中间包冶金3教材

1、中间包冶金中间包冶金中间包操作过程的流动现象中间包钢水夹杂物的去除中间包流动形态控制中间包精炼技术中间包过滤应用中间包加热技术8由储存、分配钢水和稳定注流作用过渡到精炼作用，具体有：1）消除钢水中夹杂物的污染，如钢水二次氧化、耐火材料的侵蚀、钢包下渣；2）促使钢水中夹杂物的上浮分离，如改善钢水流动形态、延长钢水在中包内停留时间；3）防止中包表面覆盖渣卷入钢水，防止中包内钢水旋涡和表面波的生成；4）采用附加的冶金工艺，完成中包精炼功能，如夹杂物形态控制，成分微调、温度精确控制；第一节 中间包操作过程的流动现象vLReV 流体速度；L 容器长度； 动力粘度；Re2000 层流Re 2000 紊流/

2、uuu脉动速度平均速度流动速度uu/紊流强度2%10%1.1 流动概念1.2钢包注流冲击区注流为自由流股，流股卷入周围液体后逐渐消失；注流流入一个对称的有限空间，卷入的液体引起再循环流动；注流流入非对称的中间包，引起多种类型的循环流动；自由流股封闭流股注流卷入空气决定因素：注流直径、轴向速度、钢水粘度、注流紊流强度v光滑层流，卷入空气少；v脉动紊流，卷入空气较多；v高度紊流，卷入空气很多；v分散液滴，卷入空气最大。分散液滴为光滑层流60倍以上。注流形态对流动的影响： 光滑 粗糙 麻花旋涡v卷渣；v卷空气；v注流不稳定，搅乱结晶器钢液流动。带来的危害：旋涡形成有旋涡时流动形态流动不稳定性和波的形

3、成v液面升高或降低时，流速有较大的变化而引起流动模式改变导致表面波的形成；v入口和出口条件发生变化时，流动不稳定性导致表面波。表面波的扩散，会引起中间包钢渣界面的搅动而卷入渣，对铸坯质量有不利影响。第二节 中间包钢水夹杂物的上浮夹杂物上浮50t，深度为1m，夹杂物上浮速度与时间的关系50t钢水，2501300，拉速1.2m/min，平均停留时间为9min，说明小于70m，上浮困难9)(22grvitP由于中间包钢水流动的紊流作用，夹杂物相互碰撞聚合加速了夹杂物上浮而聚合速度取决于紊流动能的消失速率：中间包紊流强度与钢包吹气搅拌大体相当，因此可以断定中间包内会发生夹杂物质点的碰撞聚合，更有利于夹

4、杂物上浮排除。 为使中间包夹杂物充分上浮，应采取的措施是： 1)增加钢水在中间包平均停留时间，使夹杂物有足够的时间上浮。为此中间包向大容量方向发展； 2)改善液体流动轨迹。流体把夹杂物带到中间包表面区，缩短上浮距离。为此在中间包加障碍物(如挡墙和坝)以改变流动方向消除中间包死区 3)钢包注流不应把夹杂物带入钢包底部而是在某一定高度。为此中间包液面高度由浅向深熔池方向发展。中间包钢水流量中间包钢水体积rt若中间包长7m、宽1m、深1m则钢水重量为49t，浇注2501500mm板坯拉速为1.5mlmin，则中间包钢水流量约为4tmin。其平均停留时间： 然而，由于中间包流动的不稳定性和存在不活跃的

5、死区，有些流动体单元流动快，而另一些流动慢，所以实际停留时间与理论平均停留时间之间是有偏差的。因此用停留时间分布来描述中间包钢水流动特性，为此采用物理模型(水模型)，使用脉冲示踪技术来测定中间包液体停留时间分布。 物理模型必须遵循原型和模型的几何相似和描述流动的相似准数相。根据刺激响应原理在水模型的中间包入口处，特定量的示踪别以脉冲方式注入钢包钢流，用探头(如电导仪)测定出口处的浓度变化，则实际平均停留时间的定义：00)()(dttCdtttCtf根据测定的浓度曲线(也叫c曲线)，可以估计中间包内存在三个流动区： 1)活塞流区：即流体保持均一性以相同速度流过中间包，此时入口和出口浓度相等。定义

6、tP为滞止时间，即在出口处显示示踪剂的时间。tP越长，活塞流越强； 2)混合区：液体混合良好，示踪剂均匀分散在整个液体中，任何时刻在出口处示踪剂浓度与液体相同。混合区与c曲线峰值相关， 3)停滞区(死区)：在中间包内一部分液体停留时间比平均停留时间要短，而另一部分液体停留时间又比平均停留时间要长，这说明有不活跃的死区存在。有死区存在时，c曲线有最高的峰值且出现长尾巴。第三节 中间包流动形态控制中间包无控制流动无控制流动模式缺点：v带入大量空气，加剧二次氧化，表面波等的形成；v存在钢水停滞区，温度不均匀；v有死区存在，中间包未能充分利用夹杂不易上浮。中间包控制流动挡墙有挡墙的流动模式作用：封闭钢

7、包注流冲击区的紊流，防止表面卷渣。沿中包顶部回流，可促使夹杂物上浮；向中包边墙流动后，可加速流体的再循环。ab对流动模式和平均停留时间有影响坝挡墙和坝的流动模式C、d 的位置挡墙和坝的联合作用：减少死区，提高平均停留时间，增加夹杂物分离的几率挡墙和坝影响使用挡墙铸坯表面夹杂由2.9%减少到2.1%，如联合使用坝，则表面夹杂由2.1%减少到0.3%。优点：缺点：浇注结束时，中包和坝之间保留一定量的钢水，不易清除。研究手段：采用水模和示踪技术可改进设计，优化等。中间包卷渣敞开浇注特点：v钢渣界面有有剪切力作用把渣户卷入内部；v注流冲击力引起液体表面波浪运动。尤其当液位降低时(如200mm)。剪切力

8、和波浪造成的卷渣更为严重。长水口浇注特点：钢渣界面流动剪切力减轻；减轻了由注流引起的波浪运动。如果中间包加挡墙墒和坝联合作用则卷渣有明显减少。中包卷渣的原因：钢渣界面流动的剪切力和表而波；注流冲击区的紊流；低液位时水口上部形成的旋涡 ，在浇注过程巾保持中间包最大的熔池深度(达1.11.2m)、长水口、大容量、保持稳定、安装挡墙和坝是防止卷渣的有效措施。措施：第四节 中间包精炼技术4.1中包双层覆盖渣覆盖渣功能：绝热保温，防止散热；吸收上浮的夹杂物(如A1203、钙铝酸盐)杜绝二次氧化，防止空气中o2、N2进入钢水。 炭化稻壳完成1）和3）作用，但上浮的夹杂不能铰渣于吸收。在中间包钢水面加一层混

9、合渣(如caoCaF2一Mg0系）在钢液面形成液渣层以吸收上浮夹杂，再在液渣上面加覆盖剂(如炭化稻壳)。双层渣的试验结果表明，可使板坯表面渣斑发生率减少85。 中间包渣还可作为精炼剂，在浇注初期有去硫作用，但浇注后期由于渣中Feo十Mno的增加，硫又回到了钢中。吹氩作用：增加搅拌能促进夹杂物上浮；形成液面保护层；改善流动状况。多孔透气环气体进入在6t中间包底部吹Ar试验指出，在100mm多孔砖上开2mm小孔吹Af流量为50一80(标)Lmin，可消除浇注初期钢水增氢，钢中氧化物夹杂也有所下降。大方坯连铸机30t中间包永久层和工作层之间嵌入多孔的管状气体分配器，使均匀的气泡穿过中间包，持续使用6

10、h，使钢中夹杂物减少25%。日本川崎在60一80t中间包用200m多孔砖吹Ar，可改善管线钢的抗氢脆裂纹敏感性(即HIC值)。多孔透气环利用旋转的多孔透气塞产生大量的微气泡来促进夹杂物分离。转速为100rmin，对低碳铝镇静钢中小于50m夹杂物有明显效果。还有在中间包挡墙安多孔砖的吹Ar试验，可以解耀决连铸镀锡板的A12O3夹杂。 在中间包塞槽中心孔径经浸入式水口向结晶器吹Ar防止水口堵塞，巳在生产上广泛采用。但是必须注意管子连接处的密封性。如密封不好如同一个“喷射泵”吸入空气，加重了钢水的二次氯化。 原则上讲，钢包钢水成分微调技术均可应用于中间包。在中间包加入员氧化元素(如Ti、Al、Ca)

11、或微量元素(如B、V)钢水与污染源(如渣、包衬、空气)接触时间较短，有利于提高元素的回收率。由于中间包熔池浅，钢水停留时间有限，为确保元素能充分吸收，广泛应用喂丝法。（WF）WF目的：是把高熔点的串簇状的Al2O3、改为低熔点的球形铝酸钙(如12caO7Al2O3)p以改善钢水流动性，防止Al2O3堵水口。此法在小方坯连铸中间包得到了应用，为增加包芯线穿越钢水的停留时间采用螺旋式喂丝技术。用一台辊式开卷机将包芯线送入导管进入中间包，喂丝进度可达20-30mmin。近年来，采用泡沫过滤器去除有色金属(如A1、Cu）中夹杂物提高了纯净度使深冲壁厚为o11mm易拉罐的废品率小于十万分之一。目前钢的薄

12、板制品(如汽车板、食品罐头等)要求高的深冲性，轮胎钢丝要求高的深拉性(冷拔到0.15-o.25mm)，高碳钢(如轴承钢)要求高的抗疲劳性。影响这些产品性能的主要原因是钢中不变形的Al2O3夹杂。 在连铸生产过程中，采用钢包精炼和中间包冶金技术只可能去除大于50m的大颗粒夹杂，而小于50m的夹杂物难以去除。为把钢中小颗粒夹杂物降到最低限度借助于有色金属应用的成功经验，在连铸中间包采用过滤技术，这种方法已引起冶金工作者广泛重视。过滤器不同于上浮分离法它是种强制性分离夹杂物的方法使夹杂物沉淀、滞留在多孔的过滤介质中。过滤时夹杂物被捕获而液体自由流过，从而把夹杂物从液体中分离出来、净化了钢液。依据去除

13、夹杂物大小有三种过滤器：筛网过滤器 凡是大于网眼尺寸的夹杂物都被机械地截住这种过滤器一般用来过滤掉外来大块夹杂物(如炉渣、耐火材料质点)；饼状过滤器 钢水经过多孔介质时，固体夹杂物沉积在过滤器上部，随着过滤的进行，浊饼层逐渐变厚，钢水流动阻力增大，为保持液体恒定流量，要求迅速增加整个滤饼层上的金属静压力；深床(泡沫)过滤器 去除夹杂物尺寸一般小于网眼孔径，为有效捕捉夹杂，必须迅速把夹杂物传到网孔表面并粘附烧结在上面，而粘附决定于夹杂物与钢水的润湿和网孔的表面状态。如AI脱氧钢，Al2O3与钢水不润湿，流动把Al203。传输到网孔表面面沉积下来。（筛网过滤器）（饼状过滤器）（深床过滤器） 过滤器

14、不是一个简单物理分离过程，而是一个流体传递过程： 1)流体流动把夹杂物传输到过滤器表面，2)过滤器捕获夹杂物，捕获机制有直接截留、惯性沉淀和流体传递；3)高温下夹杂物烧结在表面上。最终会使过滤器堵塞，钢水断流而失效。 泡沫陶瓷过滤器是一种微孔结构材料，具有高容量硫松度(82一90)，每I cm3泡沫陶瓷有10000cm2的过滤表面。深床过滤直接截留惯性沉淀流体传递为了有效地过滤夹杂物，对过滤器材质要求： 1)与钢水长时间的接触过程中，过滤器能承受热应力和机械应力作用； 2)能抵抗钢水和渣子的浸蚀而不发生化学作用； 3)既能有效清除夹杂物(尤其是细颗粒夹杂)，又没有过大 的阻碍钢液流动的阻力。

15、试验表明，用孔隙度为20ppi(ppi为孔数/时)的陶瓷过滤器可以有效地过滤夹杂物，即使只有几微米的Al203也可以滤掉，而过滤器面积主要决定于通过过滤器金属总量和清洁度。泡沫陶瓷材料性能在多种过滤器中，深床陶瓷泡抹过滤器具有重量轻、孔径弯曲、表面积大、压力损失小、高温机械性能好等优点，能截除钢水中细颗粒Al2O3夹杂。提高过滤器效率的办法是；1)增加过滤器长度；2)降低流体速度；3)改善过滤器材质。 用两个方法来评价过滤效果一是过滤前后的总氧量变化，二是用金相法来鉴定夹杂物类型和数量。 从感应炉熔化钢水（C=0.38)脱氧后钢水经过过滤器后其效果是：Al2O3平均含量从0.067减少到0.0

16、08，清除夹杂物效率达91：平均总氧量由340PPm降到383ppm，去氧效率达88.7。过滤后有的炉次总氧达到10Ppm或更低，已接近于Al脱氧最低的平衡氧含量(4Ppm)。 对过滤器附着夹杂物金相观察指出，几乎全部为Al2O3，因此认为总氧量的降低主要是去除Al2O3的结果。双流大方坯连铸机浇304不锈钢，中间包加挡墙和坝，与使用2个泡沫过滤器(直径200mm、厚38mm)的对比试验结果表明：使用过滤器后方坯中的硅酸锰夹杂减少了74。 小方坯这铸机浇注含Al钢(Al0.024)，浇注时间约90min。在中间包的一流安装了过滤器。试验表明，过滤的钢水经定径水口只需烧一次氧来排除Al2O3的积

17、累，而其他水口要烧45次之多。可见使用过滤器后大大降低了钢水中Al203夹杂。 过滤器的试验证明，Al203、TiN、铝酸钙、硅酸锰等夹杂都可有效地从钢水中过滤掉，不仅能去除大颗粒夹杂，还能去除50m的夹杂，这对于生产高纯净度钢提供了极为有效的工具。用于中间包泡沫陶瓷过滤器在浇注过程中钢水温度、钢水成分和钢水流动持供是控制连铸机生产率和铸坯质量三个重要的变量为把连铸机产量和铸坯质量的矛盾统一起来。提出了浇注过程温度稳定控制的概念，其中重要的是中间包钢水温度稳定性控制问题。6.1 中间包钢水温度稳定性控制对策中间包钢水目标温度控制对策有： 1)最大能量损失原则，即每炉高温出钢一钢包站调温(如加废

18、钢冷却降温)一中间包目标温度值； 2)优化能量损失原则，即严格按温度损失决定出钢温度，在钢包站不降温不加热以达到中间包目标温度值； 3)最小能量损失原则，按预定温度出钢，在钢包或中间包补充能量以达到目标温度值。 第一种对策是不可取的出钢温度高造成炉子和钢包耐火材料寿命低，对钢质量也不利第二种对策是按炼钢过程能量优化原则以决定出钢温度。这样要求完整、准确地掌握从出钢到浇注过程中各工序的温降和严格的管理，同时要求在线计算机根据操作时间计算出钢温度和各阶段的温度值，不允许有失误。第三种对策可以提高炉衬寿命，能准确控制中间包钢水温度，但需要向钢包或中间包输入外加能量，安装加热设备，使用费用较高。)(qQTCTqCTQCdtdTMCepePaPPPepePaPMCqQTCTqCTQCdtdT)(q，TeQ，Ta当中间包液面稳定时：0dtdMqQ 即：0)(PeaPMCTTQCdtdT)(eaPTTQC钢包水口流量中间包热损失钢包钢水温度中间包钢水温度a为开浇期，由于中间包衬吸热，钢水温度下降10一15；b为正常浇注期，经过10一15min，由于包衬吸热达到饱和，同