中間包冶金發(fā)展概況.ppt

1、中間包冶金,東 北 大 學(xué), 7 2020 .,1中間包冶金發(fā)展的概況 2中間包冶金技術(shù) 3中間包結(jié)構(gòu)物理模擬方法 4中間包吹氬氣體凈化技術(shù),1中間包冶金發(fā)展的概況,“中間包冶金” 概念是在 20 世紀(jì) 80 年代初期被提出來(lái)的，中間包冶金是一項(xiàng)特殊的爐外精煉技術(shù)，是從鋼的熔煉和精煉到制成固態(tài)連鑄坯這個(gè)生產(chǎn)流程中保證獲得優(yōu)良鋼質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。在連鑄過(guò)程中起到重要的作用。隨著高效連鑄的推進(jìn)，中間包冶金技術(shù)已經(jīng)成為高效連鑄必不可少的重要技術(shù)。它對(duì)擴(kuò)大連鑄品種增大連鑄比提高鑄機(jī)作業(yè)率掌握澆鑄過(guò)程的中間包鋼水溫度的變化規(guī)律優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)順利進(jìn)行多爐連澆改善鋼坯質(zhì)量等均起到重要作用。,中間包的作用,減小鋼

2、水靜壓力，使中間包的注流穩(wěn)定穩(wěn)流作用； 在兩流以上的多流連鑄機(jī)中，中間包起到分配器的作用分流作用； 在多爐連澆中，儲(chǔ)存一定量的鋼水，保證換包時(shí)不至于停澆連澆作用。 此外，中間包還是一個(gè)半連續(xù)的鋼水精煉容器，具有以下的精煉功能： 防止鋼水二次氧化和吸氣； 改善鋼水流動(dòng)狀態(tài)，防止卷渣，促進(jìn)鋼水的夾雜物上??； 鋼水成分微調(diào)； 夾雜物形態(tài)控制； 精確控制鋼水過(guò)熱度。,2中間包冶金技術(shù),1.長(zhǎng)水口 Ar 封 2.密封蓋 3.內(nèi)襯耐火材料 4.擋墻和壩 5.過(guò)濾器 6.Ar 氣吹洗裝置 7.覆蓋劑 8.鋼包下渣監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 9.加熱裝置 10.塞棒吹氬,1 ）防止鋼水再污染技術(shù),鋼包到中間包水口保護(hù)澆注; 防

3、止鋼包到中間包卷渣技術(shù); 防止鋼水與內(nèi)襯耐火材料反應(yīng); 中間包加蓋密封技術(shù);,2） 促進(jìn)夾雜物去除技術(shù),增大中間包容量; 中間包內(nèi)的控流裝置; 中間包氣體吹洗吹氬技術(shù); 中間包使用合適的覆蓋劑;,3 ）相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,中間包喂絲技術(shù); 中間包加熱技術(shù); 連續(xù)測(cè)溫技術(shù);,中間包控流裝置演變的歷史可劃分為 4 個(gè)時(shí)期： (1) 20 世紀(jì) 70 年代，開(kāi)始在中間包內(nèi)安置堰和壩； (2) 20 世紀(jì) 80 年代，中間包開(kāi)始使用導(dǎo)流隔墻、過(guò)濾器； (3) 20 世紀(jì) 90 年代中期，中間包開(kāi)始使用湍流控制器； (4) 近年來(lái)，在中間包內(nèi)開(kāi)始研究和應(yīng)用氣幕隔墻技術(shù)。,為了有效地去除中間包鋼水中的非金屬夾

4、雜物，中間包內(nèi)的鋼水流動(dòng)應(yīng)具有以下的流動(dòng)特征： 大的最小停留時(shí)間； 小的死區(qū)體積； 大的活塞流體積與死區(qū)體積之比和較大的活塞流體積與混合流體積之比； 有指向表面的流動(dòng)； 平靜的渣層； 有限的混合區(qū)。,2.1大容量中間包,中間包容量影響到中間包液面高度和中間包鋼水在包內(nèi)的停留時(shí)間。大容量中間包可以保證換鋼包時(shí)中間包鋼水處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，防止卷渣，這對(duì)生產(chǎn)表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量要求高的產(chǎn)品如深沖鋼和汽車板尤為重要。為了不發(fā)生卷渣，中間包鋼水必須在最小深度以上操作。北美 20 世紀(jì) 80 年代以后投產(chǎn)使用的中間包容量均為 45t 以上，其中最大的中間包容量為 70t。日本的中間包容量均在 60t 以上，

5、最大的中間包容量達(dá) 84t。,中間包容量對(duì)鋼水清潔度的影響,2.2 中間包采用堰和壩,中間包內(nèi)采用堰(weir)和壩(dam)作為控流裝置是最普遍的應(yīng)用技術(shù)措施之一，是最簡(jiǎn)便而有效的凈化鋼液的方法。在中間包中安置堰和壩，可以有效改變鋼液流向，延長(zhǎng)鋼水停留時(shí)間，有利于夾雜物的上浮。中間包采用典型的堰、壩結(jié)構(gòu)如圖。,堰，又稱擋渣堰或上擋墻。橫跨整個(gè)中間包寬度，從鋼液面上部延伸至距中間包底部一定距離，鋼水可從其下方流過(guò)。其在中間包的作用是： 1）可以控制鋼包注流沖擊區(qū)的大小，控制鋼包注流對(duì)中間包鋼水的攪拌強(qiáng)度，促進(jìn)夾雜物碰撞和粘結(jié)成大顆粒，以便使小顆粒夾雜物聚合成大顆粒上浮去除。 2）可以將隨鋼包注

6、流進(jìn)入中間包的爐渣擋在注流鋼包注流沖擊區(qū)內(nèi)，防止從鋼包卷入到中間包的渣子流入到中間包水口側(cè)，減少鋼水因鋼包卷渣造成的二次污染。 3）可以將大包注流沖擊引起的中間包鋼水表面波動(dòng)限制在堰的上游，穩(wěn)定堰的下游中間包鋼水液面，有利于減少因表面卷渣、二次氧化和機(jī)械沖刷所產(chǎn)生的夾雜量。,壩，又稱導(dǎo)流壩或下?lián)鯄?。橫跨整個(gè)中間包寬度，從中間包底部向上延伸至距鋼液面之下一定距離，鋼水從其上流過(guò)。它具有以下的作用： 1）可以防止中間包短路流的形成，延長(zhǎng)鋼水在中間包內(nèi)的流動(dòng)距離，增加鋼水在中間包的停留時(shí)間。 2）可以將鋼包注流的沖擊限制在沖擊區(qū)內(nèi)，降低鋼水的水平流動(dòng)速度。 3）使流過(guò)壩的鋼水產(chǎn)生指向鋼液表面的流動(dòng)，

7、縮短夾雜物的上浮距離，有利于夾雜物上浮去除和頂渣捕獲夾雜物。 在中間包中，壩和堰常常是一起使用， 以獲得理想的中間包鋼水的流動(dòng)和冶金效果。,2.3 中間包采用導(dǎo)流隔墻及過(guò)濾器,導(dǎo)流隔墻(baffle)是一個(gè)在中間包將上下游完全隔開(kāi)的擋墻，并在上面設(shè)置若干個(gè)不同尺寸和傾角的導(dǎo)流孔。鋼液根據(jù)需要的方向流過(guò)導(dǎo)流孔，其通過(guò)導(dǎo)流隔墻后的流速和方向由孔的大小和傾角決定。 導(dǎo)流隔墻的作用是，當(dāng)鋼水通過(guò)導(dǎo)流隔墻時(shí)，將中間包的湍動(dòng)流動(dòng)限制在一定的范圍內(nèi)，可產(chǎn)生指向鋼液表面的流動(dòng)，以促進(jìn)夾雜物與頂渣接觸的機(jī)會(huì)，有利于去除夾雜。導(dǎo)流隔墻在中間包中可以起到堰壩組合相同的或優(yōu)于堰壩組合的作用。,過(guò)濾器(filter)為

8、帶有微孔結(jié)構(gòu)材料的隔墻，它橫跨整個(gè)中間包寬度，從鋼液面上方一直延伸到中間包底部，鋼水從微孔流過(guò)。其作用有，在中間包的鋼水中，直徑大于 50m 的大顆粒夾雜物可以采取簡(jiǎn)便的凈化措施將它們與鋼水分離從而使它們上浮排除。但直徑小于 50m 的夾雜物因其上浮速度很小而難以去除。過(guò)濾器就是用來(lái)捕捉這些小顆粒夾雜物，以凈化鋼水。但過(guò)濾器因微孔容易堵塞，鋼水通過(guò)過(guò)濾器的流量小和成本高，在應(yīng)用上受到限制。,導(dǎo)流隔墻和過(guò)濾器,導(dǎo)流隔墻的結(jié)構(gòu)（孔的大小、數(shù)目、分布和傾角）以及安放位置對(duì)中間包的流動(dòng)特性都有很重要的影響。 導(dǎo)流隔墻還可以和直通孔過(guò)濾器相結(jié)合使用，過(guò)濾器安裝在導(dǎo)流孔處，鋼液從過(guò)濾孔洞中流過(guò)，于是過(guò)濾器

9、不僅有吸附夾雜物的作用，而且也成為一種有效的流動(dòng)控制裝置。,2.4 中間包湍流控制器,湍流控制器（turbulence inhibitor）是一種小的容器形結(jié)構(gòu)的裝置，位于鋼包注流下方。鋼水從鋼包長(zhǎng)水口高速流出，進(jìn)入到湍流控制器中，受到湍流控制器的限制，再?gòu)耐牧骺刂破鞯纳峡诜聪蛄鞒?。湍流控制器?20 世紀(jì) 90 年代中期開(kāi)發(fā)的一種新型控流裝置。 湍流控制器的作用： 1）對(duì)鋼包注流的沖擊起緩沖和限制作用，以獲得平穩(wěn)的流動(dòng)。 2）改善中間包鋼水的流動(dòng)特性，延長(zhǎng)停留時(shí)間，有利于鋼水中的夾雜物上浮分離。 3）減輕大包開(kāi)澆和更換時(shí)大包注流沖擊中間包鋼水造成的鋼水飛濺，減少中間包襯的侵蝕。 4）增加中間

10、包鋼水流動(dòng)的活塞流體積，降低死區(qū)體積。,2.4 中間包吹氬,鋼液中的小顆粒夾雜物，由于中間包鋼水的湍流流動(dòng)，很難通過(guò)采用上述的控流裝置將其去除。通過(guò)在中間包一定的位置吹入微小的氬氣泡，在該位置上形成氣幕隔墻，既可以改善中間包流體的流動(dòng)特性，氣幕又可以對(duì)夾雜物起到隔離作用，阻止夾雜物流到中間包水口側(cè)。另外，與小氣泡碰撞的大、小夾雜物，將被氣泡帶到鋼液面上，進(jìn)入到覆蓋渣中，有利于鋼水中的夾雜物上浮分離，提高中間包的夾雜物去除能力。 在密閉的中間包中吹氬，可以使中間包內(nèi)的氣氛在開(kāi)澆和澆注過(guò)程中處于惰性氣氛中，可以防止鋼水的二次氧化和從大氣中吸氣。,（a）無(wú)流動(dòng)控制裝置 (b)擋墻和壩 (c) 多孔擋

11、板 中間包內(nèi)各種流動(dòng)形態(tài)控制裝置,加入湍流控制器的雙擋墻中間包內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài),有氣幕隔墻的中間包流體流動(dòng)狀態(tài),湍流控制器的鋼流控制模型,3中間包結(jié)構(gòu)物理模擬方法,中間包流動(dòng)過(guò)程模擬實(shí)驗(yàn)的相似準(zhǔn)數(shù) 物理模擬實(shí)驗(yàn)要保持發(fā)生在模型和原型的流動(dòng)過(guò)程相似，則必須保證模型與原型之間的幾何相似和動(dòng)力相似。幾何相似要求模型的幾何尺寸與原型的對(duì)應(yīng)的幾何尺寸具有固定的相似比，而動(dòng)力相似要求在模型與原型中作用在流體微元上的力相同且由這些力組成的相似準(zhǔn)數(shù)應(yīng)相等。 當(dāng)原型中間包的湍流 Reynolds 準(zhǔn)數(shù)Ret, 和 Froulde 準(zhǔn)數(shù)Frp 和模型中間包的湍流 Reynolds 準(zhǔn)數(shù)Ret 和 Froulde 準(zhǔn)數(shù)

12、 Frm相等時(shí).,中間包水模試驗(yàn)裝置,水和鋼液的物理性能,中間包物理模擬實(shí)驗(yàn)方法,停留時(shí)間分布曲線測(cè)定 從實(shí)驗(yàn)測(cè)定得到的停留時(shí)間分布曲線RTD(Residence Time Distribution)，可以直接得到從加入示蹤劑到示蹤劑流至中間包水口時(shí)的最小停留時(shí)間 tmin(又稱響應(yīng)時(shí)間)和示蹤劑濃度達(dá)到最大時(shí)的峰值時(shí)間 tmax。還可得到各流體微元在中間包的實(shí)際平均停留時(shí)間 tav。,典型的中間包停留時(shí)間分布曲線,中間包流體流動(dòng)的體積可劃分為活塞流體積(plug volume)或分散活塞流體積(dispersed plug valume)、死區(qū)體積(dead valume)和完全混合流體積(

13、well mixedvolume)。到目前為止，各體積占中間包液體體積的分率計(jì)算模型有三種。 Kemeny等人最早應(yīng)用混合流動(dòng)模型(mixed flow model)分析實(shí)驗(yàn)得到的停留時(shí)間曲線，來(lái)計(jì)算活塞流體積分率、死區(qū)體積分率和混合流體積分率。,死區(qū)完全滯止的中間包流動(dòng)模型,4中間包吹氬氣體凈化技術(shù),中間包鋼液中夾雜物的運(yùn)動(dòng)行為 在中間包內(nèi)，鋼液始終處于流動(dòng)狀態(tài)，夾雜物在其中的運(yùn)動(dòng)也因此比平靜鋼液復(fù)雜得多。許多學(xué)者對(duì)鋼液中夾雜物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行深入研究后認(rèn)為：夾雜物在鋼液中發(fā)生以下幾種行為： (1) 夾雜物的上浮 在中間包內(nèi)，夾雜物依然可以通過(guò)上浮從鋼液中排除。按常規(guī)看法，夾雜物上浮去除速度服

14、從斯托克斯(Stokes)公式 。,斯托克斯(Stokes)公式所計(jì)算的上浮速度是顆粒在重力場(chǎng)中流體介質(zhì)內(nèi)作加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到介質(zhì)摩擦阻力而達(dá)到的終速度，其初速度比該值還要小得多。而在中間包內(nèi)，流體本身的流動(dòng)速度往往比上述速度高出很多，所以小顆粒的夾雜物，在中間包中將跟隨流動(dòng)的鋼液一同運(yùn)動(dòng)，只有大顆粒夾雜物在鋼液流速較低的區(qū)域能夠上浮。如果考慮夾雜物同鋼液流動(dòng)的跟隨性，除非鋼液的流動(dòng)方向偏向上方，否則小粒徑的夾雜不可能上浮出來(lái)。中間包容量較大時(shí)，鋼液停留時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一些，但是也沒(méi)有根本的改變。所以僅僅依靠上浮運(yùn)動(dòng)，小顆粒夾雜物無(wú)法從鋼液中除去。Stokes 公式僅適用雷諾數(shù) Re 小于 2 的情況

15、。 Stokes 上浮公式僅適用于靜止?fàn)顟B(tài)或?qū)恿鳡顟B(tài)（Re2）。如前面所述，中間包內(nèi)雷諾數(shù) Re1000，故應(yīng)用于中間包時(shí)，應(yīng)該使用修正了的 Stokes-Newton 公式,斯托克斯(Stokes)公式 Stokes-Newton 公式,(2) 夾雜物的碰撞長(zhǎng)大,在流動(dòng)的鋼液中，夾雜物顆粒容易相互碰撞而不斷長(zhǎng)大，長(zhǎng)大的顆粒，較碰撞前更容易上浮，所以顆粒的碰撞長(zhǎng)大是夾雜物去除的一種重要形式。顆粒的碰撞有以下四種方式： (a) 布朗碰撞。夾雜物顆粒在鋼液中做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的碰撞，中間包內(nèi)夾雜物碰撞屬于布朗碰撞的類型很少。 (b) 斯托克斯碰撞。顆粒上浮速度與其大小有關(guān)。大顆粒夾雜物上浮的速

16、度大，在上浮時(shí)可能追上小顆粒夾雜物而與之碰撞成為更大顆粒，因而上浮速度加快，更容易捕獲其他顆粒。在中間包內(nèi)，斯托克斯碰撞是夾雜物碰撞長(zhǎng)大去除的重要形式之一。,(c) 速度梯度碰撞。顆粒沿流線軌跡運(yùn)動(dòng)，高速流線上的顆粒將追上低速流線上的顆粒，只要兩顆粒的距離不超過(guò)它們的半徑之和，顆粒將發(fā)生碰撞。這種碰撞和流場(chǎng)速度有關(guān)，當(dāng)流場(chǎng)速度梯度不夠大時(shí)，梯度碰撞不是主要的方式。但在某些速度場(chǎng)有急劇變化的部位，梯度碰撞是可能的。 (d) 湍流碰撞。夾雜物被夾帶入湍流旋渦中，引起夾雜物之間的碰撞。湍流碰撞是夾雜物顆粒碰撞長(zhǎng)大的重要形式。對(duì)于中間包反應(yīng)器，其流場(chǎng)中湍動(dòng)能耗散率值比較大，很容易發(fā)生湍流碰撞，因而其內(nèi)

17、夾雜物的碰撞方式主要是湍流碰撞。,(3) 夾雜物與耐火材料表面的粘附,中間包內(nèi)耐火材料的表面與鋼液中的夾雜物接觸時(shí)，夾雜物會(huì)粘附在耐材表面與鋼液分離 。 促使夾雜物上浮去除是中間包的重要冶金功能之一，而夾雜物的上浮去除又和中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀態(tài)有著密切的關(guān)系。鋼液在中間包內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)可分為全混流、活塞流、短路流、死區(qū)四種。全混流區(qū)流體攪動(dòng)激烈，有利于均勻鋼液成分和溫度，同時(shí)也有利于夾雜物的碰撞去除，但容易導(dǎo)致夾渣和鋼液暴露于空氣中。 因此必須采用一定的控流措施，將湍流較好地限制在沖擊區(qū)內(nèi)，并保證澆注區(qū)渣層的平穩(wěn)覆蓋?；钊饔欣阡撘褐械膴A雜物上浮去除，因此，設(shè)計(jì)控流裝置時(shí)我們應(yīng)盡量提高活塞流的

18、體積。短路流使夾雜物來(lái)不及上浮就從水口流出，引起大量下渣，為此應(yīng)盡量減少甚至避免短路流。死區(qū)減少了中間包的有效容積，使中間包內(nèi)鋼液的平均停留時(shí)間縮短，對(duì)夾雜物的上浮不利，所以也應(yīng)盡量縮小死區(qū)的體積。,中間包吹氬的主要形式,(1) 埋設(shè)透氣管 此工藝去除夾雜物，凈化鋼液效果明顯。對(duì)大于 200m 的大型夾雜物去除效率為 98%，對(duì) 100-200m 的中型夾雜去除效率為 93%，對(duì)小于 100m 的夾雜物去除效率為 47%。 (2) 安裝條形透氣磚 在中間包底部安裝一種鎂質(zhì)條形透氣磚，將氬氣通過(guò)該透氣梁吹入鋼液中，獲得了較令人滿意的效果。結(jié)果大尺寸夾雜物全部去除，小尺寸夾雜物降低了 50，微小夾

19、雜物的去除效果不明顯。在透氣磚的選擇上應(yīng)充分考慮具有通氣量大、攪拌效果好，重復(fù)開(kāi)吹率高、抗沖刷耐侵蝕、高溫性能好等特點(diǎn)，還需要考慮到以下幾個(gè)因素：壽命長(zhǎng)，不必在鋼包使用過(guò)程中改換透氣磚；不堵塞，確保每爐鋼都能實(shí)施底吹氬調(diào)溫和均勻成分。 (3) 使用噴槍 用噴槍噴吹氣體，吹氣位置、吹氣量、覆蓋劑均對(duì)夾雜去除效果有影響。用旋轉(zhuǎn)噴槍吹氬在降低鋼液中的夾雜物，特別是小于 50m 的夾雜物方面，可以達(dá)到預(yù)期的效果。,中間包內(nèi)常見(jiàn)的兩種吹氣方式,條形透氣梁置于多孔擋墻后側(cè),中間包底吹氬氣對(duì)夾雜物去除的原理,中間包吹氬不是為了增強(qiáng)攪拌，而是用惰性的氣泡清洗鋼液。中間包吹氬使鋼液溫度和成份均勻，并進(jìn)一步促進(jìn)夾

20、雜物的去除，其機(jī)理是：氣泡與夾雜物碰撞吸附到一起，粒徑增大，上浮速度增大，易于被鋼液表面的渣層吸收。最初在中間包中吹氬著眼于脫氫。實(shí)驗(yàn)證明吹氬（標(biāo)態(tài) 5080L/min）可清除開(kāi)澆階段的增氫現(xiàn)象。但是中間包吹氬最明顯的效果是去除夾雜物。中間包吹氬的主要方式是在中間包底部某個(gè)位置通過(guò)安放條形透氣磚，目的是用 Ar 氣形成一個(gè)微氣泡屏幕，將鋼液中的夾雜引到鋼液與覆蓋劑的界面而分離出去。,中間包吹氬實(shí)驗(yàn),氣體流量 0.040m3/h 方案 RTD 曲線,條形透氣梁置于多孔擋墻后側(cè)，距入水口 a mm 處：方案 b0b6。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，多將條形透氣梁置于此位置，可以促進(jìn)夾雜物上浮，有利于

21、夾雜物去除。在這種情況下，由于液位差等多種因素的影響，氣體流量對(duì)流場(chǎng)的影響與多孔擋墻不同孔數(shù)控流效果的影響相比，前者的影響較大。 通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可見(jiàn)，在其他條件相同的情況下當(dāng)氣體流量為 0.024m3/h 和 0.040m3/h 時(shí)， 最小停留時(shí)間相對(duì)較大，死區(qū)比例較小，混流區(qū)較大，因此選為最佳氣體吹入量。,條形透氣梁置于出水口下沉區(qū)上沿,0.048m3/h 氣體流量 方案C0,在包底吹氬有 3個(gè)作用如下： 1. 排列成列的吹氬孔口垂直于沿包底流動(dòng)的液流布置，類似于在包底設(shè)置了壩，促使鋼液轉(zhuǎn)向上方流動(dòng)，有利于夾雜物上浮。其作用比壩的效果還強(qiáng)烈。 2. 氬氣泡的浮力產(chǎn)生氣泡泵現(xiàn)象，促使該局部的湍動(dòng)能耗散率顯著增大，有利于夾雜物顆粒碰撞長(zhǎng)大而排除。 3. 上浮的氣泡可以捕獲夾雜物顆粒，并