2.空气再氧化l3.卷渣l4.耐火材料l5吸入空气l6.浸入式水口堵塞（大型夹杂）l7.结晶器卷入保护渣4.1注流的二次氧化及保护措施注流的二次氧化及保护措施l钢液注流保护浇铸包括钢包注流保护浇铸和中间包注流保护浇铸，通常有耐火材料保护套管、长水口及惰性气体屏蔽等方法，生产高清洁度钢时则可综合采用上述方法。l通过注流保护浇铸，既可防止注流的二次氧化，又能避免浇注冲击液面使钢液裸露而造成的二次氧化。二次氧化不但使钢中的大型氧化物夹杂增多，而且在浇铸时使中间包水口被Al2O3夹杂堵塞的可能性增加，同时也使钢中氮含量增加。气体保护的不同措施气体保护的不同措施l美国伯利恒钢铁公司在钢包上滑板底部

31、开一个环形槽，在槽内通入氩气。l钢包集流水口的防护装置，接口用插座和垫圈来密封。在插座内装有环形管，氩气从环形管上的缝通入。氩气管道和插座连接在钢包底部。l密封中间包，包底吹氩穿过钢液，在液面上形成保护气氛。4.2中间包夹杂物的运动中间包夹杂物的运动4.2.1流动状态下夹杂物运动规律流动状态下夹杂物运动规律4.2.1.1夹杂物的上浮夹杂物的上浮l在中间包内，夹杂物依然可以通过上浮由钢液中排除。按常规看法，夹杂物上浮去除速度服从斯托克斯(Stokes)公式：lu为夹杂物的上浮去除速度；m为钢液的密度；s为夹杂物的密度；g为重力加速度。D p为夹杂物的直径，为钢液黏度系数。l从本质上来说，斯托克斯

32、(Sokes)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。l在中间包内，流体本身的流动速度比上述速度高出很多，小的夹杂物颗粒，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。l对钢液润湿的夹杂物，在浮到表面后，可能重新被流动的钢液带回其中。l只有对钢液不润湿的夹杂(称为疏铁性夹杂)，能自动从钢液中分离出来。如 Al2O3。4.2.1.2夹杂物的碰撞与凝聚夹杂物的碰撞与凝聚l在流动的钢液中，夹杂物颗粒容易碰撞而凝聚成大颗粒，液态的夹杂物凝并后成为较大液滴；颗粒的碰撞凝聚是夹杂物去除的重要

33、形式。颗粒的碰撞有以下四种方式：l布朗碰撞：是小颗粒夹杂物热运动产生的。lStokes碰撞：大小颗粒夹杂物上浮速度不同造成的。l速度梯度碰撞：不同流线上的夹杂物速度不同造成的。l湍流碰撞：夹杂物具有脉动速度造成的。4.3 中间包吹氩中间包吹氩l中间包吹氩不是为了增强搅拌，而是用惰性气泡清洗钢液。l最初在中间包中吹氩着眼于脱氢。试验证明吹氩50-80NL/min可清除开浇阶段的增氢现象。l但是中间包吹氩最明显的效果是去除夹杂物。中间包吹氩的主要方式是在中间包底部某个位置通过多孔砖或多孔氩管吹入微小气泡。中间包底吹氩作用中间包底吹氩作用l(1)排列成列的吹员孔口垂直于沿包底流动的液流布置，类似于在

34、包底设置了坝，促使钢液转向上方流动，其作用比坝的效果还强烈；l(2)员气泡的浮力产生气泡泵现象，促使该局部的湍动能耗散率显著增大，有利于夹杂物颗粒碰撞长大而排除；l(3)上浮的气泡可以捕获夹杂物颗粒、并携带着它一同上浮，这样就使微细夹杂物颗粒上浮速度增大到气泡上浮的速度。l许多研究证明，夹杂物去除速率等于气泡产生数与每一气泡和颗粒碰撞数的乘积：l积分后可得：l因子依次分别为每个气泡清洗体积；单位体积内颗粒数；捕获夹杂概率；吹气生成气泡数；温度变化引起的膨胀。l吹氩量越大、气泡直径越小，吹氩深度越深，则式中的const越大，亦即夹杂去除率越高。l中间包吹氩适宜用小的气泡，有利于捕获更多的夹杂物颗

35、粒。这和钢包吹氩搅拌的目的是有区别的。l另外，氩气泡会带走一些热量。受热平衡的限制，中间包吹氩流量不能很大。实例实例l日本住友金属鹿岛厂在60-80t中间包中用多孔砖吹氩，微孔直径200um，在吹氩区上游设置一个隧道挡墙，其布置如图4-19所示。底部上升的氩气泡流还有控制沿包底钢流的作用。对管线钢API-X60的抗HIC(氢诱导裂纹)指标有显著改进,如图4-20所示。l 中间包吹氩的另一作用是防止长水口结瘤堵塞，为此要把氩气直接吹如长水口，氩气随钢液进入结晶器后上浮逸出。l常用的方法是通过塞棒中心的铁管往下吹氩。也可以制成复合的长水口，将多孔材料或吹气槽镶嵌在水口中或滑板上，吹入的氩气量为0.

36、851.42m3/h。水口结瘤的原因可归纳如下：(1)钢液温度下降，导致铝脱氧反应平衡移动在水口中析出Al2O3；(2)高速流动的钢液由水口耐火材料的孔隙抽引空气到钢液中，与钢液中的铝反应生成Al2O3；(3)水口内钢流有很大速速度梯度和湍动能，使Al2O3颗粒能碰撞长大，大颗粒夹杂物(100um)可节助法向脉动速度穿过边界层到达并粘附在耐火材料表面；(4)由于凝固偏析和钢液与耐火材料的化学反应，在耐火壁面附近形成杂质(Si、C等)富集层，其浓度梯度导致表面张力梯度，产生借助马拉戈尼(Marangoni)效应使小颗粒夹杂物穿透层流底层而粘附在壁面。水口吹氩的缺点水口吹氩的缺点l吹氩还对减轻结晶

37、器内钢液的二次氧化有利。l然而，水口吹氩产生的部分氩气泡会随钢液进入结晶器内，直径很小的员气泡有可能在钢凝固前来不及上浮并析出，造成钢坯和钢板的皮下气泡缺陷。对于品质要求很严格的钢板，可能成为质量事故的原因。大的氩气泡能从结晶器浮出，但上浮速度快造成结晶器钢液面波动，对钢坯质量也有不利影响。l所以，最好的办法还是减轻二次氧化，降低钢液中的Al2O3夹杂物。另外，把Al2O3夹杂改性成为铝酸钙夹杂，也是防止堵塞水口的有效方法。4.5 中间包内钢液卷渣及其控制中间包内钢液卷渣及其控制l在连铸过程中为对钢液起到保温、防止二次氧化、吸收夹杂物等冶金作用，必须使用中间包覆盖剂，但是在中间包浇铸过程中，也

38、常常发生钢液卷渣现象，在钢中形成大型夹杂物，因此有必要开展防止在浇铸过程中发生卷渣现象的技术研究。4.5.1影响小间包钢液卷渣的因素影响小间包钢液卷渣的因素l(1)钢渣界面流动的剪切力和表面波，主要是盛钢桶注流的冲击引起的表面波动；l(2)注流冲击区的湍流，由于注流形成的液液射流的影响，将表面渣卷入钢液内部；l(3)中间包水口处的汇流旋涡，汇流旋涡的生成是使中间包覆盖剂卷入结晶器内的重要原因，尤其是在中间包液位较低时。4.5.2减轻中间包钢液卷渣的方法减轻中间包钢液卷渣的方法l1.采用长水口或套管注入钢液l中间包保持正常液位时，钢包敞开浇铸，注流有极大的流速，产生的冲击力引起液面强烈波动，沿钢

39、渣界面产生剪切力，把渣子卷入钢液。当中间包的注流采用长水口或套管保护时，注流引起的液面表面波动明显减轻，钢渣界面剪切力减弱，钠液卷渣明显减少。l2.合理的液面深度l汇流旋涡是产生中间包钢液卷渣的主要原因，由前面分析可知，产生汇流旋涡有一定的临界高度，低于其临界高度必然产生汇流旋涡。这一点在更换盛钢桶时尤其需要注意。3.旋涡控制装置旋涡控制装置4.钢液卷渣的自动检测与控制钢液卷渣的自动检测与控制l汇流旋涡控制设备复杂，在浇铸后期由于钢液的侵蚀磨损，抑制功能下降。l如果能早期检测出钢流混渣的现象，及时停止浇铸，可保证铸坯质量。l早期的卷渣发生在注流中心，必须使用仪器检测。l普遍应用的是电磁检测法：

40、根据钢和渣透磁性的差别，测定感应电流电压再将输出信号放大后，可发出声光报誓信号并启动阀门将注流关闭。5.钢液过滤技术钢液过滤技术l 过滤是将悬浮在液体中的固相颗粒有效地加以分离的常用方法，通过过滤操作以获得纯净的液体，或获得作为产品的固体颗粒。l工业上使用过滤方法涉及的范围很广，从简单的粗滤到高精复杂的分离。最早是以化学工业为主，将陶瓷过滤器广泛用于食品、医药、金属、粉料输送、环境卫生、降低噪音、放射性废料处理等领域。l在冶金方面，1964年布罗迪克(K.L.Brondyke)对熔融铝进行了过滤研究，过滤技术及相关工艺的研究取得了很大进展。l过滤技术的应用，可以提高产品质量，主要表现在：l(1

41、)泡沫陶瓷过滤器的使用，可在生产条件下完全去除液态金属携带的大块夹杂物。l(2)可去除相当部分液态金属中悬浮的细小夹杂物，例如铝合金熔体经多孔刚玉陶瓷过滤器后，直径为5um以上的氧化物夹杂大部分被滤去，50um以上的夹杂物能完全滤去。l(3)采用网型过滤器可减少金属中的气体含量。滤网阻挡和吸附了气体夹杂物。l(4)可改善金属液的流动性，提高其可浇铸性。5.1过滤机理过滤机理l冶金熔体通过过滤去除夹杂物，有三种过滤机理，即筛网过滤、滤饼过滤和深层或深床过滤。l(1)筛网过滤。是物理过程，凡大于网眼尺寸的夹杂物均被保留下来，小于网眼尺寸的夹杂则随液体一起流走。这种过滤器一般可用来滤掉外来大块夹杂物

42、，如耐火材料、炉渣等。l(2)滤饼过滤。悬浮液中的夹杂物颗粒在通过多孔介质时被截留，逐渐沉积于过滤介质的表面而形成滤饼，而滤饼层成了有效的过滤介质。l(3)深层或深床过滤。可以用于过滤尺寸小于网孔径的细小夹杂。固体颗粒并不形成滤饼而是沉积于介质内部的孔隙中。5.2 钢液过滤器钢液过滤器l20世纪80年代初，美国人首先将陶瓷过滤器技术用于高温合金的净化。1983年，日本开始开发过滤技术在炼钢中的应用，并在普碳钢连铸中进行半工业试验。l国内近年来也开展了陶瓷过滤器的开发。针对泡沫陶瓷过滤器的材质选择、制造技术等开展了大量研究。已研制成功多孔泡沫陶瓷过滤器，并在高温合金和连铸钢液中试用，取得较好的效

43、果。5.2.1钢液过滤器的要求钢液过滤器的要求l钢液浇铸温度高，过滤器工作条件思劣。另外，钢液浇铸的时间长，生产规模大。钢液过滤器必须满足下列工艺要求。l(1)耐高温、能在1600高温下正常使用，能承受钢液通过过滤器时产生的热应力和机械冲击应力。l(2)浇铸过程中能够抵抗渣的化学侵蚀，尽可能做到与中间包寿命同步。l(3)既要有效地去除夹杂物，完成过滤的任务，又要减少对钢液的阻力，以保证较高的生产率。l(4)保持温度稳定性，避免钢液通过过滤器后温度过度下降，以保证正常生产。l(5)安装使用方便，成本较低。5.2.2过滤器的结构与形式过滤器的结构与形式l目前国内外实际用于钢液的过滤器的结构主要有两

44、大类，即直通孔型和线圈式或泡沫型。l泡沫式过滤器能去除65以上的Al2O3夹杂物，然而其阻力大，容易引起堵塞，这种过滤器只能用于已去除大部分夹杂的较清洁钢液，进一步去除微型夹杂物。l直通孔型过滤器的孔径一般在1050mm，孔径大，对钢液流动阻力小，具有理想的钢液通过速度，因此直通孔型过滤器一般能用于正常生产。l然而也正是由于孔径大，孔隙的迷宫度小，所以其去除夹杂物的能力不如泡沫式过滤器。5.2.3过滤器的材质过滤器的材质l过滤器的材质主要从过滤器的高温性能、成本以及对夹杂物的去除效率来考虑。l目前泡沫陶瓷过滤器应用较多的材料是锆铝质。氧化锆是具有良好的耐高温性和耐化学侵蚀性，但抗热冲击性能不好

45、，添加少量的CaO或MgO可以改进其抗热震性能。l此外氧化锆中添加质量分数为35的氧化铝制成过滤器，具存极好的抗热震性能和耐火度。l氧化钙有很好的抗热器件能，对Al2O3夹杂物有强化学吸收作用、是一种理想的钢液过滤器材料。但氧化钙的缺点是易水化，通常加入氧化铁等稳定剂来提高氧化钙的稳定性。l莫赖石有较高的耐火度和很好的抗热震性，也可用来制造过滤器。5.2.4过滤器的加工与制造过滤器的加工与制造l泡沫型陶瓷过滤器的制造工艺气孔直径在10um以上的采用压缩法制造，对气孔直径在10um下的采用注浆法制造。l压缩法类似于制造泡沫耐火砖，将陶瓷骨料与细粉按一定比例混合，然后同有机粘合剂或无机帖结剂均匀地

46、混合搅拌，经过一定时间的停料和醒料后，置于模内压成(挤压或辊压)一定的形状，然后在一定温度下干燥、烧成。l注浆法的工艺过程类似于一般的制陶瓷的方法，先将陶瓷材料制成料浆，将泡沫塑料做成一定的形状的空腔，然后将陶瓷料浆流入塑料基体间的间隙中，干燥后进行烧成。使塑料烧失成为空洞，同时陶瓷成分烧结。5.2.5过滤器的安装过滤器的安装5.3钢液应用过滤器原理钢液应用过滤器原理5.3.1泡沫陶瓷过滤器过滤原理泡沫陶瓷过滤器过滤原理l对微小夹杂物的吸附作用：介质表面对夹杂物的润湿性能好于钢液，金属液流经泡沫型陶瓷过滤器被分成细小液流，夹杂物与过滤介质的接触面积和接触机会增加，白发脱离钢液的趋势。另外过滤通

47、道存在极微小的凸凹面，利于夹杂物吸附。l滤饼作用：大于过滤器表面孔径的夹杂物沉积在过滤器表面，逐渐形成了一层“滤饼”，使流通孔道进一步变细，可滤掉更细小的夹杂物。l泡沫陶瓷过滤器通道窄小，随着过滤的进行，孔径进一步减小，通道阻力逐渐增大，可能发生堵塞，需要经常更换过滤器或停止浇铸。泡沫过滤器适用于间歇式生产操作。5.3.2 Ca0直通孔过滤器过滤原理l直通孔式过滤器已应用于连铸中间包。一种过滤方式是直接去除夹杂物，即过滤器本身的过滤作用；另一种是间接去除夹杂物，即通过改变钢液流动状况来促使夹杂物碰撞、聚合、上浮。l流动控制作用：直通孔过滤器安装在中间包内的挡墙或隔墙上，在过滤器上游区域，加强了

48、钢液流动的湍动能，促进了夹杂物的碰撞长大；经过过滤器后，钢液流动趋于平稳，减少了液面波动，有利于夹杂物的上浮。l化学反应的作用：钢液通过直通孔式过滤器时，被分成了众多的管流，增大了钢液中的夹杂物与Ca0壁面接触的机会。在孔径中易发生速度梯度碰撞和湍流碰撞。l与CaO壁接触的Al2O3易发生化学反应，生产钙铝酸盐，已经在生产实践中得到证实。过滤器表面上而脱离钢液：图5-2中，在使用后，经取样分析A处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，检测12CaO7 Al2O3。钙铝酸盐的物理化学性能化合物CaO，%Al2O3，%熔点，密度，kgm-33

49、CaOAl2O362381535304012CaO7Al2O3485214552830CaOAl2O3356516052980CaO2Al2O3227817502980CaO6Al2O389218503380Al2O301002020-6 中间包钢液温度控制及加热技术中间包钢液温度控制及加热技术6.1 中间包内钢液温度拴制中间包内钢液温度拴制6.1.1 对中间包内钢液温度的要求对中间包内钢液温度的要求l中间包个钢掖温度是连铸操作制度的核心，是保证连铸坯质量的重要保障。l中间包是储存、分配钢液的最后一个耐火材料容器，中间包流出的钠液温度就是钢的浇铸温度。l中间包钢液温度过低，易造成连铸后期钢液流

50、动性差，钢中夹杂物增多，甚至产生水口堵塞等事故；l钢液温度过高，一方面必然使出钢温度提高，使钢质量变差及耐火材料损耗严重，另一方面限制了连铸机拉速的提高，增加了拉漏危险等。6.1.2中间包温度分布中间包温度分布l在靠近换面处，由于钢液向覆盖剂传热，钢液上表面存在一低温区；同时由于渣面的对外传热和包衬的热传导，导致钢液产生自然对流，在中间包底部形成一低温区域；中间包内中上部钢液则构成了高温区。研究表明：顶部存在低温钢液区；中上部温度均匀，为等温区；底部存在低温区。l从测定结果可知，中间包内上下层钢液温度相差5206.1.3浇铸过程中中间包钢液随时浇铸过程中中间包钢液随时间的变化间的变化l为了保证