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第五章中间包冶金中间包冶金功能：A.冶金净化功能：防止钢液二次氧化；保温和微调温度；改善钢液的流动状态；延长钢液在中间包内停留时间，促进夹杂物的上浮。B.精炼功能：采用附加冶金工艺，完成钢液成分微调，改善夹杂物性态，对钢液温度、成分进行精确控制。§5—1中间包钢水流动的控制一.中间包钢液流动概念描述流体流动的基本参数是流动速度、流动轨迹和紊流强度。表征流动性的关键准数—雷诺数Re：Re＝VL∕νV——流体速度；L—容器长度；ν—动力粘度。当Re≤2000时，为层流。即在特定位置的流速不随时间变化；当Re＞2000时，为紊流。即在特定位置的流速是波动的。若钢包水口注流速度为3.2m∕s，则Re＝2.6×105，流动为高度紊流；从中间包水口流出的注流的Re＝1.2×105，也是高度紊流。中间包内液体流动速度一般在1～23m∕s（中间包流动速度等于体积流量与中间包垂直截面积之比），Re约是104数量级，也是属于中等的紊流。二.钢包注流冲击区三.注流卷入空气钢包注流相当于“喷射泵”的作用，把周围空气卷入到液体中，加重了二次氧化污染钢水，卷入的空气量决定于注流直径、轴向速度、钢水粘度和注流紊流强度。当其它因素一定时，卷入的空气量主要决定于注流的紊流程度。1.注流为光滑的层流，卷入空气较少；2.注流为脉动的紊流，卷入空气较多；3.注流为高度的紊流，卷入的空气很多；4.注流分散为液滴（散流），卷入空气最大。注流分散为液滴卷入的空气量比光滑圆流要大60倍以上。钢包注流形态对中间包内液体流动有十分重要的影响，同时也会影响结晶器液体的流动。如图：四．漩涡1.危害：⑴把中间包渣卷入结晶器；⑵把空气卷入到液体中；⑶使中间包注流不稳定，搅乱结晶器钢液流动。2.防止：⑴控制合适的液面高度；⑵在适当的位置安放挡墙和坝。中间包漩涡形成：ａ—漩涡形成；ｂ—有漩涡时流动形态五.流动不稳定性和波的形成1.液面升高或降低时，流速有较大的变化而引起流动模式改变导致表面波的形成。2.入口和出口条件发生变化时，流动不稳定性会导致表面波。表面波的扩散，引起中间包钢渣界面的搅动而卷入渣子，对铸坯质量有不利影响。§5—2中间包钢水夹杂物的去除一.夹杂物上浮在静止液体中质点上浮速度可表示为：V=2r2p（ρl－ρi）g∕9μ计算结果说明中间包钢水中大于70μm夹杂物基本上都可上浮，而小于70μm夹杂物上浮就困难了。由于中间包钢水流动的紊流作用，夹杂物相互碰撞聚合，加速了夹杂物上浮。促使中间包内夹杂物上浮的措施：1.增加钢水在中间包平均停留时间，使夹杂物有足够的时间上浮。为此，中间包向大容量方向发展；大容量中间包具有以下优点：A.延长钢水在包内停留时间，有利于夹杂物上浮提高钢水的纯净度，利于生产洁净钢。B.钢水的储存量增多了，更换钢包可以不减拉速，有利于保持连浇，并能改善换钢包过渡铸坯质量。C.大容量中间包更适用于高拉速铸机，能保持钢水在包内停留时间。中间包的最大容量现已达80t。2.改善液体流动轨迹。液体把夹杂物带到中间包表面区，缩短了上浮距离。为此，在中间包加障碍物（如挡墙和坝）以改变流动方向，消除中间包死区；3.钢包注流不应把夹杂物带入钢包底部而是在某一定高度。为此，中间包液面高度由浅熔池（600～700mm）向深熔池（1.0～1.2m）方向发展。深熔池中间包的优点：A.钢水液面波动较小，可减轻钢水二次氧化；B.减小了液面流速和湍流强度，相应降低了水口部位钢水流速和湍流强度，利于注流稳定；C.降低产生涡流的可能。二.钢水平均停留时间钢水从中间包入口连续流到出口处所经历的时间叫理论平均停留时间。T平均＝钢水体积（m3）∕中间包钢水流量（m3∕min）根据中间包容量大小不同，停留时间一般在3～10min。§5—3中间包流动形态控制敞开浇注双流中间包流动模式如图：一.钢液在中间包内的流动形态：A.击穿流从钢包注入中间包内的钢液，在中间包内没有停留而直接到达浇注水口流入结晶器。B.活塞流（层状流）钢液进入中间包依次向前推进。C.混返流钢液进入中间包后立刻与其它部分钢液混合。D.死区（停滞区）钢液流动速度很低，与其它区域的钢液的交混慢。击穿流：这股钢流在中间包内没有净化的可能，钢液中夹杂物在中间包内没有上浮的机会。活塞流（层状流）：钢液中夹杂物随钢液进入中间包，依次向前推进而上浮。混返流：钢液中夹杂物上浮的可能性与钢液在中间包内运动的路线与平均停留时间长短有关。死区：进入这区域的钢液的夹杂物有可能上浮，但死区的存在相当于缩小了中间包的有效容积，使钢液在中间包内的平均停留时间缩短，对夹杂物上浮不利。二.中间包无控制流动敞开浇注双流中间包流动模式如图：缺点：A.钢包注流带入大量空气，“沸腾作用”使中间包表面呈波浪运动，加剧了二次氧化；B.中间包底存在钢水停滞区，温度不均匀；C.由于有死区存在，整个中间包容积未能充分利用，夹杂物不易上浮。三.中间包控制流动1.挡墙；2.坝。作用：A.消除中间包底部区域的死区；B.改善改善流动的轨迹，使流动沿钢渣界面流动，缩短夹杂物上浮距离，有利于渣子吸收；C.封闭钢包注流冲击区的紊流，防止表面卷渣（挡墙）。挡墙和坝的位置和尺寸，应结合实际中间包采用水模型试验来决定，然后在生产中应用。挡墙和坝的流动模型：四.中间包卷渣1.钢包敞开浇注时中间包流动特点⑴沿钢渣界面有剪切力作用把渣子卷入内部；⑵注流冲击力引起液体表面波浪运动。尤其当液位降低时（如200mm），这种剪切力和波浪造成的卷渣更为严重。2.钢包采用长水口时中间包流动特点⑴钢渣界面流动剪切力减轻；⑵减轻了由注流引起的波浪运动。如果中间包加挡墙和坝联合作用，则卷渣有明显减少。3.引起中间包卷渣的流动因素：⑴钢渣界面流动的剪切力和表面波；⑵注流冲击区的紊流；⑶低液位时水口上部形成的漩涡。4.防止卷渣的措施采用长水口（钢包）、大容量、深熔池、带有挡墙和坝的中间包，保持稳定浇注。§5—4中间包精炼技术一.中间包双层覆盖渣一层：炭化稻壳。二层：保护渣（如CaO—CaF2—MgO系、CaO—SiO2—Al2O3系等）功能：1.绝热保温，防止散热；2.吸收上浮的夹杂物；3.杜绝二次氧化，防止空气中氧气、氮气进入钢水。二.中间包吹氩1.作用⑴增加搅拌能，促进夹杂物上浮；⑵形成液面保护层；⑶改善流动状况。2.类型⑴中间包多孔透气环；⑵旋转透气塞；⑶中间包塞棒吹氩。三.夹杂物形态控制1.中间包钢水成分微调（喂丝法）在中间包加入易氧化元素（如Ti、Al、Ca）或微量元素（如B、V），钢水与污染源（如渣、包衬、空气）接触实间短，有利于提高元素的收得率。由于中间包熔池浅，钢液停留时间有限，为确保元素能充分吸收，广泛采用喂丝法。2.夹杂物形态控制在中间包内喂入Ca丝、或CaSi、CaSiBa的包芯线，其目的是把高熔点的串簇状的Al2O3转变为低熔点的球形铝酸钙（12CaO·7Al2O3），以改善钢水流动性，防止Al2O3堵水口。（在小方坯连铸中间包中应用）为增加包芯线穿越钢液的停留时间，采用螺旋式喂线技术。螺旋直径为250mm，螺距为100mm，用一台辊式开卷机将包芯线送入导管进入中间包，喂线速度可达20～30m∕min§5—5中间包过滤器的应用一.过滤器原理是一种强制分离夹杂物的方式。夹杂物随钢水流经多孔介质时，夹杂物沉淀、滞留、黏附或烧结于过滤介质微孔的表面上，钢水可以自由流过，夹杂物得以分离，净化了钢水。方法：筛网过滤、滤饼过滤、深层或深床过滤。二.过滤器材质对过滤材质的要求：A.耐高温；B.高疏松度，既能吸附夹杂物，对钢水流动的阻力又小；C.能够承受热应力和机械冲击应力的作用；D.抗钢水与熔渣的侵蚀冲刷。过滤器的材料：莫来石、氧化铝、稳定氧化锆、氧化钙等。三.过滤器的应用效果用于中间包泡沫陶瓷过滤器：§5—6中间包加热技术在浇注过程中钢水温度、钢水成分和钢水流动特性是控制连铸机生产率和铸坯质量三个重要的变量，为把连铸机产量和铸坯质量的矛盾统一起来，提出了浇注过程温度稳定控制的概念，其中重要的是中间包钢水温度稳定性控制问题。一.中间包钢水温度稳定性控制对策1.最大能量损失原则：即每炉高温出钢→钢包站调温（如加废钢）→中间包目标温度值；2.优化能量损失原则：即严格按温度损失决定出钢温度，在钢包站不降温不加热以达到中间包目标温度值；3.最小能量损失原则：按预定温度出钢，在钢包或中间包补充能量以达到目标温度值。二．中间包热平衡分析QCp（Ta－Te）＝Φ若补充到中间包钢水温度损失等于中间包散热损失时，则中间包钢水温度趋于稳定。Q—钢包水口流量，t∕min；Cp—钢水比热，kJ∕kg·℃；Ta—钢包钢水温度，℃；Te—中间包钢水温度，℃；Φ—中间包热损失，kJ。1.中间包钢水温度变化（如图）：a开浇期：由于中间包衬吸热，钢水温度下降10～15℃；b正常浇注期：经过10～15min，由于包衬吸热达到饱和，同时向中间包不断供给钢水，液面保持稳定，这时钢水的温降约为0.3～0.5℃∕min，进入中间包钢水散热量大体与包衬散热相等，钢水稳定在目标温度值。c连浇换钢包；由于中间包液面下降，钢水温度降低约5～10℃。d正常浇注期：同be钢包浇注结束：浇注中间包剩余钢水时，钢水温度降低10～15℃。2.中间包钢水温度不稳定的危害：⑴钢水温度降低过大，开浇时会造成水口凝钢，甚至使开浇失败。为顺利开浇，又要相对提高中间包钢水目标温度，这样加重了高温出钢。⑵中间包钢水温度不稳定，加重了结晶器坯壳生长的不均匀性，严重时会导致拉漏；⑶会使结晶器保护渣液渣层厚度不足，导致铸坯表面夹渣；⑷不利于中间包钢水夹杂物上浮分离。为此，在开浇初期、换钢包、浇注末期采用中间包加热，以补偿钢液温度的降低，使钢液温度保持在目标温度附近。这有利于浇注操作的稳定性，提高铸坯质量，同时在正常浇注期间，适当加热以补偿钢液自然温降。三.中间包加热方法及效果1.电磁感应加热感应加热器安装在中间包底部，既可加热钢水，也可借助于电磁力搅拌钢水促进夹杂物上浮。此法具有设备机构简单、加热速度快、热效率高、成本低、操作方便等优点。感应加热示意图：1—感应器；2—铁芯；3—线圈；4—耐火材料；5—冷却套；6—沟槽；7—钢水；8—中间包；9—水口2.等离子加热在中间包采用专门的电弧发射器产生高温等离子体来加热钢水。优点：A.等离子体发射器可安装在中间包上方，使用调节方便；B.在加热过程中，可通过检测钢水温度、液面高度、拉速等参数来调节输入功率，精确控制钢水温度达到目标温度值；C.不污染环境。等离子枪加热装置1—钢包；2—水冷壁；3—等离子枪；4—中间包；5—熔池液面；6—中间包车；7—电缆8—支柱9—电源；10—结晶器