连铸工艺、设备-05中间包冶金

1、1 第五章第五章 中间包冶金中间包冶金l中间包冶金功能：中间包冶金功能：A.A.冶金净化功能：冶金净化功能：l 防止钢液二次氧化；保温和微调温度；改防止钢液二次氧化；保温和微调温度；改善钢液的流动状态；延长钢液在中间包内善钢液的流动状态；延长钢液在中间包内停留时间，促进夹杂物的上浮。停留时间，促进夹杂物的上浮。B.B.精炼功能：精炼功能：l采用附加冶金工艺，完成钢液成分微调，采用附加冶金工艺，完成钢液成分微调，改善夹杂物性态，对钢液温度、成分进行改善夹杂物性态，对钢液温度、成分进行精确控制。精确控制。2351 51 中间包钢水流动的控制中间包钢水流动的控制一一. .中间包钢液流动概念中间包钢液

2、流动概念l 描述流体流动的基本参数是流动速度、流动轨迹描述流体流动的基本参数是流动速度、流动轨迹和紊流强度。和紊流强度。l 表征流动性的关键准数表征流动性的关键准数雷诺数雷诺数ReRe： ReReVLVL V V 流体速度；流体速度； L L容器长度；容器长度； 动力粘度。动力粘度。l 当当Re2000Re2000时，为层流。即在特定位置的流速不时，为层流。即在特定位置的流速不随时间变化；随时间变化；l 当当ReRe20002000时，为紊流。即在特定位置的流速是时，为紊流。即在特定位置的流速是波动的。波动的。4l若钢包水口注流速度为若钢包水口注流速度为3.2m s3.2m s，则，则ReRe

3、2.62.610105 5，流动为高度紊流；从中间包水口，流动为高度紊流；从中间包水口流出的注流的流出的注流的ReRe1.21.210105 5，也是高度紊流。，也是高度紊流。中间包内液体流动速度一般在中间包内液体流动速度一般在1 12 3m s2 3m s（中间包流动速度等于体积流量与中间包（中间包流动速度等于体积流量与中间包垂直截面积之比），垂直截面积之比）， ReRe约是约是10104 4数量级，也数量级，也是属于中等的紊流。是属于中等的紊流。5二二. .钢包注流冲击区钢包注流冲击区6三三. .注流卷入空气注流卷入空气l钢包注流相当于钢包注流相当于“喷射泵喷射泵”的作用，把周围的作用，把

4、周围空气卷入到液体中，加重了二次氧化污染钢空气卷入到液体中，加重了二次氧化污染钢水，卷入的空气量决定于注流直径、轴向速水，卷入的空气量决定于注流直径、轴向速度、钢水粘度和注流紊流强度。当其它因素度、钢水粘度和注流紊流强度。当其它因素一定时，卷入的空气量主要决定于注流的紊一定时，卷入的空气量主要决定于注流的紊流程度。流程度。1. 1.注流为光滑的层流，卷入空气较少；注流为光滑的层流，卷入空气较少；2. 2.注流为脉动的紊流，卷入空气较多；注流为脉动的紊流，卷入空气较多；3. 3.注流为高度的紊流，卷入的空气很多；注流为高度的紊流，卷入的空气很多；4. 4.注流分散为液滴（散流），卷入空气最大。注

5、流分散为液滴（散流），卷入空气最大。l注流分散为液滴卷入的空气量比光滑圆流要注流分散为液滴卷入的空气量比光滑圆流要大大6060倍以上。倍以上。7l钢包注流形态对中间包内液体流动有十分钢包注流形态对中间包内液体流动有十分重要的影响，同时也会影响结晶器液体的重要的影响，同时也会影响结晶器液体的流动。如图：流动。如图：8四漩涡四漩涡1. 1.危害：危害：把中间包渣卷入结晶器；把中间包渣卷入结晶器；把空气卷入到液体中；把空气卷入到液体中；使中间包注流不稳定，搅乱结晶器钢液流使中间包注流不稳定，搅乱结晶器钢液流动。动。2. 2.防止：防止：控制合适的液面高度；控制合适的液面高度；在适当的位置安放挡墙和坝

6、。在适当的位置安放挡墙和坝。9l中间包漩涡形成：中间包漩涡形成：l漩涡形成；漩涡形成；有漩涡时流动形态有漩涡时流动形态10五五. .流动不稳定性和波的形成流动不稳定性和波的形成1. 1.液面升高或降低时，流速有较大的变化而引液面升高或降低时，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。起流动模式改变导致表面波的形成。2. 2.入口和出口条件发生变化时，流动不稳定性入口和出口条件发生变化时，流动不稳定性会导致表面波。会导致表面波。l 表面波的扩散，引起中间包钢渣界面的搅表面波的扩散，引起中间包钢渣界面的搅动而卷入渣子，对铸坯质量有不利影响。动而卷入渣子，对铸坯质量有不利影响。1152 5

7、2 中间包钢水夹杂物的去除中间包钢水夹杂物的去除一一. .夹杂物上浮夹杂物上浮l 在静止液体中质点上浮速度可表示为：在静止液体中质点上浮速度可表示为： V=2rV=2r2 2p p（ l l i i）g9 g9 计算结果说明中间包钢水中大于计算结果说明中间包钢水中大于70m70m夹杂夹杂物基本上都可上浮，而小于物基本上都可上浮，而小于70m70m夹杂物上夹杂物上浮就困难了。浮就困难了。l由于中间包钢水流动的紊流作用，夹杂物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。相互碰撞聚合，加速了夹杂物上浮。12l 促使中间包内夹杂物上浮的措施：促使中间包内夹杂物上浮的措施：1.

8、1.增加钢水在中间包平均停留时间，使夹杂物有足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；够的时间上浮。为此，中间包向大容量方向发展； 大容量中间包具有以下优点：大容量中间包具有以下优点：l A.A.延长钢水在包内停留时间，有利于夹杂物上浮延长钢水在包内停留时间，有利于夹杂物上浮提高钢水的纯净度，利于生产洁净钢。提高钢水的纯净度，利于生产洁净钢。l B.B.钢水的储存量增多了，更换钢包可以不减拉速，钢水的储存量增多了，更换钢包可以不减拉速，有利于保持连浇，并能改善换钢包过渡铸坯质量。有利于保持连浇，并能改善换钢包过渡铸坯质量。l C.C.大容量中间包更

9、适用于高拉速铸机，能保持钢大容量中间包更适用于高拉速铸机，能保持钢水在包内停留时间。水在包内停留时间。 l 中间包的最大容量现已达中间包的最大容量现已达80t80t。132. 2.改善液体流动轨迹。液体把夹杂物带到中间包表面改善液体流动轨迹。液体把夹杂物带到中间包表面区，缩短了上浮距离。为此，在中间包加障碍物区，缩短了上浮距离。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；（如挡墙和坝）以改变流动方向，消除中间包死区； 3. 3.钢包注流不应把夹杂物带入钢包底部而是在某一定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熔池（高度。为此，中间包液

10、面高度由浅熔池（600600700mm700mm）向深熔池（）向深熔池（1.01.01.2m1.2m）方向发展。）方向发展。l 深熔池中间包的优点：深熔池中间包的优点：l A.A.钢水液面波动较小，可减轻钢水二次氧化；钢水液面波动较小，可减轻钢水二次氧化；l B.B.减小了液面流速和湍流强度，相应降低了水口部减小了液面流速和湍流强度，相应降低了水口部位钢水流速和湍流强度，利于注流稳定；位钢水流速和湍流强度，利于注流稳定；l C.C.降低产生涡流的可能。降低产生涡流的可能。14二二. .钢水平均停留时间钢水平均停留时间l钢水从中间包入口连续流到出口处所经历钢水从中间包入口连续流到出口处所经历的时

11、间叫理论平均停留时间。的时间叫理论平均停留时间。 T T平均平均钢水体积（钢水体积（m m3 3）中间包钢水流中间包钢水流量（量（m m3 3minmin）l根据中间包容量大小不同，停留时间一般根据中间包容量大小不同，停留时间一般在在3 3 10min。1553 53 中间包流动形态控制中间包流动形态控制 敞开浇注双流中间包流动模式如图：敞开浇注双流中间包流动模式如图：16一一. .钢液在中间包内的流动形态：钢液在中间包内的流动形态：A.A.击穿流击穿流l 从钢包注入中间包内的钢液，在中间包内没有停留从钢包注入中间包内的钢液，在中间包内没有停留而直接到达浇注水口流入结晶器。而直接到达浇注水口流

12、入结晶器。B.B.活塞流（层状流）活塞流（层状流）l 钢液进入中间包依次向前推进。钢液进入中间包依次向前推进。C.C.混返流混返流l 钢液进入中间包后立刻与其它部分钢液混合。钢液进入中间包后立刻与其它部分钢液混合。D.D.死区（停滞区）死区（停滞区）l 钢液流动速度很低，与其它区域的钢液的交混慢。钢液流动速度很低，与其它区域的钢液的交混慢。17l 击穿流：这股钢流在中间包内没有净化的可能，钢击穿流：这股钢流在中间包内没有净化的可能，钢液中夹杂物在中间包内没有上浮的机会。液中夹杂物在中间包内没有上浮的机会。l 活塞流（层状流）：钢液中夹杂物随钢液进入中间活塞流（层状流）：钢液中夹杂物随钢液进入中

13、间包，依次向前推进而上浮。包，依次向前推进而上浮。l 混返流：钢液中夹杂物上浮的可能性与钢液在中间混返流：钢液中夹杂物上浮的可能性与钢液在中间包内运动的路线与平均停留时间长短有关。包内运动的路线与平均停留时间长短有关。l 死区：进入这区域的钢液的夹杂物有可能上浮，但死区：进入这区域的钢液的夹杂物有可能上浮，但死区的存在相当于缩小了中间包的有效容积，使钢死区的存在相当于缩小了中间包的有效容积，使钢液在中间包内的平均停留时间缩短，对夹杂物上浮液在中间包内的平均停留时间缩短，对夹杂物上浮不利。不利。18二二. .中间包无控制流动中间包无控制流动 敞开浇注双流中间包流动模式如图：敞开浇注双流中间包流动

14、模式如图：19l缺点：缺点：A.A.钢包注流带入大量空气，钢包注流带入大量空气，“沸腾作用沸腾作用”使使中间包表面呈波浪运动，加剧了二次氧化；中间包表面呈波浪运动，加剧了二次氧化；B.B.中间包底存在钢水停滞区，温度不均匀；中间包底存在钢水停滞区，温度不均匀；C.C.由于有死区存在，整个中间包容积未能充由于有死区存在，整个中间包容积未能充分利用，夹杂物不易上浮。分利用，夹杂物不易上浮。20三三. .中间包控制流动中间包控制流动1. 1.挡墙；挡墙；2. 2.坝。坝。l 作用：作用：A.A.消除中间包底部区域的死区；消除中间包底部区域的死区；B.B.改善改善流动的轨迹，使流动沿钢渣界面流动，改善

15、改善流动的轨迹，使流动沿钢渣界面流动，缩短夹杂物上浮距离，有利于渣子吸收；缩短夹杂物上浮距离，有利于渣子吸收；C.C.封闭钢包注流冲击区的紊流，防止表面卷渣（挡封闭钢包注流冲击区的紊流，防止表面卷渣（挡墙）。墙）。l 挡墙和坝的位置和尺寸，应结合实际中间包采用挡墙和坝的位置和尺寸，应结合实际中间包采用水模型试验来决定，然后在生产中应用。水模型试验来决定，然后在生产中应用。21l挡墙和坝的流动模型：挡墙和坝的流动模型：2223四四. .中间包卷渣中间包卷渣1. 1.钢包敞开浇注时中间包流动特点钢包敞开浇注时中间包流动特点沿钢渣界面有剪切力作用把渣子卷入内部；沿钢渣界面有剪切力作用把渣子卷入内部；

16、注流冲击力引起液体表面波浪运动。尤其注流冲击力引起液体表面波浪运动。尤其当液位降低时（如当液位降低时（如200mm200mm），这种剪切力），这种剪切力和波浪造成的卷渣更为严重。和波浪造成的卷渣更为严重。2. 2.钢包采用长水口时中间包流动特点钢包采用长水口时中间包流动特点钢渣界面流动剪切力减轻；钢渣界面流动剪切力减轻；减轻了由注流引起的波浪运动。如果中间减轻了由注流引起的波浪运动。如果中间包加挡墙和坝联合作用，则卷渣有明显减包加挡墙和坝联合作用，则卷渣有明显减少。少。243. 3.引起中间包卷渣的流动因素：引起中间包卷渣的流动因素：钢渣界面流动的剪切力和表面波；钢渣界面流动的剪切力和表面波；

17、注流冲击区的紊流；注流冲击区的紊流；低液位时水口上部形成的漩涡。低液位时水口上部形成的漩涡。4. 4.防止卷渣的措施防止卷渣的措施l采用长水口（钢包）、大容量、深熔池、采用长水口（钢包）、大容量、深熔池、带有挡墙和坝的中间包，保持稳定浇注。带有挡墙和坝的中间包，保持稳定浇注。25 54 54 中间包精炼技术中间包精炼技术一一. .中间包双层覆盖渣中间包双层覆盖渣l一层：炭化稻壳。一层：炭化稻壳。l二层：保护渣（如二层：保护渣（如CaOCaFCaOCaF2 2MgOMgO系、系、CaOSiOCaOSiO2 2AlAl2 2O O3 3系等）系等）l功能：功能：1. 1.绝热保温，防止散热；绝热保

18、温，防止散热；2. 2.吸收上浮的夹杂物；吸收上浮的夹杂物；3. 3.杜绝二次氧化，防止空气中氧气、氮气进入杜绝二次氧化，防止空气中氧气、氮气进入钢水。钢水。26二二. .中间包吹氩中间包吹氩1. 1.作用作用增加搅拌能，促进夹杂物上浮；增加搅拌能，促进夹杂物上浮；形成液面保护层；形成液面保护层；改善流动状况。改善流动状况。2. 2.类型类型中间包多孔透气环；中间包多孔透气环；旋转透气塞；旋转透气塞；中间包塞棒吹氩。中间包塞棒吹氩。2728三三. .夹杂物形态控制夹杂物形态控制1. 1.中间包钢水成分微调（喂丝法）中间包钢水成分微调（喂丝法）l 在中间包加入易氧化元素（如在中间包加入易氧化元素

19、（如TiTi、AlAl、CaCa）或微）或微量元素（如量元素（如B B、V V），钢水与污染源（如渣、包衬、），钢水与污染源（如渣、包衬、空气）接触实间短，有利于提高元素的收得率。空气）接触实间短，有利于提高元素的收得率。由于中间包熔池浅，钢液停留时间有限，为确保由于中间包熔池浅，钢液停留时间有限，为确保元素能充分吸收，广泛采用喂丝法。元素能充分吸收，广泛采用喂丝法。2. 2.夹杂物形态控制夹杂物形态控制l 在中间包内喂入在中间包内喂入CaCa丝、或丝、或CaSiCaSi、CaSiBaCaSiBa的包芯线，的包芯线，其目的是把高熔点的串簇状的其目的是把高熔点的串簇状的AlAl2 2O O3 3

20、转变为低熔点转变为低熔点的球形铝酸钙（的球形铝酸钙（12CaO7Al12CaO7Al2 2O O3 3），以改善钢水流），以改善钢水流动性，防止动性，防止AlAl2 2O O3 3堵水口。（在小方坯连铸中间包堵水口。（在小方坯连铸中间包中应用）为增加包芯线穿越钢液的停留时间，采中应用）为增加包芯线穿越钢液的停留时间，采用螺旋式喂线技术。螺旋直径为用螺旋式喂线技术。螺旋直径为250mm250mm，螺距为，螺距为100 mm100 mm，用一台辊式开卷机将包芯线送入导管进，用一台辊式开卷机将包芯线送入导管进入中间包，喂线速度可达入中间包，喂线速度可达202030mmin30mmin2930 55

21、55 中间包过滤器的应用中间包过滤器的应用一一. .过滤器原理过滤器原理l是一种强制分离夹杂物的方式。夹杂物随钢是一种强制分离夹杂物的方式。夹杂物随钢水流经多孔介质时，夹杂物沉淀、滞留、黏水流经多孔介质时，夹杂物沉淀、滞留、黏附或烧结于过滤介质微孔的表面上，钢水可附或烧结于过滤介质微孔的表面上，钢水可以自由流过，夹杂物得以分离，净化了钢水。以自由流过，夹杂物得以分离，净化了钢水。方法：筛网过滤、滤饼过滤、深层或深床过滤。方法：筛网过滤、滤饼过滤、深层或深床过滤。31二二. .过滤器材质过滤器材质l对过滤材质的要求：对过滤材质的要求：lA.A.耐高温；耐高温；lB.B.高疏松度，既能吸附夹杂物，

22、对钢水流动高疏松度，既能吸附夹杂物，对钢水流动的阻力又小；的阻力又小；lC.C.能够承受热应力和机械冲击应力的作用；能够承受热应力和机械冲击应力的作用；lD.D.抗钢水与熔渣的侵蚀冲刷。抗钢水与熔渣的侵蚀冲刷。l过滤器的材料：莫来石、氧化铝、稳定氧化过滤器的材料：莫来石、氧化铝、稳定氧化锆、氧化钙等。锆、氧化钙等。三三. .过滤器的应用效果过滤器的应用效果3233l用于中间包泡沫陶瓷过滤器：用于中间包泡沫陶瓷过滤器：3456 56 中间包加热技术中间包加热技术l在浇注过程中钢水温度、钢水成分和钢水在浇注过程中钢水温度、钢水成分和钢水流动特性是控制连铸机生产率和铸坯质量流动特性是控制连铸机生产率

23、和铸坯质量三个重要的变量，为把连铸机产量和铸坯三个重要的变量，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。钢水温度稳定性控制问题。35一一. .中间包钢水温度稳定性控制对策中间包钢水温度稳定性控制对策1. 1.最大能量损失原则：最大能量损失原则：l即每炉高温出钢即每炉高温出钢钢包站调温（如加废钢）钢包站调温（如加废钢）中间包目标温度值；中间包目标温度值；2. 2.优化能量损失原则：优化能量损失原则：l即严格按温度损失决定出钢温度，在钢包即严格按温度损失

24、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；站不降温不加热以达到中间包目标温度值；3. 3.最小能量损失原则：最小能量损失原则：l按预定温度出钢，在钢包或中间包补充能按预定温度出钢，在钢包或中间包补充能量以达到目标温度值。量以达到目标温度值。36二中间包热平衡分析二中间包热平衡分析l QCpQCp（TaTaTeTe）l若补充到中间包钢水温度损失等于中间包若补充到中间包钢水温度损失等于中间包散热损失时，则中间包钢水温度趋于稳定。散热损失时，则中间包钢水温度趋于稳定。lQ Q钢包水口流量，钢包水口流量，tmintmin；lCp Cp 钢水比热，钢水比热，kJ kgkJ kg；lTa

25、Ta 钢包钢水温度，钢包钢水温度，；lTe Te 中间包钢水温度，中间包钢水温度，；l 中间包热损失，中间包热损失，kJkJ。371. 1.中间包钢水温度变化（如图）：中间包钢水温度变化（如图）：38a a 开浇期：开浇期： 由于中间包衬吸热，钢水温度下降由于中间包衬吸热，钢水温度下降10101515；b b 正常浇注期：正常浇注期： 经过经过101015min15min，由于包衬吸热达到饱和，同时向，由于包衬吸热达到饱和，同时向中间包不断供给钢水，液面保持稳定，这时钢水中间包不断供给钢水，液面保持稳定，这时钢水的温降约为的温降约为0.30.30.5min0.5min，进入中间包钢水散，进入中

26、间包钢水散热量大体与包衬散热相等，钢水稳定在目标温度热量大体与包衬散热相等，钢水稳定在目标温度值。值。c c 连浇换钢包；连浇换钢包； 由于中间包液面下降，钢水温度降低约由于中间包液面下降，钢水温度降低约5 51010。d d 正常浇注期：同正常浇注期：同b be e 钢包浇注结束：钢包浇注结束： 浇注中间包剩余钢水时，钢水温度降低浇注中间包剩余钢水时，钢水温度降低10101515。392. 2.中间包钢水温度不稳定的危害：中间包钢水温度不稳定的危害：钢水温度降低过大，开浇时会造成水口凝钢水温度降低过大，开浇时会造成水口凝钢，甚至使开浇失败。为顺利开浇，又要钢，甚至使开浇失败。为顺利开浇，又要相对提高中间包钢水目标温度，这样加重相对提高中间包钢水目标温度，这样加重了高温出钢。了高温出钢。中间包钢水温度不稳定，加重了结晶器坯中间包钢水温度不稳定，加重了结晶器坯壳生长的不均匀性，严重时会导致拉漏；壳生长的不均匀性，严重时会导致拉漏；会使结晶器保护渣液渣层厚度不足，导致会使结晶器保护渣液渣层厚度不足，导致铸坯表面夹渣；铸坯表面夹渣；不利于