中间包冶金发展概况

中间包冶金

东北大学Tuesday,May9,202311中间包冶金发展的概况2中间包冶金技术3中间包结构物理模拟方法4中间包吹氩气体净化技术21中间包冶金发展的概况“中间包冶金”概念是在20世纪80年代初期被提出来的，中间包冶金是一项特殊的炉外精炼技术，是从钢的熔炼和精炼到制成固态连铸坯这个生产流程中保证获得优良钢质量的关键一环。在连铸过程中起到重要的作用。随着高效连铸的推进，中间包冶金技术已经成为高效连铸必不可少的重要技术。它对扩大连铸品种﹑增大连铸比﹑提高铸机作业率﹑掌握浇铸过程的中间包钢水温度的变化规律﹑优化生产作业﹑顺利进行多炉连浇﹑改善钢坯质量等均起到重要作用。3中间包的作用减小钢水静压力，使中间包的注流稳定——稳流作用；在两流以上的多流连铸机中，中间包起到分配器的作用——分流作用；在多炉连浇中，储存一定量的钢水，保证换包时不至于停浇——连浇作用。此外，中间包还是一个半连续的钢水精炼容器，具有以下的精炼功能：防止钢水二次氧化和吸气；改善钢水流动状态，防止卷渣，促进钢水的夹杂物上浮；钢水成分微调；夹杂物形态控制；精确控制钢水过热度。42中间包冶金技术1.长水口Ar封2.密封盖3.内衬耐火材料4.挡墙和坝5.过滤器6.Ar气吹洗装置7.覆盖剂8.钢包下渣监测系统9.加热装置10.塞棒吹氩51）防止钢水再污染技术钢包到中间包水口保护浇注;防止钢包到中间包卷渣技术;防止钢水与内衬耐火材料反应;中间包加盖密封技术;62）促进夹杂物去除技术增大中间包容量;中间包内的控流装置;中间包气体吹洗—吹氩技术;中间包使用合适的覆盖剂;73）相关技术的发展中间包喂丝技术;中间包加热技术;连续测温技术;8中间包控流装置演变的历史可划分为4个时期：(1)20世纪70年代，开始在中间包内安置堰和坝；(2)20世纪80年代，中间包开始使用导流隔墙、过滤器；(3)20世纪90年代中期，中间包开始使用湍流控制器；(4)近年来，在中间包内开始研究和应用气幕隔墙技术。9为了有效地去除中间包钢水中的非金属夹杂物，中间包内的钢水流动应具有以下的流动特征：大的最小停留时间；小的死区体积；大的活塞流体积与死区体积之比和较大的活塞流体积与混合流体积之比；有指向表面的流动；平静的渣层；有限的混合区。102.1大容量中间包中间包容量影响到中间包液面高度和中间包钢水在包内的停留时间。大容量中间包可以保证换钢包时中间包钢水处于相对稳定状态，防止卷渣，这对生产表面质量和内部质量要求高的产品如深冲钢和汽车板尤为重要。为了不发生卷渣，中间包钢水必须在最小深度以上操作。北美20世纪80年代以后投产使用的中间包容量均为45t以上，其中最大的中间包容量为70t。日本的中间包容量均在60t以上，最大的中间包容量达84t。11中间包容量对钢水清洁度的影响122.2中间包采用堰和坝中间包内采用堰(weir)和坝(dam)作为控流装置是最普遍的应用技术措施之一，是最简便而有效的净化钢液的方法。在中间包中安置堰和坝，可以有效改变钢液流向，延长钢水停留时间，有利于夹杂物的上浮。中间包采用典型的堰、坝结构如图。13堰，又称挡渣堰或上挡墙。横跨整个中间包宽度，从钢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。其在中间包的作用是：1）可以控制钢包注流冲击区的大小，控制钢包注流对中间包钢水的搅拌强度，促进夹杂物碰撞和粘结成大颗粒，以便使小颗粒夹杂物聚合成大颗粒上浮去除。2）可以将随钢包注流进入中间包的炉渣挡在注流钢包注流冲击区内，防止从钢包卷入到中间包的渣子流入到中间包水口侧，减少钢水因钢包卷渣造成的二次污染。3）可以将大包注流冲击引起的中间包钢水表面波动限制在堰的上游，稳定堰的下游中间包钢水液面，有利于减少因表面卷渣、二次氧化和机械冲刷所产生的夹杂量。14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液面之下一定距离，钢水从其上流过。它具有以下的作用：1）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。2）可以将钢包注流的冲击限制在冲击区内，降低钢水的水平流动速度。3）使流过坝的钢水产生指向钢液表面的流动，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，坝和堰常常是一起使用，以获得理想的中间包钢水的流动和冶金效果。152.3中间包采用导流隔墙及过滤器导流隔墙(baffle)是一个在中间包将上下游完全隔开的挡墙，并在上面设置若干个不同尺寸和倾角的导流孔。钢液根据需要的方向流过导流孔，其通过导流隔墙后的流速和方向由孔的大小和倾角决定。导流隔墙的作用是，当钢水通过导流隔墙时，将中间包的湍动流动限制在一定的范围内，可产生指向钢液表面的流动，以促进夹杂物与顶渣接触的机会，有利于去除夹杂。导流隔墙在中间包中可以起到堰坝组合相同的或优于堰坝组合的作用。16过滤器(filter)为带有微孔结构材料的隔墙，它横跨整个中间包宽度，从钢液面上方一直延伸到中间包底部，钢水从微孔流过。其作用有，在中间包的钢水中，直径大于50μm的大颗粒夹杂物可以采取简便的净化措施将它们与钢水分离从而使它们上浮排除。但直径小于50μm的夹杂物因其上浮速度很小而难以去除。过滤器就是用来捕捉这些小颗粒夹杂物，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和成本高，在应用上受到限制。17导流隔墙和过滤器18导流隔墙的结构（孔的大小、数目、分布和倾角）以及安放位置对中间包的流动特性都有很重要的影响。导流隔墙还可以和直通孔过滤器相结合使用，过滤器安装在导流孔处，钢液从过滤孔洞中流过，于是过滤器不仅有吸附夹杂物的作用，而且也成为一种有效的流动控制装置。192.4中间包湍流控制器湍流控制器（turbulenceinhibitor）是一种小的容器形结构的装置，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，受到湍流控制器的限制，再从湍流控制器的上口反向流出。湍流控制器是20世纪90年代中期开发的一种新型控流装置。湍流控制器的作用：1）对钢包注流的冲击起缓冲和限制作用，以获得平稳的流动。2）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。3）减轻大包开浇和更换时大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。4）增加中间包钢水流动的活塞流体积，降低死区体积。20212.4模中间鞭包吹氩钢液中绞的小颗楼粒夹杂坚物，由顶于中间蛮包钢水念的湍流央流动，伞很难通法过采用偿上述的艺控流装晌置将其隙去除。毒通过在湾中间包陈一定的唐位置吹幼入微小芳的氩气羽泡，在勿该位置锤上形成垦气幕隔倾墙，既垦可以改键善中间眯包流体播的流动燥特性，干气幕又谎可以对彼夹杂物界起到隔柔离作用校，阻止麦夹杂物螺流到中伯间包水店口侧。寺另外，学与小气尽泡碰撞沸的大、咸小夹杂悔物，将候被气泡英带到钢棵液面上彩，进入灿到覆盖绒渣中，赠有利于召钢水中及的夹杂柏物上浮半分离，驰提高中倡间包的糠夹杂物斤去除能烫力。在密闭的奇中间包中努吹氩，可皱以使中间继包内的气绳氛在开浇遣和浇注过匙程中处于钟惰性气氛腊中，可以姨防止钢水车的二次氧棕化和从大阳气中吸气乡丰。22（a）无摔流动控制辜装置(b)挡浸墙和坝(c)资多孔左挡板中间包葛内各种目流动形支态控制曲装置23加入湍或流控制折器的双沿挡墙中丑间包内步的流动杜状态24有气幕宅隔墙的狂中间包猾流体流咽动状态25湍流控制杆器的钢流甩控制模型263中间包谨结构物理亮模拟方法中间包旋流动过缠程模拟茂实验的灿相似准引数物理模拟蹈实验要保趁持发生在收模型和原株型的流动墓过程相似秘，则必须碎保证模型匪与原型之吊间的几何嫁相似和动歼力相似。布几何相似缴要求模型选的几何尺市寸与原型右的对应的晨几何尺寸笑具有固定芬的相似比瓶，而动力通相似要求支在模型与影原型中作介用在流体羡微元上的蒙力相同且贼由这些力穿组成的相份似准数应助相等。当原型中舞间包的湍派流Re开ynol滴ds准膊数Ret本,和眉Frou晚lde叙准数Fr课p和模楼型中间包汇的湍流车Reyn独olds锐准数R需et和通Fro哄ulde特准数济Frm相须等时.27中间包水汽模试验装暗置28水和钢如液的物灶理性能29中间包物授理模拟实战验方法停留时岗间分布酸曲线测泽定从实验测忍定得到的办停留时间依分布曲线两RTD(寻Resi浑denc承eTi茧meD快istr篇ibut嗓ion)苏，可以直灯接得到从捞加入示踪体剂到示踪池剂流至中首间包水口闭时的最小泻停留时间膀tmi戚n(又称丽响应时间沫)和示踪省剂浓度达百到最大时鸽的峰值时植间tm槐ax。还帖可得到各浆流体微元你在中间包疗的实际平沉均停留时第间ta恒v。3031典型的中穴间包停留午时间分布葡曲线32中间包仓流体流吸动的体瓜积可划顷分为活胀塞流体浩积(p圣lug舍vo弊lum枯e)或嘉分散活字塞流体环积(d臭isp拨ers福ed际plu洲gv臭alu纽奉me)缺、死区知体积(绕dea韵dv狱alu匠me)贯和完全吧混合流漂体积(醒wel暗lm放ixe苦dvo熊lum萍e)。喂到目前首为止，尝各体积项占中间塌包液体处体积的铺分率计厕算模型姐有三种缩慧。Kem兼eny浆等人最秩早应用拨混合流芽动模型摆(mi砌xed矛fl坛ow锡mod仓el)脆分析实份验得到清的停留支时间曲灾线，来镜计算活伍塞流体寇积分率梯、死区差体积分顾率和混艘合流体佳积分率贱。33死区完全楼滞止的中牙间包流动咳模型344中间如包吹氩删气体净泥化技术中间包陵钢液中贤夹杂物予的运动痛行为在中间脾包内，睁钢液始涝终处于本流动状瞧态，夹淹杂物在宪其中的组运动也私因此比体平静钢叠液复杂闻得多。敌许多学摇者对钢丛液中夹晴杂物的反运动状旋态进行质深入研僻究后认玻为：夹虚杂物在伴钢液中思发生以邀下几种暖行为：(1)洪夹杂物的妇上浮在中间情包内，塞夹杂物的依然可绞以通过较上浮从农钢液中稳排除。殖按常规饺看法，截夹杂物坦上浮去茄除速度够服从斯右托克斯保(St都oke溜s)公骨式。35斯托克跑斯(S仓tok即es)绵公式所鼻计算的薪上浮速我度是颗骄粒在重剑力场中鞠流体介毙质内作阶加速度绳运动时诱，受到腿介质摩伙擦阻力蓄而达到穿的终速悄度，其弹初速度然比该值淹还要小胃得多。迟而在中稍间包内昆，流体逐本身的肺流动速挽度往往亦比上述彻速度高狸出很多腰，所以游小颗粒泊的夹杂壤物，在勒中间包记中将跟查随流动兆的钢液驻一同运投动，只水有大颗务粒夹杂佣物在钢笼液流速唐较低的窄区域能厦够上浮件。如果知考虑夹私杂物同英钢液流仙动的跟劣随性，盛除非钢惑液的流框动方向巩偏向上希方，否羊则小粒用径的夹那杂不可吩能上浮浩出来。剑中间包忆容量较双大时，婶钢液停纷留时间什会长一轿些，但呼是也没耗有根本耗的改变恐。所以仪仅仅依劈燕靠上浮吨运动，惭小颗粒轿夹杂物闲无法从欧钢液中澡除去。堡Sto雪kes扔公式武仅适用淘雷诺数毒Re悼小于滴2饺的情况争。Stok梅es上滋浮公式仅发适用于静欧止状态或握层流状态崭（Re≤赖2）。如察前面所述趴，中间包病内雷诺数饿Re≥保1000门，故应用博于中间包桨时，应该充使用修正倒了的S善toke忆s-Ne抢wton殖公式36斯托克架斯(S赶tok弊es)拿公式Stok末es-N挽ewto胀n公式37(2)嫁夹杂物的育碰撞长大在流动签的钢液屑中，夹得杂物颗摇粒容易傻相互碰紫撞而不浑断长大视，长大治的颗粒洁，较碰啊撞前更尽容易上呀浮，所晓以颗粒肠的碰撞兴长大是膜夹杂物绳去除的止一种重律要形式坝。颗粒胳的碰撞弯有以下承四种方郊式：(a)奸布朗碰撞龙。夹杂物三颗粒在钢播液中做无途规则的热疯运动而产还生的碰撞医，中间包购内夹杂物雁碰撞属于邀布朗碰撞浑的类型很分少。(b)赔斯托抵克斯碰划撞。颗砖粒上浮吹速度与严其大小还有关。吵大颗粒至夹杂物燃上浮的据速度大座，在上锦浮时可状能追上桐小颗粒挖夹杂物么而与之从碰撞成予为更大豪颗粒，辟因而上隐浮速度漆加快，井更容易表捕获其晶他颗粒宜。在中鬼间包内称，斯托冒克斯碰庆撞是夹陆杂物碰柳撞长大车去除的升重要形将式之一猫。38(c)午速度揭梯度碰迈撞。颗镇粒沿流亭线轨迹咱运动，蚀高速流柳线上的库颗粒将菜追上低您速流线抚上的颗减粒，只疏要两颗腔粒的距织离不超证过它们也的半径勤之和，份颗粒将妖发生碰棚撞。这凡种碰撞姜和流场损速度有博关，当尸流场速侮度梯度贝不够大缩慧时，梯习度碰撞挥不是主轮要的方避式。但净在某些停速度场锄有急剧吩变化的犬部位，疏梯度碰坟撞是可恒能的。(d)颂湍流碰撞仍。夹杂物酿被夹带入笔湍流旋涡遣中，引起需夹杂物之寄间的碰撞跪。湍流碰设撞是夹杂怎物颗粒碰事撞长大的村重要形式眨。对于中情间包反应童器，其流列场中湍动知能耗散率掩值比较大宇，很容易哨发生湍流肌碰撞，因盈而其内夹侍杂物的碰领撞方式主股要是湍流默碰撞。39(3)紧夹杂粘物与耐丛火材料伯表面的逮粘附中间包出内耐火额材料的波表面与返钢液中束的夹杂束物接触软时，夹选杂物会告粘附在饿耐材表呀面与钢袖液分离浩。促使夹腐杂物上私浮去除嚼是中间弃包的重世要冶金炮功能之历一，而址夹杂物茅的上浮殃去除又美和中间带包内钢拌液的流信动状态磨有着密参切的关眠系。。蓄钢液在览中间包沈内的流赠动状态恒可分为谨全混流么、活塞棉流、短竖路流、织死区四游种。全衰混流区侧流体搅蜂动激烈买，有利疗于均匀乐钢液成画分和温涂度，同碰时也有戚利于夹矿杂物的怎碰撞去狱除，但蒸容易导鄙致夹渣谱和钢液滴暴露于炊空气中视。因封此必须轮采用一尘定的控徒流措施户，将湍倍流较好味地限制堤在冲击鞭区内，抹并保证轿浇注区楚渣层的胶平稳覆妄盖。活简塞流有配利于钢况液中的谣夹杂物伞上浮去堵除，因林此，设关计控流贫装置时班我们应遵尽量提球高活塞桂流的体戚积。短救路流使菊夹杂物庸来不及英上浮就茶从水口汽流出，乏引起大免量下渣袍，为此营应尽量诊减少甚待至避免晋短路流炒。死区啊减少了抵中间包房诚的有效性容积，社使中间投包内钢裙液的平杀均停留恐时间缩垮短，对忠夹杂物三的上浮筑不利，圣所以也疑应尽量脱缩小死其区的体渡积。40中间包嗓吹氩的骆主要形土式(1)勉埋设萍透气管此工艺去槐除夹杂物咱，净化钢拳液效果明筑显。对大趣于20犯0μm唇的大型夹广杂物去除雅效率为此98%，自对10敬0-20傲0μm皮的中型夹娇杂去除效择率为9斤3%，对福小于1键00μm绵的夹杂穴物去除效与率为4干7%。(2)泪安装冶条形透栗气砖在中间联包底部贫安装一鹊种镁质逝条形透敬气砖，度将氩气霜通过该罪透气梁半吹入钢再液中，庸获得了致较令人瞧满意的偷效果。同结果大限尺寸夹城杂物全企部去除捧，小尺涉寸夹杂景物降低懒了5病0％，洗微小夹浙杂物的羽去除效轧果不明科显。在坟透气砖啦的选择润上应充梳分考虑此具有通恳气量大泪、搅拌拘效果好截，重复网开吹率粮高、抗印冲刷耐等侵蚀、抗高温性兼能好等恰特点，希还需要特考虑到闭以下几预个因素朋：寿命默长，不惹必在钢再包使用务过程中蕉改换透疲气砖；还不堵塞丝式，确保员每炉钢饲都能实半施底吹协氩调温勺和均匀半成分。(3)丘使用喷枪用喷枪喷笛吹气体，受吹气位置滔、吹气量唐、覆盖剂膛均对夹杂狸去除效果付有影响。吗用旋转喷个枪吹氩在胁降低钢液叮中的夹杂政物，特别坝是小于众50μm颈的夹杂惊物方面，霞可以达到但预期的效恰果。41中间包庆内常见驱的两种渴吹气方农式42条形透没气梁置饭于多孔教挡墙后饰侧43中间包底补吹氩气对点夹杂物去酿除的原理中间包吹天氩不是为吓了增强搅捏拌，而是摇用惰性的示气泡清洗洋钢液。中皆间包吹氩肝使钢液温凳度和成份营均匀，并数进一步促僚进夹杂物筹的去除，为其机理是晋：气泡与央夹杂物碰详撞吸附到焰一起，粒痒径增大，揭上浮速度勉增大，易叹于被钢液定表面的渣像层吸收。轿最初在中就间包中吹野氩着眼于军脱氢。实彻验证明吹绒氩（标态答50～壮80L/初min）剧可清除开火浇阶段的家增氢现象靠。但是中余间包吹氩以最明显的钟效果是去疗除夹杂物役。中间包脱吹氩的主丑要方式是霸在中间包喷底部某个酬位置通过色安放条形午透气砖，眼目的是用致Ar混气形成一杯个微气泡屑屏幕，将济钢液中的躺夹杂引到虫钢液与覆揉盖剂的界燥面而分离鼠出去。44中间包吹皆氩实验45气体流度量0裂.04位0m3沸/h险方案纪RTD毕曲线46条形透皱气梁置槐于多孔围挡墙后状侧，距院入水口吵a漫mm愁处：方吹案b忠0～b睁6。笨根据经虫验及国也内外相蒸关资料欣，多将屯条形透抵气梁置愿于此位恶置，可塞以促进旱夹杂物氏上浮，习有利于耀夹杂物工去除。权在这种盛情况下氧，由于蕉液位差诊等多种竭因素的稠影响，夫气体流岩量对流洗场的影远响与多夹孔挡墙肠不同孔塔数控流雁效果的宾影响相牵比，前给者的影色响较大偶。通歼过对实宰验数据撕的分析延可见，控在其他姥条件相拴同的情依况下当敢气体流厉量为职0.0姜24m毛3/h微和张0.0葱40m防3/h检时，蔽最小取停留时蝴间相对石较大，其死区比枪例较小画，混流贞区较大王，因此此选为最受佳气体运吹入量拌。47条形透气来梁置于出贡水口下沉睁区上沿480.0挣48m巾3/h屯气体康流量仙方案C坦049在包底吹善氩有3逮个作用如赚下：1.化排列成辣列的吹膊氩孔口这垂直于姻沿包底晶流动的夜液流布玻置，类蔑似于在贪包底设伶置了坝筑，促使驱钢液转贫向上方版流动，幻玉有利于泥夹杂物姑上浮。跳其作用昂比坝的迹效果还锅强烈。2.童氩气泡妹的浮力顷产生气牌泡泵现散象，促侧使该局姻部的湍控动能耗西散率显兴著增大讯，有利僚于夹杂素物颗粒勺碰撞长振大而排班除。3.上宗浮的气泡皱可以捕获梨夹杂物颗压粒，并携灭带着它一脾同上浮，岸这样就使跨微细夹杂以物颗粒上哥浮速度增剃大到气泡传上浮的速丙度，这种透作用和浮叼游选矿法稻有些类似供。50中间包袜吹气位障置的测牵试结果51中间包加扫热技术钢包更穿换时，兼由于新况钢包内补钢液的馋密度与酸已注入夸中间包醉内钢液靠的密度裹之间存霞在差异漆，从而漏影响了孟中间包趋内钢液馒的流动缠形态，僵而密度篇的差异逃主要是拥源于钢炒液之间吹的温度判差。连其铸钢水妈在浇铸姐刚开始移和快结流束时，涛或更换吩钢包时斧，中间奇包钢液叙温度都攻将有下足降。这例不但会馋使钢液摄中夹杂飞物难于恋上浮，倾而且易爱造成水吊口堵塞躬。有时忌钢液的带合金化君，也在惊中间包逃进行，添这就要纱求中间案包钢液剖温度保浙持一定底的水平艺。中间默包加热谢技术正炮是在这企种情况脆下发展坛起来的涝。52中间包加的热情况