高效连铸的相关技术—中间包冶金

高效连铸的相关技术—中间包冶金 高效连铸的相关技术—中间包冶金 14五钢科技1997年第5期 高效连铸的相关技术——中间包冶金 \ . 堕. 【摘要l连铸的关键设备中问包在最后净化钢水和稳定连铸的操作中起重要作用.设计合适 的中问 包结构,井采用单一或多种控流装置,吹气搅拌,覆盖剂,精练,过滤,加热等冶金技术.可H进一 步提高 钢水清洁度和铸坯质量.这是发腥高教连铸的必要措施 关键词三相关技术!皇堕皇堡兰茎里 前言 现代冶金观苣认为.精炼过程越接近 凝固阶段.越有利于提高铸坯质量,因此, 近几年来,冶金工作者在中间包上采取一 系列技术措施,用以强化和扩大中间包的 冶金功能,进一步净化钢液,具体讲要达到 以下几点:?调整钢液脱氧状况;?合 金微调;?脱硫;?控制钢液清洁度;?提 高铸坯质量. 1中间包结构 中间包的结构对钢液的流动形态和夹 杂物的去除有极大的影响.为使中间包钢 其结构设计必须 液流体动力特性最佳化, 使钢液运动流场接近最佳状态,保证各铸 流钢水质量均匀,温度均匀,滞流时间尽可 能相同,有利于去除夹杂物和提高中问包 添加荆的收得率. 近年来中间包容量趋向大型化.考虑 到钢水在中间包降温,中间包最大容量为 钢水在包内的平均停留时间不大于lOmin 为好,钢液深度应为08—1.Om.深型中 间包有利夹杂的上浮,分离. 包内钢水的运动状况,除受几何形状 影响外.还受重力,惯性力,粘性力,表面张 力,磁力以及温度影响. 包衬材料对钢液化学成分有影响,应 使之不致成为二次氧化源.最稳定的材料 是CaO,高Ak和高z质.采用CaO 和AI:.1时,应避免大的温度波动. 2包内流股种类及控制装置 2l流股种类 中间包内钢流按流动情况和各自的作 用,可以分为三大类,即混流,紊流和滞流. 混流区位于钢流注八部位,钢液在此 受到强烈的搅拌和混合,因此,混流有利于 合金化,但对夹杂物分离困难,因此严格限 制混流区的范围很有必要. 紊流区是指钢液定向流过中间包的部 分,产生在混流区与结晶器水口之间,钢液 在此向前平推移动,得到最大程度的净化. 要求在紊流区内的钢液平稳且定向地与覆 盖剂接触,然后流向出钢口.混流后的钢 液到出钢水口的行程时间越长越好,因此, 要造成尽量大的紊流区. 滞流区存在于紊流区内各死角,与紊 流区分散区相邻.这部分钢液在死角作短 循环,与外界交换缓慢,不传递夹杂,流出 死区的时问,为正常紊流流动时间的l一2 倍.因此,在设计控流装置时,应尽量避免 滞流区. , 八 五钢科技?l5 2.2控流装置 控流装置对包内钢液流线产生巨大影 响.为了确定控流装置的数量和位置,进 行了大量的工业化水模研究…,已开发了 一 种数模,用来研究控流装置对流体流动 和热传递现象的影响.常用的控流装置 有下列几种(图1). 图1中间包控流装置示意图 1)坝.基本作用是令钢流折向钢液 面,使其与盖渣接触,有利于盖渣吸收夹杂 物,最大程度地降低连铸开始阶段钢液涌 动带来的影响.坝的位置和高度,对控流 参数有较大影响.离长水口较远的坝,可 获得较长的平均滞留时间. 2)堰.基本作用是引导钢流转向向下 流动,浸入钢液深度和位置对控流参数也 有较大影响.插入过深,离进钢区较远的 堰是不利的.堰将冲击力很强的钢包注入 流,限定于进钢区,可使紊流区有平静的渣 面. 坝和堰可组合使用,困次序,数量,位 置不同,产生的效果大不相同. 3)多孔挡板(过滤器).这是一种重要 的控流装置.无论使用单板或双板,均可 大大改善控流参数,控流效果高于坝,堰结 构,但不能延长平均滞留时间.挡板位置 对控流效果影响很大.不同的中间包有一 个最佳位置.将挡板与坝,堰相结台,可受 到极好的效果”]. 3夹杂物类型及去除机理 中间包内的夹杂分外来夹杂和内生夹 杂两种,主要来源于钢包长水口,保温材料 和耐火材料,其类型主要是AI,硅酸盐, 铝酸盐和夹渣等,以球形或不规则的形状 悬浮于钢液中.设置不同的控流装置,目 的就是改变钢液的流动轨迹,使夹杂在钢 中有较长的停留时间,通过上浮,碰撞,粘 附等方式最后与钢液分离. 4中间包冶金技术 中间包冶金包括两层意思,一是当钢 包向中间包注入钢液时,防止钢液污染,二 是对中间包钢水进行精炼处理,提高产品 质量.中间包冶金常用的方法有以下几 种 1)控流装置的应用.在中间包内设置 各种形式的坝(堰),能有效地使夹杂上浮, 分离装置的数量,位置及高度对夹杂物 的去除均有很大影响,实践证明:中间包 不使用控流装置时,钢水平均停留时间为 7os,采用控流装置时为18o一23os. 美国LTv钢铁公司在包底安装一种 防湍流垫,大大改善了钢液的流动状态,结 果总氧下降20%一3O%,大于12p.m的 AlO夹杂减少l7%一67%,中间包水口 堵塞次数减少57%,有效改善了铸坯表面 质量,提高了钢水的收得率,减少了中间包 结壳现象. 利用过滤器去除夹杂物,效果明显,并 已用于特殊钢生产.新日铁用石灰质 (93%CaO,7%MgO)过滤器,浇铸si—AI 镇静钢,Al团块减少1/3,单体Ak减 少1/2,减少了水口堵塞现象.神户用 50.5%Ak套管,套管上有许多孔,钢水 l61997年第5期 通过孔筒,部分Ak被吸附,也取得较好 效果…. 目前,滤器使用的材质较多,何种材质 最好,尚无定论.倾向性意见认为石灰质 过滤器效果较好. 2)净化复合衬.法国索拉克公司发明 了一种能净化中间包钢液的复合衬(主要 成分是CaO,MgO和si02),使用该复台 衬,可消除8s%的Ako,夹杂物.每炉 220t钢水连浇4炉,水口不堵塞. 3)气体净化.气体净化是将惰性气 体吹入中间包.使其产生小气泡幕.这些 幕能将夹杂物从钢液内部带到表面,被渣 吸附,净化钢液.气体净化方式有多种. ?埋设透气管.比利时CRM钢厂把 带有孔筒的管状气体分配器埋入中间包的 耐火里衬的两壁和底部(图2),浇铸中[H] 的控制得到改善,氧化物夹杂物含量降低. 圉2中问包埋设透气管示意图 ?安装透气梁(条形砖).德国Neue Maxh~tteStaHwerkeGmBH公司在9O年 代初期,在包底安装一种镁质透气梁(图 3),结果大尺寸夹杂物全部去除,小尺寸夹 杂物降低sO%,微细夹杂物的去除效果不 明显. ?喷枪.用喷枪喷吹气体,吹气位置, 吹气量,覆盖剂均对夹杂去除效果有影响. 在钢包注流和中间包水口之间喷吹,越靠 图3透气元件在中间包中的位置 近注流效果越好;适当增加吹气量及 加入可融熔的覆盖渣均有利于夹杂上浮分 离. 高碳钢采用中间包吹Ar后清洁度大 大提高,夹杂含量降低2s%.最近日本发 明了一种旋转搅拌法,更有利于捕促,去除 夹杂物,尤对小于s0m的夹杂去除效果 更佳,还能防止Akq粘附中间包水口{41. 4)精炼.钢水在浇铸前进行精炼,可 以准确地调整成分和温度,保证连铸均衡 生产,保证坯内清洁度和表面质量.精炼 技术主要有以下几种. ?螺旋式喂丝技术.为意大利CSM 开发.在O15—17mm的管内充以CaSiBa 台金,然后拉拔成09—11mm的钢丝,以 螺旋形式喂入钢中(图4).螺旋圆直径为 250mm,螺距为100mm,喂丝速度20— 30m/rain改变了夹杂形态,收到良好效 果.…. ?结晶器微台金化系统.亦为CSM 开发.将包复台金元素的包芯线通过中间 包塞孔柱和浸入式水口流动区域溶解到钢 中(图s).该法铝的收得率很高,最高可 达100%. ?电磁感应加热装置.新日铁公司在 中间包上设置了电磁感应加热装置,该装 置可以补偿熔化合金所需的热量,而且有 搅拌功能,可迅速调整钢液的化学成分和 使脱氧产物上浮.工业性试验结果表明, 五钢科技17 图5CSM加铝机 图 铁合金加入中间包后.短时间内就能完全 熔化.在3min内成分达到均匀.从向中 间包内浇注钢液至中间包开浇的整个成分 调整操作在10min内完成 5)覆盖剂.中间包中的覆盖剂,不但 起保温作用,而且对成分有重要影响.中 钢公司用BOF+RH生产IF钢时,在中间 包中用三种保温材料(稻壳灰,碳粉,镁粉) 进行多次试验证明,对于防增碳而言,镁粉 是最好的材料.但是.它们容易烧结,并且 取样困难. 6)钢水加热.稳定中间包中温度,可 以稳定铸温,铸速,降低浇铸钢水的过热 度,减少冶炼时间,有利进行等温,高速,低 过热度浇铸,为实现多炉连浇创造条件,因 此中间包钢水加热技术发展很快. 热源的选择.要考虑热源洁净,不污染 钢水,温度易控,热效率高,耐材构造简单. 维修方便等.加热方法有多种,有等离子 加热,感应加热,电极加热等,应用最广泛, 优点较多的还是等离子加热法.等离子加 热是把电能转变成显热,在可控的电弧放 电中产生温度很高的离子化气体.等离子 加热优点很多.如:气源选择灵活;热源温 度高;无污染;能量集中;功率调节迅速;控 温精度高(可达?215);提高铸速,提高产 量4%一5%;能量利用率高(>80%);适 应钢种多;对成分无不利影响等.】. 另外.美国LTv钢铁公司的全自动 喷馀中间包工作衬技术,日本新日铁中间 包在线反复使用技术,美国伯利恒钢铁公 司的全自动更换中间包浸入式水口技术, 美国威尔顿钢铁公司的钢包长水口浸入式 开浇操作技术等对提高钢水清洁度,节约 能源,提高连铸作业率起到显着作用. 5我国中间包冶金技术现状及今后研究 课题 我国早已进行中间包冶金技术的开 发,应用工作,并已取得一定的成果. 1988年武钢和西工大合作进行08A1 的过滤技术的研究.采用石灰质过滤器. 每炉钢水27t.中间包容量9—10t,钢水流 量?2t/rain.结果表明.经过滤的铸坯夹 杂含量比双隔墙工艺减少5.51%.比无隔 墙工艺减少44.41%.夹杂去除率达 5O.65%.比双厢墙工艺高11.39%.过滤 器使用时间达138—184mln,通过钢水量 达217289t.基本上满足连铸生产的要 求…. 上钢三厂用BOF冶炼20MnSi,钢包 吹Ar3min(0.2MPa).后经160×220mm 断面连铸(0.8—1.2m/min),中间包内砌 筑3块厚45mm,高500mm的硅质绝热板 围墙(图6),取得了中间包中夹杂平均减 少15%一33.5%,结晶器中夹杂减少33% ? l81997年第5期 左右,铸坯中夹杂减少27%一48%的明显 效果】. 囝6中间包内围墙位置示意图 中间包钢水连续测温技术也取得进 展.东大与鞍钢合作研究成功先进的 中间包钢水连续测温技术.测温装置采用 耐高温,抗热震,导热性能好的铝钼质金属 陶瓷管与廉价的铝碳质耐火管组合式保护 管及带有特殊高温热补偿功能的专用测温 智能仪表.装置的测温精度<?5”C,热情 性<30S,寿命>10h,主要技术指标达9O 年代国际水平. 其他如1993年5月国内首支供中间 包加热用的大功率等离子枪研制成功, 1993年唐钢在4流方坯铸机中用等离子 加热中间包钢水,衡钢从英国TRD公司引 进2套中间包等离子加热装置,兰钢从 PEC引进一套中间包等离子加热系统等. 还有许多钢厂准备采用中间包冶金技术. 在理论研究方面也有突破.马钢和华 冶对包型进行优化数模研究,并用于指导 产生.鞍研院在4流中间包上设计加 热功能的装置,并进行水模试验.确定了合 理的中间包结构和档墙设置位置,对进一 步提高铸坯质量起到一定作用Ds] 我国要大力发展连铸技术并要积极推 广全连铸和近终形连铸新工艺,因此,进一 步改善连铸工艺迫在眉睫.中间包冶金技 术是实现高效连铸必不可少的相关技术, 它对扩大连铸品种,增加连铸比,改善连铸 设备,提高连铸作业率,顺利进行多炉连 浇,优化技术结构起到重要作用.我国在 此领域里已取得一定进展,但也存在不少 问题.主要是横向研究不平衡,纵向研究不 深入.今后有关单位要结合自己的具体情 况,选用合适的中间包冶金技术,特别对中 间包最佳几何形状及钢液流动规律,控温 精度,成分微调,夹杂物的去除及变性技术 要进行更加深入的研究.进一步提高我国 连铸生产的整体技术水平. 参考文献 1刘振防连铸中间包中传辅现象的数学模型一第一部分:锕包更换操作中的过渡效应.钢铁 情报, 1994.(2):44 2陈绵福.连铸中间包中传输现象的数学模型一第二部分:国钢水包钢流温度的变化而导致 的过渡效 应.钢铁情报.1994,(2):57 3冯韵衷中间包控流结构台钢科技,1995.(1):35 4陈楚圣.中间包冶金技术.特殊钢,1993,(3):20 5张立峰等连铸中间包钢液流动和夹杂的去除炼钢,1995.(6):43 6世界金属导报,1996.7,15,2版 7张明华中间包采用气体净化除去钢中夹杂物的研究炼钢,1995,(3):30 8包燕平等.中问罐吹气搅拌对钢藏流动的影响.连铸,1995,(5):113 98thChinesSteelmakingConference.交流资料,1994.11,攀钢 l0殷宝言.等离子加热技术在炼钢中的应用.炼钢.1995,(5):54 五钢科技 11姜伟明连铸中间包钢水过滤技术的研究武钢技术,1994,(7):23 12韩郁文等连铸中间罐钢液清洁度的研究连铸.1994,(6):9 13黎力.先进的连铸中问包钢水诖续测温技术.钢铁.1995.(7):84 14王建军等.六流小方坯中周包内型优化效摸研究.炼钢,1995.(5):16 15李润生等.具有加热功能的四流连铸中间包合理结构及挡墙设置的研究炼钢,1994.(4):36 浦项钢铁公司Corex设备的近况 浦项钢铁公司浦项钢铁厂CorexC一 2000型设备从l995年l1月投产以来.到 1996年7月底,生产了35多万t铁水.铁 水质量与浦项高炉的铁水相当.除了一些 机械设备问题.浦项钢铁公司C一2000型 设备是成功的,获得了预期的性能指标. 出第一炉铁水开始就完全用于炼钢.平均 品质如下:C=42%一4.6%.S:0o1% 一 003%.温度=1500—1540?. 生产与消耗的平均值概括如下:铁水 81~/h,输出煤气l4.5万rn’/h,铁矿石/球 团1480kg/thm.燃料990kg/thm.添加剂 325kg/thm.氧560m/thm.炉渣340kg/ thm 至今,Corex设备的混合料使用5种 块矿和球团:CVRD球团,Algarrobo球团, Peru球团,MtNewman块矿和Sishen块 矿.现在.块矿已占Corex设备炉料的 50% 中间包等离子加热的物理模型及其数学说明 用带有示踪物的喷射装置对等离子加 热的中间包中的锕流运动和热量传递的物 理模型进行了试验.用湍流K—e数学模 型对试验结果加说明.进行热模拟时, 使温度呈阶梯式变化,把水的原始温度降 低7K,接着用蒸汽喷嘴加热.蒸汽喷嘴模 拟中间包中钢水的等离子的加热过程.根 据蒸汽喷嘴的工作参数.规范等离子加热 的可实用的操作规程.制定出一整套的用 (景德喜) 等离子加热的工艺参数.采用两个分散系 数摸型可以很好预测冷一热周期的变换时 间.另一方面,数学模型还告诉人们:蒸汽 喷嘴可以控制喷嘴下方的局部流体的速 度.离开蒸汽喷嘴直接作用在附近局部流 体上的液体的动量传给局部流体,使其动 量有所增加 (殷宝言)