007改善铸坯质量的中间包冶金技术研究进展

改善 铸坯质量的 中间包 冶金技术 研究 进展 授 俄亥俄州州立大学材料科学与工程学院 美国俄亥俄州哥伦布 43210 摘要： 2000 年以来，世界钢产量迅速增加。与此同时，连铸坯产量达到了钢产量的 90%以上。 连铸生产中， 中间包 在控制铸坯质量方面发挥着十分重要的作用。本文介绍了连铸 生产 中，改善铸坯质量 的 中间包 冶金技术 进展 。钢流控制、钢水温度控制、大容量 中间包 、钢包和中间包钙处理以及 中间包 热循环利用等技术，这些技术可有效地改善铸坯质量。 关键词：连铸 中间包 洁净钢 质量 流场 控制 在钢铁生产过程中，连铸作为重要环节被广泛使用。 2000 年以来，世界钢产量飞速增长。 2007 年，中国钢产量已经超过了 吨，占世界钢产量的36%。而世界钢产量的 90%以上都是通过连铸生产的。与此同时，用户对钢铁的质量要求也越来越高。因此，钢铁生产者首要关心的是钢的洁净度和成分控制。中间包是钢铁生产中的最后一个冶金容器，钢水通过它注入结晶器。 在 中间包转送钢水过程中，钢水将与渣、耐火材料以及空气 接触。 因此，为保证钢水分配过程中的成分和质量，合理的 中间包 外形设计和操作是十分重要的。在过去的二三十年 ，为了生产洁净钢，中间包 冶金技术已经取得了重大进展，本文将讨论这些 中间包 冶金技术 的进展 。 钢的质量要求包括严格的成分控制、非金属夹杂物数量少、尺寸小且 分布均匀。 为了满足严格的机械性能、特殊的延展性和耐用性要求，必需提高 钢水 的纯净度 。非金属夹杂物包括氧化物、硫化物、 氮化物、碳化物以及它们的化合物或合成物。在正常条件下，当钢水温度低于 凝固点以下时，钢中的硫化物、氮化物和碳化物将要析出来。某些特殊的氧化物夹杂、硫化物和碳化物颗粒可用来控制钢的显微组织以改善其性能。然而，大部分氧化物夹杂和硫化物夹杂都以大颗粒形式存 在于钢水中。如果这些大颗粒夹杂物不去除， 将 会增加 给 生产带来困难且 产品质量 降低。 钢包脱硫可减小硫化物夹杂数量，以此来 防止夹杂物进入 中间包 。 氧化物夹杂有两种：外来夹杂和内生夹杂。 外来夹杂来源 于钢水的二次氧化、炉渣或耐火材料颗粒 。 内生夹杂来源于钢中游离氧与脱氧剂如铝或硅的反应产物。未聚集长大的内生夹杂物的尺寸非常小且不会对钢水带来不利影响。内生夹杂的直径一般小于 50 m，而外来夹杂物的尺寸却 比较大。 中间包 的主要功能是将洁净的钢水按要求的流速、温度和组成 分配给各个铸流。 在提高钢水质量方面，要求中间包具有消除大型外 来夹杂物 的来 源、避免内生夹杂物聚集长大以及钢水在传送过程中 可 去除任何残余夹杂物等功能。 为达到这些目的，必须避免钢水传送过程中被空气和钢包渣二次氧化。 为避免钢包渣进入 中间包 和 中间包 渣 带入结晶器，必须防止它们发生乳化以及被卷入钢水中。 最近出版的书中将详细讨论洁净钢技术和非金属夹杂物 1 。 1 钢水由钢包流入中间包过程中的二次氧化和卷渣 大型夹杂物的形成与钢水二次氧化之间的显著关系由图 1 可以看出。 2 发现 ，钢水二次氧化形成大型夹杂物数量大约是钢包到 中间包 之间形成大型夹杂物的 。 且二次 氧化产物的尺寸都在 100 m 以上。采用物理密封方法可防止二次氧化，该方法将钢流密封在一个耐火材料导流管或氩气密封套内。 如图 2 3描述了耐火材料导流管内 氩气密封和长水口保护浇注应用技术。 氧化物包括 钢包渣进入 中间包 后 ，与钢水中的铝发生反应生产簇状三氧化二铝残留于板坯中。 部分钢包渣经过中间包最终进入结晶器内，这些渣可能残留在凝固的坯壳中，从而形成大型夹杂物或夹渣。采用大包下渣检测系统可以有效地监测大包下渣。 电磁涡流法采用钢渣探测器，可有效地监测钢流中的钢渣，该方法由 开发 4， 已广泛应用于钢铁工业。 示 就是说检测仪表和工程控制。现在，很多钢铁企业都采用 渣检测系统， 该系统的 传感器信号可以直接控制滑动水口，这样，可以最大限度减少钢包下渣。 图 3显示了 5 ， 该图表明，传感器可以在 2 秒钟内激活并关闭滑动水口。 图 1 影响钢中夹杂物各种因素的相对作用 参考文献 2 图 2 长水口 （ b）和氩气密封保护浇注 参考文 献 3 图 3 感器探测到的下渣信号 参考文献 5 2 中间包 尺寸的影响 中间包 尺寸对提高钢水质量具有十分重要的影响。延长钢水在 中间包 中停留时间最有效方法是增大 中间包 容量。拉速一定时， 中间包 容量取决于钢水的体积流量，容量大意味着钢水在中间包的平均停留时间长。 增大 中间包 容量可以减少钢水中大型夹杂物 (簇状三氧化二铝 )的数量，尤其是 更换钢包时。 6将 中间包 容量由 65t 增大到 85t，并进行工业试验，其结果如图 4 和图 5。 无论是在稳定浇注条件还是在非稳定浇注条件下，簇状三氧化二 铝夹杂物数量 都有所减少。 提高 中间包 液面高度另一个好处是更换钢包时不需要进行 降拉速操作。因此，提高 中间包 液面高度，不仅可以提高钢水质量而且可以增加产量。 7发表了在日本神户钢铁厂进行类似工业试验结果，他们将该厂新建的 4#连铸机（中间包容量 80t）与旧的 3#连铸机（中间包容量 50t）进行比较发现， 中间包 容量为 50t 的连铸机在 速 条件 下生产铸坯质量与 中间包 容量为 80t 的连铸机在 2m/拉速 条件 下生产铸坯的质量相当。因此，提升连铸机产量不会牺牲铸坯质量。 他们还发现，采用 80t 中间包 ，在更换钢包时生产的铸坯质量也有显著改善，如图 4。 图 4 液面高度对簇状三氧化二铝的影响 参考文献 6 图 5 液面高度对簇状三氧化二铝尺寸的影响 参考文献 6 图 6 80t 中间包 连铸机铸坯质量改善情况 3 控流装置的影响 为了改善钢水的流动特性，很多人尝试在现有中间包中安装各种 控流 装置，如堰 、坝、带孔挡墙、钢流缓冲器、稳流器等。 在实际工业试验中， 已经证实了各种控流 装置的优点 ，同时还进行了物理和数学模型研究 如参考文献 817。 合适的堰和坝位置将有利于延长钢水在中间包里的平均停留 时间，也会增加钢水在 中间包 里单向流动的体积量。 控流 装置安装得当，可以使局部流场混合最小。这有利于夹杂物的聚集和去除。 钢流以湍流的方式高速注入中间包，尤其是长水口保护浇注且没有密封气体。 钢流与中间包底部之间碰撞导致耐火材料侵蚀严重。为减轻钢水的冲刷作用，在中间包底部设计一块缓冲器。缓冲器由高致密且化学性能稳定的耐火材料制成。带沟纹的缓冲器对减少钢水的湍流十分有利。 18 。 他们设计的缓冲器及其相关流场如图 7. 钢水注入并经过扩散后返回到 自由液面，处于静止状态。这些液面单向 流通有利于夹杂物上浮。当然，这些单向流通表面与缓冲器的原始形状有关，而 缓冲器形状可能随着耐火材料的侵蚀而变化。 图 7 缓冲器及其相应流场状况示意图 参考文献 18 这里简要介绍控流装置安装位置优化的计算机模拟研究。 19研究了不同控流控制装置对 中间包 钢水流动和湍流状况、夹杂物上浮情况的影响。他们模拟了装有带孔的挡墙、缓冲器、冲击砖和坝等条件下的 中间包 流场，三种条件下 中间包 状况 如图 8。 钢水注入和钢水流出侧的钢水液面如图 8。图 11显示了钢水 注入侧和钢水流出侧夹杂物上浮情况。如，挡墙区域的向上钢流和向下钢流。 将安装挡墙 中间包 的钢水不同速率和湍流能的能值面用不同颜色表示如图 9 和图 10. 在其它两种形状 中间包 上也做了类似预测 。 作者还研究了在10 500 m 夹杂物的上浮情况。 图 11 显示了上浮夹杂物和 随钢水流入水口 夹杂物的百分比。由图 11 可以发现， 100 m 以上的夹杂物全部上浮，该类型夹杂物未 进入 中间包 水口。 为得到钢水停留时间的临界值，对图 11中的数据进一步分析如图 12。结果显示小颗粒夹杂物受湍流影响最大，其停留时间在 20间。停 留时间随着颗粒尺寸的增大而减少，但直径大于 200 m 时，这种变化就不明显。在该研究中，准确地模拟了湍流熔池中夹杂物的非稳态行为。 因此，在 中间包 设计和优化分析时，可采用 件进行数学模拟。 图 8 安装有带孔挡墙 （顶部）、缓冲器（中部）和带缓冲器与坝（底部）的 中间包 参考文献 19 图 9 带挡墙 中间包 内钢水的不同流速 参考文献 19 图 10 带挡墙 中间包 的湍流能值图 参考文献 19 图 11 中间包 液面和 中间包 钢流 出口 中夹杂物颗粒分布 图 12 带挡墙 中间包 内夹杂物尺寸与停留时间的关 系 4 不带控流装置的大容量 中间包 上文提到的各种控流装置对钢水洁净度的作用 。 但 最近 已经出现了一些变化， 二次精炼工艺方面的重大进展和精炼装置在很多钢铁企业的应用已经使钢水的洁净度能够满足使用要求，尤其是在稳态下浇注更是如此。但即使精炼操作非常细心，在非稳态条件下浇注，大型夹杂物也会形成。 大容量 中间包 为夹杂物上浮提供足够的停留时间，且可防止在非稳定条件下产生涡流，这两方面对连续浇注高质量钢水是 很有效 的，即使在高拉速下也是如此。此外， 控流装置不适合 中间包 热循环，就这一点而言，不装 控流装置是非常经济的。大容量 中间 包设计简单，可实现大通钢量和多连浇炉数，从而实现高产、高质量和低成本。 5 钢水温度控制 中间包 钢水温度对连铸产品的质量和性能、连铸机操作以及耐火材料寿命等都有十分重要的影响。 大容量钢包的浇注周期可能达到 1 小时。 系统温度损失总是客观存在的，特别是大容量钢包、 中间包 钢水液面以及 中间包 耐火墙等传热。因此，从钢包到中间包，钢水温度都是连续变化的。 考虑中间包内钢水温度损失，钢流温度变化必然导致 中间包 钢水温度的改变。 图 13（上方） 20是伯利恒钢铁公司 中间包 连续测温的结果。 这也是大约 20温度变化 范围内 的典型的圆顶 型温度变化曲线。 图 13（下方） 20是连浇 4 炉 中间包 钢水温度变化。图中“ A”代表换钢包，且表明每炉钢水的开浇温度是 不 同的，各炉钢水的 中间包最高温度和最低温度也是变化的。在这些例子中， 中间包 钢水温度先升高且大约在 20达到最高，然后开始降低，直到该炉浇注结束。因此，在钢包浇注结束时， 中间包 钢水温度最低。 21 为整个板坯浇次中的中间包和典型钢包内钢水流场 、传热开发了数学模型。图 14 显示一炉钢水在 47注过程中， 中间包 钢水温度变化。 图 14 中曲线 A 显示 在 48注时间内，钢流温度下降的预报值。在这期间，钢流温度下降了约 40 。在浇注 前期钢水温度下降缓 慢，然而在末 期钢流温度迅速下降。主要原因在于：在浇注末期，钢包中钢水较少，热损失速度相对较快。 曲线 B、 C 和 D 代表 中间包 中三个不同监测点钢水温度的预报值。 预报表明，钢水温度在约 25内达到最大值，然后缓慢下降。 中间包 预热、保温和钢包隔热效果好，可减少钢流温度损失。 进而影响 中间包 钢水温度。 图 13 正常连浇条件下 中间包 钢水温度曲线 参考文献 20 图 14 中间包 内四个监测点钢水温度的变化 参考文献 21 铸坯 质量与钢水过热度的关系如图 15。在 浇注方坯时 ， 中间包 钢水温度对夹杂物指数和中心偏析指数的影响如图 15 22 。 23 还研究了钢水过热度对板坯夹杂物指数的影响 ，其结果见图 16。该结果表明，在高过热度和低过热度条件下，钢水中夹杂物数量增加是一样的。 因此，保持 中间包 过热度在最合适温度 且 波动小十分重要。很多公司都采用中间包钢水等离子或电磁感应加热技术，来保证 中间包 温度波动小。 图 15 钢水温度对夹杂物指数和中心偏析指数的影响 参考文献 22 图 16 中间包 过热度对板坯夹杂物指数的影响 参考文献 23 5、 钙处理的影响 很多钢铁公司已经在钢包和 中间包 里 对钢水进行钙处理。 钙元素可将簇状的大型三氧化二铝夹杂物转变 成液态的钙铝酸盐夹杂物，固态钙铝酸盐夹杂物在接下来的热轧和冷轧 中被拉长，然后碎断成小颗粒夹杂物，从而消除钙铝酸盐夹杂物对钢材性能的危害。液态夹杂物 可减少 夹杂物 见水口中 黏附甚至造成水口堵塞的事故， 获得所要求的钢流。钙元素还可以改善钢材的其它机械性能。很多工业性研究已得出了钢水钙处理的好处。例如， 24在川崎钢铁公司的研究发现，钢水钙含量 达到 50，钢水中的大型硫化物夹杂和氧化物夹杂大幅度降低（如图 17）。他们还发现，在更换钢包过程中浇注的板坯，夹杂物数量也有所减少，钙处理对钢水的总体洁净度也有所改善。 图 17 钢水钙处理对大型夹杂物的影响 参考文献 24 6 中间包 热循环利用 一个浇次结束后，翻包操作有时会损坏 中间包 的工作层。维修 中间包 工作层所需耐火材料费用非常高且劳动强度大。因此，很多钢铁公司，尤其在日本，都采用 中间包 热循环利用技术， 日本神户钢厂首先采用该技术 25 。 该项操作 是 ，在 停浇后不久，将 中间包 内的所有残钢和残渣 倾翻出去，然后自动换上经过预热的新浸入式水口、更换滑动水口阀门并维修损毁的耐火材料。最后，将 中间包 烘烤到要求温度 ，再 投入生产。在热 中间包 循环利用操作中，没有必要执行上述全部操作步骤。由于预热将导致 中间包 内残钢的氧化，这可能给下个浇次钢水带来非金属夹杂物，因此，热循环 中间包 通常不进行预热。 在确认耐火材料确实需要维修后，再进行相应的维修操作。 图 18 所示， 中间包 用于下一个浇次之前，可能需要翻 渣或更换滑动水口阀或维修与预热耐火材料等操作。 中间包 热循环工艺将传统的 中间包 准备时间缩短为 25耐火材料成本也只有传 统工艺的十分之一。 图 18 中间包 热循环操作（ 动水口阀， 中间包 ） 参考文献 25 7、高质钢的连浇系统 图 19 是 26给出浇注 系统，如钢包、 中间包 和结晶器，图中描述了浇注超级纯净钢的主要装置和工艺过程。可以发现，采用了大包下渣检测装置，长水口和水口密封避免钢水二次氧化， 中间包 加密封盖、 中间包 吹氩密封以及 中间包 覆盖剂。大容量 中间包 和控流装置有利于延长钢水在 中间包 中的停留时间。缓冲器和坝 可 实现钢水表面 单向 流动，这有利于夹杂物上浮。 中间包 采用电磁感应加热技术来调节钢水温度。 氩可防止水口堵塞。 中间包 采用高质量的镁质耐火材料。该系统用于浇注高质量的超低碳钢（ 一般来说，一个 中间包 不可能同时使用上述装置，但可以根据钢种类型和质量要求来选择不同 中间包 冶金装置。 图 19 带全部装置的洁净钢浇注系统 （钢包、 中间包 和结晶器）和工艺过程 参考文献 26 8、结论 本文介绍了提高连铸钢水 质量的一些重要 中间包 冶金技术。 对于浇注纯净钢而言，以下几方面是十分重要的，详细的介绍请见参考文献 1。 （ 1）避免或尽量减少钢水在 中间包 流入结晶器过程中，被空气或氧化性炉渣二次氧化； （ 2）采用长水口或带氩气密封的陶瓷密封管道来实现保护浇注； （ 3）采用大包下渣检测 防止大包下渣。 采用 抑制钢渣流动技术来 避免 中间包 渣进入结晶器； （ 4） 中间包 容量大且液面高度深，同时采用 中间包 氩封技术或加入 中间包 覆盖剂； （ 5）钙处理 促使夹杂物变