钢的浇注与凝固9讲解

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1、中间包冶金 江 西 理 工 大 学 * 1 1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 2 1中间包冶金发展的概况 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。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。 3 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； 在多流连铸机中，起到分配器的作用分流作

2、用； 在多炉连浇中，保证换包时不至于停浇连浇作用。 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。 4 2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 5 1 ）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 6 2） 促进夹杂物去除技术 增大中间包容量

3、 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 7 3 ）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 8 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。 9 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

4、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。 10 2.1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，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。 11 中间包容量对钢水清洁度的影响 12 2.2 中间包采用堰和坝 在中间包中安置堰和坝， 可以有效改变钢液流向，

5、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。 13 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冲 击区内，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，减 少因表面卷渣、二次氧化和机械冲刷所产生的夹杂量 。 14 坝，又称导流坝或下挡墙。横

6、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。 15 2.3 中间包采用导流隔墙及过滤器 导流隔墙是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

7、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。 16 过滤器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 50m 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。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

8、，钢水通过过滤器的 流量小和成本高，在应用上受到限制。 17 导流隔墙和过滤器 18 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。 20 2.4 中间包湍流控制器 湍流控制器位于钢包注流下方。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。湍流控制器的作 用： 1）对钢包注流的冲击起缓冲和限制作用。 2）改善中间包钢水的流动特性

9、，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 。 21 湍流控制器结构 22 湍流控器结构简图 23 2.4 中间包吹氩 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。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

10、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。 24 25 （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 26 加入湍流控制器的双挡墙中间包内的流动状态 27 有气幕隔墙的中间包流体流动状态 28 湍流控制器的钢流控制模型 29 3中间包结构物理模拟方法 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。 要求原型中间包的

11、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。 30 中间包水模试验装置 31 32 水和钢液的物理性能 33 3.4 中间包物理模拟实验方法 3.4.1 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(Residence Time Distribution)，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。 34 35 典

12、型的中间包停留时间分布曲线 36 中间包流体流动的体积可划分为 活塞流体积(plug volume)或分散活塞流体积 (dispersed plug valume)、 死区体积(dead valume) 完全混合流体积(well mixedvolume)。 到目前为止，各体积占包液体体积的分率计 算模型有三种。 37 Kemeny等人最早应用混合流动模型(mixed flow model)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。 38 Ahjua 和 Sahai对混合流动模型提出了质疑。 第一，在中间包流体流动中，示踪剂存在着 轴向的扩散，最小停留时

13、间和峰值时间不相 等，即min max ；第二，用混合流动 模型计算得到的三个体积分率之和不等于 1 ，与这三个体积分率的定义有矛盾。 Ahjua 和 Sahai 提出一个修正混合流动模型来 计算这三个体积分率。 39 Sahai 和 Emi把死区分为两种类型，第一种类 型的死区是在死区中液体是完全滞止的，进 入中间包的流体不能流入这一类型的死区。 第二种类型的死区是死区中的液体流动非常 缓慢，其内的液体一直与活塞流区和完全混 合流区(统称活化区 active volume)有流体 交换，停留时间大于两倍平均停留时间的那 部分流体为死区体积。绝大多数中间包流动 的死区属于第二种类型。 40 死

14、区完全滞止的中间包流动模型 41 死区非滞止的中间包流动模型 42 中间包水口产生旋涡的临界液位 在连铸中，当一个浇次将要结束时，中间包液位 逐渐下降，当液面降到与拉速相对应的临界 高度时，便在中间包水口液面产生旋涡，造 成钢液卷渣和吸气，影响铸坯质量。第一炉 钢水的开浇液位也与中间包产生旋涡的临界 液面密切相关。 43 临界液位与拉速和流量的关系(实型) 44 不同的流量存在一个不同的中间包水口产生旋涡 的临界液面高度。中间包液面高度为 180200mm 时，即使采用较小的流量来 拉坯，也会使中间包水口产生旋涡。要在较 低的中间包液面下浇注而不产生旋涡，需要 用很低的流量进行拉坯。中间包液面

15、较低时 ，若存在小的扰动如从下导流坝底孔有向中 间包水口的流动，也很容易产生旋涡。因此 ，在异钢种连浇时，中间包液面高度不能控 制过低。 45 4中间包吹氩气体净化技术 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 。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 。 46 Stokes 上浮公式仅适用于静止状态或层流状态 （Re2）。如前面所述，中间包内雷诺数 Re1000，故应用于中间包时，应该使用修 正了的 Stokes-Newto

16、n 公式 47 斯托克斯(Stokes)公式 Stokes-Newton 公式 48 (2) 夹杂物的碰撞长大 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。 49 (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。 (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。 50 (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 。 51 夹杂物的上浮去除和中间包内钢液的流动状 态的关系 全混流流体搅动激烈