方坯连铸流场设计

毕业论文 方坯连铸流场设计 摘 要 连续铸钢技术的开发与应用是钢铁冶金生产领域一项意义重大的技术革命，它对钢铁工业生产流程的变革、产品质量的提高和结构优化等方面起了革命性的作用。该工艺以其低投资、低成本、低能耗、生产周期短、成材率高的优点、近年来取得了重大发展，使钢铁生产工艺流程产生了重大变革。 随着钢铁技术的飞速发展，钢材的应用领域日益扩大，对钢材的性能要求不断提高，钢铁工业结构的优化都对产品规格、质量提出了更高的要求，合理科学的连铸流程对提高铸坯质量有重要意义，受到研究人员的重视。 连铸过程中合理的流场，对防止钢水二次氧化、延长钢水在中间包内停留时间、促进夹杂物上浮去除等都具有重要的作用。因此，对连铸钢包、中间包、结晶器内钢液的流动模式进行研究和分析，保证钢液流动状态的合理性具有相当重要的理论和实际意义。 关键词： 连铸；流场；钢包；中间包；结晶器 ABSTRACT Continuous casting technology development and application of metallurgical production areas is a significant technological revolution, its steel industry, changes in production processes, product quality improvement and structural optimization has played a revolutionary role. The process of its low investment, low cost, low power consumption, short production cycle, the advantages of high rate of finished product, has achieved significant development in recent years, so that the steel production process had a major change. With the rapid development of steel technology, expanding the application field of steel, on the increasing performance requirements of steel, iron and steel industrial structure optimization are the product specifications and quality requirements of a higher, rational science to improve the casting process of continuous casting billet quality is important, the importance attached by the researchers. Continuous casting process in a reasonable flow field, the second to prevent oxidation of molten steel, molten steel in the middle of the bag extended stay, and promote inclusion removal of floating and so has an important role. Therefore, even the casting ladle, tundish, mold flow pattern of molten steel in research and analysis, to ensure a reasonable state of molten steel flow of considerable theoretical and practical significance. Keywords： Continuous casting，Flow field，Ladle，Tundish，Mold 目　　录 1引 言 21 文献综述 21.1 钢的连铸技术发展 21.2 连铸技术概述 21.2.1 连铸技术的发展 31.2.2 连铸工艺的优点 31.2.3 连铸生产正常化需要的条件 41.3 方坯连铸概述 62 研究内容及 62.1 研究背景 62.2 研究目的 62.3 研究内容 73 钢包内部流场研究 73.1 钢包在连铸过程中的重要性 73.2 钢包滑动水口 73.2.1 钢包滑动水口机构的构成 83.2.2 滑动水口的原理 93.2.3 滑动水口机构的常见问 93.3 引流砂 93.3.1 引流砂的工作原理 93.3.2 引流砂对钢包开浇率的影响 103.3.3 引流砂的填充状态 103.4 钢包下渣系统 103.4.1 下渣系统概述 113.4.2 现有下渣检测介绍 133.5 钢包覆盖剂 133.5.1 传统钢包覆盖保温剂 133.5.2 新型钢包覆盖保温剂 154 中间包内部流场研究 154.1 中间包概述 154.2 中间包冶金技术 154.2.1 中间包的作用及冶金功能 164.2.2 中间包冶金技术的现状 174.2.3 高效连铸对中间包冶金技术的要求 184.3 中间包各因素对钢水流场的影响 184.3.1 中间包内部形状、注流对多流浇注的影响 184.3.2 中间包容量对流场的影响 194.3.3 控流装置对流场的影响 224.4 中间包目前普遍存在的问题及改进措施 224.4.1 中间包存在的问题 234.4.2 中间包的改进措施 255 结晶器内部流场研究 255.1 结晶器概述 255.2 结晶器浸入式水口 265.3 结晶器内钢液流场的影响因素 265.3.1 浸入式水口结构参数对流场的影响 295.3.2 浸入式水口浸入深度对流场的影响[32] 295.3.3 浸入式水口安装角度ɑ 295.3.4 结晶器宽度对流场的影响 305.3.5 拉速对流场的影响 305.3.6 结晶器电磁搅拌(即M—EMS)强度E对流场的影响[33] 325.4 结晶器内钢液连铸电磁搅拌技术 325.4.1 电磁搅拌器的工作原理 325.4.2 电磁搅拌技术的类型[35] 345.4.3 结晶器电磁搅拌的冶金机理及效果[36] 345.5 连铸电磁制动技术 345.5.1 电磁制动技术研发背景与工作原理 365.5.2 电磁制动技术在冶金应用上的效果 37结 论 38参考文献 41致 谢 42注 释 43附 录 引 言 连续铸钢技术的开发与应用是钢铁冶金生产领域继氧气转炉之后又一次意义重大的技术革命，它对钢铁工业生产流程的变革、产品质量的提高和结构优化等方面起了革命性的作用。该工艺以其低投资、低成本、低能耗、生产周期短、成材率高的优点、近年来取得了重大发展，使钢铁生产工艺流程产生了重大变革。 高质量连铸坯对连铸钢水的清洁度和铸坯质量的要求也越来越高。合理的连铸过程中的流场，对防止钢水二次氧化、延长钢水在中间包内停留时间、促进夹杂物上浮去除等都具有重要的作用。因此，对连铸钢液的流动模式进行研究和分析，保证钢液流动状态的合理性具有相当重要的理论和实际意义。 本设计说明书对连铸工艺流程中的各个环节对流场产生的影响做一个比较全面的介绍和阐述，目的在于对其进行全面认识和了解，为今后在学习和工作中解决遇到的问题打下基础。 1 文献综述 1.1 钢的连铸技术发展 本世纪初，中国由钢材净进口国转为净出口国，并使钢产量达到世界总产量的三分之一。在产能扩大的同时，装备的大型化、现代化及工艺技术的不断进步，使中国主要大、中型钢铁企业的技术水平已达到世界同类钢厂的水平。 由于资源和能源的限制，以及环境承载量的制约，使中国钢铁工业定位于满足国内市场需求，发展的主要驱动力是中国工业化、城镇化的持续推进及大型能源、交通基础设施建设。对钢材数量及品种、质量要求正在不断提高。 为了贯彻落实科学发展观及走新型工业化道路，中国要建设新一代可循环的钢铁流程，使之兼具优质钢材生产、高效能源转化及消纳社会废弃物三项基本功育旨。 中国钢铁工业在新钢种研发、钢材质量提高方面亦取得了令人瞩目的成绩，使高性能汽车用钢、管线用钢、模具钢、不锈钢等已基本立足国内，有力的支撑了中国装备制造业的快速发展。 1.2 连铸技术概述 连续铸钢技术的开发与应用是钢铁冶金生产领域继氧气转炉之后又一次意义重大的技术革命，它对钢铁工业生产流程的变革、产品质量的提高和结构优化等方面起了革命性的作用。 1.2.1 连铸技术的发展 连续铸钢技术发明已有150多年，现已成为钢水造块的主体工艺。世界上先进的主要产钢国家的连铸比已达到95%以上。近20年来，我国的连铸技术发展迅猛，在成熟生产技术的应用、新技术的开发、应用基础研究等方面都得到了快速的发展，连铸机保有量和连铸坯产量己占世界第一。与我国钢铁工业在世界上的地位一样，我国是一个连铸生产大国，但不是一个连铸技术大国。 我国连铸机类型齐全，从几毫米铸坯的线材铸机到宽度超过3m的宽厚板铸机，从立式、立弯、直弧及弧形到水平连铸机都有。有代表性的主力机型有直弧型大板坯铸机、弧型小方坯铸机、弧型大方坯铸机和立弯型薄板坯铸机。 近年来，我国在高效连铸、薄板坯连铸、特殊钢连铸方面取得了长足的进步。目前我国连铸机的设计作业率为80%左右，实际作业率通常为60%~90%，有些连铸机作业率已经超过90%。板坯连铸机的浇注速度一般为1~1.8m/min，薄板坯为4~5.5m/min，120mm×l20mm方坯为3~4m/min，150mm×150mm方坯为2~3m/min。至于设计产量，大型板坯或薄板坯连铸机为100万t/流，小方坯连铸机为12万t/流左右。某些小方坯(120mm或 150mm)连铸机的年产量已超过18万t/流。我国连铸生产水平与世界同类指标相当。近年，我国已引进了许多薄板坯连铸连轧生产线。某些薄板坯连铸机的装备技术处于世界先进水平。 在连铸新技术研究开发方面，进行了高效连铸技术、近终形连铸技术、电磁连铸技术、特殊钢连铸技术、连铸坯凝固控制技术和双辊薄带连铸技术等方面的工作。许多连铸新技术的研究开发是在紧跟国际上的发展。 1.2.2 连铸工艺的优点 连铸过程是在连续状态下, 钢液释放显热和潜热, 并逐渐凝固成一定形状铸坯的工艺过程。钢在这种由液态向固态的转变过程中, 体系内存在动量、热量和质量的传输, 相变、外力和应力引起的变形, 这些过程均十分复杂, 往往耦合进行或相互影响。与模铸—初轧开坯工艺相比,连铸工艺具有如下优点： 1．简化了铸坯生产的工艺流程, 省去了模铸工艺的脱模、整模、钢锭均热和开坯工序, 基建投资可节省40%,占地面积可减少30%, 操作费用可节省40%, 耐火材料的消耗可减少15% 。 2. 提高了金属收得率, 一方面大幅度减少了钢坯的切头切尾损失; 另一方面生产出的铸坯更接近最终产品形状, 省去了模铸工艺的加热开坯工序,减少了金属损失, 可提高金属收得率约9% 。 3. 降低了生产过程能耗, 可省去钢锭开坯均热炉的燃动力消耗, 可减少 能耗 1/4～1/2。 4．提高了生产过程的机械化、自动化水平, 为劳动生产率的提高及企业的现代化管理升级创造了有利条件。 1.2.3 连铸生产正常化需要的条件 1．完好的设备状态 连铸机是在极为恶劣的高温环境中工作的，铸坯质量的好坏、生产率的高低都受到设备状态的影响。 2．完善的炼钢工艺 连铸和模铸比较对钢水的质量（温度、化学成分等）有更为严格的要求，要定时、定量、定质量的向连铸平台提供钢水。 3．科学的管理方法 现代化的连铸由多工序组成，时间性很强的生产作业线强化生产调度指挥系统，有效的生产组织网络是保证连铸稳定性的基础。 4．高水平的人员素质 现代化连铸机是机械、电气、仪表、自动化控制等技术高密集的设备 ，液态的凝固又是很复杂的相变和传热过程，因此一只知识面广操作技术和管理水平高、能适应连铸生产和维修的职工队伍是必要的做好职工的培训和知识更新、提高连铸工作者的素质是搞好连铸生产的重要条件。 1.3 方坯连铸概述 方坯连铸机用于钢的长材生产，既有性能要求复杂的各种机械、设备制造的结构钢材，也有产量大而性能相对要求低的建筑钢材如钢筋、盘圆等，有的要冷拔成高强度钢丝。方坯连铸机类型多，差别大，其主要差别有： 1. 断面差别大，可从130mm×130mm～370mm×480mm； 2. 方坯连铸的拉速差别大，大断面方坯拉速0.6～1.2m/min，而小断面可达2.5m/min以上，要求保护渣的性能有较大差别； 3. 小断面方坯连铸时，结晶器液面波动大，不易稳定，如保护渣选择不当，易使铸坯产生夹渣等缺陷； 4. 小断面方坯结晶器散热快，液面温度低，易发生结晶器壁粘渣现象及熔渣易于凝固，铸坯易产生皱皮、结疤、重接等缺陷； 5. 方坯连铸与板坯连铸相比，不易产生表面纵裂纹； 6. 浇注水口类型多，有侧出孔的，有下出孔的，有四孔水口的等，有的小方坯不用浸入式水口，无法用保护渣而用油润滑。 小方坯连铸一般指断面尺寸70×70～160×160mm2，的方坯或与之面积相当的其他断面形状的铸坯。目前各国生产的小方坯断面一般在90×90～160×160 mm2方坯，小于90×90 mm2的小方坯的拉速快，浇注难度大，铸坯质量较差，目前已较少生产。 小方坯连铸具有设备简单，其建投资省，生产率高，生产成本低等优点，所以小方坯连铸发展较快。用小方坯连铸机生产普碳钢钢筋及棒、线材较为经济。近年来由于小断面铸坯钢流保护浇注，电磁搅拌技术以及计算机过程控制等的发展和应用，小方坯连铸机也可生产合金钢。 当前世界能源紧缺，燃料不断上涨。而钢铁企业又是消耗能源的主要部门，如果采用模注——开坯工艺生产生产小型材，能源消耗很大；若采用小方坯连铸工艺，不仅节省了开坯工序，还可实现一火成材，这就大大节约了能源。 中小钢厂在与大型钢厂的竞争中，优先发展了小方坯连铸，采用了电炉—小方坯连铸成材轧机的工艺，取得了最佳的经济效果，进一步促进了小方坯连铸技术的发展。 为了简化操作。提高小方坯连铸机的作业率，在设备结构上作了许多改进，例如采用刚性引锭杆；为了节约能源研究了小方坯的热送工艺；为了适应多品种的要求，研制了小方坯，大方坯，圆坯及板坯兼用型连铸机。 小方坯的流数一般为1—4流，每流的流间距为900—1200mm。 连铸机的流数是由炼钢炉炉容量、浇注时间、浇注断面及拉速所确定的。与所浇注小断面连铸机配合的炉子容量愈大，需要的流数愈多。 小方坯连铸机配合大容量的炉子，有两种方法： 1. 把浇注时间延长例如300吨钢水浇注断面为150 ×150毫米方坯用8流连铸机，浇注时间约为140分钟。为此需要提高出钢温度，钢包、中间题需要很好地预热，并且应使出钢到开浇之间的温降尽量减少，以保证能顺利地把全部钢液浇完。 2. 另一种作法是增加连铸机的流数，例如采用12流连铸机。在采用12流时，如果用普通连铸机，中间题太长操作困难较多，对这个问题，目前国外有以下几种设想： 1)把一包钢液分成两包，然后用两台六流小方还连铸机； 2)一个大钢包，用两个水口，分别浇人两台背相布置的六流小方还连铸机； 3)采用密集型连铸机，将12流分为四组，每组三流，装在一个框架内，一组流间距为350mm，相邻两组两个结晶器中心距可以作大些。 铸坯断面尺寸大于220 mm×220 mm的为大方坯。由于大方坯连铸机在浇注优质特种钢和不锈钢时，可在降低浇注速度、减少铸坯非金属夹杂和中心疏松、提高铸坯质量的前提下，不降低生产能力，并在产品质量和经济合理性方面具有一定的优势，从而逐步取代模铸成为优质特种钢的主要铸造工艺。 2 研究内容及方案 2.1 研究背景 随着钢铁技术的发展，对钢材的性能要求不断提高，钢铁工业都对产品规格、质量提出了更高的要求，合理科学的连铸流程对提高铸坯质量有重要意义，受到人们的重视，钢水从浇注到铸坯成型经历钢包、滑动水口、中间包、浸入式水口、结晶器多个中间环节，每个环节都对钢液的流动、成分产生一定影响。研究并改进各个中间设备对提高连铸坯质量有重要意义。 2.2 研究目的 对连铸钢包、滑动水口、中间包、浸入式水口、结晶器内钢液的流动模式进行研究和分析，保证钢液流动状态的合理性，对防止钢水二次氧化、延长钢水在中间包内停留时间、促进夹杂物上浮去除，减少钢液夹杂物，减少铸坯裂纹等都具有相当重要的理论和实际意义。 2.3 研究内容 钢水从大包开浇到铸坯成型各个环节，包括钢包、滑动水口、中间包、浸入式水口、结晶器以及现在广泛使用的各种新技术等的基础介绍，同时介绍其工作原理，国内外研究现状进行简要概括，同时分析其对钢液流场在不同情况下的影响，改进各个环节内不合理设计。 3 钢包内部流场研究 3.1 钢包在连铸过程中的重要性 钢包作为连铸过程中盛放钢水，进行开浇的首要设备，其在浇注过程中的钢液流动状态，特别是在浇注末期时的钢水流动状态，直接影响着钢液的成分。这些因素在钢液浇筑过程中是变化的。模铸改为连铸后，加上炉外精炼技术的应用，钢包不再仅仅是运输和浇注钢水的容器，同时也是炉外精炼的精炼炉，这就势必延长钢水在钢包内的滞留时间，增加钢包周转过程中的操作环节，加大了这些因素的变化。所以，很有必要针对实际情况，进行钢包内钢液行为的研究，摸清各因素对钢包钢液流动状态的影响，从而确定这些因素对钢液流动行为的影响，为加强钢包在生产周转过程中的管理和调度，确保连铸过程中钢水流场的变化适应浇注过程的工艺需要。 3.2 钢包滑动水口 3.2.1 钢包滑动水口机构的构成 钢包滑动水口机构是安装在钢包底部的装置，一千多度的钢水，就是经过它进入中间包或激振器内，滑动水口可以随时开闭，起到控制钢温、调节钢流的作用，保护着钢包下面的设备和操作人员的安全。滑动水口工艺目前已在全世界范围内得到普及，我国在钢包上也基本上都安装了滑动水口机构[1~3]。 钢包滑动水口主要由耐火材料部分和配套机构部分两大部分构成。如图1 所示，由座砖、上水口砖、上滑板、下滑板和下水口砖组成。 图1 滑动水口示意图 为了把上述耐火材料部分固定安装在钢包底部，因而需要配套机构部分来实现安装，其安装结构示意图如图 2 所示[4~6]。 图2 滑动水口配套机构示意图 固定框架：装上滑板用,固定在钢包上。 滑动框架：装下滑板用,用来平行位移。 开闭框架：连接固定框架,托起滑动框架,施加面压,安装下水口砖。 下水口顶座：托起下水口砖,将下水口砖与下滑板顶紧。 防热罩、防溅板：防止钢水飞溅和热辐射。 传动机构：连接杆、传动臂,把油缸的垂直动力转为水平动力,推动下滑板移动。 冷却机构：由风冷管道组成,通过冷风降低机构的温度,对弹簧进行冷却,防止变形。 驱动机构：由电动缸或油缸组成。 3.2.2 滑动水口的原理 钢包滑动水口机构，就是利用安装在钢包底部金属外壳外面的两块用耐火材料制成的平板(上面的称上滑板，下面的称下滑板)，并且依靠机械的力量把两块滑板压紧，达到近乎没有间隙的程度。通过外部的驱动力量，移动下滑板，使上、下滑板产生平行位移，由于上、下滑板上都有同样大小的浇铸孔，且上滑板的浇铸孔与上水口连接，直接连通钢包内钢水，下滑板的浇铸孔连接下水口。当上、下浇铸孔在移动中重合时，钢包内钢水可以通过上水口、上滑板、下滑板、下水口流出，进行浇铸作业。当上、下滑板的浇铸孔错开时，则浇铸孔关闭，浇注作业停止。由于滑板的移动是和水口连接在一起进行的，并且整个机构安装在钢包底部，所以称之为钢包滑动水口机构[7~8]。 3.2.3 滑动水口机构的常见问题 钢包滑动水口机构是钢包系统的重要组成部份，是将钢包内的高温钢水安全、稳定、可靠地注入中间包的关键设备。但该机构在实际使用过程中也存在着不少问题，可以归纳成如下几点[9~19]： 1．配套机构装置方面的原因。主要表现在机构加工精度差，使滑动面面压分布不均匀；所采用的弹簧组件耐高温能力差，使用寿命短；驱动装置故障。 2．耐火材质方面的原因。主要表现在座砖耐高温强度低，上水口砖热稳定性能差，钢水易渗入缝隙发生漏钢；滑板砖不耐钢水的侵蚀和冲刷，在浇铸含 Ca，Mn 的钢水时，易在铸孔边缘形成“马蹄形熔损”下水口砖在使用时受热应力的影响易产生裂纹甚至断裂。 3．操作方面的原因。主要表现在当钢包不能自动开浇时，采用烧氧开浇造成滑板滑动面的烧坏；滑板的滑动面有钢渣没有清理干净，导致两滑板机构之间有缝隙。 3.3 引流砂 滑动水口引流料是充填在滑动水口上水口、上滑板流钢孔中的不定形耐火材料。在开浇时，它能使钢包内的钢水顺流而下。 3.3.1 引流砂的工作原理 钢包钢水自动开浇是指盛钢水的钢包在将其滑板打开后，钢水能自动从钢包中流出，顺利地浇注到中间包内。其开浇原理为：当钢水与引流砂接触后，高温钢水会使上部的引流砂形成很薄的烧结层，打开滑板时，烧结层下面的引流砂受重力作用顺上水口、滑板及下水口流出，从而使烧结层形成空壳；钢水静压力压破形成空壳的烧结层而使钢水从水口自动流出。 3.3.2 引流砂对钢包开浇率的影响 引流砂质量是影响开浇率的主要因素之一。就引流砂本身而言，不能自动开浇主要有以下原因： 1．引流砂的烧结层过厚，钢水静压不能将其冲开； 2．钢水浸入引流砂的颗粒间并且凝固； 3．引流砂的颗粒本身有棱角，或者受热膨胀过大，流动性变差。 为此，要求引流砂具备以下条件： 1．不过度烧结； 2．抗钢水渗透性好； 3．流动性好。 3.3.3 引流砂的填充状态 填充料的充填状态包括填充料的装入量，填充料在钢包滑动水口内的堆积形状等。生产中，若填充料的状态不好，则易使钢包滑动水口堵塞，自然开浇率降低。 当填充料的装人量不足时，填充料不能填满滑动水口，钢液进人水口冷区凝固而堵塞；当加入足够的填充料，则可阻止钢液进入水口，减轻堵塞程度，有利于提高自然开浇率。在现场，填充料的装入一般是通过手工操作进行。由于工作条件恶劣，在装入填充料时，会出现如图3所示三种堆积状态。对ｂ，ｅ两种堆积状态而言，填充料经钢液冲刷后，钢水很容易进入钢包滑动水口内凝固，导致滑动水口堵塞而不能自然开浇。生产试验表明，填充料在滑动水Ｉｑ内填充饱满时（如ａ所示），滑动水1：3堵塞减轻，自然开浇率明显提高。 图3 滑动水口内填充料的堆积状态 3.4 钢包下渣系统 3.4.1 下渣系统概述 在连铸中，钢水从钢包出水口出流到中间包，再从中间包出水口进入结晶器。如果钢包渣流入中间包就会导致钢渣的积聚，使连铸不能正常进行：而中间包的钢渣进入结晶器会降低铸坯洁净度，甚至造成拉漏事故。 由于连铸生产的重要性，连铸钢包到中间包的下渣检测技术成为目前研究的重点。连铸过程中，由钢包进入中间包的钢渣量，对连铸操作和最终产品质量都有着至关重要的影响。钢包中随钢流进入中间包的钢渣量，将导致中间包中渣层厚度的不断增加。而中间包中钢渣过多，不仅会降低钢坯的表面清洁度，而且还将加速中间包耐火材料的腐蚀，同时中间包中的渣壳重量也会同步增加，从而影响了连铸的进行。因而要生产高质量的连铸坯，最根本的一点就是减少由钢包进入中间包的钢渣量，并使之达到合理的最小值. 为了能够在钢水浇铸过程中准确判定钢包浇注终点，目前国内一般采用以下两种手段： 1．通过肉眼观察[20] 一般钢包向中间包浇注时，为防止钢水二次氧化，均采用长水口(保护套管)保护钢流。为判定钢包浇注终点，只能通过钢包重量变化一种手段，包衬重量由于侵蚀不断变化，转炉出钢时下渣量每炉均不同，这些因素均影响了浇钢终点判断的准确性。只好采用提前拆去长水口，人工肉眼观察来判定浇铸终点，在这段时间内钢水将严重二次氧化。同时，浇注工通过钢水的颜色特征来区分钢和钢渣，由于出钢时的浓烟和强光，发现钢渣是一件困难的事情。因此拆除长水口后，肉眼观察是否下渣时，往往下渣量已很大了，甚至流股变为全渣时，才能分辨出是否混渣，然后再关闭滑动水口，此时已有大量钢渣进人了中间包，为避免大量钢渣进人中间包情况发生，操作工不得不提前关闭水口，尤其对严格要求品质的钢种更是如此，这样就造成钢包中残钢量上升，降低了钢水收得率，从而使经济效益降低。从操作工的劳动保护角度看，长期用肉眼观察钢水带渣情况会造成视力下降。 2．通过重量进行分析[21] 这种方法是通过安装在钢包上的称重设备来对钢包的重量来进行实时监控。在浇注时根据钢包重量的变化来检侧是否己经下渣。由于钢水和钢渣的比重差别较大，当钢包重量的变化率出现改变时即可判断下渣.但是这种方法对称重设备精度要求较高，同时包衬的重量由于侵蚀而不断变化，而且每包的出钢量也不同，还有水口变化等因素都会影响到下渣的准确判断，因此这种方法应用很少，只能作为肉眼观察法的辅助手段。 而要解决目前国内下渣检测中的这些问题，就需要钢渣的自动检测技术。 3.4.2 现有下渣检测方法介绍 1．红外技术实现钢渣检测[22] 该方法是一种基于非接触式的钢渣检测系统的概念：它的中心部件是一架照相机，用于采集红外线波长范围的辐射能。因为钢水和钢渣显示出不同的辐射特性，使得通过许多红外线波长范围内释放的辐射密度来区别钢水和钢渣成为可能。 这种方法的优点是系统可靠，能准确反映出钢渣含量。其缺点是在检测中钢流不能被遮挡，如用于钢包到中间包的下渣检测，则必须除去长水口，而这样就会引起钢水的二次氧化，所以目前一般不用于钢包的下渣检测中，主要应用于转炉下渣检测中。 2．电磁检测方法[22] 该检测系统的关键部件是传感器，传感器的安装位置见图4。传感器埋设在钢包底水口同心位置的下座砖内。 图4 传感器安装位置示意图 这种方法的优点是系统可靠，能反映出钢流混渣量。缺点是传感器工作环境恶劣，需要经常更换，制造与使用成本高。 3．超声波检测方法[23] 超声波检测方法的原理是利用当有渣和无渣时超声波发出信号和反射信号的差别来实现对钢渣的检测。超声波在钢渣的检测中可以有两种方案。 第一种是采用浸入式的超声波探头。如图5所示。 图5 浸入式超声波检测原理示意图 浸入式的超声波探头由压电晶体、低碳钢波导和一个安装在石墨支撑架上的反射器组成。钢水和钢渣可以通过这个反射器。通过超声波脉冲发生器发出超声波，超声波遇到底壁时将反射回来，反射回来的信号被接收探头接收，并且加以放大转换为电信号，然后让它在示波器上显示。 此种方法的优点是对浇注过程没有影响。但是，它只有在钥渣流到中间包以后才能检测出来。这样会在检测到下渣时，会有一定的下渣量存在。而且超声波探头的工作温度高达1500℃，系统的使用费用比较高。而中间包内保护渣层的存在也会给钢渣的检测带来问题。 第二种方法是在钢包的侧壁上装上超声波探头。 此种方法的优点是在钢渣流进中间包以前就可以检测出下渣。但需要对钢包进行改造，而且超声波探头的工作环境也比较恶劣，工作温度高达700~800℃，制造和使用的费用较高。 3.5 钢包覆盖剂 合适的钢水温度是保证钢水顺利浇铸成合格钢锭的必要条件。为了避免钢包内的钢水直接裸露在空气中，造成浇铸过程中的钢水温降过快，必须在转炉出钢后向钢水表面加入一定量的钢水保温剂进行保温，保温剂保温效果的好坏对钢锭质量的影响较大。 3.5.1 传统钢包覆盖保温剂 传统的覆盖保温剂使用的是碳化稻壳，炭化稻壳是采用稻米加工过程中产生的稻壳作为原料，经过充分碳化处理后的产物。它具有容量小、热容小、熔点高及不易侵蚀耐材等特点。但也存碳化稻壳的铺展性差，隔热保温作用不理想等缺点。 3.5.2 新型钢包覆盖保温剂 由于碳化稻壳在保温性能上存在着一定的缺陷，已不能满足炼钢工艺的要求，新型钢水覆盖剂的开发已势在必行。在新型钢包覆盖剂的研制中，针对碳化稻壳性能上存在的主要缺陷在成分设计上重点改进以下几方面： 1．提高覆盖剂的铺展性。方法是添加一定数量的膨胀蛭石和膨胀石墨， 膨胀蛭石和膨胀石墨都具有较高的膨胀能力，能够使覆盖剂在投入钢包后迅速地铺展开，使覆盖剂有效地覆盖住钢水表面。同时这种膨胀作用还能使钢水表面的渣层中形成一个隔离层，可有效地降低钢水向外的热传导速度，起到隔热保温的作用。 2．提高覆盖剂的发热值。方法是在覆盖剂配加适量的发热剂，利用发热剂的化学反应产生的热量来弥补钢包内钢水的热损失。在发热剂的选择上我们考虑了两种方案：一种方案是加入铝粉另一种是采用焦炭粉和煤粉。 3．确保覆盖剂具有适宜的成渣性能。覆盖剂的成渣性能包括适宜的成渣速度和成渣温度。覆盖剂加入钢包后，较为理想的是形成三层结构：即原始层、烧结层、液态层。这就要求覆盖剂加入钢包后要具有一定的成渣速度，使部分渣料接触高温钢水后能够形成一定的熔渣层，在钢液表面扩散并覆盖住钢水表面。 4 中间包内部流场研究 4.1 中间包概述 如图 6 所示，在连铸工艺流程中，中间包是连接钢包和连铸机结晶器的一个中间设备。熔融态钢水首先从钢包注入中间包，再通过中间包水口分配到下面的结晶器，在那里熔融的钢水冷却成为固体，拉出切割成成品的连铸坯。除了更换钢包的很短的时间外，中间包的液面保持不变，钢水的静压力恒定，因此中间包能够连续而均匀地向结晶器供给钢水。 图6 连铸工艺流程图 4.2 中间包冶金技术 4.2.1 中间包的作用及冶金功能 随着对钢质量的要求越来越严格，以及在钢包冶金方面的成功，已使人们不能再把中间包作为一个简单的容器使用，而是力争在中间包中进一步去除夹杂物，并防止钢液的再污染。为此，人们提出了中间包冶金的概念。总体而言，中间包作为冶金精炼反应器，应该具有如下功能[25]： 1．消除钢水再污染，防止钢液二次氧化，防止耐火材料侵蚀和钢包涡流卷渣。 对连铸过程中夹杂物的可能来源，图 7 给出了较全面分析。这些来源为：1) 钢包水口出流旋涡卷渣；2) 由盛钢桶到中间包注流被空气氧化；3) 注流冲击中间包液面引起卷渣；4) 中间包耐火材料被侵蚀；5) 中间包水口吸入空气；6) 浸入式水口结瘤脱落形成大颗粒夹杂；7) 结晶器保护渣卷入钢中。 图7连铸工程中产生夹杂物的来源 2．中间包钢水流动过程中，促使钢中夹杂物进一步去除，即尽力延长钢水平均停留时间，改善流动状态，防止击穿流，减少死区。 3．相关技术的发展，如下渣监测系统、液面控制系统、加热设备、合金微调、夹杂物形态控制等等。为完成上述功能，开发了多项中间包冶金技术。 通过上述冶金功能的实现，就进一步净化了进入结晶器的钢液清洁度。为此冶金工作者们就提出了把中间包当作连续的精炼冶金反应器的构想。如钢包精炼技术一样，中间包已成为炼钢生产流程中一个独立的冶金反应器。 4.2.2 中间包冶金技术的现状 现在主要采用的中间包冶金技术有： 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。采用大容量中间包还可以提高连浇时钢的清洁度，使换包时保持稳定状态，不卷渣又不必降低拉速。 2．避免中间包水口堵塞和改进水口技术。改进中间包覆盖剂和水口材质，避免浇注过程出现中间包水口堵塞现象;采用旋转管阀进行浇注，使中间包钢液面降到更低而不损害铸坯的质量，提高钢液收得率。 3．中间包控流装置。采用堰、坝、导流隔墙、过滤器和湍流控制器，以及它们的组合来控制中间包内钢液流动，其目的是控制中间包中流场形态，使流动合理，液面保持平稳，尽量减轻湍流的干扰，减少死区，增大钢水平均停留时间，有利于夹杂物去除，提高钢水清洁度。 4．中间包喂线技术的研究。中间包钢水喂钙线是为了去除夹杂以及使夹杂物变性，中间包钢水喂合金线，主要是为了调整钢液成份。喂线技术为中间包冶金提供了更多的机会。 5．中间包加热技术的研究。为了消除钢包更换时中间包内钢液的密度差异，中间包加热技术就应运而生了。 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，使用中间包吹Ar技术，夹杂物的含量降低了25%。 7．离心流中间包的应用。离心流中间包利用转动钢水所产生的离心力促进夹杂物分离，抑制了钢水短路流的产生，促进了大夹杂物的上浮。 4.2.3 高效连铸对中间包冶金技术的要求 较之常规连铸技术，高效连铸技术具有更高的浇注速度、高的连铸机作业率、高连浇率、高的质量水平及高的出坯温度。其核心是高拉速，目的是提高连铸机和整个配套流程的生产效率及铸坯质量。 高效连铸技术对于钢液的浇注温度、洁净度及流动稳定性等方面的要求严格，因此有必要通过数学模拟和物理模拟来对中间包内钢液的流动特性和温度分布进行深入研究，并广泛应用中间包冶金技术，优化中间包的结构参数以获得良好的流动模式和铸流特性。 1．在连铸高效化改造中应采用大容量、高寿命、深型中间包，且包型可通过流动模型仿真计算来进行优化设计。 2．通过控流及过滤设备(包括坝、堰、导流板和过滤器)的优化组合应用，可以有效地控制钢液的流动方向、流动模式和停留时间，更有利于夹杂物的上浮分离和过滤。 3．采用螺旋喂丝技术等各种精炼方法可以对钢液成分和温度进行准确调节。 4．采用等离子中间包加热技术，添加既能起保温作用又能起成分微调作用的覆盖剂，实现多炉连浇和低过热度高速浇注。 5．中间包热周转技术可降低热损失、稳定浇铸温度，有利于高效连铸的顺行。 6．中间包内衬材质的改进，可大幅度地提高中间包的使用寿命。 4.3 中间包各因素对钢水流场的影响 4.3.1 中间包内部形状、注流对多流浇注的影响 李润生等[26]通过水模的正交实验对具有加热功能的四流中间包作了最佳设计，并发现入流稍偏离对称轴线时，会引起非常灵敏的钢液偏流。S.Joo用数学模型研究了中间包墙倾斜度对浇注的影响，认为墙壁倾角大，不利于温度均匀，但利于夹杂物上浮;贺友多等用数学模型研究了不同倾角的中间包流场，认为斜墙使钢液最小停留时间增大，但倾角对流动方式影响不大。 采用各种形状的中间包来达到多流浇注的要求，常见的中间包行装有B型[27]、V型、T型、C型、H型等(如图8)。其中H型中间包不仅可以使中间包内钢液流动平稳，而且使钢液停留时间延长，特别是在更换钢包时可以大大减少钢液面波动及卷渣现象，显著强化了中间包的冶金作用。 图8 中间包内部结构 4.3.2 中间包容量对流场的影响 增大中间包容量可以使钢液在包内有较长的停留时间，以利于夹杂物上浮，提高钢液的洁净度。此外，较深的熔池表面流速较小，减轻了液面波动，这对减轻二次氧化也是有利的。文献研究了中间包容量对钢液清洁度的影响，认为大容量中间包是中间包冶金发展的趋势，中间包容量越大，钢液平均停留时间越长，夹杂物越有机会上浮。 下藏法防下渣技术在中间包中的应用就是局部降低水口附近的包底，使临界高度部分以至全部藏入该降低部位之内，从下部躲避漩涡，从而达到减少下渣和提高钢液收得率的双重目的。如图9所示。 图9 多台阶中间包简图 4.3.3 控流装置对流场的影响 在中间包内设置控流装置的目的就是要改善原有中间包内的钢液的流动状况，使中间包内钢液尽量按照我们需要的方式流动，最后达到我们期望的中间包冶金的作用，控流装置如图10。 随着中间包冶金技术的不断进步，各种控流装置也先后被开发出来。最初使用的有挡墙、挡坝，到后来发展到多孔挡板、多孔过滤器，以及开槽的坝、冲击杯、抑湍器等。它们单独或组合使用都会给中间包流场带来不同的影响，正确安装的控流装置会延长钢液在中间包内的停留时间，促使夹杂物上浮，均匀中间包内的温度。 上挡墙、下挡墙，导流挡板，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。 图10 中间包控流装置示意图 1．上、下挡墙 挡墙、挡坝往往组合使用。挡墙在很大程度上起到控制湍流区的作用，它将冲击区和浇注区分开，形成相对独立的注流区和浇注区。挡墙安装在中间包的上部，钢液从它的下部流出，对于所有宽度的中间包，各种尺寸的挡渣墙单独使用都会制造短路流。加入挡坝后促使钢液向上翻，钢液从坝的上部流过，可以消除短路流，所以挡渣墙、挡渣坝通常结合在一起使用。当挡墙、挡坝靠近中间包钢液入口时，加大了中间包内的表面直接流，有利于夹杂物的上浮；当它们靠近中间包水口时，钢液在中间包内的最小停留时间有所增加，但夹杂物上浮情况恶化。 下挡墙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，但下挡墙的位置对钢液流动特征影响不大，上挡墙的位置则没有影响。 比较钢液在装有下挡墙或下挡墙与上挡墙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下挡墙高的改变而改变，但下挡墙高只限定在一定的范围(0.25 H—0.75 H)内才有意义，如果下挡墙高超出了上限值，最短停留时间反而会缩短。其中H为中间包熔池深度。 图11 无流动控制装置的中间包内钢水流动形态 图12 加上下挡墙后的中间包内钢水流动形态 2．导流挡板 导流挡板是在一个上下有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，其通过导流挡板后的流速和方向由孔的大小和方向决定。 实践表明，在六流中间包中采用不对称陶瓷质导流挡板后，与不设控流装置的中间包冶金效果相比，内、外侧水口的钢液温度差降低了7℃，拉漏现象的发生率降低40％以上，拉坯成型率提高了8%，并且无水口阻塞现象。 M.L. Loury等人对Armco Kansas钢铁厂的六流T型中间包进行了水模和数模实验，实验的中间包有两种形式。一种是内设上、下挡墙，而另一种在第一种基础之上又加了多孔导流挡板。实验证明：带有导流挡板的中间包中流向各水口的钢液更加均匀，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。 3．过滤器 有些研究人员认为：中间包中安装过滤装置，其过滤效果主要表现在：钢液被过滤后全氧量降低，钢中夹杂物数量减少，轧材质量改善，以及操作事故减少，特别是水口堵塞现象明显改善。 4．湍流控制器 各钢铁厂对此控流装置的命名不完全相同，有的称为抑湍器、冲击杯或防湍流冲击板等，稳流器应用越来越广泛，它的形状也多种多样，如图2所示。大包注流造成的强湍流对浇注区的流场有很大的影响，它使表面渣层波动造成卷渣，强大的冲击缩短了中间包耐火材料的寿命，形成短路流、旋涡，抑制夹杂物的上浮。在中间包内注入口的正下方设置缓冲器可抑制湍流，可缓解注流的冲击。 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。当从钢包出来的高能量钢液流冲击到防湍流垫后，钢流折返向上。其主要的作用： 1) 减少了钢包开浇时的喷溅。 2) 稳定操作状态。防湍流垫的使用消除了稳定浇注状态下钢包长水口周围的液面湍流。 3) 有利于低液面中间包操作。 4) 长期使用防湍流垫时，90%的情况下无需去渣壳。 5) 减少永久衬的损伤。防湍流垫对中间包永久衬是没有特别的影响，不过损耗的分布更加均匀，而以往则主要集中在隔墙之间。 通用平板型 回流型 圆筒型 图13 各种形状的防湍流装置 郑淑国，朱苗勇以薄板坯连铸中间包为研究对象，通过测定钢液停留时间分布(RTD)曲线，研究了不同组合控流装置对中间包流体流动特性的影响。结果表明结构及尺寸合理的抑湍器能延长水口响应时间及平均停留时间、提高活塞流区体积分数及降低死区体积分数，可以防止浇铸区中间包内的渣卷入钢液及钢液的二次氧化；适当结构及尺寸的抑湍器与单坝组合的控流装置在控流流体流动方面效果极好，其中尤以不带顶缘的抑湍器与单坝组合最佳。从实际过渡操作考虑，图14所示方案比较理想。 图14 抑湍器加单坝控流装置 4.4 中间包目前普遍存在的问题及改进措施 4.4.1 中间包存在的问题 目前我国使用的中间包存在较多的问题，尤其是方坯连铸机用的中间包存在问题更为突出。给铸坯质量及工艺操作带来很大的危害。许多中间包不仅起不到净化钢液，提高产品质量的作用，反而将钢液污染，降低产品质量。如果这些中间包不进行改造，即使转炉提供高质量的钢水也不能浇出好的铸坯。 1．中间包内腔形状不合理，见图15。 1) 由于内腔形状不合理，使钢液在中间包内流动不合理和停留时间短，起不到净化钢水的作用。 2) 大包注流进入中间包落点距中间包水口距离短，或距离各个水口距离差别太大;大包落点处容积太小，造成该处钢渣混卷严重和内衬冲刷严重，影响中间包寿命，并污染了钢液。 图15 中间包示意图 2．中间包容量小熔池深度浅，不适合高速铸机。 1) 钢液在中间包内停留时间短，难以起到净化钢水除去夹杂物的作用; 2) 难以实现在换包时保持恒速浇注; 3) 浇注时中间包内钢渣搅动严重，难以使夹杂物上浮，并易进入结晶器内，尤其是在换包时更为严重。 3．中间包水口位置设计不当，尤其是靠两侧边的水口离两个侧边太近，易造成两个侧边水口浇注不顺。 4．中间包水口控制装置太单薄，不牢靠，难以准确控制钢液流量，使结晶器液面难以稳定，常发生失控事故。 5．中间包变形大，造成多流水口难以对中。 6．中间包升降装置不灵，多数不能升降，给连铸工艺带来困难，造成铸坯许多缺陷。 7．中间包底部到结晶器上口距离选择不当。多数距离太高，给水口对中带来困难，也使水口太长，使吨钢水口耐材耗量增加。 4.4.2 中间包的改进措施 中间包改进的几点建议： 上述中间包在低拉速情况下勉强可用，不适应当今高拉速连铸的要求。现代中间包应适应高拉速下恒速浇注和中间包通钢量强度大，中间包内搅动剧烈的条件下，并起到净化钢液和排除夹杂物的作用。 1．中间包内结构总体形式的改进 传统的中间包为T形或矩形： T形中间包主要应用在浇铸流数较少的小容量冶炼炉情况下，由于中间包为T型，增加了大包注流到最近水口的距离，同时也就增加了钢液在中间包内的滞留时间，增大了夹杂上浮的机会，其缺点是中间包的四个角部死区较大。因而现在T形中间包在连铸较少采用。 矩形中间包由于达到中间包四个角部的速度较大，避免了T型中间包只能适用于较小容量冶炼炉的不足，但也带来了一部分注流到达包底后直接进入近水口，即所谓的贯穿流的缺陷，同时注流引起的高速湍流也可能将夹杂和炉渣直接带入近水口。 为了改善中大型铸机中间包内四个角部死区较大和多流铸机中间包内钢流到达两边时温度损失较大，容易产生水口堵塞的缺陷，有不少厂家采用了矩形中间包的改进形式。改进后的矩形中间包由于两个端部的截面积较小，有利于提高两个端部钢流的速度，减少死区面积和温度损失。 2．连铸中间包内结构的改进 1) 增加挡渣墙和低坝 采用中间包内设置挡渣墙和低坝的办法，能改善流场，提高夹杂去除效率。这种结构的中间包可分为两个区域：混合流区域和柱塞流区域。正是利用这种结构形式，通过调整挡渣墙和低坝的参数，整体地来控制中间包内钢液的流场，只有有了较为合适的流场，夹杂物才能达到最大的去除。 2) 中间包底部吹惰性气体 对钢液吹惰性气体来改善夹杂上浮，这种形式在钢包处理已得到了广泛的应用，并取得了较大的效果，已经成为钢包处理的必备手段。 3) 钢液去除夹杂的更直接方式——钢液过滤技术 八十年代以来，在高温合金及某些铸铁中采用中间包安装过滤器来过滤钢液的技术得到较大进展。在炼钢生产中过滤技术受到限制的主要原因是因为钢液温度高且消耗量大。 5 结晶器内部流场研究 5.1 结晶器概述 结晶器是连铸机的心脏。结晶器冶金是去除夹杂物、改善钢材质量的最后机会。结晶器中的钢液流场对夹杂物的去除过程有较大的影响，同时，结晶器内流场又直接影响到其中钢液的温度场分布，进而决定了铸坯的表面质量和内部组织结构。因此，深入了解和控制结晶器内钢液的流动行为是提高连铸坯质量的关键。结晶器的尺寸不仅决定了铸坯的断面形状及坯壳的厚度，而且有统计表明近80%的表面缺陷起源于结晶器[28]。 连铸用结晶器应具有以下五种性能：1. 良好的导热性，使钢液在结晶器内迅速凝固成足够厚度的初生坯壳；2. 结构刚性好，力求简单，易于制造、拆装、调整和维修方便；3. 较好的耐磨性和较高的寿命；4. 在保证刚度的前提下，质量要小；5. 足够高的强度和硬度。 根据拉坯方向断面内壁的线型，结晶器可分为直行结晶器和弧行结晶器；根据铸坯的断面形状，结晶器可分为方坯、板坯、矩形坯、圆坯以及异行断面结晶器；根据结构形式，结晶器还可分为整体式、套管式和组合式三种。 结晶器的振动实际上是起强制脱模作用，其目的是为了防止初生坯壳与结晶器之间发生粘结而被拉裂。振动具有以下优点：1. 防止钢液与结晶器内壁粘结；2. 改善润滑条件，减少摩擦力；3. 当发生粘结时，强制脱模；4. 当坯壳拉裂时，愈合裂纹。 5.2 结晶器浸入式水口 浸入式水口(Submerged Entry Nozzle，简称SEN)是钢液从中间包流入结晶器的通道。所谓浸入式水口，就是将水口浸入到结晶器内的钢液面下，进行浇注的管道，以防止钢液的二次氧化。SEN除了具有保护钢流、防止钢液二次氧化的功能外，还可以改变注流在结晶器内的流动状态，防止注流冲刷凝固层造成漏钢和拉裂，减小注流的冲击深度，促进夹杂物在结晶器内上浮，并分散注流带入的热量，有利于坯壳的均匀生长。因此，优化设计SEN，改善结晶器内的流场和温度场，已成为当前冶金领域的研究热点之一。 目前，广泛使用的SEN有单孔直筒型、双侧孔型和箱型三种，见图16。单孔直筒型水口一般仅用于断面小的方坯。板坯浇注普遍使用双侧孔SEN。矩形坯或大方坯的浇注，也有采用多孔水口的。薄板坯浇注往往采用箱型水口。各种类型截面的铸坯，在浇注时，由于水口结构不同，钢液在结晶器内流动状态和冲击深度各不相同。 图16 浸入式水口基本类型 5.3 结晶器内钢液流场的影响因素 5.3.1 浸入式水口结构参数对流场的影响 合适的浸入式水口结构是改善结晶器内钢液流动状态，降低注流冲击深度、促使结晶器内形成均匀的坯壳并促使夹杂物上浮的重要手段。对于典型的双侧孔浸入式水口，其主要结构参数有：浸入式水口的内径、出口面积、侧孔倾角以及水口的底部结构等[29]。 1．浸入式水口内径对结晶器流场的影响 流股并不是完全充满整个出口截面，射流倾度也不等于水口的出口倾角，而是比水口的侧孔倾角更向下一些。浸入式水口的内径是影响水口充满率和射流角的主要因素。 利用1/3水模型，在满足最大拉速水流量的情况下，设计出内径分别为18mm、19mm、22mm的三种浸入式水口，进行水模型试验，研究结果表明：大的浸入式水口内径可以减少流股的冲击深度，减少液面波动。 在相同条件下，大内径的水口射流出口后的喷射角比小内径的水口大。在相同的水口长度下，小内径的水口喷出射流的速度明显高于大内径的水口，但是如果浸入式水口两个侧孔的总面积小于水口的横截面积，使流股在出口处受到压缩，这时浸入式水口横截面积对出口流股的平均速度的影响不明显。当水口侧孔高为95mm时，两种横截面积不同的水口的流股出口的平均速度相同。 2．浸入式水口出孔面积对液面波动的影响 杨秉俭对侧孔直径分别为40mm 和50mm的四孔式浸入式水口进行了研究，结果表明，在吹气量相同的情况下，液面波动随侧孔面积的增大而增大。侧孔的有效利用率随水口侧孔的总面积同水口截面积之比的增大而减小，在浸入式水口的截面积相同的情况下，随侧孔面积的增加，侧孔流股的平均速度减小。 水口的横截面积和侧孔总面积是相关因素，浸入式水口截面积较大的话，其顶部则形成一个压力差，导致局部滞流，引起结晶器内钢液向水口出口的上部产生回流，出口流股向下的倾角随出口面积的增大而增大，射流出口平均速度随侧孔面积的增大而减小。 浸入式水口侧孔的大小对结晶器内流股的对称性，孔径过大，水口两侧钢液流出量易失去平衡。减小侧孔孔径，会减小流场的不对称性。因为减小侧孔孔径会增加钢流出侧孔的阻力，这将导致水口内钢水静压头的增加，而迫使两侧钢流趋于平衡。但孔径过小，钢流的冲击深度增大，对夹杂物的去除不利。 3．浸入式水口内腔结构对流场的影响 在设计水口时，要考虑水口内壁和水口内腔底部形状。不同的形状将对钢液流出状态产生不同的影响[30]。 浸入式水口的底部形状大致可分为平底型、凹型、凸型三种，如图17所示。研究表明，使用凸型内底的水口由于流股从水口上部向下冲到水口底部后，被水口底部的尖部直接劈开为两部分，从而使流股在结晶器内向下的冲击速度变大，流股冲击深度加深。同时水口出孔上部易产生倒吸，水口外壁面处的钢液面波动较大。采用凹型内底水口时，流股在凹坑内得到缓冲，上翻的流股与向下的流股混合，然后再流出水口出孔，使流股流出后向下冲击速度减小，即冲击深度减小。同时，热中心上移，利于保护渣的熔化和结晶器下部凝固坯壳的生长。 图17 水口底部形状 A平型底部结构 B凹型底部结构 C 凸型底部结构 水口内壁结构的改进分两个方面： 一是指在水口内壁面上安装导流板，使流股出水口后在结晶器内作旋转运动，起到电磁搅拌的作用。一种设置了两块半椭圆形导流板的“X”型浸入式水口，其内的螺旋形导流通道具有导向作用，使结晶器内的钢水旋转，漩涡区钢水旋转速度高，利于夹杂物、气泡聚集升浮，弱搅拌区旋转速度低，利于凝壳形成。采用该“X”形浸入式水口浇注的生产实践表明：铸坯中的激冷等轴晶、柱状晶、心部等轴晶和旋转流线非常明显，没有中心缩孔，铸坯内部质量得到明显改善。与电磁搅拌相比，没有能源消耗，而投资小，改善铸坯质量的效果明显。 二是在水口内壁设置台阶，限制偏流现象引起的水口出孔附近的倒吸现象(甚至卷渣)的发生，如图18所示。水口内的偏流一般是因滑板控流或塞棒不对中所引起的。设置的台阶可使浸入式水口各出孔流股均匀，保证结晶器内流动的对称性和稳定性。台阶的厚度、长度及安放位置是影响这种阶梯式水口的使用效果的关键因素。 图18 阶梯式水口示意图 4．浸入式水口出孔形状[31] 水口出孔的形状主要有长方形、正方形、圆形和跑道形等四种。有研究表明，在相同的中孔直径和出孔面积比的情况下，方形出孔和圆形出孔相比，从两种出孔内流出钢液的平均速度基本相近，但从圆形出孔内流出钢液的扩散角度比从方形出孔内流出钢液的大。因此，从前者流出的钢液速度降低得就快，对坯壳得冲刷相对就弱。 有人研究了跑道形出孔和圆形出孔的情况。在出孔面积比S过小时，跑道形出孔的顶部会出现倒吸现象，造成钢液不稳定流动。而采用圆形出孔时就不会发生此现象。考虑到方坯用的多孔SEN的特点，在出孔面积比一定的前提下，圆形出孔水口的钢液出流效果最佳。但是，跑道形出孔的孔与孔之间的距离较大，因此，水口强度也较大。 也有研究显示，正方形出孔的钢液出流角度比出孔倾角要小。采用长方形出孔时，两者基本相当。而采用跑道形出孔时钢液出流角度比出孔倾角要大，这将有利于钢液面的平静。 5.3.2 浸入式水口浸入深度对流场的影响[32] 水口浸入深度本文定义为液面到水口侧孔中心的距离，也有人把它定义为液面到水口侧孔上沿的距离。无论怎样定义，浸入深度对结晶器内的流场、结晶器液面波动、坯壳的生长以及夹杂的上浮都具有显著的影响。本论将插入深度定义为液面到水口底端面的距离，记作h。 研究发现水口的浸入深度对液面波动和流股的冲击深度有重要的影响。随着水口插入深度的增加，结晶器内上循环流股所占的区域逐渐加大，但对钢渣界面的搅动逐渐减弱。因此，保护渣覆盖良好，不易发生卷渣，但穿透深度增加，钢液向熔池上表面传递的热量下降。过大的h可能造成弯月面处钢液的冷凝和坯壳上的较深振痕，影响凝固坯壳的增长速度。同时会造成向下的循环流股的整个区域下移，因此从中间包进入结晶器的钢液中的夹杂物上浮机会减少，并会有更多的高温钢液被带到结晶器下部，结晶器内整个钢液热流密度分布下移。相反，插入深度太浅，则容易产生纵裂，甚至可能发生卷渣。对具体的结晶器和浸入式水口来说，浸入深度必定有一个合适的范围，在此范围之内，既能保证表面钢流活跃、弯月面较活跃，又不至于表面波动过大，同时也要能控制流股的冲击深度，利于夹杂物上浮以及保证坯壳的均匀生长。 5.3.3 浸入式水口安装角度ɑ 对于多孔SEN，存在一个安装角度的问题。指定某一个出孔，其中心线与内弧面垂线的夹角，定义为该浸入式水口在结晶器内的安装角度，记作ɑ。ɑ不同，结晶器内的流场不同。当ɑ=0时，钢液从出孔冲击到结晶器壁面的行程较水口出孔正对结晶器角部时要短，碰壁后的流股动能损失也大一些，同时，流股在结晶器中以不同的反射角度弹回，形成不同的流场。合适的安装角度，将有利于形成合适的循环流，均匀结晶器内的温度场和浓度场，且不会直接冲刷凝固坯壳最薄部位。 5.3.4 结晶器宽度对流场的影响 结晶器宽度是影响结晶器流场的重要因素，随着结晶器宽度的增加，钢液流股到达窄面的行程增加，由于钢流在前进中扩散及受粘性阻力的影响，到达窄面的速度随结晶器宽度的增加也将减小，所以对窄面的冲击动力也将减小，同时使表面湍流的速度也降低。 5.3.5 拉速对流场的影响 拉速的增加也意味着钢通量的增加，若其它条件不变，则水口的出口速度将增大。数学模型和水模型的结果表明：在一定的浸入深度下，拉速不同时，结晶器内的流场基本相似，流场的基本特征没有变，但对液面波动、夹杂物行为和凝固传热影响却较大。 随着拉坯速度增加，结晶器内流速随之增大，钢液面变得更加不稳定，易卷渣，而铸流穿透深度也增加，夹杂物上浮困难。同时射流对结晶器壁面的冲刷加剧，进而减慢了凝固壳的生长速度。因而，在高拉速下为获得高质量的铸坯，必须采取措施优化结晶器内的流场。 5.3.6 结晶器电磁搅拌(即M—EMS)强度E对流场的影响[33] 结晶器内电磁搅拌形成的钢液流动，能折断树枝晶端并净化凝固前沿。破碎的晶体一部分可成为等轴晶的晶核，另一部分受过热钢液的影响重新熔化。而且，凝固前沿钢液的温度梯度变小，即加快了过热度的降低，从而使铸坯的晶粒细化，产品致密。此外，电磁搅拌引起的钢液流动可以将易于被铸坯表面和亚表层下捕捉的非金属夹杂物和气泡排除掉，并使与上部钢液面接触的保护渣不断得到更新。故电磁搅拌也起到净化钢液、去除非金属夹杂物的作用，减少树枝晶凝固时形成的气孔。结晶器电磁搅拌的作用可用图19表示。 图19 结晶器电磁搅拌的作用 1— 结晶器；2—弯月面；3—气泡；4—非金属夹杂 5—等轴结晶；6—凝壳；7—钢液；8—浸入式水口 合理的搅拌强度是M—EMS正常发挥其上述作用的关键。搅拌强度太小(或指磁感应强度太小)，铸坯液芯搅动不起来，或者不能稳定地控制柱状晶向等轴晶的转变，达不到电磁搅拌所预想的目的;相反，搅拌强度太大，搅拌过于激烈，坯壳可能会过薄，或生长得厚薄不均，出现裂纹倾向，且白白地消耗大量的电力。因此，应根据不同的具体条件确定最优搅拌强度。 搅拌强度主要由铸坯凝固前沿所需的流速来确定。有研究表明，在无电磁搅拌情况下，由于钢液温度差所造成的密度差，使钢液形成自然对流，其流速仅为0.15m/s左右。在此流速下，柱状晶迎着流动方向生长，造成其不垂直于坯表面而发生倾斜。而当流动速度达到0.25m/s时，柱状晶即可折断。日本学者对断面为145mm×145mm方坯进行了水模实验研究后发现，结晶器内液面流速为0.30—0.60m/s时，对应的搅拌强度最理想。这些研究结果为水模型实验中通过液面流速来搅拌强度提供了很好的思路。 需要指明的是，施加电磁搅拌时，结晶器角部及四周弯月面突起而中部下凹的程度与作用在弯月面区的搅拌强度有关。SEN出孔与平静时液面之间的距离应足以补偿因搅拌造成的液面下陷，注流引起的上循环流也在一定程度上造成了SEN附近液面的下陷。另外该循环流还会抽吸液面上的熔渣，甚至烧结层的保护渣颗粒。因此，开启电磁搅拌后，相当于减少了SEN出孔与液面之间的距离，即减少了SEN的插入深度。当搅拌强度过大，而SEN的插入深度或出孔的下倾角不合适时，就极易发生如图20所示的卷渣。 图20 结晶器保护渣被卷入钢液示意图 1—结晶器；2—保护渣；3—结壳；4—注流；5—凝固壳 5.4 结晶器内钢液连铸电磁搅拌技术 作为电磁铸造过程的一个重要分支，连铸电磁搅拌技术 (Electromagnetic Stirring简称EMS)是指在连铸过程中，通过在连铸机的不同位置处安装不同类型的电磁搅拌装置，利用所产生的电磁力强化铸坯内金属液的流动，从而改善凝固过程的流动、传热及传质条件，以改善铸坯质量的一项电磁冶金技术。 5.4.1 电磁搅拌器的工作原理 电磁搅拌的原理与三相异步电动机相似，当搅拌器的三对定子绕组通入三相交流电后，产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割铸坯，在钢水中产生感应电流，载流的铸坯在旋转磁场作用下产生电磁力，从而形成绕铸坯中心轴线的电磁转矩，驱动钢液旋转[34]。图21为方坯连铸结晶器电磁搅拌的示意图。 图20 方坯连铸结晶器电磁搅拌示意图 5.4.2 电磁搅拌技术的类型[35] 尽管电磁搅拌器的形式和结构是多种多样的，但是经过几十年的发展优胜劣汰，目前处于实用的几乎都是交流感应式的。根据铸机类型、铸坯断面和搅拌器安装位置及钢水流动形态等的不同，大致有以下几种类型： 按搅拌器安装位置可分为结晶器电磁搅拌(M—EMS)、二冷区电磁搅拌(S—EMS)和凝固末端电磁搅拌(F—EMS)。图 21为不同位置安装搅拌器的示意图。 结晶器电磁搅拌：安装在连铸机的结晶器区，搅拌器跨于结晶器和足辊的，也可归为此类。结晶器电磁搅拌主要是在钢水凝固初期，通过电磁搅拌作用，使初凝固壳趋于均匀并促进夹杂物的上浮，对连铸坯的表面及皮下质量有良好的作用。由于结晶器壁有良好的导电性，当交变磁场穿过结晶器时，在结晶器壁内产生很大的涡电流，磁场衰减剧烈，加上磁场横穿结晶器壁的阻尼损失，使得电能利用率很低。为了解决这一问题，通常采用弥散硬化的铜合金作为结晶器壁，此外采用低频供电以增加电磁场的穿透能力，频率是1—10Hz。本文所讨论的大方坯电磁搅拌即为此种类型。 二冷区电磁搅拌：安装在铸机的二冷段，包括足辊下搅拌器(I—EMS)。主要作用是，切断在结晶器内形成的柱状晶，扩大铸坯中的等轴晶区，减轻铸坯中心偏析，促进在铸坯中特定部位聚集的大型夹杂物的上浮和分离。S—EMS的不足之处是搅拌器安装在二冷区，工艺复杂且易遭损坏。由于搅拌是在凝固前沿的两相区进行，在铸坯搅拌部位易出现负偏析带，即白亮带。此外，当电磁力处于垂直于铸坯轴线的平面内时，铸坯将会出现V型偏析。S—EMS的经验频率是20—50Hz。 图21 安装在连铸机不同位置的电磁搅拌器 凝固末端电磁搅拌：安装在靠近连铸坯凝固末端处。能够通过搅动凝固末端的粘稠区域，打断生长过快的柱状晶之间产生的“搭桥”，消除因选分结晶造成的钢液中各成分浓度不均匀现象，进一步减轻中心偏析、中心疏松和V型偏析的有效措施。由于搅拌是在凝固末期进行，得到的等轴晶组织少，搅拌效果不佳，所以经常与其他搅拌器结合使用。凝固末端凝固壳较厚，搅拌器一般采用2—10Hz的低频供电。 5.4.3 结晶器电磁搅拌的冶金机理及效果[36] 连铸过程，钢水被铜质结晶器和结晶器下方的喷淋水强制冷却，然后凝固成针状，从表面向中心生长，一直到钢液温度保持在液相线温度之上时都是如此。这种形式的凝固组织称作柱状树枝晶。按照小钢锭结构的形成机理，会导致中心部分的搭桥，阻碍钢液的补充，从而导致中心缩孔和中心偏析。凝固过程中，当凝固壳受到拉伸形变时，由于柱状组织对柱间裂纹的高敏感性，使得在整个浇铸断面上这种析出物进一步增加。 电磁搅拌的基本功能是通过使钢液产生强烈的运动而起到冰淇淋冷冻机的作用。这会使过热度更快地消失，同时，促进枝晶的增加，两种效果都会抑制柱状晶的生长而有利于断面中心等轴晶组织的形成。很显然，通过减少两种不利因素，即小钢锭结构和内部裂纹，就可以提高连铸产品的内在质量。 综上所述，结晶器电磁搅拌的冶金机理主要表现在两个方面：力的效应和热的效应。图22概述了M—EMS的冶金机理和效果。 图22 M—EMS的冶金机理和效果示意图 5.5 连铸电磁制动技术 5.5.1 电磁制动技术研发背景与工作原理 在连铸过程中，钢坯的缺陷与结晶器中钢液的流动有很大关系。为了提高板坯的质量和产量，作为制造高质量板坏的关键技术之一——电磁制动技术越来越得到广泛的关注[37]。 在连铸过程中，提高铸速是提高产量的重要手段。随着铸速的提高，从水口出流处的钢液速度大，钢液射流夹带非金属夹杂物首先冲击结晶_器窄面的凝固壳，高温液流容易导致凝固壳的重熔，甚至产生拉漏现象，并且促进了凝固壳对夹杂物的捕获。另外，钢液从水口处出来以后，形成上、下两个回流区，其中，在上回流区弯月面处速度较大的钢液夹带着保护渣，易造成卷渣事故，下回流区较大，穿透深度大，导致大量非金属夹杂物随着钢液的流动输运至板坯内部而不易上浮，形成内部缺陷，随着拉速的增大，更有恶化的趋势。另外，由于存在着较大的温度梯度，易形成发达的柱状晶，而不利于等轴晶的形成。 电磁制动技术 (Electromagnetic Brake(EMBR))的基本原理如图23所示[38]。在水口区域设置与水口出流垂直的稳恒磁场，当液态金属切割磁力线运动时，根据欧姆定律液态金属中将产生感生电流，感生电流与稳恒磁场的交互作用又在液态金属中产生与流速方向相反的洛仑兹力，从而使液态金属的流动受到抑制。电磁制动对结晶器中流体流动的影响概括为对结晶器中钢液的两个主要循环流的抑制，通过对循环流的抑制可获得如下的优点：减少了内部和皮下夹杂物，消除了保护渣的卷渣，减少了纵向和横向裂纹，减小了弯月面处的动压和静压波，增加了弯月面处的温度，消除了窄面处的重熔等。 图23 电磁制动原理图 5.5.2 电磁制动技术在冶金应用上的效果 在板坯连铸中，随着拉坯速度的提高，从浸入式水口喷出的钢流流速增大，使得铸型内产生强烈的湍流，同时弯月面波动也比较剧烈，容易使夹杂物卷入，而且出水口的射流对铸型的窄面的冲击也很大，有可能使初生凝固壳发生重熔。而且，出水口出流流股穿透深度增大后，夹杂物不易上浮，而形成夹杂缺陷。 针对上述问题，电磁制动具有如下优点[39]： 1．抑制了水口出流对铸坯窄面凝固壳的冲击，减少了拉漏事故的发生，缩短了下返流的冲击深度，在水口下方形成活塞流(间歇性和不确定性)，有利于非金属夹杂物和气泡的上浮，从而改善铸坯的内部质量。 2．钢液上返流对液面的冲击减弱，液面波动幅度下降。这些，对于抑制卷渣、提高铸坯表面质量起到积极作用;对水口偏流的影响也具有抑制作用。 3．由于熔钢浸入深度的减小，促进了结晶器上部的热交换，使弯月面区域的钢液温度升高，从而有利于低过热度浇铸的施行和铸坯中心的等轴晶比率的提高。 4．提高弯月面下钢水温度，使保护渣熔融充分，增加保护渣的流动性;减少了弯月面以下金属液体的流速，降低了弯月面的波动高度，防止保护渣等夹杂物被卷入金属液内部，有利于消除夹杂缺陷，减少表面裂纹，改善连铸坯的表面质量。 5．EMBR还具有良好的抑制混合功能。在不同钢种的连铸生产中，EMBR缩短了铸坯混合段的长度，提高了金属的收得率。 结 论 本文通过对整个方坯连铸流程各个环节流场的研究，最终得到了如下结论： 从大包开浇打开滑动水口，钢液进入中间包，随着钢液面下降，大包内钢液变得不稳定产生漩涡，可能会将大包内的钢包覆盖剂卷入中间包，从而降低钢液纯净度，通过钢包下渣系统可有效减少大包下渣，提高钢液纯净度。 钢液进入中间包后钢液流场受到中间包内部形状、注流、中间包容量、控流装置（挡墙、导流挡板、过滤器和湍流控制器）的影响，不合理的中间包流场会导致钢液二次氧化，耐火材料侵蚀和钢包涡流卷渣，降低了钢液纯净度，使钢液流场不稳定，通过对中间包进行合理优化，改进存在问题，可达到中间包冶金效果，为钢液进入结晶器做好准备。 钢液在结晶器内受到浸入式水口结构参数，浸入深度，水口安装角度ɑ，结晶器宽度，拉坯速度，结晶器电磁搅拌(即M—EMS)强度E和电磁制动技术等多方面影响，因此，结晶器是影响最终钢坯质量的关键环节。通过对结晶器进行合理优化，加入地磁搅拌器，电磁制动技术可达到提高铸坯质量，减少铸坯表面和内部横纵裂纹，减少铸坯内夹杂的效果。 参考文献 [1] Tamtsu Wakita Keiichiro Akamine.The basic slide gate plate for casting of Ca—alloy treated & High oxygen steel[J].UNITECR，2005，(2)：86—91. 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