连铸中间包冶金技术研究

1、连铸中间包冶金技术研究2 . 2H型中间包日本钢厂通过实验证实了 H型中间包控制钢水流动形态的冶金效果 7 。H型中间包结构见图 1。 使用 H型中间包 ,不但可以使中间包内钢水流动平稳 ,而且使钢水静置时间延长。更重要的是可以避免在更换钢包时的钢水液面波动和卷渣问题。2 . 3 中间包气幕挡墙中间包气幕挡墙是随着中间包冶金技术的发展并借鉴钢包吹氩搅拌技术而发明的一种全新技术 ,日本新日铁和 JFE各有一个相关专利,鞍钢也进行过试验。通过钢包底部布置的成列的吹氩孔向中间包内吹氩 ,吹入的氩气泡在中间包内产生一道“气幕 ” ,被称之为中间包气幕挡墙。气幕使中间包内死区体积显著减少 ,使活塞流体积

2、显著增大 ,如图 2所示。利用微小气泡去除非金属夹杂物 ,还可以全部或部分代替原有的中间包挡墙 (坝 ) ,从而减少由挡墙 (坝 )侵蚀带入钢水中的夹杂物 ,有效地提高钢水的洁净度。研究人员将实际生产中使用的气幕挡墙和原有渣堰的使用效果进行对比分析后得出结论 ,使用气幕挡墙可使大颗粒非金属夹杂物的数量明显减少。该技术要求向中间包内吹氩的透气砖具有耐高温和良好的抗钢水冲刷能力。2 . 4 离心流动中间包日本川崎钢铁公司开发了电磁驱动离心流动中间包 , 简称 CF中间包。离心流动中间包由圆筒形旋转室和矩形室组成 (图 3)。钢水由钢包长水口进入旋转室 ,在旋转区内的钢水受电磁力驱动离心流动 ,然后

3、从旋转区底部出口进入矩形室进行浇注。原理是利用电磁场力旋转圆筒状中间包内的钢水 ,利用转动钢水所产生的离心力促进夹杂物分离。在离心流动中间包中 ,钢水混合能量是普通中间包的 100倍。由于钢水混合能量大 ,夹杂物聚集后颗粒增大 ,有利于将其从钢水中分离。日本川崎钢铁公司在千叶厂的 1号板坯连铸机上做了离心流动中间包工业试验 ,并已成功地用于该厂新建的 4号板坯连铸机的超洁净不锈钢的高速连铸。钢包容量 160 t,铸速 2 m /min,中间包旋转室容量 7 t,矩形室容量 23 t (合并一起的中间包容量为 30 t) ,两室底部连通。实践证明:使用离心流动中间包与传统的浇注相比 ,铸坯气孔消

4、除 (换包期的铸坯 ,也未发现气孔 ) ,条状裂纹减少 50%以上。换包期间 ,有无离心旋转对板坯中全氧质量分数的影响如图 4所示。进行电磁离心搅拌后 ,铸坯全氧质量分数由20 × 10- 640 × 10- 6降到 8 × 10- 615 × 10- 6,夹杂物总量减少约一半 ,冷轧和热轧卷板的表面缺陷指数降低到常规中间包的 60%。离心流动中间包对减少夹杂物效果明显 ,与其他二次精炼技术相比 ,有较明显的优势。连铸实践表明 ,离心流动中间包可有效提高热轧和冷轧板卷的表面质量。2 . 5 设置中间包控流装置中间包控流装置的设置对其包内非金属夹杂物的上浮

5、、 均匀钢水温度和成分起着至关重要的作用。国内外许多冶金工作者为强化中间包的冶金作用建立了中间包流场模型 ,但其对于满足当前生产高质量钢种要求是否具有实际意义尚无定论。近年来 ,中间包内主要的控流装置有挡墙、坝、 过滤器、 湍流控制器和中间包底部吹气及其组合装置。2 . 5 . 1 挡墙、 坝在中间包中安置堰和坝 ,可以有效改变钢水流向 ,延长钢水停留时间 ,有利于夹杂物的上浮。堰 ,又称挡渣堰或上挡墙,横跨整个中间包宽度 ,从钢水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。堰在中间包中的作用是:控制钢包注流冲击区的大小和钢包注流对中间包钢水的搅拌强度 ,促进夹杂物碰撞和聚集成大

6、尺寸夹杂物 ,从而上浮并去除;把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;把钢包注流冲击引起的中间包钢水表面波动限制在堰的上游 ,稳定堰下游的中间包钢水液面 ,减少因表面卷渣、 二次氧化和机        械冲刷所产生的夹杂物数量。坝 ,又称导流坝或下挡墙 ,横跨整个中间包宽度 ,从中间包底部向上延伸至距钢水液面之下一定距离 ,钢水从其上方流过。设置坝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;可以将钢包注流的冲击限制在冲击区内 ,

7、降低钢水的水平流动速度;还可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 ,坝和堰通常一起使用 ,以获得理想的中间包钢水流动和冶金效果。有实验比较了装与不装坝 (或坝和堰 )中间包内钢水的最短停留时间 5 ,结果是设有控流装置的中间包最短停留时间延长 ,并且钢水在较宽中间包内的最短停留时间随着坝高的改变而改变。但坝高应限定在一定范围 (0 . 250 . 75 H, H为中间包熔池深度 )才有效果。如果坝高超出了上限值 ,最短停留时间反而会缩短。但是 ,德国马普斯技术中心研究结果表明 6 ,中间包挡墙促进夹杂物上浮的作用并不明显。因此 ,在欧洲各个钢厂推广使用的是无

8、挡墙中间包技术。理由是 ,如果钢水在进入中间包之前的精炼过程中已经达到相当高的纯净度 ,中间包挡墙和坝已不再具有继续改善钢水质量的作用。在这种情况下 ,除对钢水纯净度要求特别高的钢种外 ,可以在中间包内不设置挡墙。2 . 5 . 2 过滤器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 ,从钢水液面上方一直延伸到中间包底部 ,钢水从微孔流过。在中间包中 ,对直径大于 50m的大颗粒夹杂物可以采取简便的净化措施 ,将其与钢水分离 ,使大颗粒夹杂物上浮排除。而过滤器是用来捕捉小颗粒夹杂物,以净化钢水。但过滤器因微孔容易堵塞 ,钢水通过过滤器的流量小且成本高 ,在应用上受到限制。2 . 5

9、. 3 中间包底部透气砖在密闭的中间包中吹氩 ,可以使中间包内的气氛在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吸入空气。透气砖被设置在中间包底部 ,位于钢包注流区和中间包水口之间 ,底吹气体一般为氩气。当通过透气砖吹氩气时 ,气泡吸附夹杂物并与夹杂物一起上浮 ,从而提高钢水的清洁度。这种技术的弊端是吸附夹杂物的气泡有可能被卷入铸坯 ,造成较严重的缺陷。2 . 5 . 4 中间包湍流控制器湍流是由进入中间包内的高速钢水流引起的 ,不但能将中间包覆盖剂卷入钢水中 ,形成夹杂 ,或卷入空气发生二次氧化,而且高速钢水流冲击中间包包底 ,侵蚀耐火材料 ,影响中间包寿命。湍流控制器能抑制

10、钢水流对中间包包底的冲击。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。湍流控制器的作用如下: 对钢包注流的冲击起缓冲和限制作用; 改善中间包钢水的流动特性 ,延长停留时间 ,有利于钢水中的夹杂物上浮分离; 钢包开浇和更换时 ,减轻钢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; 增加中间包钢水流动的活塞流体积 ,降低死区体积。研究专家对安装了不同控流装置的中间包流场和温度场进行水模和数模实验后得出了结论:与装有堰和导流隔墙但无控流装置的中间包相比 ,装有湍流控制器和挡墙的中间包活塞流区更大 ,能更

11、有效地消除钢水表面的湍流和扰动现象 ,有利于降低吸气量 ,促进夹杂物上浮;同时减缓出口流速 ,从而降低注入流温度波动对中间包冶金效果的影响。还有 ,湍流控制装置的几何结构对中间包钢水流动特性有明显影响 7 。方形无顶缘和圆形无顶缘的湍流控制装置对抑制钢包注流动能的作用不大 ,而方形带顶缘和圆形带顶缘的湍流控制装置能够较好地改善中间包内流体的流动特性。但是 ,实际生产中曾出现过不尽人意的结果。加防湍流垫后 ,在浇注后期 ,由于湍流控制器经受不住高速钢水流的连续冲击,不断被侵蚀而熔解到钢水中 ,反而污染钢水。美国多家钢厂采用了新型防涡流垫 8 。如LT V钢公司将其与堰、 坝一起使用 ,表明防涡流

12、垫对中间包钢水流动状态有明显改善。稳定浇注时 ,结晶器内钢水总氧质量分数下降了 20%;更换钢包时下降了 30%。由于钢水中夹杂物的减少 ,中间包水口堵塞现象减少了 57%。中间包控流装置的根本目的 ,是有效地延长钢水在中间包内的平均停留时间,最大程度地减小滞留区的钢水体积。使用上述多种控流装置能显著提高钢水的洁净度 ,但是考虑到耐火材料是中间包内夹杂物的来源之一 ,以及耐火材料的消耗 ,因此应在保证钢水质量的前提下 ,尽量减少各种控流装置的使用。3 防止中间包浇注过程的二次污染日本住友金属鹿岛厂的实验结果表明 ,从冶炼设备经钢包和中间包出钢 ,如不加以保护 ,钢水中将有约 70%的夹杂 (内

13、在夹杂和外来夹杂 )来自于中间包。这些夹杂在中间包内如不加以分离 ,将对铸坯质量和冶金工艺产生严重危害。过去 ,为了去除中间包内夹杂物 ,采用的技术主要是防止钢水再污染:换包时尽量减少钢包渣的卷入、 钢包到中间包采用长水口浇注、 防止钢水与包衬耐火材料发生反应、 中间包加盖等保护技术。近年来 ,为进一步满足市场对高质量产品的需求 ,当今国内外围绕中间包开发了一系列提高浇注钢水质量的相关技术。3 . 1 控制中间包开浇的二次污染头坯中含 N、 全氧质量分数 (wT . O )、 MA (重要缺陷 )、 M I(次要缺陷 )数量均比稳态浇注时高得多 ,见表 2。 为了提高头坯的洁净度 ,采用中间包

14、密封吹氩操作。有试验研究指出 ,开浇时在中间包吹氩 ,二次氧化大大减少。与中间包不吹氩相比 ,钢中wAls损失由 80 ×10- 6减少到 10 ×10- 6;吸氮由25 × 10- 6减少到 3 × 10- 6; wT . O增加量由 22 × 10- 6减少到 12 × 10- 6。国外不少工厂采用中间包密封吹氩操作 9 。其中克鲁斯公司生        产 IF钢时, 68 t中间包,吹氩量1020 m3/min,中间包气氛中氧含量质量分数低于 1%

15、,减轻了水口堵塞,铸坯缺陷率降低 38%。迪林根公司, 50 t中间包,吹氩 6 . 5 m3/min,中间包气氛中氧质量分数低于 1%,氮质量分数低于 5%。在浦项 ,中间包吹氩时 ,气氛中氧质量分数低于1% ,夹杂物明显减少。中间包密封吹氩技术在欧洲板坯生产中占6% ,大方坯生产中占 9% ,北美很少使用 ,日本采用较多。3 . 2 控制中间包内钢水卷渣中间包包衬材料中含有的 Si O2 会被钢水中的 Al还原成 Al 2O3 ,使钢水洁净度降低。因此要求包衬耐火材料中 Si O2 低于 2% ,也就是使用碱性材质包衬。对开浇、 换包和异钢种连浇等非稳态浇注下的中间包来说 ,钢水卷渣仍然是

16、影响钢水质量的严重问题 ,因此必须对其加以抑制。钢水卷渣的原因与防止措施见表 3 10 。 北京钢铁研究总院的水模研究 ,通过减小中间包水口直径、 使用塞棒和适当降低拉速等 ,对中间包的结构参数和操作工艺参数进行优化 ,在一定程度上减轻了汇流旋涡的影响,同时成功研制了汇流旋涡抑制器。某钢厂在无控流条件中间包和现行条件中间包 (即具有上、 下挡墙与塞棒的中间包 )中使用汇流旋涡抑制器的效果如表 4所示 (其中各高度值为原型的 1 /4)。 表 4中 ,旋涡产生高度、 开始卷渣高度和旋涡全通高度分别是中间包中产生旋涡、 旋涡开始贯通和旋涡全部贯通时对应的中间包钢水临界液面深度。采用汇流旋涡抑制器可

17、使现在普通使用的具有上、 下挡墙的中间包中旋涡的各特征高度减小 1倍以上 ,这样既增大了钢水的收得率 ,又提高了钢水质量。3 . 3 采用碱性包衬采用 BOF - RH -大方坯工艺生产轴承钢时 ,中间包采用不同材质对钢水中的氧含量进行分析 ,结果如表 5所示。在生产铝镇静钢时 ,中间包采用不同材质对钢水中氧的影响的研究结果见表 6。3 . 4 采用碱性覆盖剂浇注铝镇静钢时 ,中间包覆盖剂中含有Si O2 ,在钢渣界面将发生 Al + ( Si O2 ) (Al 2O3 )+ Si 反应 ,通过测定浇注过程钢水中 Si含量的变化来判断转移到钢水中的氧含量。有研究指出 ,如果精炼后钢水中 wT

18、. O为 30 ×10- 6,钢水注入中间包后 ,由于覆盖剂中 Si O2 与Al的反应 ,使钢水中 wT . O增加 1倍多。可见覆盖剂中 Si O2 是有效的氧源 , Si O2 含量应尽可能低 ,也就是说要采用碱性覆盖剂。4 中间包冶金新技术4 . 1 中间包加热技术钢包更换时 ,由于新钢包内钢水的密度与已注入中间包内钢水的密度之间存在差异 ,从而影响了中间包内钢水的流动形态 ,而密度的差异主要是源于钢水之间的温度差。中间包加热可以消除钢水之间的温度差。4 . 1 . 1 等离子加热技术Bghedelstahl钢厂的水平连铸机上应用了等离子加热器。直流等离子枪的加热弥补了钢水在

19、中间包内的热量损失 ,并可以将钢水加热到所要求的温度。NKK京浜厂采用 14 MW 直流转移型等离子弧加热 ,可将中间包内的钢水温度控制在目标温度 ± 10 之内;在钢包更换期间 ,等离子加热可将中间包内钢水的温降控制在 5之内。通过精确地控制中间包内的钢水温度 ,产品的中心偏析现象消失 ,生产率提高。有研究指出 8 ,采用等离子加热法时 ,中间包加盖 ,并采用气体搅拌均匀熔池 ,中间包热传输性好 ,热利用率高,达到了去除夹杂物的目的。4 . 1 . 2 氮气流加热技术为降低中间包耐火材料损耗 ,改进钢水质量 ,国外有些钢厂以前曾采用煤气烧嘴预热器来维持热量。但这种预热会导致循环使用

20、的中间包内残余物的再次氧化。被氧化的残余物 (如 FeO)会与钢水中的铝起反应 ,产生 Al 2O3夹杂 ,从而降低尤其是初始浇注炉次的铸坯质量。其后进行过向循环使用的中间包内吹入惰性气体的无预热密封防氧化操作 ,但必须调节密封气体的流速以保证浇注顺利开始的最低中间包温度 (900)。为解决这些问题 ,即为了保持循环使用操作中的中间包容器内部的热量和不活跃气氛 ,日本已开发出了新型无氧化中间包加热系统。该系统采用一种存储型换热器 (蓄热器 ) ,向中间包吹入加热至 1 500 的氮气流 ,即使经过 20 h的等待 ,中间包温度仍可保持在 900以上;同时中间包内氧质量分数降至 3 ×

21、 10- 4以下。川崎公司水岛厂的 4号板坯连铸机应用喷射高温氮气加热 ,结果表明:与使用密封气体等待较长时间的情况相比 ,初始炉次的中间包钢水的总增氧量降低了50% ,有效控制了中间包钢水的再氧化 ,提高了钢水的清洁度;钢材中夹杂相关缺陷的发生率降为过去水平的 1 /51 /3。同时 ,加热中间包有利于防止浸入式水口堵塞。4 . 2 中间包连续真空浇注处理俄罗斯的研究人员在连铸过程中对钢水进行连续真空处理 ,利用如图 5所示的装置进行脱气和去除夹杂物。经试验 ,该装置对镇静钢、 半镇静钢和沸腾钢均有良好的效果。对 08Al镇静钢进行真空处理后 ,连铸坯废品率减少到原来的 1 /41 /2,脱

22、氢50%60% ,        钢中氮质量分数不大于 0 . 004 0% ,各类夹杂物均有不同程度减少 ,且大于 40m的夹杂物由未真空处理的 2 . 38个 / cm2降为真空处理后的 1 . 19个 / cm2。此项技术工艺布置紧凑、 投资省、 占地面积小、 操作方便 ,脱气效果比其他真空处理方法优越。但是 ,由于该装置位于钢包与中间包之间 ,可调范围小。4 . 3 电磁过滤电磁过滤原理是根据非金属夹杂物与熔体导电性的差异 ,在电磁场作用下非金属夹杂物与熔体的运动规律不同 ,使非金属夹杂物与熔体分离。分析得

23、出 ,采用电磁过滤法比普通过滤方法可更有效去除钢水中小于 10m的非金属夹杂物。宝山钢铁股份有限公司申请了“ 电磁式中间包挡渣堰 ” 专利 ,电磁式中间包挡渣堰吸附夹杂物能力很强 ,还可改善中间包钢水流动形态 ,特别适用于洁净钢生产。4 . 4 喂线技术精炼和连铸过程中 ,容易产生钢水二次氧化或中间包水口堵塞现象。这种现象在中间包水口较小或浇注铝镇静钢条件下尤为突出。为了解决上述问题 ,采用了中间包喂线技术 ,主要是喂 Ca2Si包芯线。在冶炼微合金钢时,采用了中间包喂微放热合金线技术。这种合金线是用添加硅的铁合金粉末挤压而成的。实验结果表明 ,加入适量的 Si可以显著地提高合金的熔化速度。例

24、如 ,在 1 400 的温度下 ,使 FeNb合金完全熔化所需的时间为112 . 5 s,而加入质量分数为 5 %的 Si时 ,熔化时间缩短至 97 . 5 s。Si加入量达到 10%和 20%时 ,熔化时间可分别缩短到 86 s和 82 . 5 s。加入 Si对于中间包准确并高效地微调钢水成分是十分有利的。Sbaum R等对中间包喂 Ca线技术进行了研究 ,加入的 Ca与 Al 2O3夹杂物反应 ,生成 2CaOAl 2O3 ,从而降低了夹杂物的熔点和密度 ,有利于夹杂物的上浮分离。当中间包中的钢水温度开始下降时 ,喂入的 Ca线有助于保持钢水的流动性 ,从而避免了高熔点夹杂物阻塞水口的现象

25、。当连铸机由于特殊情况延误而使中间包内的钢水温度降低至不能继续浇注时 ,一般需将钢包内的钢水返回到炼钢炉中 ,而喂 Ca线技术的应用大大降低了这种返回的可能性。JFE进行了钢水中喷加钙粉的实验和理论研究。首先 ,通过喷粉工艺将钙粉喷入钢水,以控制氧化铝夹杂的形状;然后 ,往中间包内二次添加铝 ,以控制 MnS和 CaS的形状。与传统的通过喷粉加钙或往中间包加钙以在 Ca - CaO - Al 2O3 渣系中达到平衡态的方法相比,这种两次加钙的方法提高了对氧化铝夹杂形状控制的效果。为了解释氧化铝夹杂的形状控制率,应用了适用于实验室规模的非活化形核模型。该模型二次加钙处理的计算值与观察值吻合。通过

26、两次钙处理 ,可控制酸性环境下使用的干线用管线钢内的氧化铝夹杂形状。4 . 5 液位检测技术在钢水从炼钢炉出钢到钢包 ,然后注入中间包 ,再注入结晶器的过程中 ,首要目标是渣 /钢彻底分离 ,以最大程度提高钢水收得率。因此 ,防止将钢渣从一个罐带进另一个罐极为重要。液位检测装置的核心部分是与包内底面有一定距离且用灰浆粘在包工作衬层上的一根耐火探杆。杆内包藏两条金属线 ,线端露出 ,与包内底部相距一定距离 ,用作外部两个电路的接触电极。浇注当中两个电路都产生连续电压信号。当电极的接触相改变 ,即从钢水变为熔渣时 ,以 PLC为基础的仪表系统会报警。伯利恒钢公司雀点厂板坯连铸机 2号铸机采用此试验装置。试验结果表明 11 :传感器寿命能够达到连浇 10包左右钢水 ,按最终熔池深度 203 mm及每个中间包平均使用期为浇 10钢包计算 ,预计收得率提高的幅度为每个中间包多浇 0 . 12%的钢水。4 . 6 连续测温技术连铸中间包钢水温度测量是控制铸机拉速、提高浇成率的一项重要监测指标。常用的测温方法有快速热电偶间断测温和铂锗热电偶外加保护套管连续测温。前者需要每 510 min人工测量一次 ,劳动强度大 ,且因快速