连铸用耐火材料.doc

连铸用耐火材料(2009-04-26 19:37:27) 转载标签： 杂谈1。概论连续铸钢是20世纪60年代发展起来的一种新型铸钢技术，它省掉了初轧工序，从钢水直接铸成钢坯，提高了金属收得率，降低生产成本，节约能源，铸坯质量好，机械化和自动化程度高。连铸技术得到推广的一个重要标志是滑动水口的开发和应用，滑动水口的采用使连铸操作实现自动化。我国自80年代开始推广应用滑动水口，到2000年底，我国连铸钢产量已达到80，有十余家钢厂已实现全连铸。连铸技术的迅速发展使其相关的耐火材料在品种和质量上都得到相应的发展和提高，连铸用耐火材料的发展又对连铸生产和连铸钢坯质量产生重大影响。特别是宝钢的建成投产对国内耐火材料的技术进步起到了巨大的推动作用，连铸用耐火材料无论从品种还是质量都取得了巨大的发展。连铸用耐火材料是连铸机组中的重要部位，除具有一般耐火材料的特性外，还要求有净化化钢水、改善钢的质量、稳定钢水的温度和成分、控制和调节钢水流量等功能，因而被称为功能耐火材料。连铸系统用耐火材料品种包括：（1）钢包耐火材料钢包衬、永久衬、透气组件等；（2）中间包耐火材料永久衬、涂料、绝热板、包盖等；（3）功能耐火材料无氧化浇注用长水口、浸入式水口、整体塞棒、滑动水口；（4）钢水净化用陶瓷净化器、挡渣堰、碱性涂料和水平连铸用分离环、闸板等。连铸用耐火材料要反复经受钢水的热冲击和钢水的冲刷、钢渣的侵蚀，因此耐火材料应具有较高的强度、较好的热震稳定性、良好的抗侵蚀性以及一些特殊的功能如透气性、净化钢水功能、调节流量、保护浇注等优良性能。2。钢包用耐火材料随着炼钢技术的发展，钢包不仅是储运钢水的容器，还承担着钢水处理和精炼的功能。随着精炼的发展，钢水在钢包中停留时间延长，钢水温度增高，并伴有强烈的吹气搅拌、真空处理、电弧加热以及熔渣的侵蚀作用，对钢包用耐火材料提出了更高的要求:(1) 高温下能形成半熔融状态的致密层，并减少粘渣；(2) 使用过程中有一定的膨胀性，砖衬能形成一个整体，不开裂、不剥落；特别是包底不能因为收缩开裂造成脱落；(3) 钢包为间歇式作业，经受冷却高温的反复热循环作用，砖必须有良好的抗热震性和抗剥落性；(4) 为保持钢水的洁净度，要求钢包有良好的抗侵蚀性，高温下耐火材料尽量少熔入钢水；（5）从经济角度出发，要求钢包衬有良好的施工性能且价格适当。包衬用耐火材料已从定形制品向不定形材料发展。2.1包衬用材料2.1.1永久衬用耐火材料钢包一般采用三层砌筑结构即隔热层、永久层和工作层。绝热层一般采用轻质粘土砖、硅酸铝纤维毡或轻质浇注料砌筑。而永久层目前普遍采整体打结的方式，材质有水玻璃结合的铝镁浇注料、低水泥或超低水泥高铝浇注料。永久衬的施工是在隔热层砌筑完后，在其表面粘一层牛皮纸以防吸浆，然后放上胎模浇注永久层，永久层施工一般采用振动成型，为改善施工条件、减轻劳动强度，我厂开发了钢包永久衬用自流浇注料，取得了较好的使用效果。2.1.2包壁用耐火材料我国在80年代钢包普遍采用高铝砖和叶蜡石砖，随着连铸的发展，钢水在钢包内停留的时间延长，砖衬出现熔损、剥落，寿命降低。为提高包衬寿命，减少渣的侵蚀，开发了在Al2O3-SiO2系材料中引入MgO的Al2O3-SiO2-MgO系材料，利用MgO与Al2O3高温下生成镁铝尖晶石，且产生一定的膨胀作用，具有极好抗侵蚀和抗渣渗透性。同时MA尖晶石可与渣中的FeO反应形成铁铝尖晶FeO+MgOAl2O3MgO+FeAl2O4;过量的FeO与MgO形成固溶体，提高了渣的粘度，减少了渣的侵蚀与渗透。2.1.2.1水玻璃结合不烧砖水玻璃结合铝镁砖骨料采用一级矾土,细粉用特级矾土粉和一级镁砂粉,采用水玻璃作结合剂,机压成型后经低温热处理即为成品.该产品在模铸的大、中型钢包上使用，取得了较好的使用效果。为提高铝镁砖的抗侵蚀性，在不烧铝镁砖的基础上添加石墨制成的不玻璃结合铝镁碳砖，在中小型模铸钢包上使用，寿命达到50100次，因其价格低廉，在中小钢厂得到推广。2.1.2.2树脂结合铝镁碳砖和镁铝碳砖树脂结合铝镁碳砖原料采用特级矾土熟料、高铝刚玉和镁铝尖晶石等作骨料，添加镁砂细粉、磷片石墨、碳化硅及氧化铝粉，用树脂作结合剂经高压成型，低温热处理。该产品具有强度高、抗侵蚀性好、抗剥落性好、抗热震性和不粘渣等优点。在大型连铸钢包上使用，寿命达到50100次；特别是在LFVD精炼炉上得到应用。树脂结合镁铝碳砖与铝镁碳砖生产工艺基本相同，主要原料是在镁砂中添加预合成的镁铝尖晶石，利用两者在高温下线膨胀系数差别较大的特性，来缓冲因温度变化产生的热应力，减轻热剥落；添加炭素材料，高温下形成碳网结构，有效地阻止熔渣的侵蚀和渗透。镁铝碳砖有较好的抗侵蚀性，适用高碱度渣及LF精炼包等更苛刻的条件。目前国内大中型钢包包壁普遍采用树脂结合的铝镁碳砖和镁铝碳砖，已经满足了钢厂的需要。LF(电弧加热钢包精炼)法及LFV（真空电弧加热钢包精炼）法钢水温度更高、熔渣碱度大、加之吹气搅拌以及真空或还原气氛，耐火材料要承受化学反应与熔损、高温真空下的挥发、熔渣的侵蚀以及热冲击和机械冲刷，要求耐火材料的强度要高、热震稳定性好、抗渣侵蚀性好。精炼炉包壁采用铝镁碳砖或镁铝碳砖，使用寿命普遍达到50炉以上；在真空冶炼的情况下，使用镁钙碳砖的效果要优于铝镁碳砖。ASEASKF（电弧加热电磁搅拌精炼）法冶炼，耐火材料要经受电极电弧的强烈辐射、高碱度高温熔渣的强烈侵蚀与溶解、高温真空下的还原、电磁搅拌和包底吹氩所造成强烈冲刷和磨损以及内衬温度的急剧变化。我国在SKF炉内衬高侵蚀区采用电熔再结合镁砖及镁铬砖，低侵蚀区采用高铝砖，平均寿命达到30炉左右。欧洲普遍采用镁白云石砖，寿命在2030炉。表1 优质钢包衬砖铝镁尖晶石碳砖铝镁碳砖镁铝碳砖 镁碳砖PN-SPC1PN-SPC2PN-AMCPN-MACPN-MT10PN-MT14Al2O3 % 60706515MgO % 151010707874C % 77781014显气孔率 1010111054体积密度g/cm3 2.722.822.752.82.852.82耐压强度 MPa 808560555040重烧线变化 (15503h) 0+1.0+0.5+2.0+0+1.0+0.5+2.5高温抗折强度 MPa (14000.5h ,埋炭)66.567682.1.2.3包衬用浇注料80年代,国内中小钢包采用水玻璃结合的铝镁浇注料,以一级高铝矾土作骨料,添加镁砂细粉,用不玻璃作结合剂,外加氟硅酸钠作促凝剂,在中小钢厂模铸钢包上使用平均寿命达到6080次，基本满足了模铸生产的需要。但随着连铸的发展，浇钢时间延长，浇钢温度提高，水玻璃结合的铝镁浇注料其抗侵蚀性、抗剥落性已不能满足生产的需要。在90年代，又开发了低水泥、超低水泥结合的尖晶石质浇注料，其品种有适应中小钢厂使用的矾土尖晶石浇注料、适应大型钢包和精炼需要的刚玉尖晶石浇注料。矾土尖晶石浇注料是以特级矾土为骨料，添加预合成的尖晶石，利用尖晶石抗侵蚀性好和热震稳定性好的特点，同时适量添加镁砂在更高的温度下与矾土颗粒继续反应生成尖晶石，伴随着持续性的膨胀有利于保持高温下的体积稳定性；采用SiO2超微粉和MgO与水形成凝聚结合以及合适的减少剂，实现低水分下有较好的流动性和较高的强度，具有较好的抗侵蚀性和抗剥落性。矾土基尖晶石浇注料在国内中小型连铸钢包上使用寿命达到100炉以上。随着大型钢包连铸及精炼的发展,普通的铝镁浇注料已不能满足使用寿命的要求,在此基础上又开发了刚玉尖晶石浇注料,降低水泥用量,合理控制MgO含量,调整尖晶石含量；具有更好的抗侵蚀、抗渗透以及抗剥落性，在宝钢、首钢、武钢等钢厂大型连铸钢包上使用寿命均超过150次，且使用过程中没有大的裂纹和剥落现象。表2 钢包浇注料理化指标项目铝镁浇注料矾土尖晶石浇注料刚玉尖晶石浇注料Al2O3 % 687288MgO % 12107SiO2 % 1081.5体积密度 g/cm3 2.652.853.05耐压强度11024hMpa 11003h 15503h2360706570808060110抗折强度 11024hMPa 11003h 15503h697.058118812线变化率 15503h+0.30+0.8+2.0 钢包整体耐火材料的不定形化技术介绍以往，炼钢所用的耐火材料一直以耐火砖为主，但由于砌砖操作需要熟练的技术，加之近年来筑炉操作工的年龄老化等问题，因此采用耐火材料的不定形化技术来实现筑炉操作的自动化和节省劳力已成为重要课题。最近，以浇注耐火材料的开发为主，开发了低水泥、高密度耐火材料，广泛应用于高炉出铁槽、钢包、中间包和等，推进了钢铁行业耐火材料的不定形化技术。 为减少钢包筑炉操作和降低耐火材料成本，日本大同特殊钢公司Shibukswa厂作为特殊钢生产厂之一，于年首次在（真空钢包炉）的钢包内衬采用了耐火材料的不定形化技术。自1年以后，该厂在（不锈钢）和超合金钢生产用的钢包包底和包壁筑炉中实现了Al2O3质浇注料的浇注施工。特别是最近在把不定形化技术扩大应用于各种耐火材料时，由于引进了新型湿式喷补施工技术，因而确立了钢包整体耐火材料不定形化的技术，其概况介绍如下。 不定形耐火材料浇注施工技术的引进 作为钢包包底和包壁不定形耐火材料的施工方法，当初引进的是最普通的浇注施工方法。 1浇注施工 浇注施工方法：首先，在包底施工后进行半天左右的自然养护。接着，安装框架和混合搅拌机，在浇注耐材之后，为使整个缝隙填充均匀，用棒式振捣器进行助振。再经半天左右的自然养护后进行脱模，然后对渣线部位进行耐火砖的砌筑施工。 2浇注材质的选择 对用于包底和包壁耐火材料的特性，不仅要求其抗腐蚀性和抗渣性要好，而且结构要稳定。一般认为Al2O3O质耐火材料能满足上述条件要求。Al2O3质耐火材料中的量在范围时，会形成组织致密、稳定的尖晶石固溶体，因此一般用作炼钢钢包的耐火材料。该厂重视降低成本，提高钢水冲击部的抗磨损性，重视残余膨胀性的影响作用，因此采用Al2O3材质作浇注料。另外，即使在长施工体的厚度较薄（最薄）的情况下，为确保浇注料的流动性，因此规定Al2O3骨料粒度在8mm以下，而且还添加了金属l，作为防止干燥时发生爆裂的措施。 3实际应用的结果 对15t钢包包壁最上部的熔损速度进行了调查。与耐火砖比，浇注料各部位的最大熔损速度为0.4mm炉，而渣线砖的修补周期（大约炉钢水）是在砖的熔损达16mm左右时才进行的，因而不会对钢包寿命产生不良影响。另外，使用后的工作面在清除粘附的金属和对表面进行若干清理后，只要工作面没有全部熔损，就可以进行接长修补，由此能减少新喷补施工时耐火材料的使用量和减少钢包产生的废砖达左右。 4扩大不定形化技术的课题 虽然已知浇注材料在耐用性能方面是没问题的，但为降低整个炼钢耐火材料的成本，今后有必要将不定形化技术扩大应用于其它耐火材料的施工体（例如，25t钢包、钢包和出钢槽等）。采用该方法进行浇注施工时担心有以下问题： 由于浇注体需要固化养护（为使浇注体的强度能达到渣线筑炉部位的强度，需要时间养护），因此降低了筑炉效率。 各施工部位需要专用的框架，因此难以确保框架的安装位置。 为解决这些问题，必须改进施工方法。 湿式项补施工技术的引进 1改进施工方法 为解决上述问题，最近以炼钢厂为主引进了正在不断被推广的湿式喷补施工技术。喷补操作程序如下。首先，用混合机将不定形材料与水混合后分批装入料斗，然后把装入料斗的喷补料用活塞式压力泵通过管道送到喷嘴，同时通过另外一根管道采用压缩空气将固化剂送到喷嘴端部，在喷出之前与喷补料混合后喷补在施工体上。 与以往的浇注施工相比，湿式喷补施工的主要特征如下： 由于不需要框架，因此能在任意位置进行任意厚度的施工。 由于添加固化剂，缩短了固化养护时间，因此能进行连续施工。 由于施工效率高（510t/hr），因此可缩短施工时间。 除此之外，它还能使耐火材料发生的熔化损失均匀，并可应付紧急情况。即可以说喷补施工法就是利用不定形耐火材料的特性来弥补浇注施工缺陷的施工方法。 2改进材质 以上述的浇注材料为基础，对浇注材质的压力输送性能、抗腐蚀性能和抗爆裂性能进行了改进。 （1）提高压力输送性能 为使湿式喷补材料能在压力下从内径38mm的管道和喷嘴通过，因此事先对各种喷补料在喷嘴内的流动性进行了确认试验，其结果示于表1。由该表可知，如果直接采用象浇注料那样的粒度，就会发生喷嘴堵塞，因此降低了粗粒度比，并将Al2O3骨料的粒度从8mm降低到。 表1压送试验的结果 试样ABCD 骨料比粗颗粒/中等颗粒2/12/13/21/1 上限粒度（mm）8555 添加的水分（）6.26.46.66.9 排出的流量（mm）182178183178 压送压力（Mpa）141384 压送评价不好不好好好 （2）提高抗腐蚀性能 根据上述试验结果可知，采用表的试料和时，不会发生喷嘴堵塞，但由于这两种试料添加的水分量比浇注料的大，因此会影响抗腐蚀性能。基于此因，在试料和中，以水分低的试料为基础，通过高频炉的侵蚀试验，调查了通过增加量来提高抗腐蚀性能的效果。结果，考虑到抗腐蚀性能和炉渣侵蚀的深度，将量增加到10，能弥补抗腐蚀性能的恶化。 3提高抗爆裂性能 采用上述材质对15t钢包和25t钢包的包底及包壁进行湿式喷补施工后，在预热1小时左右时喷补料会频繁发生爆裂故障，爆裂宽度大约mm。作为防止发生爆裂的措施，由于当初采取的是添加有机纤维的办法，但不理想，因此在改善钢包干燥条件的情况下进行了研究。 （1）爆裂发生的机理 采用一般干燥曲线模型对干燥中耐火材料内部的温度和水蒸气压力的变化进行了模拟，结果表明，干燥过程中施工体内部存在个区域，一是靠近加热面含水率为的干燥区域；二是水分迅速蒸发的蒸发区域；三是在蒸发区域产生的水蒸气流向被加热的背面，压力超过了饱和水蒸气压，形成凝结现象的凝结区域。干燥时的爆裂只有在蒸发区域满足了下列条件时才会发生。 P ：表面热风蒸气压（） ：蒸发面内部的蒸气压（） ：材料强度（a与抗拉强度和抗拉变形有关的抗折强度 在加热面一侧的含水量减少到一定程度后进行快速加热时，由于蒸发区域中的温度变化小，因此内部蒸气压的增幅小，但另一方面在干燥初期含水量的状态下进行快速加热时，由于蒸发区域靠近加热面，因此表层一侧内部蒸气压的增幅明显。如上式表明的那样，可以推测蒸发区域的内部蒸气压增大后，会造成材料自身的强度无法承受这一压力，因此发生了爆裂。 （2）改进干燥方法 对实际干燥中各部位温度变化进行实测，摸索出了最佳干燥条件。结果，根据以上喷嘴耐火材料的表面温度为基准，进行了干燥，基本抑制了爆裂。目前，把以下点作为抑制爆裂的条件是很重要的。 干燥开始小时后：加热速度90hr。 在小时后：加热速度200hr（6小时后，以表面温度为标准）。 在小时后：炉壳温度60时，加热不能超过12001300。 但是，在冬季室外气温低的情况下，由于干燥前的养护强度（抗折强度）低，因此无法确保材料具有耐蒸气压的强度，故频繁发生爆裂。作为其措施是采取预热干燥的办法，即筑炉后在钢包内对发热体进行燃烧，但这种干燥条件有待进一步改善。 在实机使用的情况 1熔损速度 15t钢包的包壁采用湿式喷补材料后的熔损速度表明，采用喷补材料的平均熔损速度为1.57mm炉，虽然比耐火砖的增大，但与浇注材相比，却取得良好的结果，受钢水冲击部位的烙损速度最大为2.5mm炉，与浇注材料的呈相同趋势，但其绝对值低。与浇注材料的主要区别在于透气砖和受钢水冲击部周围的熔损速度非常低，这两处分别是采用吹氩搅拌和采用AOD（氩氧脱碳法）装入钢水时因钢水冲击而造成熔损严重的部位，由此可知采用喷补料的施工体具有良好的抗磨损性能。 2断面组织 从15t钢包在使用炉后喷补材的断面组织照片和炉渣的侵蚀深度来看，包底的侵蚀深度比包壁的大m，在微变层内部能看见有一部分横向裂纹，还能看见有部分金属侵人。包壁的炉渣侵蚀深度较浅，为mm，与浇注材的基本相同。另一方面，由于原始层的组织非常致密，且气孔率也低，只有12，因此形成了良好的组织。 使用后的钢包包壁经取样做线衍射后可知，工作面的组织主要是aAl2O3、硅铝酸二钙（2CaOAl2O3SiO2：耐火度1590）、尖晶石（Al2O3：耐火度2135）；母材由Al2O3和尖晶石构成，由此可以推测浇注材和喷补材的化合物相同。这种CaOAl2O3SiO2系低熔点化合物的形成是造成熔损的主要原因。另外，尖晶石不是作为材料添加的，它是材料中的Al2O3骨料和基料中的细粉在高温下反应后形成的，即使在母材中，尖晶石也已形成分布范围广的组织形态。 施工效率和成本 各种施工方法的施工天数比较结果表明，以一座钢包的筑炉操作天数为例，采用浇注施工时，由于能连续接长修补，因此包底和包壁的解体时间可以缩短，与耐火砖相比，可缩短总的工期；采用喷补施工时，由于添加了固化剂，节省了养护时间，因此可缩短工期。 成本的比较结果表明，与浇注料相比，喷补料的价格仅仅是固化剂这一项的价格比浇注料高，但由于可延长使用寿命，因此比耐火砖可节约成本左右，比浇注材料的节约14。今后如果能将不定形化的喷补技术应用于目前仍采用耐火砖的容器（如，25tVLF钢包和中间包等），估计可以大幅度降低耐火材料成本。可以认为这是一种非常理想的施工技术。 结束语 15t钢包包底和包壁采用湿式喷补施工的结果表明，不论是施工效率，还是成本，都优于浇注施工法。为实现将来中间包等也能采用不定形化技术和出钢槽采用喷补修补技术来延长使用寿命，因此期待着这种湿式喷补机能成为广泛应用于各种物体施工的通用设备，从而进一步降低耐火材料成本。洁净钢技术与工艺简介(1)(2009-05-08 19:56:34) 转载标签： 杂谈1 目标与目的钢洁净度在钢铁应用的发展中是最重要的。钢的性能决定了它的用途与竞争能力，而化学成分和最终的显微组织确定了钢的性能。因此，不会有一个完整的洁净钢定义，它仅仅是与应用有关的一个术语。氧化物在改变钢的显微组织上扮演了重要角色，因此，成为本次研究的焦点。它们要么以钢水二次氧化的形式存在，要么以耐材或保护渣吸卷的方式进入钢中。因此，炼钢，尤其是二次冶金处理和连铸工序是实现所要求的洁净度的关键。为判定最佳操作和建立科学的概念，收集了关于设备、工艺和控制方面的数据。这些数据来自22个国家的64套设备上，各个数据表包含了800条不同的信息，总共获得了5万余条可用信息。选择了低碳钢、超低碳钢、管线钢、高碳长材和弹簧钢进行研究，应用领域涵盖了汽车裸露件、管线和滚珠轴承等。比较工业实践仅仅是该项目的一个部分，此外，还进行了深入的文献调查，以确定今后的发展与进步。氧化洁净度是优质钢最重要的一个指标。全世界在改进二次炼钢和连铸工艺技术方面付出了巨大努力。主要目的是要将钢水中夹杂物含量减少到最低程度，促进颗粒分离，避免被大气、炉渣和耐火材料二次氧化等。有害夹杂物一个主要成因是非常小的夹杂物在紊流区凝结，这出现在从大包到中间包、中间包再到结晶器传输钢水的过程。相反，外来非金属夹杂物源于炉渣夹带，因此，保护渣绝不能乳化进入钢水。这是对钢铁工业在这个艰难冶金领域里继续发展提出的挑战。2 洁净钢这次的研究不是要建立洁净钢的通用定义，因为洁净度是钢材使用的直接结果，对洁净度的要求各不相同。本次研究集中在氧化物夹杂方面。氧化物夹杂数量根据使用要求可以不同，但在位置、形状、分布和其它许多方面要仔细考虑。一般而言，钢和食品一样干净。人们所不希望的成分浓度大约是百万分之的数量级。而且，钢中局部含有杂质不会影响使用。当讨论钢的洁净度时，氧化物夹杂是讨论的重点。氧化物颗粒是在生产加工中由脱氧、二次氧化生成的，或与各种容器的耐火材料反应形成的。多数颗粒能在钢包、中间包和结晶器中与钢水分离、熔入渣中。留在钢水中的氧化物颗粒非常小，只有几个微米。显微洁净度是用钢水中总氧含量定义的。必须假定这些显微夹杂对高性能钢是无害的。即便如此，显微洁净度仍具有重要的意义，它是紊流区凝聚形成宏观夹杂物的基础。钢材缺陷的起因通常是钢铁生产中必须避免的宏观夹杂物。夹杂物含量低是洁净钢的一个标准，但不是唯一的标准。洁净钢的焦点是钢材及钢材的应用。就此面言，汽车裸露件、海上设施和冷拔钢丝所要求的洁净度有相当大的差别。应该认识到，随着产品厚度的减薄，这些要求也越来越严格。夹杂物的位置和变形扮演了重要的角色，二次冶金中的夹杂物工程是一个非常流行的控制夹杂物变形的手段。连铸坯夹杂物的位置受机器的设计和结晶器流动控制影响。宏观夹杂在连铸坯中是很少见的。50m以上的宏观夹杂很难找到，因此，需要使用大型试样监测系统，这是唯一能实现大海捞针的可能手段。当非金属夹杂物直接或间接地降低了加工性能或使用性能，则钢是不洁净的，当不存在这种影响时，则可以认为钢是洁净的，不用考虑非金属夹杂物的数量、种类、尺寸和分布等。3 洁净钢基本特征和生产实践洁净钢的任何定义都要包含它的使用要求，我们应该认识到，随着产品厚度的减薄，这些要求也越来越严格。因此对洁净钢的一种定义应该是，当非金属夹杂物直接或间接地降低了加工性能或使用性能，则钢是不洁净的，当不存在这种影响时，则可以认为钢是洁净的，不用考虑非金属夹杂物的数量、种类、尺寸和分布等。非金属夹杂物的类型有两种，即内生夹杂物(脱氧或二次氧化时形成的氧化物)和外来夹杂物(来自卷入的炉渣或侵蚀掉的耐火材料)。内生夹杂物通常与钢水成分达成化学平衡，它们是自然发生的，因此只能降低不能完全消除。相反，外来夹杂物通常是与工艺相关的，因此可以通过适当的手段消除。洁净钢生产就是要在各工厂特定的条件下控制夹杂物污染。尤其是在要求苛刻的应用领域，它的厚度非常薄，如帘线钢、超低碳IF钢或刀片钢等，则洁净钢操作必须严格贯穿整个生产流程。可用热力学模型帮助确立特定应用的夹杂物成分，强调实现这些所需要的工艺条件。实践中需要注意的主要是稳定操作、控制钢水氧势和在浇铸前分离夹杂物。在钢包向中间包以及中间包向结晶器输送钢水时，必须小心谨慎，避免钢水被空气二次氧化，还要注童降低各阶段的炉渣携带量。中间包向结晶器分配钢水，在流动力学设计上要避免缩短流动路径，这有助于将夹杂物引向渣或耐材表面。连铸机采用适度设计并具有稳定流动模型后，夹杂物在结晶器内的上浮实现最大化，避免了突发事件和钢水的不稳定流动态，而且，磁流体力学技术可用来控制、改变、优化钢水在结晶器内的流动。4 钢包操作就氧化物洁净度的关注程度而言，高炉转炉流程与电炉炼钢之间几乎没有差别。钢水中夹杂物的数量、种类、尺寸和分布的主要源头是二次精炼时的钢包操作，但也有一些源于中间包和结晶器内的钢水流动与工艺条件。中间包和结晶器内的夹杂物的形成与排除不在本文的讨论范围内。非金属夹杂物的三个来源：* 加入脱氧剂产生的脱氧夹杂物，以及由于钢水暴露于大气中或与不稳定耐材接触造成的二次氧化夹杂物；* 由沙子形成的和因化学与机械侵蚀造成的耐材衍生夹杂物；* 由于钢水在渣金界面高速流动和渣层乳化被卷入钢水深处形成炉渣衍生夹杂物。二次氧化夹杂物是炼钢的固有特征，通过优化工艺操作可以减少或完全消除二次氧化夹杂物、耐材衍生夹杂物和炉渣衍生液态夹杂物，否则就要使用搅拌或延长处理时间的手段去除这些夹杂物。原则上，炼钢的各个阶段都能通过这些手段将夹杂物送到金属气体界面、渣金界面或金属耐火材料界面，从而能成功地将其清除。颗粒要在金属气体界面或渣金界面上排出金属，它们首先要能分离到界面上，然后同界面分开。自然上浮对于清除小颗粒不是非常有效，而为了提高清除速度，使用气体或电磁搅拌钢水则增大了夹杂物相互碰撞的频率，这就促进了固态夹杂物凝聚和液态夹杂物的融合，形成更大的团簇。钢水搅拌是洁净钢生产的基本特征。气泡清除夹杂物的机理是大气泡夹带夹杂物而非小气泡直接捕获夹杂物。实际上，气泡在上升的过程中变大，所以它们脱除夹杂物的效力低于它的全势能。相对于气体搅拌，电磁搅拌更能实现精确控制，也避免了钢水在渣金界面上的剧烈流动，从而降低了卷渣的出现，然而，却不能实现强烈的渣金混合。钢水流动的垂直分量提高了夹杂物的清除速度，尤其是在靠近渣金界面时。夹杂物的粒度分布比总数量更重要，因此，工艺处理目的是允许非常小的夹杂物，在浇铸前完全消除团簇和炉渣衍生夹杂物。5 洁净钢生产中的炉渣乳化经常能在钢材表面附近和内部缺陷中观察到渣滴，这表明降低冶金容器内炉渣乳化程度是洁净钢生产的先决条件。在炼钢和连铸工艺上，发生炉渣乳化的机理有几种，如出钢流股冲入渣层、溢出气泡对渣金界面的冲击、出口涡流和钢水流对渣金界面形成剪切力作用等。各工厂发生炉渣乳化的主要机理不尽相同，但对于钢的缺陷，连铸结晶器内炉渣乳化极可能是决定性的。中间包夹杂或转炉渣夹带是涡流动造成的，虽然这个阶段的炉渣乳化没有结晶器内严重，但却削弱了冶金反应，降低了生产效率。大部分关于结晶器内炉渣乳化的研究都采用冷模型法，现提出了6种乳化类型，即：由结晶器窄面回流的钢水引起；由不稳定逆向流动引发高剪切应力造成；由浸入式水口后面有规律地产生漩涡分离引起；由浸入式水口出口处巨大的氩气泡运动到界面处引起；由浸入式水口出口处不均匀的钢水流动引起；高产量时在油水界面形成泡沫。乳化过程与液液界面处剪切力的发展有关。这个界面在临界速度下变得不稳定。认为由剪切力引发的炉渣乳化可能有三种不稳定机制，即KelvinHelmholtz不稳定性、Tylor-Saffman不稳定性和Fluid流动不稳定性。为建立对乳化行为的定量描述而进行了理论与实验分析。炉渣乳化的临界速度和渣滴尺寸随工艺参数和渣金的物理化学性质而变化，这些包括浸入式水口深度、拉坯速度、吹氩量、结晶器尺寸、出口形状、流动控制机理与堵塞程度、粘度、表面张力与密度等。利用结晶器内钢水流动控制可以防止卷渣。完整的流动控制系统要仔细考虑钢渣的理化性质和系统的几何条件。已知提高保护渣粘度可降低炉渣乳化和表面缺陷，但这导致保护渣消耗减少，带来了润滑问题。作为这个问题的解决方案，建议使用粘度高、结晶温度低的保护渣。保护渣的密度和表面张力影响炉渣的乳化行为，但在实际操作中，即使渣化学成分变化，这些性质也不会有太大的改变。漩涡的卷渣机理可分为两种不同的模式，即有初始涡量时最先出现的“vortex-sink”和在没有初始涡量时发生的造成浇铸后期卷渣的“draiHsink”。虽然经常说vortex-sink可以忽略而drain-sink才是炉渣乳化的主因，但仍有些人主张，至少在部分程度上，卷渣要归因于vortex-sink。这里有两种不同的情况，(1)低流速时，漩涡在浅水发展，随着排出速度的增加而增大；(2)在高速时，临界深度随着排出的增加略有下降。人们熟知，对钢铁生产有影响的是后一种情况。漩涡现象的特征可归纳如下：容器直径几乎没有影响；随着出流口直径的增加，漩涡在更浅的水深发展；随着容器内初始环流的增加，临界深度增大；偏心水口减轻了漩涡；炉渣相使漩涡扩大。为防止炉渣携带进行了许多努力，这包括炉渣侦测系统和破涡器的开发。对抑制漩涡提出如下建议：修改出流口、使用固定或漂浮的碟或球效果不明显；水口附近的流动隔板能有效阻止漩涡的形成；临时关闭水口似乎不能有效地抑制漩涡；喷吹气体可延迟漩涡的形成。为理解炉渣乳化后进人钢水的行为，并在洁净钢生产中杜绝这种现象，借助文献对流体乳化进入不相容的更重的流体进行了研究。这包含了由漩涡引发的炉渣在结晶器内的乳化。大部分的文献在处理这一现象时采用的是数学冷模型法和量纲分析，而不是直接观测钢渣体系。观察得到的各种机理与模拟容器有关。利用理论和实验分析对定量描述进行了研究，但主要是针对冷模型，还需要在生产应用方面和对前期工作的提炼等方面进行深入研究。6 钢水二次氧化与连铸水口堵塞在洁净钢的生产中必须控制各生产环节的二次氧化。长期以来，洁净度对钢性能的影响已被人们熟知，主要是长材和HIC钢。今天，许多研究表明了钢中总氧量或炉渣成分与成材的表面缺陷发生率之间有着直接的关系。这部分文字综合研究了为解决钢水二次氧化和水口堵塞所付出的努力，这些对实现所要求的洁净度是至关重要的：二次氧化的量化，对渣、空气和耐火材料造成的二次氧化控制，吹氩控制，连铸水口堵塞的机理和缓解。二次氧化的量化在今天有几个辅助技术是可用的：渣中FeO含量和粘度测量，用镧示踪铝镇静钢中的脱氧产物来标定二次氧化夹杂物，使用BaO、SrO或结合使用镧示踪与SIMS评定来追踪可能的二次氧化源。炉渣二次氧化控制当氧化渣与脱氧钢水接触时，就会形成明显的氧和脱氧剂浓度梯度。反应区位于渣金界面附近的钢水一侧，溶解氧和脱氧成分反应生成沉淀物。在冶金容器即将排空时，由于漩涡漏斗和draining漏斗的出现，渣被卷入。开发了许多防止炉渣带入钢包的技术，最常见的是转炉和EBT电炉使用的挡渣镖。目前在推广的红外相机侦测系统提高了挡渣效率。通常合并使用电磁AMEPA炉渣侦测系统与钢包滑动水口自动关闭系统来解决钢包到中间包的带渣问题。钟形钢包长水口是防止钢渣乳化、卷渣的有效方法。通过撇渣可避免钢水在钢包内被炉渣二次氧化，对于大部分用RH生产的铝镇静钢，进行炉渣脱氧可将二次氧化降到一定程度。炉渣脱氧主要使用铝基制品，可能还配加CaC2，主要是在转炉出钢时进行，也有时在二次精炼结束后进行。其目的是使FeO小于5，甚至2。为避免中间包内的二次氧化，使用密实的不会造成二次氧化的覆盖熔剂，如液态的富含CaO的碱性熔剂，添加15MgO来制约与中间包衬发生反应。大气二次氧化的控制必须控制钢包内的搅拌强度，以防羽毛状气柱破坏覆盖层，确保容器的气密性和惰性。在向中间包注入用镧示踪的钢水时，第一个水口上能看到沉积物，这是强烈二次氧化的证据。中间包无氧化预热能避免氧化预热产生的渣壳。中间包盖和最大0.10.5的预钝化能有效避免开浇阶段的包内二次氧化。对长水口、塞棒和浸入式水口的压力测量、计算表明是负压，尤其是靠近滑动水口和塞棒处。因此，要求耐火砖、耐火衬保持密实是非常重要的，必要时可吹氩进行钝化保护。耐材二次氧化的控制生产洁净钢的钢包衬通常使用优质耐火材料，如低硅高铝砖。对于白云石质钢包和MgO-C渣线，由于侵蚀的原因，Mg向钢水迁移，有可能生成尖晶石或CaOAl2O3MgO夹杂。中间包喷涂的MgO衬可能是二次氧化夹杂的源头，钢水与MgO夹杂和水反应。氧化铝石墨质耐火砖是复杂反应的发生地，因此使用无碳衬能有效地抑制这些反应。水口堵塞控制镧示踪了脱氧夹杂，因此钢水中夹杂与堵塞之间的关系清楚了：堵塞是二次精炼产生的非金属固体夹杂在耐火材料上沉积。这些夹杂物，对于碳钢是氧化铝和铝酸盐，对于Ti稳定不锈钢是氧化钛和TiN。浇铸时的后期二次氧化和吸氮夹杂物随着温度的下降而析出，这是排在第二位的特征。钙处理是一种解决铝镇静钢水口堵塞的方法。无氩浇铸是可能的。添的加钙合金在浇铸温度下可生成液态铝酸钙。合金添加量与钢水成分和总氧量有关。固态铝酸钙会造成水口堵塞。钙处理不合格是一个原因。另一个是渣金反应，尤其是优质长材，如帘线钢。为得到优质长材，必须吹氩。湍流的钢水促进了夹杂物与耐材壁的接触。使用叉形水口和塞棒及流量调节可减轻这种现象。经常需要5Lmin的最小氩气流量。应该参照流出量以避免结晶器液面剧烈波动。流量控制器和压力计是需要的，并要进行校准。耐火材料的质量与性质决定了氩气的标准流量。氩气管路中可能会留有吸入的空气。对耐火件的组装必须格外小心。唯一能用的高效耐火材料方案是所谓的氧化铝水口和无碳衬。耐材中氧化性气体少、绝热好、粗糙度低，这就提高了它的效率。对这些耐材的预热必须小心控制。7 中间包冶金多年来，中间包功能不断增强，从单一的钢水分配器的角色向着与质量相关的多功能角色发展。如果分配角色对于保证生产效率和生产成本仍是重要的，则其它技术是为实现更好的质量而服务的。即使在钢水温度和化学成分控制方面取得重大进步，提高钢的洁净度无疑仍是最主要的目的。如果大部分洁净度问题与宏观夹杂物有关，则更严格的要求和出于防止水口堵塞的需要就要控制、减少细小夹杂物的数量。现代钢包处理是相当可靠的，钢水中夹杂物含量非常低。中间包有两重作用，即避免钢水被污染和促进夹杂物分离。稳定浇铸期与开浇过渡期或更换钢包时是有明显区别的，后者更容易造成钢质量变差。在过去的1015年里所取得的进步主要是针对改善钢的洁净度的。由于延长存留时间利于夹杂物上浮，中间包的容量逐渐增大。尤其是为获得更高的安全性，防止顶渣卷入，中间包钢水深度也达到了最大。这些手段使得稳定浇铸期内氧化性宏观夹杂物问题得到明显改善。中间包的设计和形状是人们所关注的，几种配置都有各自的拓展，这表明实际情况造成最终的选择，钢洁净度仅是其中的一个方面。对钢包冶金站送来的钢水进行完善保护是绝对必要的，尤其是在过渡期会产生各种夹杂物源，无保护浇铸带来的空气、钢包带渣、中间包漩涡和炉渣乳化等都是需要重点控制的方面。为防止钢水被污染而采取了各种措施：使用长耐火材料管或水口接在钢包底上、使用中间包盖板、将炉渣侦测系统连接到炉渣切断系统上、在水口附近使用堤坝或隔板等。为研究中间包内的流体流动，人们付出了相当的努力，使用堤坝、堰坝和挡板及其它装置来强化夹杂物分离。我们看到，大量使用这些流场改变器的是大方坯和小方坯连铸机。尽管传统的酸性保护渣(稻壳)对钢水的绝热保温效果好，但却不再被洁净钢的生产认可，这就要求用碱性材料来取缔它们，并使用双熔剂法生产。总之，可以说，要实现极高的洁净度(这意味着结晶器内的总氧不超过15或20ppm)，中间包的设计是重中之重。当权衡投资费用与超大型中间包的操作，以及与次品有关的成本时，建议采用有充足容量的中间包，它要有最低的钢水高度或者入口与出口间有足够的距离。从经济性与冶金的角度看，堤坝或堰坝似乎只在小型或多流中间包上是可取的。无论使用何种中间包，都需要采取如下二类措施，尤其是在过渡期的时候：* 使用吹气水口，在开浇前密封中间包；* 应用钢包渣侦测法和钢包渣截断技术；* 浸入式长水口和钢包流影响最小化；* 仔细选择耐火材料衬和顶渣熔剂；* 最后是采用中间包底吹氩。其它技术，如中间包加热技术或电磁技术等的收益低，但投资成本、生产成本高。8 结晶器内流动控制钢水在结晶器内的流动极大地影响着钢水在结晶器内的被污染程度和夹杂物在坯壳内的滞留情况。也就是说，从浸入式水口排放出来的钢水撞在坯壳的窄面上，产生向下流进铸坯和向上流向弯月面的两股钢水流，诱发了扰动，如弯月面液位波动、夹渣和向下的钢流阻碍夹杂物上浮问题等。这一现象基本上是由于浸入式水口的出流在时间和空间上的不均匀造成的。另一方面，为防止非金属夹杂物滞留在坯壳内，在弯月面附近又需要一定程度的界面流速。该部分文字从结晶器内钢水流动控制技术的角度描述了弯月面液位控制、防夹带保护渣技术、电磁力应用等技术的现状。8.1 弯月面波动与控制弯月面液位波动不仅造成了诸如漏钢等生产上的问题，还严重影响铸坯质量。确切地说，当弯月面波动加剧时，板坯近表面非金属夹杂物增加，导致钢材表面缺陷加重。更有报道称，用EPMA分析时，在三分之一的表面缺陷样本中检测到了结晶器保护渣。从这些事实出发，就必须尽可能精确地控制弯月面液位波动，因此开发出了许多这方面的技术。液位传感器的侦测精度、浇注设备的响应速度和控制系统的特性决定了液位控制的精确性。控制模式的基础是根据液位传感器输出值的变化和拉坯速度，并将其反馈回或传递给控制系统来控制滑动水口或塞棒的打开，从而控制中间包向结晶器的钢水流量。至于测量弯月面液位的传感器类型，x射线法和热电偶法早在80年代以前就已广泛使用。磁铁型是在80年代才开始推广的。至于浇注设备，虽然塞棒使用到了70年代中期，但经改进的滑动水口系统在板坯连铸机上更常见。原因在于它的流量与滑板打开时间的线性度高，且滑动水口系统驱动硬件的机械可靠性也高。然而，在近几年，从稳定钢水出流和在浸入式水口内的流动以及消除滑动水口密封等问题的角度出发，人们开始重新认识结合了镶嵌式浸入水口的塞棒控制模式。液位控制的基础是根据液位传感器的信号和拉坯速度对滑动水口或塞棒的打开进行PID控制。然而，由于对质量要求的愈发严格和连铸连轧技术的进步，开发了额外的弯月面液位控制技术来应对浇注设备导致的钢流波动、鼓肚造成的弯月面波动和高拉速下弯月面扰动带来的液位波动等问题。弯月面传感器的发展似乎已到了极限，近一段时间几乎看不到技术进步。努力改进集中在了提高浇注设备精确度、工艺自适应控制和处理工艺扰动的H控制与人工控制等领域。自从主驱动系统从电机类型转换到液压类型，机械系统的精确度得到了极大的提高。为应对工艺的波动和扰动，当有可能要出现严重扰动时，将正常生产条件下的自适应控制切换到基于现代控制理论的控制模式是非常重要的，如H控制。最近有报道称开发成功了一种新控制系统，它结合了混合致动器与塞棒控制，获得了高拉速下良好的弯月面稳定效果。混合致动器是中间包塞棒的驱动单元，它的液压缸和液压泵结为一体，缸和泵间的管道非常短，重量轻且尺寸紧凑，故具有非常好的机械响应特性。8.2 保护渣的卷渣现已清楚，保护渣夹渣是造成产品缺陷的一个诱因，因为在许多产品缺陷中，如冷轧薄板的剥片和厚板的UST缺陷，常常能检测到保护渣成分。据报道，60的超低碳钢表面缺陷的根源都是保护渣。主要通过结晶器内的流动控制预防夹渣。保护渣物理性质的影响是很大的，浇注中使用少量氩气也能有效地防止夹渣。结晶器流动控制的基础是对出流钢水在弯月面附近的表面流速进行控制，因此，虽然电磁力技术能有效控制钢