方坯连铸流场设计说明

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1、 钢坯连铸流场设计概括 钢连铸技术的发展和应用是钢铁冶金生产领域的一次重大技术革命。 对钢铁工业生产工艺的转变、 产品质量的提高和结构的优化发挥了革命性的作用。 该工艺具有投资少、成本低、能耗低、生产周期短、产量高等优点，近年来取得了长足的发展，给钢铁生产工艺带来了重大变革。 随着钢铁技术的飞速发展，钢铁的应用领域不断扩大，对钢铁的性能要求不断提高，钢铁工业结构的优化对产品规格和质量提出了更高的要求。钢坯的质量意义重大，受到研究人员的重视。 连铸过程中合理的流场对防止钢水二次氧化、延长钢水在中间包内的停留时间、促进夹杂物的上浮和去除等具有重要作用。因此，研究分析连铸钢包、中间包、结晶器中钢水的

2、流动规律，保证钢水流动的合理性，具有重要的理论和现实意义。 关键词：连铸；流场；钢包；中间包；模具 目录 引言 1 1 综述文献 2 1.1 钢连铸技术发展2 1.2 连铸技术概述 2 1.2.1 连铸技术发展 2 1.2.2 连铸工艺优势 3 1.2.3 连铸生产正常化所需条件3 1.3 方坯连铸概述 4 2 研究内容与方案6 2.1 研究背景 6 2.2 研究目的 6 2.3 研究内容 6 3 钢包流场研究第6 3.1 钢包在连铸过程中的重要性6 3.2 钢包滑水口 7 3.2.1 钢包滑水口机构的组成7 3.2.2 滑动喷嘴的原理8 3.2.3 滑门机构常见问题8 3.3 排水砂 8 3

3、.3.1 排水砂的工作原理8 3.3.2 排砂对钢包开口率的影响8 3.3.3 排水砂充填状态9 3.4 钢包排渣系统 9 3.4.1 除渣系统概述 9 3.4.2 现有渣检测方法介绍10 3.5 钢包覆盖剂 11 3.5.1 传统钢包包覆保温剂11 3.5.2 新型包覆保温剂11 4 中间包流场研究 12 4.1 中间包概述 12 4.2 中间包冶金技术 13 4.2.1 中间包 15 的作用及冶金功能 13 介绍 钢连铸技术的开发与应用， 是钢铁冶金生产领域继氧气转炉之后的又一次重大技术革命。 对钢铁工业生产工艺的转变、 产品质量的提高和结构的优化发挥了革命性的作用。该工艺具有投资少、成本

4、低、能耗低、生产周期短、产量高等优点，近年来取得了长足的发展，给钢铁生产工艺带来了重大变革。 优质的连铸坯对连铸钢水的洁净度和铸坯质量的要求越来越高。连铸过程中合理的流场对于防止钢水二次氧化、延长钢水在中间包中的停留时间、促进夹杂物的上浮和去除等方面具有重要作用。因此，研究分析连铸钢水的流动规律，保证钢水流动状态的合理性，具有重要的理论和现实意义。 本设计手册对连铸过程中各个环节对流场的影响进行了全面的介绍和阐述。根据。 1 文献综述 1.1 钢连铸技术的发展 本世纪初，中国由钢铁净进口国向净出口国转变，钢铁产量占世界总量的三分之一。随着产能的扩大，大型化、现代化的设备和工艺技术的不断提高，使

5、我国主要大中型钢铁企业的技术水平达到了世界同类钢厂的水平。 由于资源能源的限制，以及环境承载能力的限制，中国钢铁工业的定位是满足国家市场的需求。发展的主要动力是中国工业化、城镇化的不断推进和大型能源交通基础设施的建设。对钢材的数量、品种和质量的要求不断提高。 为贯彻落实科学发展观， 走新型工业化道路， 我国需要建设集优质钢铁生产、能源高效转换和社会垃圾消纳三大基本功能于一体的新一代可回收钢铁工艺。 我国钢铁工业在新钢种的研发和钢质的提高方面也取得了显著成绩， 使高性能汽车用钢、管线钢、模具钢、不锈钢等基本站稳脚跟在国内，有力地支持了中国的装备制造。行业快速发展。 1.2 连铸技术概述 钢连铸技

6、术的开发与应用， 是钢铁冶金生产领域继氧气转炉之后的又一次重大技术革命。对钢铁工业生产工艺的转变、产品质量的提高和结构的优化发挥了革命性的作用。 1.2.1 连铸技术的发展 钢连铸技术发明已有 150 多年的历史，已成为钢水团聚的主要工艺。世界先进主要产钢国的连铸率已达 95%以上。近 20 年来，我国连铸技术发展迅速，在成熟生产技术的应用、 新技术的开发、 基础研究的应用等方面取得了长足的发展。一。与我国钢铁工业在世界上的地位一样，我国是连铸生产大国，但不是连铸技术大国。 我国连铸机种类齐全， 从几毫米钢坯的线材连铸机到 3m 宽度 10 毫米以上的宽厚板连铸机，从立式、立弯、直圆弧、圆弧等

7、都有到卧式连铸机。代表性的主要机型有直圆弧板坯连铸机、弧形坯连铸机、弧形大方坯连铸机和立弯薄板坯连铸机。 近年来， 我国在高效连铸、 薄板坯连铸、 特钢连铸等方面取得了长足的进步。目前，我国连铸机设计开工率在 80%左右，实际开工率通常在 60%90% ，部分连铸机开工率已超过 90% 。板坯连铸机的连铸速度一般为 1 1.8m/min，薄板坯为 4 /min 5.5m， 4ml 钢坯 120mm 为 3 20mm/min ， 1 钢坯为 150mm2 150mm/ 3mmin 。设计产量方面，大板坯或薄板坯连铸机 100 万吨/流，方坯连铸机约 12 万吨/流。部分钢坯（120mm 或 15

8、0mm）连铸机年产量已超过 18 万吨/流。我国连铸生产水平与世界同类指标相当。 近年来，我国引进了多条薄板坯连铸连轧生产线。部分薄板坯连铸机设备技术处于世界先进水平。 在新型连铸技术、高效连铸技术、近净形连铸技术、电磁连铸技术、特殊钢连铸技术、连铸坯凝固控制技术和双辊薄带连铸技术的研发中已开展铸造技术。工作。许多连铸新技术的研究与开发紧跟国际发展步伐。 1.2.2 连铸工艺的优点 钢水释放显热和潜热，在连续状态下逐渐凝固成一定形状的铸坯。在从液体到固体的转变过程中，系统存在动量、传热传质、相变、外力和应力引起的变形。这些过程非常复杂并且经常耦合或相互作用。与压铸-喷花工艺相比，连铸工艺具有以

9、下优点： 1 .简化板坯生产工艺流程，省去压铸工艺的脱模、合模、浸锭、制坯等工序，可节省资金 40%，减少占地面积 30%，运营成本可节省 40%。 %，耐火材料消耗可减少 15% 。 2、金属收率提高。一方面大大减少了坯料的切头尾损失；减少金属损耗，金属收率可提高 9%左右。 3 、生产过程能耗降低，可省去钢锭落料均热炉的燃烧电耗，能耗可降低1/4 1/2 。 4 .生产过程的机械化、自动化水平得到了提高，为提高劳动生产率和企业管理现代化创造了有利条件。 1.2.3 连铸生产正常化所需条件 1 .设备状况良好 连铸机工作在极其恶劣的高温环境中， 板坯质量和生产率水平都受到设备状态的影响。 2

10、 .完善的炼钢工艺 与连铸、压铸相比，对钢水质量（温度、化学成分等）有更严格的要求。 3 .科学的管理方法 现代连铸由多个过程组成。时效性强的生产线强化了生产调度指挥系统。有效的生产组织网络是保证连铸稳定性的基础。 4 .人员素质高 现代连铸机是机械、电力、仪表、自动控制等技术密集型设备。液态的凝固也是一个非常复杂的相变和传热过程。连铸生产和维护职工队伍要做好员工培训和知识更新，提高连铸工人素质是连铸生产的重要条件。 1.3 方坯连铸概述 钢坯连铸机用于长钢产品的生产， 包括各种机械设备制造的性能要求复杂的结构钢，以及产量大、性能要求相对较低的结构钢，如钢筋、钢卷、等。冷拉成高强度钢丝。方坯连

11、铸机种类繁多，差异较大。主要区别在于： 1.断面差异较大，可以从 130mm130mm 到 370mm 480mm； 2 、钢坯连铸拉拔速度存在较大差异。大断面坯的拉拔速度为 0.6 1.2m/min ，而小断面可达 2.5m/min 以上，因此要求型渣性能差异较大； 3 、小断面钢坯连铸时，结晶器液面波动较大，不易稳定。如果结晶器渣选择不当，容易造成铸坯夹渣等缺陷； 4 、小断面钢坯结晶器散热快，液面温度低，容易出现模壁粘渣和熔渣凝固现象，铸坯容易出现起皱、结疤、重接等缺陷； 5 、与板坯连铸相比，钢坯连铸不易产生表面纵向裂纹； 6 、浇注口的种类很多，有侧出孔、底出孔、四孔出水口。有些钢坯

12、不需要浸入式喷嘴，也不能用模渣润滑。 钢坯连铸一般是指截面尺寸为 70 70 160 160mm2的钢坯，或相同面积的其他截面形状的钢坯。目前各国生产的钢坯断面一般在 90 90 160 160 mm2 之间，小于 90 90 mm2 的钢坯拉拔速度快，浇注困难，铸坯质量差，所以目前产量较少。 钢坯连铸具有设备简单、建设投资低、生产率高、生产成本低等优点，因此钢坯连铸发展迅速。用钢坯连铸机生产普通碳素钢棒材、棒材和线材更为经济。近年来，由于小断面铸造方坯钢流保护浇注、电磁搅拌技术和计算机过程控制的发展和应用，方坯连铸机也可以生产合金钢。 当前，世界能源紧缺，燃料不断上涨。钢铁企业也是消耗能源的

13、主要部门。如果采用连铸-落料工艺生产小板坯，能耗非常大；如果采用小钢坯连铸工艺，不仅省去了落料工序，而且实现了火变有用，大大节约了能源。 在与大型钢厂的竞争中，中小型钢厂优先发展钢坯连铸，采用电炉-钢坯连铸连轧工艺。铸造技术的发展。 为了简化操作。为提高钢坯连铸机的开工率，在设备结构上做了很多改进，如采用刚性引锭杆；为节约能源，研究了坯料的热送工艺；为了满足各种品种的要求，开发了小坯料。钢坯、大方坯、圆坯和板坯的连铸机。 钢坯的流水数一般为 1-4 流，每流的流距为 900- 。1200mm 连铸机的流量由炼钢炉的容量、浇注时间、浇注段和提拉速度决定。炉膛容量越大，与浇注的小断面连铸机配套，所

14、需流量越多。 大容量炉坯连铸机有两种方法： 1 、延长浇注时间。例如用 8 流连铸机将 300 吨钢水浇注到 150 150mm的钢坯中，浇注时间约为 140 分钟。为此，要提高出钢温度，钢包和中间问题要做好预热，并尽量减少出钢和浇注之间的温降，以保证所有钢水都能顺利浇注。 2 、另一种方法是增加连铸机的股数，如采用 12 股连铸机。使用 12 连铸机时，如果使用普通连铸机，中间问题过长，操作比较困难。对于这个问题，国外有以下假设： 1）将一袋钢水分成两袋，然后用两台六流小方型铸造机； 2）将一个带有两个水口的大钢包浇注到两个布置在背面的六流小方形连铸机中； 3）采用密连连铸机，将 12 个料

15、流分成 4 组，每组 3 个料流，安装在一个机架内，一组料流的间距为 350mm10 个，相邻两个模具的中心距可变大了。 板坯截面尺寸大于 220 mm220 mm 为大华。由于大方坯连铸机在浇注优质特殊钢和不锈钢时，可以降低连铸速度，减少钢坯的非金属夹杂物和中心气孔，提高钢坯质量，生产能力不降低，可以提高产品质量和经济性。在合理性方面具有一定的优势，从而逐渐取代压铸成为优质特钢的主要铸造工艺。 2 研究内容与计划 2.1 研究背景 随着钢铁技术的发展，对钢材的性能要求不断提高，钢铁行业对产品规格和质量提出了更高的要求。从浇注到钢坯成型，钢水经过钢包、滑水口、中间包、浸入式水口和结晶器，每个环

16、节对钢水的流动和成分都有一定的影响。研究和改进各种中间设备，对提高连铸坯质量具有重要意义。 2.2 研究目的 对连铸钢包、滑动水口、中间包、浸入式水口、结晶器钢水进行优化，保证钢水流动状态的合理性， 防止钢水二次氧化， 延长钢水在中间包内的停留时间。 、促进去除夹杂物上浮、减少钢水中夹杂物、减少铸坯裂纹等具有十分重要的理论和现实意义。 2.3 研究内容 钢水从开包到铸坯成型的基本介绍，包括钢包、滑动水口、中间包、浸入式水口、结晶器以及现在广泛应用的各种新技术，及其工作原理，国外研究现状简要总结，及其分析了不同条件下对钢水流场的影响，改进了各环节设计不合理的问题。 3 、钢包流场研究 3.1 钢

17、包在连铸过程中的重要性 钢包是连铸过程中盛装钢水和开口浇注的主要设备。 其在浇注过程中的钢水流动状态，特别是浇注结束时的钢水流动状态，直接影响钢水的成分。这些因素在钢水浇注过程中会有所不同。压铸改连铸后，再加上炉外精炼技术的应用，钢包不再只是运送和浇注钢水的容器，而是炉外精炼的精炼炉，这必然会延长钢水在钢包中的停留时间， 增加钢包周转过程的运行， 增加了这些因素的变化。 因此，有必要根据实际情况研究钢包内钢水的行为， 找出各种因素对钢包内钢水流动状态的影响，从而确定这些因素的影响。影响钢水流动行为的因素。过程中的管理和调度保证了连铸过程中钢水流场的变化适应浇注过程的工艺需要。 3.2 钢包滑水

18、口 3.2.1 钢包滑动闸门机构的组成 钢包滑水口机构是安装在钢包底部的装置。 1000 度以上的钢水通过它进入中间包或激振器。滑动水口可随时开启和关闭，起到控制钢水温度、调节钢水流量、 保护钢包下设备和操作人员安全的作用。 滑动闸门技术已在世界范围内普及，我国钢包上基本安装了滑动闸门机构13 。 钢包滑动水口主要由耐火材料部分和支撑机构部分两部分组成。如图 1 所示，由座砖、上水口砖、上滑板、下滑板和下水口砖组成。 图 1 滑动喷嘴示意图 为了将上述耐火材料部件固定在钢包底部， 需要一个支撑机构部件来实现安装。安装结构示意图见图 2 46 。 图 2 滑动喷嘴支撑机构示意图 固定架：用于安装

19、滑板，固定在钢包上。 用于安装滑板进行平行位移。 开合架：连接固定架，托起滑动架，施加面压，安装排水砖。 出水口顶座：托起出水口砖，将出水口砖与下滑板压紧。 隔热罩、防溅板：防止钢水飞溅和热辐射。 传动机构：连杆和传动臂，将油缸的垂直动力转化为水平动力，推动下滑板运动。 冷却机构：由风冷管道组成。通过冷空气降低机构温度，并冷却弹簧以防止变形。 驱动机构：由电动缸或油缸组成。 3.2.2 滑动喷嘴的原理 钢包滑水口机构是用两块耐火材料制成的平板安装在钢包底部的金属壳外面（上面的叫上滑板，下面的叫下滑板） 。两个滑板被机械力压缩。到几乎没有缝隙的地步。通过外力驱动下滑板移动，使上下滑板平行位移。由

20、于上下滑板有相同尺寸的浇注孔， 而上滑板的浇注孔与上水口相连， 因此直接与钢包钢水相连。 ，下滑板的浇注孔与出水口相连。当上下浇注孔在运动过程中重合时，钢包中的钢水可以通过上水口、上滑板、下滑板和下水口流出，进行浇注作业。当上下滑板的浇注孔错开时，浇注孔关闭，浇注作业停止。由于滑板的运动与水口相连，整个机构安装在钢包底部，故称为钢包滑动水口机构78 。 3.2.3 滑门机构常见问题 钢包滑水口机构是钢包系统的重要组成部分，是将钢包中的高温钢水安全、稳定、可靠地注入中间包的关键设备。但是，这种机制在实际使用中也存在很多问题，可以归纳为以下几点919 ： 1 .支撑机构装置的原因。主要表现为机构加

21、工精度差，使滑动面上的表面压力分布不均匀；使用的弹簧元件耐高温性差，使用寿命短；驱动装置故障。 2 .耐火材料。主要表现为座砖耐高温强度低，上水口砖热稳定性差，钢水容易渗入缝隙造成漏钢；滑板砖不耐钢水冲刷。 “马蹄形熔损”下水道砖在使用过程中受热应力的影响，容易出现裂纹甚至断裂。 3 .操作原因。主要表现在钢包不能自动浇注时，采用氧煮浇注烧坏滑板滑动面；滑板滑动面有未清理干净的钢渣，导致两滑板之间有间隙。 3.3 排水砂 滑水口排水材料是一种不定形的耐火材料， 填充在滑水口的上水口和上滑板的钢孔中。浇注时可使钢包钢水顺流而下。 3.3.1 排水砂的工作原理 钢包钢水自动浇注是指盛有钢水的钢包打

22、开滑板后，钢水自动流出钢包，顺利倒入中间包。浇注原理是：钢水与排水砂接触时，高温钢水会使上层排水砂形成一层薄薄的烧结层。当滑板打开时，烧结层下的排水砂在重力作用下会顺着上水口、滑板和下水口流动。流出，使烧结层形成空壳；钢水的静压压碎形成空壳的烧结层，使钢水自动从水口流出。 3.3.2 排砂对钢包开口率的影响 排水砂的质量是影响开孔率的主要因素之一。就排水砂本身而言，无法自动开始浇注的主要原因如下： 1 .排水砂烧结层太厚，钢水静水压力冲不走； 2 .钢水浸入排水砂的颗粒中并凝固； 3 .排水砂的颗粒有棱角，或受热膨胀过大，导致流动性差。 为此，要求排水砂满足以下条件： 1 .没有过度烧结； 2

23、 .良好的抗钢水渗透性； 3 .流动性好。 3.3.3 排水砂充填状态 填料的充填状态包括填料的量、浇包滑水口处填料的形状等。在生产中，如果填料状态不好，容易堵塞钢包滑动水口，降低自然浇注速度。 当填充料填充量不足时， 填充料无法填充滑动水口，钢水进入水口冷区凝固堵塞；当加入足够的填料时，可以防止钢水进入水口，减少堵塞程度，有利于提高自然开口率。 在现场， 填充材料的填充通常是手动进行的。由于工作条件恶劣，在装载填料时，会出现如图 3 所示的三种堆垛状态。对于 b 和 e 两种堆积状态，填料被钢水冲刷后，钢水容易进入钢包滑水口凝固，造成滑水口堵塞，不能自然浇注。生产试验表明，当滑水 Iq 完全

24、充满时（如图 a 所示） ，滑水 1 : 3 的堵塞减少，自然开启率明显提高。 图 3 滑动喷嘴填料的堆积状态 3.4 钢包渣系统 3.4.1 除渣系统概述 在连铸中，钢水从钢包出口流向中间包，然后从中间包出口进入结晶器。如果钢包渣流入中间包，会导致钢渣堆积，使连铸无法正常进行；中间包的钢渣进入结晶器，会降低板坯的清洁度，甚至造成泄漏事故。 由于连铸生产的重要性， 从连铸钢包到中间包的夹渣检测技术成为当前研究的重点。在连铸过程中，从钢包进入中间包的炉渣量对连铸操作和最终产品的质量有着至关重要的影响。 随钢流进入中间包的钢包钢渣量会导致中间包渣层厚度不断增加。中间包渣过多不仅会降低钢坯表面清洁度

25、，还会加速中间包耐火材料的腐蚀。同时，中间包中渣壳的重量也会同时增加，从而影响连铸。因此，要想生产出高质量的连铸坯， 最根本的一点就是要把从钢包进入中间包的渣量减少到合理的最小值。 为了准确确定钢水浇注过程中钢包的浇注终点，国家一般采用以下两种方法： 1 .目测20 一般钢包倒入中间包时，为防止钢水二次氧化，采用长水口（保护套）保护钢流。为了确定钢包的浇注终点，唯一的办法就是改变钢包重量。钢包内衬的重量因侵蚀而不断变化， 转炉出钢中的渣量因炉而异。 这些因素影响浇注终点判断的准确性。长护罩必须提前拆除，铸件的终点通过人工目测确定。在此期间，钢水将被严重氧化两次。同时，连铸机通过钢水的颜色特征来

26、区分钢和钢渣。由于出钢时浓烟和强光，很难找到钢渣。因此，取下长罩后，用肉眼观察熔渣时，熔渣量往往很大。甚至当料流变成满渣时，也可以区分是否混入渣，然后关闭滑动喷嘴。此时有大量钢渣。进入中间包，为避免出现大量钢渣进入中间包的情况，操作人员不得不提前关闭水口，特别是对质量要求严格的钢种，会造成残留钢量过多。钢包增加和减少钢水。产量，从而降低经济效益。从操作人员的劳动保护角度看，长期用肉眼观察带渣钢水会导致视力下降。 2 .按重量分析21 这种方法是通过安装在钢包上的称重设备实时监测钢包的重量。浇注时，根据钢包重量的变化，检查炉渣是否已经沉积在一边。由于钢水与渣的比重差异较大，钢包重量变化率变化时即

27、可判断出渣。但这种方法对称重设备的精度要求较高，而且内衬的重量会因冲刷不断变化，而且每次钢包出钢量也不一样，而且喷嘴的变化等因素都会影响准确度。渣的判断，所以这种方法很少使用，只能作为肉眼观察法的辅助手段。 为了解决目前国内渣检测中的这些问题，需要钢渣自动检测技术。 3.4.2 现有渣检测方法介绍 1 .红外技术实现钢渣检测22 该方法基于非接触式熔渣检测系统的概念：其核心部件是一个摄像头，用于捕获红外波长范围内的辐射能。由于钢水和炉渣具有不同的辐射特性，因此可以通过在许多红外波长范围内发射的辐射密度来区分钢水和炉渣。 这种方法的优点是系统可靠，能准确反映炉渣含量。缺点是检测时无法阻挡钢流。如

28、果用于钢包到中间包的夹渣检测，则必须去掉长水口，这样会引起钢水的二次氧化，所以一般不用于钢包夹渣。在检测中，主要用于转炉下渣的检测。 2 .电磁检测方法22 检测系统的关键部件是传感器，传感器的安装位置如图 4 所示。传感器嵌入钢包底部喷嘴同心位置的下砖中。 图 4 传感器安装位置示意图 这种方法的优点是系统可靠，可以反映钢流中混入的渣量。缺点是传感器工作环境恶劣，需要经常更换，制造和使用成本高。 3 .超声波检测方法23 超声波检测法的原理是利用有渣时和无渣时超声波信号与反射信号的差异来实现对钢渣的检测。钢渣中超声波检测有两种选择。 第一种是使用浸入式超声波探头。如图5 所示。 图 5 浸没

29、式超声波探伤原理示意图 浸入式超声波探头由压电晶体、 低碳钢波导和安装在石墨支撑框架上的反射器组成。钢水和炉渣可以通过这个反射器。超声波由超声波脉冲发生器发出，超声波遇到底壁会被反射回来。反射信号被接收探头接收，放大并转换成电信号，然后显示在示波器上。 这种方法的优点是对铸造过程没有影响。 但是，只有在关键残渣流到中间包后才能检测到。这样，当检测到熔渣时，就会有一定的熔渣量。而且超声波探头的工作温度较高 1500，使用该系统的成本也比较高。中间包结晶器渣层的存在也会给钢渣的检测带来问题。 第二种方法是将超声波探头安装在钢包侧壁上。 这种方法的优点是可以在熔渣流入中间包之前检测到熔渣。但钢包需要

30、改造，超声波探头的工作环境也比较恶劣，工作温度高达 700 800，制造和使用成本高。 3.5 钢包覆盖剂 合适的钢水温度是保证钢水顺利浇铸成合格钢锭的必要条件。 为了防止钢包钢水直接暴露在空气中，造成浇注过程中钢水温度下降过快，必须在钢包表面加入一定量的钢水保温剂。转炉出钢后的钢水保温。保温剂的保温效果有好有坏。质量影响更大。 3.5.1 传统钢包包覆保温 传统的覆盖保温剂采用炭化稻壳。具有容量小、热容小、熔点高、不易腐蚀耐火材料等特点。但也存在炭化稻壳铺展性差、保温效果不理想等缺点。 3.5.2 新型钢包包覆绝缘剂 由于炭化稻壳在保温性能方面存在一定缺陷，已不能满足炼钢工艺要求，因此开发新

31、型钢水覆盖剂势在必行。在新型钢包包覆剂的研制中，针对炭化稻壳性能的主要缺陷，主要从以下几个方面改进成分设计： 1 .提高覆盖剂的铺展性。方法是加入一定量的膨胀蛭石和膨胀石墨。膨胀蛭石和膨胀石墨均具有较高的膨胀能力， 使包覆剂放入钢包后迅速铺展， 使包覆剂有效地覆盖钢水表面。 同时， 这种膨胀作用还可以在钢水表面的渣层中形成隔离层，可以有效降低钢水向外的热传导速度，起到隔热的作用。 2 .增加覆盖剂的热值。方法是在包覆剂中加入适量的发热剂，利用发热剂化学反应产生的热量来弥补钢包钢水的热量损失。 在放热剂的选择上，我们考虑了两种选择：一种是添加铝粉，另一种是使用焦炭粉和煤粉。 3 .确保覆盖剂具有

32、合适的成渣性能。覆盖剂的成渣性能包括合适的成渣速度和成渣温度。包覆剂加入钢包后，最理想的是形成三层结构：原始层、烧结层和液态层。这就要求覆盖剂加入钢包后必须有一定的成渣速度，使部分熔渣与高温钢水接触后形成一定的渣层，铺展在钢水表面，覆盖在钢水表面。 4 中间包流场研究 4.1 中间包概述 图 6 ，在连铸过程中，中间包是连接连铸机钢包和结晶器的中间装置。钢水先从钢包内注入中间包， 然后通过中间包水口分布到下模， 钢水在下模冷却至固态，拉出切割成成品的连铸坯。除了更换钢包的时间很短外，中间包的液位保持不变，钢水的静压恒定，因此中间包可以连续、均匀地向结晶器供应钢水。 图 6 连铸工艺流程图 4.

33、2 中间包冶金技术 4.2.1 中间包的作用和冶金功能 随着对钢质的要求越来越严格，随着钢包冶金的成功，人们不能再把中间包作为一个简单的容器， 而是力求进一步去除中间包中的夹杂物， 防止钢水再污染。为此，提出了中间包冶金的概念。一般来说，作为冶金精炼反应器，中间包应具备以下功能25 ： 1 .消除钢水二次污染，防止钢水二次氧化，防止耐火材料侵蚀和钢包涡流夹渣。 7 对连铸过程中夹杂物的可能来源进行了更全面的分析。这些来源是： 1）钢包喷嘴处的涡流夹带渣； 2）从钢包到中间包注入流的空气氧化； 3）注入流量影响中间包液位引起夹渣； 4）中间包耐火材料的侵蚀； 5）中间包喷嘴吸入空气； 6）浸入式

34、喷嘴的结节脱落，形成大颗粒夹杂物； 7)保护渣卷入钢中。 图 7 连铸项目夹杂物来源 2 .钢水在中间包流动过程中，进一步去除钢中的夹杂物，即尽量延长钢水的平均停留时间，改善流动状态，防止击穿流动，减少死区。 3 .熔渣监测系统、液位控制系统、加热设备、合金微调、夹杂物形状控制等相关技术的开发。为实现上述功能，开发了多项中间包冶金技术。 通过上述冶金功能的实现， 进一步净化了进入结晶器的钢水的洁净度。 为此，冶金学家提出了将中间包作为连续精炼冶金反应器的想法。与钢包精炼技术一样，中间包已成为钢铁生产过程中独立的冶金反应器。 4.2.2中间包冶金技术现状 目前使用的主要中间包冶金技术有： 1 .

35、增加中间包容量。增加中间包容量，使钢水在中间包中的停留时间更长，有利于夹杂物充分上浮。使用大容量中间包还可以提高连铸时钢的清洁度，使其在更换中间包时保持稳定状态，无需降低提速而不夹渣。 2 .避免中间包水口堵塞，改进水口技术。改进中间包覆盖剂和水口材料，避免浇注过程中中间包水口堵塞； 采用回转管阀浇注， 使中间包钢水位降低到较低水平，不损害铸坯质量，提高钢水收得率。 3 .中间包流量控制装置。堰、坝、导流隔板、过滤器和湍流控制器与它们结合用于控制中间包中钢水的流动。最大限度地减少湍流的扰动，减少死区，增加钢位平均停留时间，有利于夹杂物的去除，提高钢水的清洁度。 4 .中间包补料技术研究。中间包

36、钢水喂钙丝是为了去除夹杂物并使夹杂物变性， 中间包钢水喂合金丝主要是调整钢水成分。 送丝技术为中间包冶金提供了更多机会。 5 .中间包加热技术研究。为了消除更换钢包时中间包内钢水的密度差异，中间包加热技术应运而生。 6 .中间包吹气技术。吹入的气体一般为 Ar 。 Ar 的搅拌促进了夹杂物的上浮。采用中间包吹氩技术，夹杂物含量降低 25% 。 7 .离心流中间包的应用。离心流中间包利用旋转钢水产生的离心力促进夹杂物分离，抑制钢水短路流动，促进大夹杂物上浮。 4.2.3 中间包冶金技术对高效连铸的要求 与常规连铸技术相比， 高效连铸技术具有较高的浇注速度、 较高的连铸机开工率、较高的连铸率、较高

37、的质量水平和较高的钢坯温度。其核心是高拉速，目的是提高连铸机及整个配套过程的生产效率和板坯质量。 高效连铸技术对钢水的浇注温度、清洁度和流动稳定性有严格的要求，因此需要通过数学模拟和物理方法对中间包内钢水的流动特性和温度分布进行深入研究。模拟。应用中间包冶金技术，优化中间包结构参数，获得良好的流型和流动特性。 1 .连铸高效改造应采用大容量、长寿命、深中间包，通过流动模型模拟计算优化设计中间包。 2 .通过流量控制和过滤设备（包括坝、堰、导流板和过滤器）的优化组合应用，可以有效控制钢水的流动方向、流动方式和停留时间，更有利于夹杂物的分离和过滤. . 3 .钢水的成分和温度可以通过螺旋加料技术等

38、多种精炼方法进行精确调节。 4 .采用等离子中间包加热技术，加入既能起到保温作用又能微调部件的覆盖剂，实现多炉连铸和低过热度高速铸造。 5 .中间包热周转技术可以减少热损失，稳定浇注温度，有利于高效连铸的推进。 6 .中间包内衬材料的改进可以大大提高中间包的使用寿命。 4.3 中间包各种因素对钢水流场的影响 4.3.1 中间包形状和射流对多流连铸的影响 润生等人。 26通过水模型的正交实验对带加热功能的四流中间包进行了优化设计，发现当来流稍微偏离对称轴时，会引起非常敏感的钢水偏差。 S.Joo用数学模型研究了中间包壁倾角对浇注的影响，认为壁倾角大不利于温度均匀，但有利于夹杂物的上浮；何有多等人

39、利用数学模型研究了不同倾角的中间包流场，认为斜壁增加了钢水的最短停留时间，但倾角对流态影响不大。 采用各种形状的中间包， 以满足多流浇注的要求。 常见的中间包线有B型27 、 V 型、 T 型、 C 型、 H 型等（图 8） 。其中， H 型中间包不仅可以使钢水在中间包内顺畅流动，而且可以延长钢水的停留时间，尤其是在更换钢包时，可以大大减少钢水液位的波动和夹渣现象，显着加强中间包的冶金效果。 图 8 中间包结构 4.3.2 中间包容量对流场的影响 增加中间包容量可以使钢水在中间包内有更长的停留时间，以利于夹杂物的上浮，提高钢水的清洁度。此外，较深的熔池表面流速较小， 减少了液位的波动，也有利于

40、减轻二次氧化。文献研究了中间包容量对钢水清洁度的影响，认为大容量中间包是中间包冶金发展的趋势。 中间包下防渣技术的应用是将中间包底部靠近水口的地方部分降低， 使临界高度的一部分甚至全部隐藏在下部，避免来自下部的涡流，从而减少夹渣，改善钢水。产量的双重目的。如图 9 所示。 图 9 多级中间包示意图 4.3.3 流量控制装置对流场的影响 中间包内设置流量控制装置的目的是为了改善原中间包内钢水的流动， 使中间包内的钢水尽可能按照我们需要的方式流动， 最终达到我们期望的中间包中的冶金。图 10 。 随着中间包冶金技术的不断进步， 各种流量控制装置相继开发出来。最初使用挡土墙和水坝，后来发展成多孔挡板

41、、多孔过滤器和开槽坝、冲击杯和湍流抑制器。 它们单独或组合使用会对中间包流场带来不同的影响。正确安装流量控制装置会延长钢水在中间包内的停留时间，促进夹杂物上浮，使中间包温度均匀。 上挡墙、下挡墙、导流板、过滤器和湍流控制器，与它们结合使用，是现代中间包中使用的流量控制装置。 图 10 中间包流量控制装置示意图 1 .上、下挡土墙 挡土墙和水坝经常结合使用。挡土墙在很大程度上起到了控制湍流区的作用，它将冲击区和浇注区分隔开来， 形成一个相对独立的浇注区和浇注区。 挡土墙安装在中间包上部， 钢水从中间包下部流出。 对于所有宽度的中间包， 仅不同尺寸的挡渣墙就会产生短路流动。 加挡坝后， 钢水被向上

42、推， 钢水从坝上部流出，可以消除短路流动， 所以挡渣墙和挡渣坝通常是一起使用的。 当挡墙、坝靠近中间包钢水进口时， 增加了中间包表面的直流流量， 有利于夹杂物的上浮； 靠近中间包水口时， 钢水在中间包内的最短停留时间有所增加，但夹杂物的上浮性变差。 下挡墙可以改变钢水的流动方式， 消除钢水的短路流动， 促进钢水向地表流动，但下挡墙的位置对钢水的流动特性影响不大。 钢水，而上挡土墙的位置没有影响。 比较下挡墙或下挡墙与上挡墙且无流量控制装置的钢水在中间包中的最短停留时间。结果表明，安装流量控制装置后，最小停留时间增加，钢水在较宽中间包内的最小停留时间随着下挡墙高度的变化而变化，但下挡墙高度墙只限

43、于一定的周围（0.25 H0.75 H）才有意义。如果下挡土墙的高度超过上限，则会缩短最短停留时间。式中H为中间包熔池深度。 图 11 无控流装置的中间包钢水流型 图 12 加装下挡墙后中间包钢水流态 2 .导流板 导流板由若干个大小不同、倾角不同的孔设置在完全上下隔开的耐火材料上。 钢水按要求的方向流过孔， 通过挡板后的流速和方向由孔的大小和方向决定。 实践表明， 在六流中间包中使用不对称瓷导流挡板后， 与不带控流装置的中间包的冶金效果相比，外水口处钢水温差减小7，拉丝现象发生泄漏。率降低40 %以上，拉丝率提高8% ，无堵嘴现象。 ML Loury等人。在 Armco Kansas Ste

44、el Plant的六流 T 型中间包上进行了水和数值模拟实验。实验中间包有两种形式。一是设置上下挡墙，二是在原有基础上加设多孔导流挡板。实验表明，流向各水口的钢水在有导流挡板的中间包内更加均匀，从侧水口流出的钢水平均停留时间比前者长 35% ，但对于钢水从外喷嘴流出。也就是说，平均停留时间略短。 3 .筛选 有研究人员认为， 安装在中间包中的过滤装置的过滤效果主要体现在钢水过滤后总氧含量的降低，钢中夹杂物数量的减少，钢水质量的提高。轧材，减少操作事故，特别是喷嘴。堵塞现象明显改善。 4 .湍流控制器 这种流量控制装置的名称在各个钢厂并不完全相同。有些被称为湍流抑制器、冲击杯或抗湍流冲击板。 2

45、所示。大钢包注水引起的强烈湍流对浇注区流场影响很大。 造成表层渣层波动， 引起夹渣。 强烈的冲击会缩短中间包耐火材料的寿命，形成短路流和涡流，抑制夹杂物。事物的兴起。在中间包注入口正下方设置一个缓冲器可以抑制湍流并减轻注入流的影响。 湍流控制器可以改变中间包内钢水的流动，减少中间包注入区的表面湍流，减少出口回流的产生。 当来自钢包的高能钢流撞击防湍流垫时， 钢流又转回向上。其主要功能： 1 ）减少浇包时的飞溅。 2 ）稳定的运行状态。在稳定的浇注条件下，使用防湍流垫可消除钢包长水口周围的液体表面湍流。 3 ）有利于中间包低液位运行。 4 ）防湍流垫长期使用时， 90%的情况下不需要拆渣壳。 5

46、 ）减少永久衬里的损坏。防湍流垫对中间包永久衬里没有特别的影响，但损失分布更均匀，而过去主要集中在隔墙之间。 一般平面型 回流型 圆柱型 图 13 各种形状的防湍流装置 舒国、朱淼勇以薄板坯连铸中间包为研究对象，通过测量钢水停留时间分布（RTD）曲线，研究了不同组合流量控制装置对中间包流体流动特性的影响。结果表明，结构和尺寸合理的湍流抑制器可以延长喷嘴的响应时间和平均停留时间，增加活塞流面积的体积分数， 降低死区的体积分数， 防止夹渣浇注区中间包不受钢水和钢水的卷入。 二次氧化； 流量控制装置与结构和尺寸合适的湍流抑制器与单坝相结合， 对流体的流动控制极为有效， 无顶边的湍流抑制器与单坝相结合

47、是最好的。考虑到实际的转换操作，图14 所示的解决方案是理想的。 图 14 湍流抑制器加单坝控流装置 4.4 中间包常见问题及改进措施 4.4.1 中间包的问题 目前我国使用的中间包存在很多问题，尤其是钢坯连铸机使用的中间包。会给铸坯质量和工艺操作带来很大的危害。许多中间包不仅不能净化钢水，提高产品质量，反而污染钢水，降低产品质量。如果不改造这些中间包，即使转炉提供优质钢水，也无法浇注好板坯。 1 .中间包空腔形状不合理，见图 15 。 1）由于型腔形状不合理，导致中间包钢水流动不合理，停留时间短，达不到净化钢水的效果。 2）大袋射入中间包的落点与中间包喷嘴的距离短，或各喷嘴的距离相差太大；大

48、袋落点体积过小，造成钢渣混入严重，内衬侵蚀严重，影响中包寿命，污染钢水。 图 15 中间包示意图 2 .中间包容量小，熔池深度浅，不适合高速连铸机。 1）钢水在中间包内停留时间短，钢水净化去除夹杂物困难； 2)换包时难以保持恒速浇注； 3）浇注时中间包渣搅动严重，夹杂物难以上浮，容易进入模具，尤其是换包时。 3 .中间包水口位置设计不当，特别是两侧水口距离两侧太近，容易造成两侧水口浇注不良。 4 .中间包水口控制装置过细且不可靠，难以准确控制钢水流量，难以稳定结晶器液位，经常造成失控事故。 5 .中间包的大变形使多流水口难以对中。 6 .中间包提升装置效果不佳，大部分不能提升和降低，给连铸工艺

49、带来困难，造成铸坯缺陷较多。 7 .中间包底部到模具上口的距离选择不当。大部分距离太高，给水口定心带来困难，也使水口过长，增加了每吨钢水水口耐火材料的消耗。 4.4.2 中间包改进措施 中间包改进的一些建议： 上述中间包在低拉速条件下勉强可用， 不满足当今高拉速连铸的要求。 现代中间包应适应高拉速恒速浇注和强钢通过中间包的条件，对中间包进行剧烈搅拌，起到净化钢水、去除夹杂物的作用。 1 .中间包结构整体形式的改进 传统中间包为T 形或矩形： T 型中间包主要用于小容量熔炼炉，浇注流量较少的情况。由于中间包呈 T形，大包到最近的水口的距离增加了， 中间包内的钢水也增加了。 停留时间增加了夹杂物上

50、浮的机会。缺点是中间包四个角的死区大。因此， T 形中间包很少用于连铸。 矩形中间包到达中间包四个角的速度快， 避免了 T 形中间包只能应用于小容量熔炼炉的不足， 同时也给中间包带来了一部分喷射流量。 中间包底部直接进入进水口。 ，所谓通流的缺陷，以及注入流引起的高速湍流，也可能将夹杂物和熔渣直接带入近水口。 为改善压铸机中间包四个角处的大死区和多流中间包钢流到达两侧时的大温度损失，容易造成喷嘴堵塞。很多厂家都采用了矩形中间包的改进形式。 .改进后的矩形中间包两端截面积更小， 有利于提高两端钢流速度， 减少死区面积和温度损失。 2 .连铸中间包结构的改进 1）加挡渣墙和低坝 在中间包内设置挡渣

51、墙和低坝的方法可以改善流场，提高夹杂物的去除效率。这种结构的中间包可分为混流区和活塞流区两个区域。正是采用这种结构，通过调整挡渣墙和低坝的参数， 可以整体控制中间包钢水的流场。 只有采用更合适的流场，才能最大程度地去除夹杂物。 2）在中间包底部吹入惰性气体 对钢水吹惰性气体以改善夹杂物的上浮已被广泛应用于钢包处理，并取得了很好的效果，成为钢包处理必不可少的手段。 3）更直接的去除钢水中夹杂物的方法钢水过滤技术 1980 年代以来，利用中间包过滤高温合金和部分铸铁中的钢水的技术取得了长足的进步。 过滤技术在钢铁生产中受到限制的主要原因是钢水的高温和高消耗。 5 、结晶器流场研究 5.1 结晶器概

52、述 结晶器是连铸机的心脏。 模具冶金是去除夹杂物和提高钢材质量的最后机会。结晶器内的钢水流场对夹杂物的去除过程影响很大。同时，结晶器流场直接影响钢水的温度场分布，进而决定板坯的表面质量和显微组织。 .因此，深入了解和控制结晶器内钢水的流动行为是提高连铸板坯质量的关键。 结晶器的尺寸不仅决定了板坯的截面形状和壳的厚度， 而且统计表明近80%的表面缺陷来源于结晶器28 。 连铸结晶器应具备以下五项性能： 1 、良好的导热性，使钢水在结晶器内迅速凝固成足够厚度的初生壳； 2 、结构刚性好，力求简洁，易于制造、拆卸，易于调整和维护； 3 、更好的耐磨性和更长的寿命； 4 、在保证刚性的前提下，质量要小

53、； 5 、足够高的强度和硬度。 根据截面壁在拉拔方向的直线形状， 模具可分为直模和弧形模；根据板坯的横截面形状，模具可分为方坯、板坯、矩形坯、圆坯。线截面结晶器；结晶器按结构形式还可分为整体式、套筒式和组合式三种。 模具的振动实际上起到强制脱模的作用， 其目的是防止初壳与模具的结合处被拉开。振动具有以下优点： 1 、防止钢水粘在模壁上； 2 、改善润滑条件，减少摩擦； 3 、发生粘连时强制脱模； 4.拉壳时，裂纹愈合。 5.2 结晶器浸入式喷嘴 浸入式水口（简称 SEN）是钢水从中间包流入结晶器的通道。所谓浸入式水口，就是将水口浸入模具钢水表面下进行浇注，以防止钢水二次氧化的管道。 SEN 除

54、了具有保护钢流和防止钢水二次氧化的作用外，还可以改变注液流在模具中的流动状态， 防止注液流冲刷凝固层而引起断钢和裂纹。 ，并减少喷射流的冲击深度。 它促进了结晶器内夹杂物的上浮， 分散了射流带来的热量，有利于壳的均匀生长。因此，优化 SEN 设计，改善模具的流场和温度场，成为当前冶金领域的研究热点之一。 SEN 应用广泛：单孔直筒型、双面孔型和箱型，如图 16 所示。单孔直式水口一般只用于截面较小的钢坯。板坯铸造常用双面孔 SEN 。多孔水口也用于矩形钢坯或大方坯的铸造。 薄板坯铸造经常使用箱形水口。 在铸造各种断面类型的钢坯时， 由于水口结构不同， 钢水在结晶器内的流动状态和冲击深度也不同。

55、 图 16 浸入式喷嘴的基本类型 5.3 结晶器钢水流场影响因素 5.3.1 浸没式喷嘴结构参数对流场的影响 适当的浸入式水口结构是改善钢水在结晶器内的流动状态、 降低注射流冲击深度、促进结晶器内形成均匀壳、促进夹杂物上浮的重要手段。对于典型的双孔浸入式水口，其主要结构参数有：浸入式水口直径、出口面积、侧孔倾角和水口底部结构等29 。 1 .浸水直径对结晶器流场的影响 流束没有完全填满整个出口段，射流倾角不等于喷嘴出口倾角，而是比喷嘴侧孔倾角更向下。浸入式喷嘴的直径是影响喷嘴填充率和射流角度的主要因素。 采用 1/3 水模型，在满足最大拉速水流的条件下，设计了三个直径分别为18mm、 19mm

56、、 、 的浸入式喷嘴，进行了水模型试验。22mm 冲击深度减小，液位波动减小。 在相同条件下，大口径喷嘴射流出口后的喷射角大于小口径喷嘴。在相同喷嘴长度下，小口径喷嘴喷出的射流速度明显高于大口径喷嘴，但如果浸入式喷嘴两侧孔的总面积小于十字喷嘴的截面积，流将在出口处被压缩。 ，浸没式喷嘴的截面积对出口流平均流速的影响不明显。当喷嘴侧孔高度为 时，截面积不同的两个喷嘴的出流平均流速相同。95mm 2 .浸入式喷嘴出口面积对液位波动的影响 和 50mm 的四孔浸没式喷嘴进行 40mm 了研究，结果表明，在相同吹气量下，随着侧孔面积的增加， 液位波动增大。 侧孔的有效利用率随着喷嘴侧孔总面积与喷嘴截面

57、积之比的增大而降低。 浸入式水口相同截面积下， 随着侧孔面积的增加，侧孔的流量增加。平均速度下降。 喷嘴的截面积和侧孔的总面积是相关因素。 如果浸入式水口截面积大， 会在水口顶部形成压力差，造成局部滞流，导致模具钢水回流到水口出口上部。射流向下倾角随着出口面积的增加而增大， 射流出口的平均速度随着侧孔面积的增加而减小。 浸入式水口侧孔的大小与结晶器的流动对称， 孔的直径太大， 水口两侧的钢水流出容易失去平衡。 减小侧孔直径将减小流场的不对称性。 因为减小侧孔直径会增加钢流出侧孔的阻力，从而导致水口静压头增大，迫使两侧钢流平衡。但孔径过小，钢流冲击深度增大，不利于夹杂物的去除。 3 .潜水口结构

58、对流场的影响 在设计喷嘴时， 应考虑喷嘴壁的形状和喷嘴的底部。不同的形状会对钢水的流出状态产生不同的影响30 。 浸入式水口的底部形状大致可分为平底、凹底、凸底三种，如图 17 所示。研究表明， 采用凸底的喷嘴在水流从喷嘴上部向下冲到喷嘴底部后，被喷嘴底部的尖端直接分成两部分， 从而使水流的冲击速度大大降低。 在模具的向下方向变大。 ，流的影响加深。同时，水口出水孔上部容易倒吸，水口外壁钢水液位波动较大。 采用凹底喷管时， 水流在坑内缓冲， 上行流与下行流混合后流出出水孔，从而降低流流向下冲击速度流出后，即冲击深度减小。小的。同时，热中心向上移动，有利于结晶器渣的熔化和结晶器下部凝固壳的生长。

59、 图 17 喷嘴底部形状 A 平底结构 B 凹底结构 C 凸底结构 喷嘴壁结构的改进分为两个方面： 一种是在喷嘴壁上安装导流板，使出水后的水流在结晶器内旋转，起到电磁搅拌的作用。一种“ X”型浸入式水口，带有两个半椭圆形导板，其螺旋导槽具有导流作用，使模具钢水旋转，涡流区钢水转速高，有利于夹杂物、气泡聚集和上浮，弱搅拌区转速低，有利于凝聚壳的形成。采用“ X ”型浸入式水口铸造的生产实践表明，板坯中冷硬等轴晶、柱状晶、芯等轴晶和旋转流线非常明显，没有中心缩孔，板坯质量可以改善 显着改善。与电磁搅拌相比，无能耗，投资小，提高板坯质量效果明显。 二是在喷嘴壁上设置台阶， 以限制因漂移现象引起的喷嘴

60、出口附近发生吸风现象（甚至夹渣） ，如图 18 所示。喷嘴的漂移一般是由于滑板的流量控制或塞杆的错位造成的。 设定的台阶可以使浸入式水口各出口的流量均匀， 保证结晶器流量的对称性和稳定性。 台阶的厚度、 长度和放置位置是影响这种阶梯式喷头使用效果的关键因素。 图 18 阶梯式喷嘴示意图 4 .浸入式喷嘴出口形状31 流道出水孔的形状主要有四种：长方形、正方形、圆形和跑道。研究表明，在介质孔径和孔面积比相同的情况下， 钢水流出两种孔的平均速度与方孔和圆孔基本相似， 但平均速度来自圆孔的钢水是类似的。 流出的钢水扩散角大于从方形出口流出的钢水扩散角。因此，从前者流出的钢水速度下降较快，坯壳的冲刷相

61、对较弱。 有人研究过跑道形出口孔和圆形出口孔的情况。 当孔面积比 S 太小时， 滚道形孔的顶部会被吸回， 导致钢水不规则地流动。 使用圆形出口孔时不会出现这种现象。考虑到钢坯使用的多孔 SEN 的特点，在一定的出口面积比例的前提下，圆形出口水口的钢水流出效果最好。 但是跑道形出水口的孔间距比较大， 所以喷嘴的强度也比较大。 也有研究表明， 方形出水孔的钢水流出角小于出水孔的倾角。 使用矩形插座时，两者基本相同。采用跑道形出水口时，钢水的流出角度大于出水口的倾角，有利于钢水表面的平静。 5.3.2 浸入式喷嘴浸入深度对流场的影响32 喷嘴的浸入深度在本文中定义为液面到喷嘴侧孔中心的距离， 也有人

62、将其定义为液面到侧孔上缘的距离。喷嘴。无论如何定义，浸入深度对结晶器流场、结晶器内液位的波动、外壳的生长和夹杂物的漂浮都有显着影响。在本文中，插入深度定义为从液面到喷嘴底端面的距离，记为 h 。 研究发现，喷嘴浸入深度对液位波动和水流冲击深度有重要影响。随着喷嘴插入深度的增加，循环流在结晶器上所占面积逐渐增大，但对渣界面的搅动逐渐减弱。因此，结晶器渣覆盖良好，不易发生夹渣，但穿透深度增加，从钢水传递到熔池上表面的热量减少。 h 过大可能会造成弯月面钢水凝结和壳上较深的振动痕迹，影响凝固壳的生长速度。同时会使向下循环流的整个区域向下移动，从而减少从中间包进入结晶器的钢水中夹杂物的漂浮， 将更多的

63、高温钢水带到模具下部结晶。整个钢水热流密度分布向下移动。反之，如果插入深度过浅，则容易产生纵向裂纹，甚至产生夹渣。对于特定的模具和浸入式水口，浸入深度必须有合适的外壳， 这样可以保证表面钢流活跃，弯月面更加活跃， 表面波动不会太大，同时是必要的控制水流冲击深度，有利于夹杂物上浮，保证贝壳均匀生长。 5.3.3 浸入式喷嘴安装角度 对于多孔 SEN ，存在安装角度问题。指定某一出口，圆弧面的中心线与垂线的夹角定义为浸入式水口在模具中的安装角度，记为。 不同，结晶器的流场不同。当 = 0 时，钢水从出口到模具壁的行程比水口出口朝向模具拐角时的行程短，水流撞击壁后的动能损失也为较大。它以不同的反射角

64、反弹回来，形成不同的流场。 合适的安装角度有助于形成合适的循环流动， 使模具的温度场和浓度场均匀，不会直接冲刷凝固壳的最薄处。 5.3.4 结晶器宽度对流场的影响 模具的宽度是影响模具流场的重要因素。 随着模具宽度的增加， 钢水流向狭窄表面的行程增加。 由于钢流的扩散和前进过程中粘滞阻力的影响， 流动到达狭窄的表面。 速度也会随着模具宽度的增加而减小， 因此窄面上的冲击动力学也会减小，表面湍流的速度也会减小。 5.3.5 牵引速度对流场的影响 提拉速度的提高也意味着钢通量的增加。 如果其他条件不变， 喷嘴的出口速度会增加。数学模型和水模型的结果表明：在一定的浸入深度下，当提拉速度不同时，模具的

65、流场基本相似，流场的基本特征没有变化，但液位波动、夹杂物行为和凝固传热受到影响。影响更大。 随着拉拔速度的提高，结晶器流量增加，钢水液面变得更加不稳定，熔渣容易夹带，连铸坯的熔入深度也增加，夹杂物难以上浮。同时，射流对结晶器壁的侵蚀加剧，从而减缓了凝固壳的生长速度。因此，为了在高拉拔速度下获得高质量的板坯，必须采取措施优化模具的流场。 5.3.6 流场上结晶器的电磁搅拌（即 M - EMS）强度 E 33 结晶器电磁搅拌形成的钢水流可以打断枝晶端，净化凝固前沿。破碎的晶体一部分可成为等轴晶的晶核， 另一部分则受过热钢水的影响而重熔。而且凝固前的钢水温度梯度变小，即加快了过热度的降低，使板坯晶粒

66、细化，产品致密。此外，电磁搅拌引起的钢水流动，可以去除容易被铸坯表层和表下捕获的非金属夹杂物和气泡，使与上钢水表面接触的保护渣不断更新。因此，电磁搅拌还起到净化钢水、去除非金属夹杂物、减少枝晶凝固时形成的气孔的作用。结晶器电磁搅拌的效果如图 19 所示。 图 19 结晶器电磁搅拌的作用 1模具; 2半月板； 3气泡； 4非金属夹杂物 5等轴结晶； 6冷凝壳； 7液态钢； 8浸没式喷嘴 合理的搅拌强度是 M - EMS 正常发挥其上述功能的关键。如果搅拌强度过小（或磁感应强度过小） ，则无法对铸坯液芯进行搅拌，或无法稳定控制柱状晶向等轴晶的转变，达不到预期的目的。电磁搅拌；反之，搅拌强度太高。如

67、果太大，则搅拌太激烈，壳可能太薄，或生长不均匀，容易开裂，白白消耗大量电力。因此，应根据不同的具体条件确定最佳搅拌强度。 搅拌强度主要取决于板坯凝固前沿所需的流速。研究表明，在没有电磁搅拌的情况下， 由于钢水温差造成的密度差， 钢水形成自然对流， 其流速仅为 0.15m/s左右。在这个流速下，柱状晶体逆着流动方向生长，导致它们倾斜而不垂直于钢坯表面。当流速达到 0.25m/s 时，柱状晶体可以破碎。日本学者 145mm 对截面为的钢坯进行了水模型实验，发现当模具液面流速为 145mm0.30 / 0.60ms 时，相应的搅拌强度最理想。 这些研究结果为水模型实验通过液面速度评估搅拌强度提供了很

68、好的思路。 需要指出的是， 采用电磁搅拌时， 模具拐角及周围弯月面的突出程度和中间部分的凹陷程度与作用于弯月面区域的搅拌强度有关。 平静时 SEN 出口与液位的距离应足以补偿搅拌引起的液位下沉， 而注入流引起的上环流也会使 SEN 附近的液位下沉到一定程度程度 。此外，循环流还会吸走液面上的熔渣，甚至是烧结层的结晶器渣颗粒。因此，开启电磁搅拌后， SEN 出口与液面的距离减小，即SEN 的插入深度减小。 当搅拌强度过大， SEN 的插入深度或出料孔下角不合适时，容易出现图 20 所示的渣卷现象。 图 20 保护渣卷入钢水示意图 1模具； 2成型渣； 3结痂； 4注射； 5凝固壳 5.4 结晶器

69、钢水连铸电磁搅拌技术 作为电磁铸造工艺的一个重要分支，连铸电磁搅拌技术（Electromagnetic Stirring，简称 EMS）是指利用电磁技术，加强铸坯中熔融金属的流动，从而提高流动性的一种电磁冶金技术。 、凝固过程中的传热和传质条件，从而提高铸坯质量。 5.4.1 电磁搅拌器的工作原理 电磁搅拌的原理类似于三相异步电动机。 当搅拌器的三对定子绕组通上三相交流电时，产生旋转磁场，旋转磁场切割钢坯并在钢水中感应出电流。在旋转磁场的作用下，产生电磁力，从而形成围绕板坯中心轴的电磁转矩，带动钢水旋转34 。图 21 是钢坯连铸结晶器的电磁搅拌示意图。 图 20 钢坯连铸结晶器电磁搅拌示意图

70、 5.4.2 电磁搅拌技术的种类35 电磁搅拌器的形式和结构虽然多种多样，但经过几十年的发展，优胜劣汰，在实际使用中几乎都是交流感应。根据连铸机的类型、板坯的断面、搅拌器的安装位置和钢水的流态，大致有以下几种： 根据搅拌器的安装位置可分为结晶器电磁搅拌（M - EMS） 、二冷区电磁搅拌（S - EMS）和凝固端电磁搅拌（ F - EMS） 。图 21 是不同位置安装搅拌器的示意图。 结晶器电磁搅拌：安装在连铸机结晶器区域， 搅拌器跨越结晶器和脚辊， 也可归入此类。结晶器的电磁搅拌主要是在钢水凝固初期， 通过电磁搅拌作用，使初期凝固壳趋于均匀，促进夹杂物上浮，对钢水表面和皮下质量有很好的影响。

71、连铸坯。由于模壁具有良好的导电性， 当交变磁场通过模具时， 在模壁内会产生很大的涡流，磁场会急剧衰减。率非常低。为了解决这个问题，通常使用弥散硬化铜合金作为模具壁，并使用低频电源来增加电磁场的穿透能力。经验频率为1-10Hz 。本文讨论的花朵电磁搅拌就是这种类型。 第二冷却区电磁搅拌： 安装在连铸机第二冷却段， 包括脚辊下方的搅拌器 （I - EMS） 。主要作用是切断结晶器内形成的柱状晶，扩大板坯中的等轴晶区，减少板坯中心偏析，促进聚集在板坯特定部位的大夹杂物上浮分离. S - EMS 的缺点是搅拌器安装在二冷区，工艺复杂，易损坏。由于搅拌是在凝固前沿的两相区进行的，所以在板坯搅拌部位容易出

72、现负偏析区，即白亮区。另外，当电磁力在垂直于板坯轴线的平面内时，板坯会出现 V 形偏析。 S - EMS 的经验频率为20-50Hz 。 图 21 安装在连铸机不同位置的电磁搅拌器 凝固端电磁搅拌： 安装在连铸板坯凝固端附近。 通过搅拌凝固结束时的粘性区，可以打破生长过快的柱状晶之间的“桥梁” ，消除因分离结晶造成的钢水中各组分浓度不均，进一步降低中心偏析和中心松动。和 V 型隔离有效措施。由于搅拌是在凝固结束时进行，得到的等轴晶组织较少，搅拌效果不好，所以常与其他搅拌器组合使用。 凝固端的凝固壳较厚， 搅拌器一般采用 2-10Hz 的低频电源。 5.4.3 结晶器电磁搅拌的冶金机理及效果36

73、 在连铸过程中， 钢水在铜结晶器和结晶器下方喷水的作用下被强制冷却，然后凝固成针状，从表面向中心生长，直到钢水温度保持在液相线温度以上。 .这种凝固组织形式称为柱状枝晶。 根据小钢锭组织的形成机理， 会导致中心部分架桥，阻碍钢水补给，造成中心收缩和中心偏析。在凝固过程中，当凝固壳受到拉伸变形时，由于柱状结构对柱间裂纹的高度敏感性，整个铸件断面的析出量进一步增加。 电磁搅拌的基本功能是通过使钢水产生强烈的运动来充当冰淇淋冷冻机。这会导致过热度更快地消失，同时促进枝晶的增加，两者都会抑制柱状晶的生长，有利于截面中心等轴晶的形成。显然，通过减少铸锭组织小和局部裂纹这两个不利因素，可以提高连铸产品的质

74、量。 综上所述， 结晶器电磁搅拌的冶金机理主要表现在力的作用和热的作用两个方面。图 22 总结了 M - EMS 的冶金机制和效果。 图 22 MEMS 的冶金机理及效果示意图 5.5 连铸电磁制动技术 5.5.1 电磁制动技术的研发背景及工作原理 在连铸过程中，钢坯的缺陷与结晶器内钢水的流动有很大关系。为了提高板坯的质量和产量，电磁制动技术作为制造优质板坯的关键技术之一，越来越受到重视37 。 在连铸过程中，提高拉速是提高产量的重要手段。随着连铸速度的提高，水口出口钢水的速度较大， 钢水射流夹带的非金属夹杂物首先冲击结晶器窄边的凝固壳。拉漏现象，促进凝固壳对夹杂物的捕获。此外，钢水从喷嘴出来

75、后，形成两个回流区，上回流区和下回流区。其中，上部再循环区弯月面流速较高的钢水夹带结晶器渣，容易引起夹渣事故。大，穿透深度大，导致大量非金属夹杂物随钢水流动输送到板坯部位，不易上浮， 形成部位缺陷， 而且随着提拉速度的提高, 有更加恶化的趋势。另外，由于温度梯度大，容易形成发育良好的柱状晶，不利于等轴晶的形成。 （EMBR）的基本原理如图 23 38所示。在喷嘴区域设置一个稳定恒定的磁场，该磁场垂直于喷嘴的出口。 当液态金属切割磁力线时， 根据欧姆定律在液态金属中会产生感应电流， 在液态金属中会产生感应电流与稳态磁场的相互作用。 液态金属的流动受到与流动速度相反方向的洛伦兹力的抑制。 电磁制动

76、对结晶器内流体流动的影响可以概括为抑制结晶器内钢水的两个主要循环流动。 通过抑制循环流动可以获得以下优点：减少内部和皮下夹杂物，消除保护渣中的熔渣，减少纵向和横向裂纹，降低弯月面处的动压和静压波，提高弯液面处的温度。弯液面，并消除了狭窄表面的重熔。 图 23 电磁制动示意图 5.5.2 电磁制动技术在冶金应用中的作用 在板坯连铸中，随着拉拔速度的提高，从浸入式水口出来的钢流流量增大，使铸模产生强烈的湍流，弯月面波动剧烈，容易造成夹杂物卷曲。向上。另外，出水口的射流对模具狭窄的表面有很大的影响， 可能会导致初凝壳的重熔。 而且，出水口流出水流的穿透深度增加后，夹杂物不易上浮，造成夹杂物缺陷。 针

77、对以上问题，电磁制动具有以下优点39 ： 1 .抑制了水口流出对板坯窄面凝固壳的冲击，减少了泄漏事故的发生，缩短了下部回流的冲击深度，在水口下形成了塞流（间歇性和不确定性） ，有利于非金属夹杂物和气泡的漂浮，提高板坯质量。 2 .钢水回流对液位的影响减弱，液位波动幅度减小。对抑制夹渣、改善板坯表面质量起到积极作用；它还抑制了喷嘴漂移的影响。 3 .由于钢水浸入深度的降低，促进了结晶器上部的热交换，提高了弯月面区钢水的温度， 有利于低过热度铸造的实施和铸型的提高。 提高板坯中心的等轴晶比。 . 4 .提高弯液面下钢水温度，使型渣充分熔化，提高型渣的流动性；降低弯月面以下金属液的流速，降低弯月面的

78、波动高度，防止夹杂结晶器渣等夹杂物。熔融金属部分有利于消除夹杂物缺陷，减少表面裂纹，提高连铸坯的表面质量。 5 . EMBR 还具有良好的抑制混音功能。在不同钢种的连铸生产中， EMBR缩短了坯料混炼段的长度，提高了金属收得率。 综上所述 通过对整个钢坯连铸过程各环节流场的研究，本文最终得出以下结论： 滑动水口从钢包上打开，钢水进入中间包。随着钢水液位下降，钢包内的钢水变得不稳定并产生涡流， 可能会使钢包中的钢包覆盖剂进入中间包， 从而降低钢包中钢水的速率。液体纯度，通过钢包渣系统可以有效减少大包渣，提高钢水纯度。 钢水进入中间包后，钢水流场受中间包形状、注入流量、中间包容量和流量控制装置（挡

79、墙、导流挡板、过滤器和湍流控制器）的影响。中间包不合理的流场会导致钢水二次氧化、耐火材料冲刷、钢包涡流夹渣，降低钢水纯度，使钢水流场不稳定。冶金效果，为钢水进入模具做好准备。 模具内钢水受浸入式水口结构参数、浸入深度、水口安装角度、模具宽度、拉拔速度、模具电磁搅拌强度 E（即 M - EMS)，以及电磁制动技术。因此，模具是影响最终坯料质量的关键环节。通过合理优化模具，增加地磁搅拌器，电磁制动技术可以达到提高板坯质量，减少板坯表面及局部横向和纵向裂纹，减少板坯夹杂的效果。 参考 1 Tamtsu Wakita 赤岭圭一郎。 钙合金高氧钢铸造用基础滑板J. UNITECR，2005， （2） ：

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