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连铸中间包钢液清洁度的研究

本文对连铸中间包内钢掖流动现象进行了水模型研究,选定中间包内设置围墙结构生产中的系统试验表明中间包内设置围墙后,比现行工艺可明显提高铸坯清洁度。

1.前言

从中间包流出的钢液的清洁度对铸坯质量有着重要影响。

本文结合上钢三厂转炉分厂连铸中间包的实际,通过物理模拟实验,确定在中间包内设置围墙结构,并进行了生产对比试验。由于充分发挥了中间包去除夹杂物的作用,使铸坯的清洁度有明显改善。

2.中间包物理模拟实验

2.1实验条件

 应用相似原理 ,用水模拟钢液,相似准则为模型与原型Froude准数相等,模型与原型比例λ =1/2,则

速度比    Vm/Vr=0.707

流量比    Qm/Qr=0.177

式中,m表示模型,r表示原型。

根据上钢三厂连铸机生产数据 (断面 160×220 mm,4流 , 拉 速 0.8~1.2 mm/min, 中间包水口直径18 mm),计算了不同拉速时,模型中间包水口流量 ,见表 1

表 1 不同拉速时 ,模型中间包水口流量

拉速,m/min

流量,t/min

0.6

0.016

0.8

0.021

1.0

0.026

1.2

0.031

对中间包设置挡墙和坝的六个方案共24个工况进行了水模拟实验研究,以确定最佳结构和尺寸。

2.2 实验方法

2.2.1 中间包内钢液停留时间的测定

根据刺激响应原理,在连续流动的钢包注流中,以脉冲方式加入定量示踪剂KCI溶液 (浓度4mol/L), 同时用电导仪在中间包4个水口处分别测定示踪剂浓度随时间变化的曲线,以求得平均停留时间 1 。

 在水口处开始出现示踪剂的时间t0称为滞止时间,可直接由停留时间分布曲线上得 到。

auto_1230.jpg、t0是度量夹杂物上浮的重要指标。

2.2.2 夹杂物上浮率的测定

选用聚氯乙烯塑料粒子模拟钢液中夹杂物。 根据Stoke’s 定律,为使塑料粒子在水中的上浮速度与钢液中夹杂物的上浮速度相似 ,必须选用经发泡后具有一定密度和粒径的粒子。按计算,本实验所用发泡塑料粒子可模拟176~242μm粒径的夹杂。

 塑料粒子采用阶跃加入方式,每次随钢包注流加入定量粒子We,然后在规定时间内收集各水口下粒子的捕集量Wg。根据We和Wg可计算出每个水口的粒子捕集率η’(%)和总的粒子上浮率η(%),即夹杂物上浮率。

η’(%)=Wg/We×100%

η(%)=(1-Wg/We)×100%

2.3实验结果

在保持中间包液面高度200 mm条件下,对不同工况滞止时间和平均停留时间以及粒子上浮率测定及计算结果见表2。

 

各工况测定及计算结果

由表2知,V型墙加坝 (Ⅳ)效果较好 ,但中间包内设置 V型墙固定时较困难;直墙 (Ⅱ)尺寸太大,绝热板难以制作;多孔高墙 (Ⅲ)效果不稳定。而中间包内设置坝对现行中间包所使用的绝热板尺寸改动较大,且坝加固不牢,易被钢流冲垮。围墙 (V)不加坝 ,滞止时间较长 ,有利于夹杂物的上浮,并且可将中间包内注流冲击区钢液波动限制在围墙内,使围墙外的钢液面保持平稳,因而对防止卷渣和夹杂物上浮十分有利。经多方比较,选定围墙不加坝的方案 (Ⅴ )进行实际生产中的热态试验。 围墙位置见图1。

3.中间包生产试验

3.1实验条件

浇注钢种20MnSi;铸坯断160x 220 mm;拉速0.8~1.2 m/min;生产工艺条件按冶炼20MnSi操作规程;钢包吹Ar时间约3min,吹Ar压力0.2 MPa。

围墙位置示意图

3.2试验方案

正常操作条件下,对一个现行未设置围墙的中间包 (编号为空白)和两个设置围墙的 中间包 (编号分别为Ⅰ和Ⅱ) 自钢包、中间包、结晶器直至铸坯系统地取钢、渣试样。 取样位置、时间均保持一致。 用化学分析法分析钢和渣的化学成分以及钢中∑[CO]、 [AI ] 和[N]。 参照日本JI SG0555标准,采用金相法 ,测定钢中非金属夹杂物的种类、数量 ,并判断其清洁度。 采用北京科技大学开发的大样电解法分析钢样中大于 50μm的大颗粒氧化物夹杂 的总量及粒径分布。 用电子探针确定夹杂物的化学组成。

3.3实验结果

3.3.1 中间包钢液中央杂物变化

由金相检验钢中央杂物数量 (平均值)见表3。

钢中夹杂物数量

3~5 kg钢样电解后夹杂物总量及粒径分布见表4。

中间包大样电解结果

由表4可知 ,设置围墙后 ,夹杂总量可减少近20%。从夹杂物粒径分布表明:设置围墙后,夹杂物总量中100~300μm的夹为36.3%,而空白试验为60.5% 。这说明中间包内设置围墙后改变了钢液流动状况,有利于大颗粒夹杂物上浮排除。

3.3.2 结晶器钢液中夹杂物变化

结晶器钢液中夹杂物和总氧量∑[O]见表5。

结晶器内钢的清洁度水平

3.3.3 铸坯中夹杂物的变化

将铸坯金相试样从内弧到外弧均匀切成10块,用金相法检验氧化物夹杂的数量和分布 见图2。

图 2中距内弧侧的45~75 mm处,夹杂物数量出现峰值,这是由于液相穴内夹杂物上浮被内弧捕捉所致。 设置围墙后,沿铸坯横断面夹杂物数量有所降低。

 铸坯中∑[O]量平均值,空白试验为 150 ppm; Ⅰ号实验为113ppm , 降低24.7%; Ⅰ号113ppm,降低24.7%;Ⅲ号为118ppm,降低21.3%

 铸坯中氧化物夹杂分布图

从铸坯中所取的3~5 kg钢样,全部电解后所得夹杂物总量的平均值见表 6。 设置围墙后中间包钢液内夹杂物数量的减少,最终体现在铸坯中夹杂物数量有明显降低,对去除 大颗粒夹杂的效果也是明显的。

3· 3· 4 钢包→中间包→结晶器→铸坯中夹杂物变化

(1)     夹杂物类型

中间包大样电解结果

钢包、中间包、结晶器和铸坯中夹杂物类型基本相同,都是硅锰铝氧化物夹杂、Al2O3Ⅰ类和Ⅱ类硫化物。 大部分硅锰铝氧化物夹杂为均相。也有卷入渣子的外来夹杂。 图 3为铸坯 中的夹 杂,图 4为卷人中间包钢中的炉渣。

(2)     夹杂物的数量

钢包→中间包→结晶器→铸坯中夹杂物数量的变化见图5。

卷入中间包钢中的炉渣

从钢包到铸坯夹杂物数量变化

(3)钢中总氧量∑[O]的变化

从钢包直至铸坯总氧量∑[O]下降幅度,空白试验为 44.44%,Ⅰ号试验为60.35%,Ⅱ号试验为60.67%。中间包内设置围墙后有利夹杂物的去除。

4.结论

4.1用水模型对中间包内设置挡墙和坝的不同工况进行实验优化,为生产试验提供依据,这一方法是行之有效的。

4.2围墙绝热板制作工艺简单、安装方便, 固定方式可行,寿命可达到与中间包同步。

 4.3中间包内设置围墙后 ,在现行工艺条件下 ,与现行未设置围墙的中间包相 比,中问包钢中夹杂物平均减少15 ~ 33.5 %,结晶器内钢中夹杂物减少14.25% 左 右,铸坯中夹杂物减少27 ~48.3%。中问包内设置围墙后 ,对提高钢的清洁度有明显效果。

4.4铸坯中氧化物夹杂主要为SiO2 –Al2O3 -MnO系均质球形夹杂,少量的块状 Al2O3。 硫化物的成分主要是MnS。