冶金行业连铸连轧-中间包

中间包冶金主讲教师：闵义2007.11连铸理论及工艺1.前言1.1中间包的作用中间包是炼钢生产流程的中间环节，而且是由间歇操作转向连续操作的衔接点。中间包作为冶金反应器是提高钢产量和质量的重要一环。无论对于连铸操作的顺利进行，还是对于保证钢液品质符合需要，中间包的作用是不可忽视的。1.1中间包的作用(1)分流作用。对于多流浇铸，由多水口中间包进行分流。(2)连浇作用。在多炉连浇时，中间包存储的钢液在换钢包时起到衔接的作用。(3)减压作用。盛钢捅内液面高度有5—6m，冲击力很大。在浇铸过程中变化幅度也很大。中间包液面高度比钢包低，变化幅度也小得多，因此可用来稳定钢液浇铸过程，减小钢流对结晶器凝固坯壳的冲刷。(4)保护作用。通过中间包液面的覆盖剂，长水口以及其他保护装置，减少中间也中的钢液受外界的污染。对中间包的要求满足纯净钢生产的要求：中间包是钢液凝固之前所经过的最后一个耐火材料容器，对钢的质量有着重要的影响。应该尽可能排除掉钢水中非金属夹杂物；防止钢液吸收空气以及耐火材料中的氧，避免二次氧化，以满足纯净钢的品质要求。满足连续生产的要求：转炉溅渣护炉技术的推广应用后，转炉寿命大幅度增加，中间包寿命成为连续生产的关键环节。要求提高中间包耐火材料寿命，以及在线快速更换易损毁元件等。1.2中间包结构中间包一般由包体、包盖、水口和控流装置组成。中间包容量一般取钢包容量的20％~40％，小容量钢包取大值，大容量钢包小值。为了保证多炉连浇时的铸坯质量，其储存的钢液，应大于换包所需的时间。钢液在中间包内的停留时间和中间包容量及铸速有关，为使钢液在中间包内有必要的停留时间，应根据铸速来核算中间包的容量。停留时间缩短，对排除非金属夹杂物不利。1.3中间包种类中间包的形状类型很多，包括矩形、三角形、椭圆形、v形、Y形、H形等，可根据车间情况及铸机尺寸等选用，以矩形中间包应用较多。如果按其结构分类，大体上可分为板坯连铸用中间包和小方坯连铸用中间包。板坯连铸用中间包用于大型板坯连铸，板带类产品对清洁度要求最为严格，所以国内外关于矩形板坯连铸中间包的研究最多。1.4中间包冶金的研究内容炉外精炼使钢液纯净度提高，钢液和环境(大气、耐火材料等)间杂质浓度差别(或化学位差别)增大，重新污染的可能性和速率都将增大。炉外精炼后，钢液温度是均匀的，而当钢液流过中间包时其温度又会再次改变为不稳定状态。所以，钢液通过中间包的过程中，发生某些物理和化学的变化是不可避免的。“中间包冶金”的概念是在20世纪80年代初期提出的，研究成果已为工程时间所应用和检验。研究内容主要为：(1)清除钢液再次污染的来源，即防止二次氧化、减轻耐火材料侵蚀、减少钢包渣的卷入以及渣中不稳定氧化物的危害。(2)改善钢液流动条件，最大可能去除钢中非金属夹杂物；亦即防止短路流，减小死区，改进流线方向，增加钢液的停留时间。(3)选择合适的包衬耐火材料和覆盖剂，既减轻热损失又有利于吸收分离和上浮的夹杂物。(4)控制好钢液温度，必要时增加加热措施，使钢液过热度保持稳定。1.5中间包冶金的研究方法作为一种连续操作的反应器，它与转炉、电炉及钢包等间歇操作反应器的概念是不同的。反应工程学的原理得到更多更深入的运用。主要研究方法有：物理模拟：主要是用水模型的方法来研究中间包流场特征，如速度场，控制元件对流动特征的影响，夹杂物去除的影响等。数学模拟：用计算流体力学方法求解中间包流场。2中间包物理模拟中间包内基本的物理现象是钢液的流动，各种冶金过程都是在流动的钢液中进行的，所以研究中间包内的流动现象是中间包冶金的基础。研究证明，用水模型来研究钢包、中间包、结晶器等内部的钢液流动不仅是可行的，而且能够正确反映实际钢液流动的数值和规律。直接测量高温下的钢液的流速，不仅在测量技术方面有难度，而且研究费用也很高。在开发新工艺以及改进现有工艺时，模型研究是一种成本低、见效快的可靠工具。物理模拟的目的第一个目的是寻求有利的操作参数：例如利于钢液中夹杂物的上浮，设置控流元件，元件位置、尺寸等参数可以通过流场测量、刺激响应技术、夹杂物模拟等实验确定。第二个目的是找出过程的某些主要参数的函数关系，而这些关系也可应用于实际冶金过程。2.1物理模拟方法中间包中钢液的流动，是钢液在重力作用下从盛钢捅水口流人中间包，然后从中间包水口流出，在这种情况下．一般可视为粘性不可压缩稳态流动，忽略化学反应的影响。系统只要满足几何相似，运动相似和动力学相似即可，而运动是动力所驱动的，所以中间包钢液流动的物理模拟，需要满足模型和原型几何相似和动力学相似。影响流动状态的作用力主要有惯性力、重力、粘性力和表面张力。在中间包冶金过程的物理模拟中，常用水来模拟钢液，考虑等温流动时，水模型中的流动和中间包中钢液流动相似的条件为Re数和Fr数保持不变，即：Fr数相等时有：Re数相等时有：当模型与原型为1：1时，可以同时保证Fr数和Re数相等，二者相似最为理想。但选用1：1模型成本较高，而且试验场地受到限制。常用的中间包物理模拟方法：同时考虑Fr数和Re数相等；只考虑Fr数相等，Re数处于同一自模化区（即Re都处于大于第二临界值时，湍流程度和流速不受Re的影响）；同时考虑Fr数和We数相等：考虑中间包覆盖剂的卷入间题时，需要考虑液体表面张力的作用。要求模型为原型的0.6倍。非等温流动的模拟。2.2停留时间分布的测定中间包是连续反应器。钢包注流的冲击，水口处对钢液的抽吸以及中间包内部结构和形状，使中间包内钢液流动状态很复杂。进入中间包中各流体分子或流体微团从流入到流出这段过程中，实际经历的路径长短小一，它们的流速分布也不同，从而在中间包内的停留时间也就各不相同。流体分子(或微闭)在中间包内停留时间的长短及分布，对中间包的各种冶金功能有非常重要的影响，因此测定中间包内流体的停留时间分布，并用来分析中间包内钢液的流动状态及对其冶金功能的影响。2.2.1刺激－响应实验技术2.2.1.1实验方法测量停留时间分布，通常应用’刺激一响应”实验。此方法在类似于中间包这类非理想流动的反应器个得到了广泛采用。其方法是：在中间包注入流处输入一个刺激信号，信号一般使用示踪剂来实现，然后在中间包出口处测量该输入情号的输出，即所谓响应，从响应曲线得到流体在中间包内的停留时间分布。水模中常用的示踪剂有：电解质、发光或染色物质作为示踪剂，例如KCl，NaCl，通常为脉冲式加入。2.2.1.2应用原则响应信号要能够真正反映反应器内流动的真实状态：应用刺激－响应实验时应遵循以下原则：(1)刺激－响应过程必须是线性过程，刺激估号在数量上的变化导致响应在相应量上的变化是成比例的(2)作为刺激信号的示踪剂不能参与反应器内发生的任何化学反应，即不会因反应导致示踪列物质的增加或减少。(3)脉冲式加入刺激信号，示踪剂应瞬时加入。(4)刺激与响应信号安易于测量。2.2.2停留时间分布函数2.2.2.1停留时间分布函数E(t)分子在反应器内的寿命不相同。但反应器中反应物分子数众多，分子在反应器内的寿命分布应服从统计规律。图2－2为各个分子在反应器内停留时间的分布规律，大多数分子的停留时间在中等范围波动，寿命极短及极长的分子都不多，这种分布曲线称为停留时间分布函数E（t）。其定义为：Edt是进入反应器的流体中在系统内的寿命居于t和t+dt之间的那部分分子。通过反应器的全部流体分子可以看作为1，即：寿命低于t1的流体所占分率为：寿命高于t1的流体所占的分率：E(t)的均值为：E(t)的方差（离散度）：2.2.2.2平均停留时间当中间包钠液的体积为vR，由铸速所决定的钢液流出的体积流率为Q时，由此可算出平均停留时间：当中间包内钢液流动没有死区现象存在时，二者计算的平均停留时间应当一致。也就是说，钢液在中间包内的实际停留时间应等于所测得的E(t)的数学期望。在实验中，往往利用两者的差别来判断中间包内死区的大小。曲线A：钢液流动为活塞流，示踪剂分子和加人前后的流体没有混合，经过时间tc后全部示踪剂由水口流出，所以仍然保留脉冲特征。曲线B：如果钢液流动为全混流、示踪齐脉冲加入后立刻与中间包内钢液混合，混合均匀并立即由水口流出，以后随着钢液流出的示踪剂将逐渐减少、所以B曲线呈现衰减的曲线特征。2.3流场显示及流速测量的实验技术但是建立了合适的模型，还必须有合适的实验技术才能得到良好的实验结果。流场显示技术是研究各种复杂流动的有效方法。流场显示的任务就是把透明流体(如水)的流动现象，设法用图像显示出流动图形(流谱)供定性分析之用，并力求做到根据这些流动图形作出流场某种物理量的定量测量，中间包中的许多流动现象，例如注流冲击、卷渣、夹杂物上浮等，都可以通过流动显示进行研究；流动测量技术的现代化，不但提供了各种流动的流谱，而且还可提供定量的测量数据，如激光测速法、高速摄影法等技术2.3.1流动显示技术显示出来的流动图形既便于直接观察，也可用照相或摄影的方法记录下来。最常用的显示方法是示踪法。示踪粒子一般在流动的上游即中间包上方注流处加人。要求示踪剂的密度和流体应尽量接近或者粒子的粒度非常细小，可以和流体同步流动。还要有强的反射性能，以便观察和摄影。常用的示踪剂有聚苯乙烯塑料粒子和铝粉等，染料也可作为示踪剂，在低速(小于1m/s)时．可用水性染料，如茵红、高锰酸钾、甲基蓝等；较高速(大于1m/S)时，可用油性染料如苯、二甲苯、硝基苯、十二烷基酒精等。2.3.2高速摄影在流场显示中的应用高速摄影是把高速运动变化过程的空间信息和时间信息紧密联系在一起进行图像记录的一种摄影方法。我们在观测快速流动过程时，用它来放大时间标尺，使人们能直接观看并研究某一特定时刻的空间一时间图像。摄影频率在102幅/s以下称为普通摄影，在102~103幅/s的称为快速摄影，103~4x104幅/s的称为次高速摄影,4X1O4幅/s以上的称为高速摄影。高速摄影不仅能将瞬变、高速过程连续记录下来，给人们以直观形象和生动可靠的结果，并且能对研究对象的瞬时状态、流场变化、运动轨迹等进行记录，并运用图像分析仪等设备进行定量计算。此外还有激光多普勒测速和热线流测速等技术。但应用的较少。2.4夹杂物的模拟方法在中间包冶金学中，研究非金属夹杂物的变化和去除是很重要的内容。中间包内，夹杂物是在流动的介质中变化、长大和去除的。用水模型研究钢液流动时，也需要用适当的粒子来模拟非金属夹杂物在流动介质中涉及夹杂物去除的现象有：夹杂物的碰撞长大、夹杂物上浮、钢液对夹杂物的润湿性以及渣层和包衬捕获夹杂物的能力等。对这些复杂的现象进行模拟是相当困难的。主要材料有空心玻璃球、发泡塑料粒子等，好的模拟材料对模拟效果非常中要。2.5多级取样与系统分析连铸坏及其制成品的夹杂物状况和来源作系统的研究，找出改进钢质量的途径。(1)选择BaO、SrO、La2O3等氧化物作为尔踪剂加人中间包渣及结晶器保护渣中以追踪夹杂物的可能来源；(2)按一定时间和规则在中间包钢液中取大样、小样及渣样；(3)按一定时间和规则在结晶器未凝固钢液中取小样、铅笔样及渣样；(4)在铸坯上按一定部位取长条样、大样。系统分析内容：(1)用化学法分析渣中CaO、Al2O3、MgO、SiO2、MnO、FeO等；(2)用光学显微镜观察金相试样中的夹杂物，每个试样观察200个视场，按夹杂物的类型和尺寸的统计平均值评价钢的清洁度；(3)用大样电解法分解钢中粒径大于50um的氧化物夹杂，对典型夹杂物进行照相和电子探针分析；(4)用扫描电境分析夹杂物形貌、构成和成分。(5)分析钢中Si、Mn、O全、P、S、Als含量；(6)必要时，对使用过的耐火材料工作层进行分析。采用多级取样和系统分析的研究方法从多方面直接评价钢的清洁度，虽然尚不能显现钢液内夹杂物的变化过程，但和中间包钢液流动的数学物理模拟相结合，可以较为确切地分析中间包冶金学的有关问题。3中间包内钢液流动现象3.1中间包