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近些年来国内外中间包的技术发展

本文综述了近年来国内外中间包冶金技术的发展, 主要包括净化钢水、改善钢水纯净度的技 术, 以及未来中间包冶金技术的发展方向, 为我国中间包冶金提供参考。

中间包作为连铸过程的中间容器, 已由原来的简单容器转变为具有冶金功能的反应器.它的这种功能也变得越来越强, 不仅用作钢液的储存器和分配器, 而且具有防止钢水二次氧化、减少钢液内部夹杂, 改变夹杂物形态的功能。过去, 为了促使中间包中夹杂物的去除, 采用的技术主要是防止钢液再污染技术, 换包时尽量减少钢包渣的卷入, 钢包到中间包的浇注采用长水口, 防止钢液与包衬耐火材料的反应, 中间包加盖技术等到20世纪七八十年代出现了在中间包中安装堰和坝、 过滤器等方法, 以此来改变钢水在中间包的流动形态, 增大钢水在其内的平均停留时间, 从而达到净化钢水的目的.但随着对钢质量的要求越来越严格, 当今国内外在中间包上又有所改进或开发了一些新技术, 如采用加热设备、合金微调技术、 旋转管阀和离心流动中间包的应用等。

1 中间包冶金技术的现状

1. 1 增大中间包容量

增大中间包容量使钢液在中间包内有较长的停留时间, 从而有利于夹杂物的充分上浮. R.A.Heard 等人对水平连铸机上的大容量中间包内的钢液流动形态进行了模拟, 并得出了最佳控流装置.。

Mazumdar 等人研究表明, 增加中间包深度, 降低了旋涡的产生, 改善了铸坯超声波探伤缺陷。

S.Hiraki 等人研究认为:采用大容量中间包提高了高速连铸薄板坯 (厚为 90~100 mm) 的纯净度, 同时进行低液位操作促进了夹杂物的上浮。

英国钢铁公司 Ravenscraig 厂的中间包由 25 他t扩大到45 t 后, 氧化铝夹杂不仅数量减少, 而且在铸坯内弧侧聚集的现象明显改善。

 张立峰等人研究指出, 在控流装置相同的条件下, 60 t 的中间包比 10 t 的中间包 [O]t多去除 42. 4%, 大颗粒夹杂物多去除25. 9%, 微 观夹杂物多去除 11. 8%. 吴永生等人[对扩容中间包的冶金效果进行了研究, 得到如下结论.在相同的挡墙条件下, 中间包加高能延长钢液停留时间约 30%, 有利于钢中夹杂物的上浮分离.但加高后的中间包, 死区体积由原来的3. 1%增加到15. 8%, 因此必须对挡墙进一步优化。

1. 2 避免中间包水口堵塞和改进水口技术

1. 2. 1 避免中间包水口堵塞技术

在冶炼铝镇静钢时, 中间包水口很易发生堵塞现象.东京大学的 S. Dawson就水口堵塞的原因进行了研究, 结论认为钢液分散流动的存在是造成水口堵塞的原因。

 J. Vanderstel等人研究了高含量SiO2覆盖剂, 中等含量 SiO2覆盖剂, 低含量SiO2 覆盖剂对冶炼铝镇静钢的影响.结果得出, 中间包采用 CaO、 Al2O3含量高, SiO2含量低的覆盖剂, 有利于冶炼铝镇静钢, 但使用泡沫型陶瓷过滤器冶炼铝镇静钢是不可行的。

G. T. Moulden等人研究了白云石质中间包滑动水口对冶炼铝镇静钢的影响.结果得出, 该种滑动水口降低了冶炼早期对钢液进行钙处理的可能性.在减少水口吹Ar量的条件下, 仍能消除铝的沉积, 从而使结晶器钢液面波动减弱, 提高了板坯的表面质量.平均中间包浇注钢液量增加了一炉。

1. 2. 2 旋转管阀的使用

目前国内外中间包广泛使用的控制钢水流量的装置是塞棒和滑动水口或定径水口.对于自动开浇和精确控制浇注来说, 滑动水口优于塞棒系统;单在预防旋涡方面, 塞棒比滑动水口好, 而最近国外 (主要是欧洲, 日本也有报道)已开发应用的旋转管阀效果更好, 具有滑动水口和塞棒的优点.这种阀如图1所示 , 是由两个耐火材料 (高铝-石墨)元件组成的, 它们完全浸在中间包钢液中, 这样有助于降低耐材所承受热应力或机械压力.上部元件为旋转件, 下部元件为固定件, 通过旋转上部元件使上下部元件之间的通道口对准, 钢水就能通过旋转管阀, 流量的大小由旋转的角度决定.通过德国 Saarstahl 钢铁厂的实践证明, 与使用滑动水口或塞棒的控流装置相比, 旋转管阀降低了旋涡的形成, 在浇注过程中, 能使中间包钢液面降到更低而不损害钢坯的质量。

旋转管阀基本原理

1. 3 中间包控流装置

堰、坝,导流隔墙,过滤器和湍流控制器,以及它们的组合使用是现代中间包采用的控流装置。

1. 3. 1 设置堰、坝

S.Singh和S.C.Koria的研究指出, 坝可以改变钢液的流动形态, 消除钢液短路流, 促进 钢液产生指向表面的流动, 但坝的位置对钢液流动特征影响不大, 堰的位置则没有影响。

S.C.Koria 等人比较了钢液在装有坝或坝与堰和未设控流装置的中间包内的最短停留时 间.结果表明, 设有控流装置时, 最短停留时间增加, 而且钢液在较宽中间包内的最短停留时间 随着坝高的改变而改变, 但坝高只限定在一定的 范围 ( 0. 25 H ~ 0. 75 H)内才有意义, 如果坝高超出了上限值, 最短停留时间反而会缩短.其中 H 为中间包熔池深度.。

S.P.Steak 等人对 USS/Kobe 钢铁公司的六流中间包进行了实验, 实验时的中间包采用三种不同的控流装置, a (堰+坝) , b (堰+导流隔墙) , c (导流隔墙).实验结果表明:

(1)停留时间的对比:c 与 a 相比, 钢液停留时间延长了45%, 与 b 相比, 延长了22. 4%, 但第四流的停留时间却缩短了 12. 8%.b与 c 相比, 钢液停留时间延长了20%.。

(2)Al2O3夹杂的去除: 基于对渣的分析结果,c 比a多吸收Al2O3夹杂65%, 比b多吸收 36%。

(3)总氧量的对比:b 比 c 少27. 8%, 比 a 少13. 3%。

由上分析得到, b设计是一种有效的中间包控流装置, 能从整体上改善钢液的纯净度, 而 c 设计还需进一步的完善。

1. 3. 2 设置导流隔墙

导流隔墙是在一个上下游完全隔开的耐火材料上设置若干个不同尺寸和倾角的孔洞制成的钢液根据需要的方向流过孔洞, 其通过导流隔墙后的流速和方向由孔的大小和方向决定。

Dipak Mazumsar 等人研究了多种不同控流装置对中间包内钢液流动形态的影响, 结果表明带孔的导流隔墙在改善中间包冶金效果上略有优势。

英国钢铁厂的实践表明, 在六流中间包采用不对称、能承受7 h以上浇铸的陶瓷质导流 隔墙后, 与不设控流装置的中间包的冶金效果相比, 内、 外侧水口的钢流温度差降低了7℃, 拉漏现象的发生率降低40%多, 拉坯成形率提高了8 %, 并且无水口阻塞现象。

M.L.Loury 等人对Armco Kansas 钢铁厂6 流T型中间包进行了数模和水模实验, 实验 的中间包一种设置了堰和坝, 另一种除了设置堰和坝外, 还设置了多孔导流隔墙.研究指出, 对于后种情况的中间包来说, 流向不同水口的钢液分布更加均匀, 从内侧水口流出的钢液的平均停留时间比前者延长了 35%, 但对于从外侧水口流出的钢液来说, 平均停留时间却略有些缩短。

1. 3. 3 设置过滤器

S.Hiraki 等人对两种材质的中间包过滤器进行了研究, 实验结果表明:Al2O3质的过滤器 不能降低板坯中的夹杂物含量, 而CaO质的过滤器可以.但无论使用 CaO 质还是 Al2O3质过滤器都加大了中间包死区体积, 因而夹杂物含量降低的幅度较小。

1. 3. 4 设置湍流控制器

湍流控制器设置在钢包注流冲击点,可缓解注流的冲击。

R.D.Morales 等人对安装了不同控流装置的中间包流场和温度场进行了水模和数模实验. 结果得出,装有湍流控制器和导流隔墙的中间包比装有堰和导流隔墙或无控流装置的中间包产生了更大体积的活塞流区,更能有效地消除钢液表面的湍流和扰动现象,有利于降低吸气量,促进夹杂物的上浮,同时减缓了出口流速,从而降低了注入流温度波动对中间包冶金效果的影响。

L.J.Heaslip指出:湍流控制器能改变中间包钢液的流动, 减少了中间包注流区的表面湍 流现象, 减少了出口回流的生成。

Ak 钢铁厂在改进中间包的实验过程中得出, 湍流控制器减少了中间包的钢液湍流现象, 确保了换钢包期间拉坯速度不变.在冶炼超低 C 钢时, 产品裂纹明显减少。

 1. 4 中间包喂线技术的研究

J . R. Bourguignon 等人介绍了连铸过程中的不同的 Ca 处理技术.在中间包水口较小, 钢液只采取气体保护措施或钢水含 Al 较高时, 钢水在精炼和连铸过程中容易产生二次氧化或中间包水口堵塞现象.为了解决这一问题, 采用了中间包喂线技术.主要是喂 CaSi 包芯线.在冶炼微合金钢时, 中间包喂线技术可以控制钢坯断面质量。

为了提高合金元素在钢液中的收得率, 采用了中间包喂微放热合金线技术。这种合金线 是由添加硅后的铁合金粉末挤压而成的.由于在挤压过程中形成了金属间化合物, 因而储存了部分能量.这部分能量在喂线时转化的热能足以熔化这些化合物而形成液态合金, 从而快速地被钢液吸收.由实验结果得知, 由两种金属构成的合金, 如 FeNb 合金, 如果在其中加入适量的 Si 可以显著地提高合金的熔化速度.例如, 在1400℃的温度下, 使 FeNb 合金完全熔化所需的时间为112. 5 s, 而加入5% (质量分数, 最大为 1)Si时, 熔化时间缩短至97. 5 s.当Si 的加入量达到10%和20% (质量分数)时, 熔化时间可分别缩短到86 s和82. 5 s.这种新型合金对于中间包准确而又高效地微调钢液成分是十分有利的。

R.S Baum 等人对中间包喂Ca线技术进行了研究, 加入的Ca与Al2O3夹杂物反应生成 12CaO07Al2O3 , 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.当中间包中的钢液温度开始下降时, 喂入的Ca 线有助于保持钢液的流动性, 从而避免了高熔点夹杂物阻塞水口的现象.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。

此外, 中间包还能喂合金线, 种类有钛线, 硼线, 钛一硼线, 硅线, 硫线等.喂合金线技术 可以达到分步式加入合金调整钢液成分的效果, 成分控制准确, 还可以对要求达到某一特定化学成分的少量钢水进行成分微调。

1. 5 中间包加热技术的研究

钢包更换时, 由于新钢包内钢液的密度与已注入中间包内钢液的密度之间存在差异, 从而影响了中间包内钢液的流动形态, 而密度的差异主要是源于钢水之间的温度差 .为了消除这种差异, 中间包加热技术就应运而生了。

BGH Edelstahl 钢铁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 Keihin 钢铁厂采用1. 4MW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±1. 0℃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。

R.Yamanaka 等人指出, 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。

1. 6 中间包喷吹气体技术

吹入的气体一般为Ar, 通过Ar的搅拌, 加速了夹杂物的上浮.在CRM 钢铁厂应用的气 体吹入装置是埋在中间包耐材中的一系列平行导管, 导管上有许多孔隙, 从导管口吹入的 Ar可透过带有孔隙的中间包壁和底衬进入钢液中, 因此对中间包内衬的材质有特殊要求.通过对高C钢坯中夹杂物的测定, 结果可知, 使用中间包吹Ar技术, 夹杂物的含量降低了25%。

1. 7 离心流中间包 (Centrifugal Flow Tundish) 的应用

如图2所示, 其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的分离.在CF (离心流)中间包中, 钢水混合能量是普通中间包钢水混合能量的100倍.大的钢水混合能量增大了夹杂物的颗粒, 从而有利于离心力将其分离.实验证 明, CF中间包抑制了钢水短路流的产生, 促进了直径大于100μm的大夹杂物的上浮。

离心流动中间包装置

2 中间包新技术的展望

近年来, 中间包冶金技术发展很快, 但比较而言, 国外的发展较快.一些中间包冶金新技术首先在国外出现, 如应用新型中间包湍流控制器及旋转阀, CF中间包和中间包无氧化加热技术(喷射高温氮气加热)的应用等.此外, 更为先进的钢流卷渣检测技术也出现了, 如日本的 KAWASAKI 钢铁公司为了抑制钢包注入中间包的钢水卷渣, 开发了两种技术, 一种是运用电磁检测技术高度准确地决定残留在浇注钢包内的钢水量, 另一种是用快速响应自动关闭系统探测钢包出口处渣液开始流入中间包的时刻.这也是我国中间包冶金技术的未来发展方向.只有不断地开发和利用新技术, 才能使我国的中间包冶金技术更上一层楼。