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豐文祥^{1, 2} 陳偉慶¹ 趙繼增²

1 北京科技大學冶金與生態(tài)學院，北京 100083

2 北京利爾高溫材料股份有限公司，北京  102211

 

摘  要  中間包冶金是繼鋼包冶金之后一項重要的爐外精煉工藝，有其特殊的工藝特點和要求。本文從去除鋼液非金屬夾雜物的角度分析了中間包鋼液夾雜物的來源、去除機理及中間包冶金技術(shù)，重點闡述了中間包用耐火材料在中間包冶金中的作用。

關(guān)鍵詞  爐外精煉，連鑄，中間包，夾雜物，耐火材料

 

1 引言

近些年來，隨著冶金技術(shù)的發(fā)展和對鋼潔凈度要求的不斷提高，中間包作為連鑄工藝中鋼液凝固之前所經(jīng)過的最后一個耐火材料容器，不再單純作為鋼液的儲存器和分配器使用，而是作為冶金反應容器的一部分，繼續(xù)承擔著特殊的爐外精煉重要任務，中間包冶金的重要意義逐漸被人們認識并得到了快速發(fā)展^[1,2]。

中間包冶金自20世紀80年代初被加拿大麥克林（A.McLean）教授提出以來^[3]，許多研究成果已經(jīng)轉(zhuǎn)化為實際應用的技術(shù)措施，如中間包結(jié)構(gòu)設計、鋼液流動控制技術(shù)、保護澆注、恒溫澆注、吹氬清洗、離心流動技術(shù)、電磁攪拌等，通過對鋼液在中間包內(nèi)的流動方式產(chǎn)生影響，除了均勻鋼水的溫度和成分外，還可延長鋼液在中間包內(nèi)停留時間和改變流動路徑，促進夾雜物上浮去除，達到降低夾雜物含量、提高鋼液潔凈度的冶金效果。

本文分析了中間包鋼液夾雜物的來源和去除機理，介紹了中間包冶金技術(shù)的新進展及耐火材料在中間包冶金工藝中的作用。

 

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豐文祥，工程師，碩士，北京利爾高溫材料股份有限公司，E-mail：fengwenxiang2007@163.com

2 中間包鋼水夾雜物的來源

如同所有煉鋼過程一樣，中間包鋼水中的非金屬夾雜物包括氧化物、硫化物、硫氧化合物、硅酸鹽化合物及氮化物等，這些夾雜物的來源有外來的和內(nèi)生的兩類，內(nèi)生夾雜物包括煉鋼過程中未來得及排除的脫氧產(chǎn)物，以及部分因鋼水溫度降低而析出的夾雜物；外來夾雜物主要是鋼水和外界（爐渣及耐火材料）之間偶然的化學和機械作用的產(chǎn)物，包括在煉鋼過程中從爐料夾帶的不潔物，爐襯因受侵蝕而脫落的耐火材料，爐渣卷渣，以及澆鋼過程中因鋼水吸氧而產(chǎn)生的二次氧化產(chǎn)物等。

2.1 內(nèi)生夾雜物

內(nèi)生夾雜物貫穿煉鋼全過程，內(nèi)生夾雜物的類型和組成取決于冶煉的脫氧制度和鋼的成分，內(nèi)生夾雜物通常與鋼水化學成分、溫度達成化學平衡，他們是自然發(fā)生的，因而只能降低，而不能完全消除。

中間包中的內(nèi)生夾雜物主要是一些比重比較大的脫氧、脫硫產(chǎn)物在鋼包中沒有及時排除，同時，隨著鋼液溫度降低，硫、氧、氮等雜質(zhì)元素的溶解度相應下降，這些脫溶的夾雜元素與金屬化合生成非金屬夾雜物在中間包中沉淀。

2.2 外來夾雜物

    相對于內(nèi)生夾雜，外來夾雜物數(shù)量較少但尺寸大，成分復雜并呈多相結(jié)構(gòu)，與內(nèi)生小夾雜物均勻彌散分布不同，外來夾雜物在鋼中零星分布，此類夾雜尺寸往往比較大，對鋼性能的危害也更大。

外來夾雜物總是與實際操作相關(guān)，而且其來源主要就是二次氧化、卷渣和爐襯耐火材料侵蝕。

（1）二次氧化產(chǎn)生的外來夾雜物

空氣作為二次氧化的共同來源，在連鑄過程中空氣以下列方式進入鋼液：（1）在鋼包到中間包的鋼水注入處強烈的湍流造成鋼水表面吸入空氣，（2）中間包流動的鋼液表面形成的氧化薄膜重新卷入鋼液后形成的外來夾雜物。在這類二次氧化過程中，脫氧元素如Al、Ca和Si等優(yōu)先氧化，氧化產(chǎn)物發(fā)展成為非金屬夾雜物，粒度通常比脫氧夾雜物大1～2個數(shù)量級。

二次氧化產(chǎn)物另一來源是爐渣以及包襯耐火材料中的SiO₂、FeO和MnO。鋼液靠近爐渣或包襯界面時鋼液中的夾雜物通過以下反應而形成夾雜物并得到長大，由此生成的氧化鋁夾雜尺寸較大且含有各種成分。

SiO₂ + [Al] → [Si] + Al₂O₃                （1）

FeO + [Al] → [Fe] + Al₂O₃                （2）

MnO + [Al] → [Mn] + Al₂O₃               （3）

這種現(xiàn)象以下列方式進一步影響外來夾雜物的形成：上述反應侵蝕包襯耐火材料表面并導致其表面凹凸不平，從而改變包襯壁面附近的鋼水流場，加速包襯的破損；包襯破損產(chǎn)生的大型外來夾雜物以及卷入的爐渣可以捕捉小夾雜物，也可以作為異相形核核心產(chǎn)生新的析出物，這就使得外來夾雜物的成分變得復雜起來。

（2）卷渣造成的外來夾雜物

任何冶煉上或鋼水傳遞上的操作，尤其是在鋼水從一種容器到另一種容器時，都會引起渣—鋼間的劇烈混合，造成爐渣顆粒懸浮在鋼液中。對于連鑄工藝，下列因素可能造成鋼水卷渣：

（1）鋼水從鋼包到中間包和從中間包到結(jié)晶器時；

（2）鋼水上表面出現(xiàn)漩渦時；

（3）鋼水上表面乳化作用造成卷渣，尤其當攪拌氣體超過臨界氣體流量時；

（3）包襯耐火材料侵蝕造成的外來夾雜物

耐火材料的侵蝕物，包括包襯上松散的砂粒、破損的材料等，是一類極為常見的典型的固態(tài)大型外來夾雜物，與中間包本身材料有關(guān)。它們通常尺寸較大，外形不規(guī)則。包襯侵蝕通常出現(xiàn)在強湍流區(qū)域，特別是在二次氧化、澆鑄溫度較高以及發(fā)生化學反應時。

 

3 中間包鋼水夾雜物的去除機理

關(guān)于在中間包鋼水流動過程中夾雜物的去除機理，許多學者從不同角度對其做了大量研究，歸納起來有如下幾種機理：

3.1 上浮去除

在靜止的鋼液中，夾雜物上浮速度服Stokes定律，夾雜物以Stokes上浮速度向鋼液面運動，中間包鋼水中夾雜物上浮并有效排除的必要條件是鋼水在中間包內(nèi)停留時間t大于夾雜物上浮到鋼液表面所需時間t_f。即：t>t_f。

鋼水在中間包內(nèi)的理論平均停留時間t為：

t=W/Q                     （4）

式中：W—中間包容量，Kg；Q—澆注速度，Kg/s。

夾雜物上浮到鋼液面所需時間t_f為：

t_f=H/V                          （5）

式中：H—中間包內(nèi)液面深度，mm；V—夾雜物上浮速度，mm/s。

非金屬夾雜物在靜止液體中的上浮速度可表示為：

V=2r_p² (ρ_m—ρ_p)g/9μ              （6）

式中：r_p一非金屬夾雜物質(zhì)點半徑，m；ρ_m一鋼液密度，Kg/m³；ρ_p一非金屬夾雜物密度，Kg/m³；μ—鋼液粘度，Pa.s；g一重力加速度，m/s²。

Stokes上浮公式的正確性是無可非議的，但從本質(zhì)上講，它所計算的上浮速度是顆粒在重力場中處于靜止狀態(tài)或?qū)恿鳡顟B(tài)的流體介質(zhì)內(nèi)作加速運動的最終速度，其初始速度比該值要小得多，而且，在中間包內(nèi)流體本身是運動的，流體流速遠大于該速度，因此夾雜物在中間包中隨鋼液流動而一起運動，考慮到各種界面因素，上浮運動去除夾雜物的作用非常有限，特別是小顆粒夾雜物。

3.2 聚合去除

在中間包鋼液中，夾雜物上浮速度與鋼液的粘度、夾雜物的運動路徑和粒徑密切相關(guān)，一般夾雜物顆粒越大，上浮速度越快，越有利于夾雜物去除。夾雜物的長大依賴于夾雜物相互碰撞聚合，在此過程中，小夾雜物數(shù)目減少，大夾雜物數(shù)目增加。兩個夾雜物之間的碰撞方式通常有以下四種方式：

（1）Brown碰撞：

即夾雜物在鋼液中作無規(guī)則熱運動，并且在運動中發(fā)生接觸、碰撞乃至聚合成一個直徑大于臨界直徑的較大顆粒夾雜物，浮出鋼液表面。

在中間包內(nèi)，夾雜物碰撞屬于Brown碰撞的類型比較少，已有人論證，這種碰撞方式在夾雜物去除中可以忽略不計。

（2）Stokes碰撞：

即根據(jù)Stokes定律，大顆粒夾雜物上浮速度大于小顆粒夾雜物的上浮速度，大顆粒夾雜物追上小顆粒夾雜物發(fā)生碰撞生成更大的顆粒，上浮速度將更大，更容易捕獲其他顆粒。Stokes碰撞的頻率函數(shù)為：

β_ij =                    （7）

顆粒直徑越大，上浮速度越快，兩顆粒直徑相差越大，碰撞機會越多。在中間包中，Stokes碰撞是夾雜物聚合去除的重要形式之一。

（3）速度梯度碰撞

顆粒沿流線軌跡運動，高速流線上的顆粒將追上低速流線上的顆粒，只要兩個顆粒的距離不超過他們的半徑之和，顆粒將發(fā)生速度梯度碰撞。由于速度梯度的存在而導致粒子凝集的碰撞頻率函數(shù)為：

                           （8）

在中間包中，當流場速度梯度不夠大時，速度梯度碰撞不是主要形式。

（4）湍流碰撞

湍流中由于速度的脈動作用于顆粒，促使它們相互碰撞長大，碰撞的頻率函數(shù)：

F(d_i, d_j) = CfR³()                                 （9）

C—常數(shù)，f—導致穩(wěn)定聚合的碰撞所占比率，R—發(fā)生碰撞半徑，ε—湍流動能耗散率，μ—鋼液的運動黏度。

湍流碰撞是夾雜物聚合長大的重要形式，湍流動能耗散率ε大的區(qū)域，發(fā)生湍流碰撞的頻率越大。

對于上述的四種碰撞方式，Stokes碰撞是夾雜物聚合去除的重要形式之一，湍流碰撞也是夾雜物聚合長大的一種重要形式，而在流場速度梯度不夠大時，速度梯度碰撞不是主要形式，屬于Brown碰撞的類型則比較少。

3.3 粘附去除

夾雜物在和中間包包壁以及擋墻、擋壩、多孔擋板、鋼液過濾器、水口等固體表面接觸時，將會粘附在固體表面得以去除。一般堿性鎂質(zhì)、鎂鈣質(zhì)材料對夾雜物的黏附能力較強，有利于夾雜物的去除。

夾雜物到達壁面后，未必完全吸附，吸附的穩(wěn)定性與Van der Waals力、壁面剪力、顆粒大小及壁面粗糙度有關(guān)，其吸附概率可以表示為：

P_a＝exp(－0.287τ_w/τ_crit)                    （10）

其中τ_w為壁面剪力，τ_crit表示顆粒在壁面滾動的臨界流體剪力，τ_crit越大，吸附概率越小。τ_crit的大小可由下式確定：

(－6.46ρ^1/2τ_crit^3/2R³/μ)＝43.92τ_critR³         （11）

式中A為Hamaker數(shù)，取2.3×10^-20，h為Van der Waals力作用間距，取4nm，壁面表觀粗糙度Δ≈R。

張邦文等^{[4, 5]}通過數(shù)學模擬研究指出，上浮去除是中間包內(nèi)夾雜物去除的主要方式，壁面吸附對夾雜物去除的貢獻占1/6 ~ 1/4，碰撞長大的貢獻小于5%。趙連剛^[6]也得出相似的結(jié)論，認為壁面吸附占夾雜物總?cè)コ实?/span>10%左右，上浮去除則占到了90%左右。

 

4 中間包冶金

中間包冶金的目的是盡可能排除內(nèi)生夾雜物，減少外來夾雜物，進一步凈化鋼水，并防止鋼水二次污染。

根據(jù)以上中間包內(nèi)夾雜物的引入和去除機理，從耐火材料角度可從以下幾個方面探討耐火材料對中間包冶金的貢獻。

4.1 基于減少外生夾雜物的冶金技術(shù)

（1）真空澆注技術(shù)

傳統(tǒng)澆注中，由于中間包和結(jié)晶器存在較大的液位差，鋼液高速進入結(jié)晶器時，可能引起結(jié)晶器液面波動，帶來連鑄坯質(zhì)量問題。為了避免結(jié)晶器液面卷渣，生產(chǎn)表面質(zhì)量良好的連鑄坯，英國鋼鐵聯(lián)合公司開發(fā)了真空中間包澆注技術(shù)^[7]。中間包真空澆注技術(shù)是將澆注水口上端部分中間包進行密封，建立真空室以減少鋼水進入結(jié)晶器的驅(qū)動壓力，中間包進入真空室的鋼水流量用塞棒進行控制，通過對塞棒和真空度的控制來穩(wěn)定中間包和結(jié)晶器液位。此技術(shù)不但可以改善鑄坯質(zhì)量，而且能夠保持連鑄坯產(chǎn)品的一致性、提高澆注工藝的操作水平和適應性。

真空澆注原理圖如圖1所示，塞棒置于減壓室的外壁，鋼液進入減壓室和結(jié)晶器的量可通過調(diào)節(jié)塞棒和減壓室壓力來控制。

連鑄過程中對中間包進行真空處理的另外一個目的是脫氣^[8]。如B. P.克里莫夫利用如圖2的裝置進行脫氣處理，實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

 

圖1 真空中間包系統(tǒng)示意圖

 

圖2 連續(xù)真空處理裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1—鋼包；2—移動托架；3—真空室；4—液壓缸；5—真空室浸入式水口；

6—中間包；7—結(jié)晶器

 

（2）長水口及長水口吹氬保護澆注

提高連鑄坯清潔度的主要任務就是去除鋼中內(nèi)生夾雜物和防止鋼水污染，二次氧化和鋼液卷渣是污染鋼液的兩個重要原因，其中鋼水從鋼包流到中間包時產(chǎn)生的注入流、液—液射流是引起鋼水吸氧和卷渣的主要原因。防止卷吸空氣和渣的重要措施是實行保護澆鑄，通常采用長水口及惰性氣體屏蔽等方法，同時，通過注流保護澆鑄，既可防止注流的二次氧化，又可避免澆注沖擊液面使鋼液裸露而造成的二次氧化，生產(chǎn)高清潔度鋼時則可綜合采用上述方法。

對于長水口保護澆注進行了很多研究，蔡開科^[1]在中間包渣中加入Ce₂O₃示蹤劑，第一爐采用長水口保護澆注，結(jié)晶器渣中沒有Ce₂O₃；在換鋼包時改用敞開澆注，結(jié)晶器渣中Ce₂O₃含量突然升高，隨著第二爐又采用長水口保護澆注，結(jié)晶器渣中Ce₂O₃含量逐漸減少，結(jié)果如圖3所示。

注流卷吸空氣是鋼水二次氧化的主要來源，生產(chǎn)高潔凈度鋼時通常采用長水口吹氬保護澆注，該技術(shù)成熟，在國內(nèi)外已經(jīng)取得了相當廣泛的應用。圖4為臺灣中鋼生產(chǎn)IF鋼使用的鋼包長水口密封澆注示意圖。

  

圖3中間包渣示蹤劑試驗結(jié)果                  圖4 長水口吹氬保護澆注示意圖

 

（3）中間包渦旋控制技術(shù)

中間包中存在著一個重要的流動現(xiàn)象，就是在水口處鋼液流出時產(chǎn)生的匯流旋渦。由經(jīng)驗可知，液體由垂直出口向下流動時，當液面低于某一臨界高度時，在水口上方會形成漏斗形旋渦，這就是匯流旋渦。中間包鋼液流出時形成的匯流旋渦，能把液面上的渣卷入鋼液內(nèi)部，甚至卷入空氣，增加二次氧化，嚴重惡化鋼的質(zhì)量。在連鑄更換鋼包時，經(jīng)常發(fā)生前后鋼包連接區(qū)的鋼坯中的夾雜物指標上升，這和匯流旋渦渣卷入鋼液及二次氧化有密切關(guān)系。

英國鋼鐵聯(lián)合公司于1988年研制成功一種叫做旋轉(zhuǎn)閥（Rotary Valve）中間包鋼流控制系統(tǒng)^{[9, 10]}，如圖5所示，它由兩個耐火材料構(gòu)件和一套操縱機構(gòu)組成，其特點是下部圓形水口固定，而通過旋轉(zhuǎn)塞棒控制鋼液流量大小，出鋼口開在旋轉(zhuǎn)塞棒的側(cè)面。

德國Didier公司也在1993年前后開發(fā)出一種叫旋轉(zhuǎn)管閥(Revolving Tube Valve)的中間包鋼水流動控制裝置^[11]，其安裝與工作原理如圖6所示。該系統(tǒng)由兩個均開有水平側(cè)孔的同心耐火材料管組成，下管固定在中間包包底上，上管通過操縱機構(gòu)做升降運動與下管連接或分離，在澆鋼過程中通過旋轉(zhuǎn)上管完成鋼液流量的調(diào)控。因為水平出流不形成匯流渦旋，可有效地消除渦旋，減少卷渣危害，提高鋼水潔凈度和收得率。

實驗證明，使用中間包旋轉(zhuǎn)閥技術(shù)后，不但提高了鋼水收得率，而且鑄坯氧化物含量相對于定徑水口降低了45％，鋼中非金屬夾夾物含量指數(shù)由90減少到38，減少了水口堵塞，改善了澆注穩(wěn)定性，冶金效果非常明顯。

   

開啟位置                                              關(guān)閉位置

圖5 Rotary Valve示意圖               圖6 Revolving Tube Valve示意圖

 

4.2 基于吸附夾雜物的冶金技術(shù)

（1）工作襯耐火材料與覆蓋劑

中間包工作襯耐火材料與覆蓋劑對鋼水質(zhì)量有著比較大的影響。硅質(zhì)耐火材料和覆蓋劑不但不能吸附鋼中夾雜物，而且在澆注錳含量高的鋼種（如16Mn）和鋁鎮(zhèn)靜鋼時，耐火材料和覆蓋劑中的SiO₂還能分解，產(chǎn)生二次氧化作用，成為鋼水的污染源之一。

隨著對鋼質(zhì)量的要求不但提高，中間包工作襯耐火材料逐漸向堿性的鎂質(zhì)、鎂鈣質(zhì)噴涂料、干式料方向發(fā)展，中間包覆蓋劑也逐漸由酸性向高堿度方向發(fā)展。文獻[12]分別采用鎂質(zhì)噴涂料（MgO≥85%）和鎂鈣質(zhì)噴涂料（CaO：30～45%，MgO＋CaO≥85%），低堿度覆蓋劑（CaO/SiO₂約1.2～1.5）和高鈣質(zhì)覆蓋劑（CaO≥55%，CaO/SiO₂≥4.5），研究了中間包工作襯耐火材料與覆蓋劑對鋼水質(zhì)量的影響，試驗結(jié)果分別如圖7、圖8和表1所示。試驗結(jié)果表明，使用高鈣覆蓋劑和鎂鈣質(zhì)噴涂料時可降低鋼水全[O]含量8～14%，可降低鋼水全[N]含量8～19%，鋼中電解夾雜物總量去除率提高了約6%。

 

圖7  工作襯和覆蓋劑對鋼水全[O] 的影響      圖8  工作襯和覆蓋劑對鋼水全[N] 的影響

 

表1 工作襯和覆蓋劑對鋼水夾雜物的影響

注：去除率 ＝（[夾雜物] (鋼包) － [夾雜物] (鑄坯)）/ [夾雜物](鋼包)×100

 

（2）鋼水過濾裝置

過濾是將懸浮在液體中的固體顆粒有效地加以分離的常用方法。目前在中間包中取得實際應用的鋼水過濾裝置是直通孔式CaO質(zhì)、ZrO₂質(zhì)、鋯剛玉質(zhì)陶瓷過濾器，安裝在中間包擋墻上。

希拉克（S.Hiraki）等人^[13~15]對中間包過濾器進行了廣泛的實驗室和現(xiàn)場研究。新日鐵公司^{[16, 17]}的研究工作比較系統(tǒng)和細致，認為可能使夾雜物顆粒吸附在過濾器上的力有六種：浮力、攔截、慣性、表面張力、擴散和流體力學效應，但主要是前三種，過濾器對夾雜物的吸附與液體流速有關(guān)，在鋼水流速2~8cm/s時去除夾雜物效率比較低，當鋼水流速大于10cm/s時可達到理論過濾效果。

 

4.3 基于促進夾雜物碰撞、聚合、上浮的冶金技術(shù)

4.3.1 中間包控流裝置

中間包控流裝置通常包括擋墻、擋壩、防湍流控制器等，材質(zhì)可以是高鋁質(zhì)、剛玉質(zhì)、鎂質(zhì)等，從提高鋼水潔凈度的角度考慮，鎂質(zhì)材料比較好。中間包擋墻、擋壩、防湍流控制器要求產(chǎn)品強度高，抗沖刷能力強，抗爆裂性能良好。

作者應邯鄲鋼鐵公司要求，對該廠薄板坯中間包擋墻、擋壩的安裝位置及防湍流控制器設計進行了數(shù)學模擬研究，結(jié)果如下：

（1）擋墻 — 擋壩對流場的影響

擋墻—擋壩對流場的影響如圖9所示。沖擊區(qū)由于鋼包注流的沖擊，形成了速度高、卷吸嚴重的區(qū)域，鋼液從長水口下落直沖包底，在包底受到阻擋，液流迅速沿包底呈放射狀散開，散開的鋼液碰到側(cè)墻、擋墻、擋壩后轉(zhuǎn)而向上流動，形成回流。一部分鋼水受擋壩的影響沿擋墻—擋壩之間的空隙向上、向側(cè)上方向流動，部分回流鋼水沖擊著擋墻外側(cè)。在擋墻外側(cè)相對平靜的流場區(qū)域，鋼液流速較低，并在渣－鋼界面流過較長的距離，有利于鋼液中夾雜物上浮。在中間包水口附近，鋼液的流速也較大。

 

圖9 擋渣墻 — 擋渣壩結(jié)構(gòu)對中間包流場的影響

 

（2）含防湍流控制器的中間包流場

設計了三種防湍流控制器，分別如圖10所示。防湍流控制器對中間包鋼水流場的影響分別如圖11、12、13所示。

      防湍流控制器1             防湍流控制器2                防湍流控制器3

圖10 防湍流控制器示意圖

 

在擋墻—擋壩基礎(chǔ)上添加防湍流控制器，改變了流場特點：沖擊區(qū)鋼液從長水口下落到防湍流控制器后，液流迅速向上、向側(cè)上方向回流，并在防湍流控制器上方形成大的回流旋渦。由于防湍流控制器的緩沖作用，從擋墻和擋壩之間流出的鋼液速度大大降低，沒有出現(xiàn)鋼液沖擊著擋渣墻外側(cè)現(xiàn)象。

防湍流控制器形狀和大小對流場有較大影響：防湍流控制器1由于縮口作用，鋼液從長水口達到防湍流控制器后，大部分鋼流沿水平側(cè)上方向四周散開，形成比較大的回流，減輕了沖擊區(qū)的渦流強度，增長了鋼水在中間包內(nèi)的行程長度，有利于夾雜物上浮。防湍流控制器3的高度相對較低，減少了防湍流控制器與側(cè)墻之間的死區(qū)體積，提高了中間包的有效容積，同時鋼液從擋墻和擋壩之間流出的鋼液速度有所增大，有利于鋼液到達渣－鋼界面，促進夾雜物上浮，鋼液上升到自由表面的速度降低，有利于減少沖擊區(qū)卷渣。

 

圖11 防湍流控制器1

 

圖12 防湍流控制器2

 

圖13 防湍流控制器3

 

（3）墻—壩結(jié)構(gòu)與含防湍流控制器結(jié)構(gòu)的中間包鋼液停留時間分布曲線對比

    墻—壩結(jié)構(gòu)與含防湍流控制器結(jié)構(gòu)的中間包鋼液停留時間分布曲線如圖13所示，可見，使用防湍流控制器后，峰值出現(xiàn)時間往后推遲，峰值高度較大幅度提高，這些均有利于夾雜物上浮。

 

圖13 鋼液在中間包內(nèi)停留時間分布曲線

 

4.3.2 中間包氣幕墻技術(shù)

基于促進夾雜物“碰撞——聚合——長大——上浮——去除”原理，鋼水吹氬氣攪拌是一種行之有效的方法，并在鋼包中取得了廣泛應用。關(guān)于中間包吹氬氣攪拌鋼水，國內(nèi)外學者做了很多理論、實驗室和現(xiàn)場試驗研究，并在國外發(fā)達國家，如日本、德國等，取得了一些實際應用。

中間包吹氬技術(shù)是通過埋設在中間包底部的吹氣裝置或旋轉(zhuǎn)噴嘴向中間包鋼水中吹入氬氣，其最初目的是在中間包內(nèi)進一步脫氫，但實驗結(jié)果表明中間包吹氬最明顯的效果是去除夾雜物，其機理主要體現(xiàn)在以下三個方面^[2]：

（1）排列成列的吹氣孔垂直于液流布置，類似于在包底設置了擋壩，促使鋼液向上流動，其作用甚至比擋壩的效果更強烈；

（2）氬氣泡的浮力產(chǎn)生氣泡泵現(xiàn)象，促使局部湍流動能耗散率顯著增大，有利于夾雜物碰撞長大而排除；

（3）上浮的氣泡可以捕捉夾雜物顆粒，并攜帶夾雜物顆粒一同上浮去除，這樣就使微細夾雜物顆粒上浮速度增大到氣泡的上浮速度，因而可以在更大程度上凈化鋼水。

研究表明^[18]，中間包鋼水吹氬產(chǎn)生的夾雜物去除速率等于氣泡產(chǎn)生率和每個氣泡和顆粒碰撞數(shù)的乘積：

         （12）

式中右邊第一項為每個氣泡的清洗體積，第二項為單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)量，第三項為氣泡捕捉夾雜物的概率，第四項為吹氣生成氣泡數(shù)量，第五項為溫度變化引起的氣泡體積膨脹。由上式可知，吹氬量越大，氣泡直徑越小，氣泡深度越深，夾雜物的去除率越高。因而，中間包吹氬適宜于數(shù)量多、體積小的微小氣泡，這和鋼包吹氬起攪拌作用的目的不同。

莫若菲克（R Moravec）^[19]報道了捷克NOVA HUT a.s.鋼廠中間包吹氬試驗結(jié)果。該試驗在24噸六流方坯中間包上進行，透氣磚安裝在沖擊板的右側(cè)，分別試驗了氬氣流量和鋼包澆注時間對夾雜物去除效果的影響，文章認為低的吹氬強度有利于提高鋼水潔凈度（夾雜物平均含量降低了9~26%），相反高的吹氬強度反而危害了鋼水潔凈度，中間包吹氬有利于降低鋼水夾雜物含量的波動范圍，有利于降低更換鋼包對鋼水質(zhì)量的損害。

日本新日鐵鋼廠^[20]中間包吹氬布置圖和吹氬對去除夾雜物的冶金效果分別如下圖所示，可見吹氬時夾雜物去除率相當高，其中在注流區(qū)（A區(qū)）吹氬效果更好，原因可能是增大了湍流動能耗散率ε，導致夾雜物顆粒碰撞凝聚長大而從鋼液中排除。

 

圖15 中間包吹氬布置示意圖                圖16 吹氬對去除夾雜物的冶金效果

 

比利時CRM鋼廠^[22]在2流6噸方坯中間包內(nèi)設透氣管，進行中間包吹氬工業(yè)試驗，獲得了較好的冶金效果，澆注中[H]控制得到了改善，氧化夾雜物含量可降低30%左右。德國Neue Maxhutte Shahlwerke GmhH公司^[23]在上世紀90年代初期，進行了中間包安裝透氣梁，吹氣凈化鋼水的工業(yè)試驗，透氣磚選用彌散型透氣磚，與傳統(tǒng)中間包相比，吹氬后大尺寸夾雜物全部去除，小尺寸夾雜物降低了50%，微細尺寸夾雜物的去除沒有多大改善。日本往友金屬鹿島廠^[24]在60噸中間包中用多孔磚吹氬，微孔直徑200μm，在吹氬上游設置一個隧道式擋渣墻，試驗結(jié)果證明，吹氬對管線鋼API-X60的抗氫誘導裂紋有明顯改進作用。

 

5 結(jié)語

中間包冶金作為一項特殊的爐外精煉技術(shù)，總是與中間包內(nèi)鋼液的流動和夾雜物在鋼液中的分布與運動密切相關(guān)，中間包冶金所采用的一切手段，最終目的是減少鑄坯中夾雜物的數(shù)量和大小。由于中間包內(nèi)液體的流動是一個非等溫的理想流體，夾雜物在鋼液中的分布與運動又是極其復雜而不可控的，注定中間包冶金過程的研究也是極其復雜的，它不再是一項單純的冶金工程學，而是越來越多的融合了包括冶金、化工、流體力學、電子及超聲波等多學科知識的交叉科學，并在理論和工藝方面取得了重要進展。

耐火材料作為高溫工業(yè)的輔助材料，在中間包冶金中發(fā)揮著重要作用，一方面它可以直接參與到捕捉與去除鋼液夾雜物的過程中，另一方面是作為一個工具，將某些特殊的冶金手段，如改變鋼液流動路線、將氬氣泡引入鋼液等，參與中間包冶金過程。隨著中間包冶金的不斷發(fā)展，功能性耐火材料必將發(fā)揮更大的作用。

 

 

中間包冶金與耐火材料

豐文祥^{1, 2} 陳偉慶¹ 趙繼增²

1 北京科技大學冶金與生態(tài)學院，北京 100083

2 北京利爾高溫材料股份有限公司，北京  102211

 

摘  要  中間包冶金是繼鋼包冶金之后一項重要的爐外精煉工藝，有其特殊的工藝特點和要求。本文從去除鋼液非金屬夾雜物的角度分析了中間包鋼液夾雜物的來源、去除機理及中間包冶金技術(shù)，重點闡述了中間包用耐火材料在中間包冶金中的作用。

關(guān)鍵詞  爐外精煉，連鑄，中間包，夾雜物，耐火材料

 

1 引言

近些年來，隨著冶金技術(shù)的發(fā)展和對鋼潔凈度要求的不斷提高，中間包作為連鑄工藝中鋼液凝固之前所經(jīng)過的最后一個耐火材料容器，不再單純作為鋼液的儲存器和分配器使用，而是作為冶金反應容器的一部分，繼續(xù)承擔著特殊的爐外精煉重要任務，中間包冶金的重要意義逐漸被人們認識并得到了快速發(fā)展^[1,2]。

中間包冶金自20世紀80年代初被加拿大麥克林（A.McLean）教授提出以來^[3]，許多研究成果已經(jīng)轉(zhuǎn)化為實際應用的技術(shù)措施，如中間包結(jié)構(gòu)設計、鋼液流動控制技術(shù)、保護澆注、恒溫澆注、吹氬清洗、離心流動技術(shù)、電磁攪拌等，通過對鋼液在中間包內(nèi)的流動方式產(chǎn)生影響，除了均勻鋼水的溫度和成分外，還可延長鋼液在中間包內(nèi)停留時間和改變流動路徑，促進夾雜物上浮去除，達到降低夾雜物含量、提高鋼液潔凈度的冶金效果。

本文分析了中間包鋼液夾雜物的來源和去除機理，介紹了中間包冶金技術(shù)的新進展及耐火材料在中間包冶金工藝中的作用。

 

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豐文祥，工程師，碩士，北京利爾高溫材料股份有限公司，E-mail：fengwenxiang2007@163.com

2 中間包鋼水夾雜物的來源

如同所有煉鋼過程一樣，中間包鋼水中的非金屬夾雜物包括氧化物、硫化物、硫氧化合物、硅酸鹽化合物及氮化物等，這些夾雜物的來源有外來的和內(nèi)生的兩類，內(nèi)生夾雜物包括煉鋼過程中未來得及排除的脫氧產(chǎn)物，以及部分因鋼水溫度降低而析出的夾雜物；外來夾雜物主要是鋼水和外界（爐渣及耐火材料）之間偶然的化學和機械作用的產(chǎn)物，包括在煉鋼過程中從爐料夾帶的不潔物，爐襯因受侵蝕而脫落的耐火材料，爐渣卷渣，以及澆鋼過程中因鋼水吸氧而產(chǎn)生的二次氧化產(chǎn)物等。

2.1 內(nèi)生夾雜物

內(nèi)生夾雜物貫穿煉鋼全過程，內(nèi)生夾雜物的類型和組成取決于冶煉的脫氧制度和鋼的成分，內(nèi)生夾雜物通常與鋼水化學成分、溫度達成化學平衡，他們是自然發(fā)生的，因而只能降低，而不能完全消除。

中間包中的內(nèi)生夾雜物主要是一些比重比較大的脫氧、脫硫產(chǎn)物在鋼包中沒有及時排除，同時，隨著鋼液溫度降低，硫、氧、氮等雜質(zhì)元素的溶解度相應下降，這些脫溶的夾雜元素與金屬化合生成非金屬夾雜物在中間包中沉淀。

2.2 外來夾雜物

    相對于內(nèi)生夾雜，外來夾雜物數(shù)量較少但尺寸大，成分復雜并呈多相結(jié)構(gòu)，與內(nèi)生小夾雜物均勻彌散分布不同，外來夾雜物在鋼中零星分布，此類夾雜尺寸往往比較大，對鋼性能的危害也更大。

外來夾雜物總是與實際操作相關(guān)，而且其來源主要就是二次氧化、卷渣和爐襯耐火材料侵蝕。

（1）二次氧化產(chǎn)生的外來夾雜物

空氣作為二次氧化的共同來源，在連鑄過程中空氣以下列方式進入鋼液：（1）在鋼包到中間包的鋼水注入處強烈的湍流造成鋼水表面吸入空氣，（2）中間包流動的鋼液表面形成的氧化薄膜重新卷入鋼液后形成的外來夾雜物。在這類二次氧化過程中，脫氧元素如Al、Ca和Si等優(yōu)先氧化，氧化產(chǎn)物發(fā)展成為非金屬夾雜物，粒度通常比脫氧夾雜物大1～2個數(shù)量級。

二次氧化產(chǎn)物另一來源是爐渣以及包襯耐火材料中的SiO₂、FeO和MnO。鋼液靠近爐渣或包襯界面時鋼液中的夾雜物通過以下反應而形成夾雜物并得到長大，由此生成的氧化鋁夾雜尺寸較大且含有各種成分。

SiO₂ + [Al] → [Si] + Al₂O₃                （1）

FeO + [Al] → [Fe] + Al₂O₃                （2）

MnO + [Al] → [Mn] + Al₂O₃               （3）

這種現(xiàn)象以下列方式進一步影響外來夾雜物的形成：上述反應侵蝕包襯耐火材料表面并導致其表面凹凸不平，從而改變包襯壁面附近的鋼水流場，加速包襯的破損；包襯破損產(chǎn)生的大型外來夾雜物以及卷入的爐渣可以捕捉小夾雜物，也可以作為異相形核核心產(chǎn)生新的析出物，這就使得外來夾雜物的成分變得復雜起來。

（2）卷渣造成的外來夾雜物

任何冶煉上或鋼水傳遞上的操作，尤其是在鋼水從一種容器到另一種容器時，都會引起渣—鋼間的劇烈混合，造成爐渣顆粒懸浮在鋼液中。對于連鑄工藝，下列因素可能造成鋼水卷渣：

（1）鋼水從鋼包到中間包和從中間包到結(jié)晶器時；

（2）鋼水上表面出現(xiàn)漩渦時；

（3）鋼水上表面乳化作用造成卷渣，尤其當攪拌氣體超過臨界氣體流量時；

（3）包襯耐火材料侵蝕造成的外來夾雜物

耐火材料的侵蝕物，包括包襯上松散的砂粒、破損的材料等，是一類極為常見的典型的固態(tài)大型外來夾雜物，與中間包本身材料有關(guān)。它們通常尺寸較大，外形不規(guī)則。包襯侵蝕通常出現(xiàn)在強湍流區(qū)域，特別是在二次氧化、澆鑄溫度較高以及發(fā)生化學反應時。

 

3 中間包鋼水夾雜物的去除機理

關(guān)于在中間包鋼水流動過程中夾雜物的去除機理，許多學者從不同角度對其做了大量研究，歸納起來有如下幾種機理：

3.1 上浮去除

在靜止的鋼液中，夾雜物上浮速度服Stokes定律，夾雜物以Stokes上浮速度向鋼液面運動，中間包鋼水中夾雜物上浮并有效排除的必要條件是鋼水在中間包內(nèi)停留時間t大于夾雜物上浮到鋼液表面所需時間t_f。即：t>t_f。

鋼水在中間包內(nèi)的理論平均停留時間t為：

t=W/Q                     （4）

式中：W—中間包容量，Kg；Q—澆注速度，Kg/s。

夾雜物上浮到鋼液面所需時間t_f為：

t_f=H/V                          （5）

式中：H—中間包內(nèi)液面深度，mm；V—夾雜物上浮速度，mm/s。

非金屬夾雜物在靜止液體中的上浮速度可表示為：

V=2r_p² (ρ_m—ρ_p)g/9μ              （6）

式中：r_p一非金屬夾雜物質(zhì)點半徑，m；ρ_m一鋼液密度，Kg/m³；ρ_p一非金屬夾雜物密度，Kg/m³；μ—鋼液粘度，Pa.s；g一重力加速度，m/s²。

Stokes上浮公式的正確性是無可非議的，但從本質(zhì)上講，它所計算的上浮速度是顆粒在重力場中處于靜止狀態(tài)或?qū)恿鳡顟B(tài)的流體介質(zhì)內(nèi)作加速運動的最終速度，其初始速度比該值要小得多，而且，在中間包內(nèi)流體本身是運動的，流體流速遠大于該速度，因此夾雜物在中間包中隨鋼液流動而一起運動，考慮到各種界面因素，上浮運動去除夾雜物的作用非常有限，特別是小顆粒夾雜物。

3.2 聚合去除

在中間包鋼液中，夾雜物上浮速度與鋼液的粘度、夾雜物的運動路徑和粒徑密切相關(guān)，一般夾雜物顆粒越大，上浮速度越快，越有利于夾雜物去除。夾雜物的長大依賴于夾雜物相互碰撞聚合，在此過程中，小夾雜物數(shù)目減少，大夾雜物數(shù)目增加。兩個夾雜物之間的碰撞方式通常有以下四種方式：

（1）Brown碰撞：

即夾雜物在鋼液中作無規(guī)則熱運動，并且在運動中發(fā)生接觸、碰撞乃至聚合成一個直徑大于臨界直徑的較大顆粒夾雜物，浮出鋼液表面。

在中間包內(nèi)，夾雜物碰撞屬于Brown碰撞的類型比較少，已有人論證，這種碰撞方式在夾雜物去除中可以忽略不計。

（2）Stokes碰撞：

即根據(jù)Stokes定律，大顆粒夾雜物上浮速度大于小顆粒夾雜物的上浮速度，大顆粒夾雜物追上小顆粒夾雜物發(fā)生碰撞生成更大的顆粒，上浮速度將更大，更容易捕獲其他顆粒。Stokes碰撞的頻率函數(shù)為：

β_ij =                    （7）

顆粒直徑越大，上浮速度越快，兩顆粒直徑相差越大，碰撞機會越多。在中間包中，Stokes碰撞是夾雜物聚合去除的重要形式之一。

（3）速度梯度碰撞

顆粒沿流線軌跡運動，高速流線上的顆粒將追上低速流線上的顆粒，只要兩個顆粒的距離不超過他們的半徑之和，顆粒將發(fā)生速度梯度碰撞。由于速度梯度的存在而導致粒子凝集的碰撞頻率函數(shù)為：

                           （8）

在中間包中，當流場速度梯度不夠大時，速度梯度碰撞不是主要形式。

（4）湍流碰撞

湍流中由于速度的脈動作用于顆粒，促使它們相互碰撞長大，碰撞的頻率函數(shù)：

F(d_i, d_j) = CfR³()                                 （9）

C—常數(shù)，f—導致穩(wěn)定聚合的碰撞所占比率，R—發(fā)生碰撞半徑，ε—湍流動能耗散率，μ—鋼液的運動黏度。

湍流碰撞是夾雜物聚合長大的重要形式，湍流動能耗散率ε大的區(qū)域，發(fā)生湍流碰撞的頻率越大。

對于上述的四種碰撞方式，Stokes碰撞是夾雜物聚合去除的重要形式之一，湍流碰撞也是夾雜物聚合長大的一種重要形式，而在流場速度梯度不夠大時，速度梯度碰撞不是主要形式，屬于Brown碰撞的類型則比較少。

3.3 粘附去除

夾雜物在和中間包包壁以及擋墻、擋壩、多孔擋板、鋼液過濾器、水口等固體表面接觸時，將會粘附在固體表面得以去除。一般堿性鎂質(zhì)、鎂鈣質(zhì)材料對夾雜物的黏附能力較強，有利于夾雜物的去除。

夾雜物到達壁面后，未必完全吸附，吸附的穩(wěn)定性與Van der Waals力、壁面剪力、顆粒大小及壁面粗糙度有關(guān)，其吸附概率可以表示為：

P_a＝exp(－0.287τ_w/τ_crit)                    （10）

其中τ_w為壁面剪力，τ_crit表示顆粒在壁面滾動的臨界流體剪力，τ_crit越大，吸附概率越小。τ_crit的大小可由下式確定：

(－6.46ρ^1/2τ_crit^3/2R³/μ)＝43.92τ_critR³         （11）

式中A為Hamaker數(shù)，取2.3×10^-20，h為Van der Waals力作用間距，取4nm，壁面表觀粗糙度Δ≈R。

張邦文等^{[4, 5]}通過數(shù)學模擬研究指出，上浮去除是中間包內(nèi)夾雜物去除的主要方式，壁面吸附對夾雜物去除的貢獻占1/6 ~ 1/4，碰撞長大的貢獻小于5%。趙連剛^[6]也得出相似的結(jié)論，認為壁面吸附占夾雜物總?cè)コ实?/span>10%左右，上浮去除則占到了90%左右。

 

4 中間包冶金

中間包冶金的目的是盡可能排除內(nèi)生夾雜物，減少外來夾雜物，進一步凈化鋼水，并防止鋼水二次污染。

根據(jù)以上中間包內(nèi)夾雜物的引入和去除機理，從耐火材料角度可從以下幾個方面探討耐火材料對中間包冶金的貢獻。

4.1 基于減少外生夾雜物的冶金技術(shù)

（1）真空澆注技術(shù)

傳統(tǒng)澆注中，由于中間包和結(jié)晶器存在較大的液位差，鋼液高速進入結(jié)晶器時，可能引起結(jié)晶器液面波動，帶來連鑄坯質(zhì)量問題。為了避免結(jié)晶器液面卷渣，生產(chǎn)表面質(zhì)量良好的連鑄坯，英國鋼鐵聯(lián)合公司開發(fā)了真空中間包澆注技術(shù)^[7]。中間包真空澆注技術(shù)是將澆注水口上端部分中間包進行密封，建立真空室以減少鋼水進入結(jié)晶器的驅(qū)動壓力，中間包進入真空室的鋼水流量用塞棒進行控制，通過對塞棒和真空度的控制來穩(wěn)定中間包和結(jié)晶器液位。此技術(shù)不但可以改善鑄坯質(zhì)量，而且能夠保持連鑄坯產(chǎn)品的一致性、提高澆注工藝的操作水平和適應性。

真空澆注原理圖如圖1所示，塞棒置于減壓室的外壁，鋼液進入減壓室和結(jié)晶器的量可通過調(diào)節(jié)塞棒和減壓室壓力來控制。

連鑄過程中對中間包進行真空處理的另外一個目的是脫氣^[8]。如B. P.克里莫夫利用如圖2的裝置進行脫氣處理，實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

 

圖1 真空中間包系統(tǒng)示意圖

 

圖2 連續(xù)真空處理裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1—鋼包；2—移動托架；3—真空室；4—液壓缸；5—真空室浸入式水口；

6—中間包；7—結(jié)晶器

 

（2）長水口及長水口吹氬保護澆注

提高連鑄坯清潔度的主要任務就是去除鋼中內(nèi)生夾雜物和防止鋼水污染，二次氧化和鋼液卷渣是污染鋼液的兩個重要原因，其中鋼水從鋼包流到中間包時產(chǎn)生的注入流、液—液射流是引起鋼水吸氧和卷渣的主要原因。防止卷吸空氣和渣的重要措施是實行保護澆鑄，通常采用長水口及惰性氣體屏蔽等方法，同時，通過注流保護澆鑄，既可防止注流的二次氧化，又可避免澆注沖擊液面使鋼液裸露而造成的二次氧化，生產(chǎn)高清潔度鋼時則可綜合采用上述方法。

對于長水口保護澆注進行了很多研究，蔡開科^[1]在中間包渣中加入Ce₂O₃示蹤劑，第一爐采用長水口保護澆注，結(jié)晶器渣中沒有Ce₂O₃；在換鋼包時改用敞開澆注，結(jié)晶器渣中Ce₂O₃含量突然升高，隨著第二爐又采用長水口保護澆注，結(jié)晶器渣中Ce₂O₃含量逐漸減少，結(jié)果如圖3所示。

注流卷吸空氣是鋼水二次氧化的主要來源，生產(chǎn)高潔凈度鋼時通常采用長水口吹氬保護澆注，該技術(shù)成熟，在國內(nèi)外已經(jīng)取得了相當廣泛的應用。圖4為臺灣中鋼生產(chǎn)IF鋼使用的鋼包長水口密封澆注示意圖。

  

圖3中間包渣示蹤劑試驗結(jié)果                  圖4 長水口吹氬保護澆注示意圖

 

（3）中間包渦旋控制技術(shù)

中間包中存在著一個重要的流動現(xiàn)象，就是在水口處鋼液流出時產(chǎn)生的匯流旋渦。由經(jīng)驗可知，液體由垂直出口向下流動時，當液面低于某一臨界高度時，在水口上方會形成漏斗形旋渦，這就是匯流旋渦。中間包鋼液流出時形成的匯流旋渦，能把液面上的渣卷入鋼液內(nèi)部，甚至卷入空氣，增加二次氧化，嚴重惡化鋼的質(zhì)量。在連鑄更換鋼包時，經(jīng)常發(fā)生前后鋼包連接區(qū)的鋼坯中的夾雜物指標上升，這和匯流旋渦渣卷入鋼液及二次氧化有密切關(guān)系。

英國鋼鐵聯(lián)合公司于1988年研制成功一種叫做旋轉(zhuǎn)閥（Rotary Valve）中間包鋼流控制系統(tǒng)^{[9, 10]}，如圖5所示，它由兩個耐火材料構(gòu)件和一套操縱機構(gòu)組成，其特點是下部圓形水口固定，而通過旋轉(zhuǎn)塞棒控制鋼液流量大小，出鋼口開在旋轉(zhuǎn)塞棒的側(cè)面。

德國Didier公司也在1993年前后開發(fā)出一種叫旋轉(zhuǎn)管閥(Revolving Tube Valve)的中間包鋼水流動控制裝置^[11]，其安裝與工作原理如圖6所示。該系統(tǒng)由兩個均開有水平側(cè)孔的同心耐火材料管組成，下管固定在中間包包底上，上管通過操縱機構(gòu)做升降運動與下管連接或分離，在澆鋼過程中通過旋轉(zhuǎn)上管完成鋼液流量的調(diào)控。因為水平出流不形成匯流渦旋，可有效地消除渦旋，減少卷渣危害，提高鋼水潔凈度和收得率。

實驗證明，使用中間包旋轉(zhuǎn)閥技術(shù)后，不但提高了鋼水收得率，而且鑄坯氧化物含量相對于定徑水口降低了45％，鋼中非金屬夾夾物含量指數(shù)由90減少到38，減少了水口堵塞，改善了澆注穩(wěn)定性，冶金效果非常明顯。

   

開啟位置                                              關(guān)閉位置

圖5 Rotary Valve示意圖               圖6 Revolving Tube Valve示意圖

 

4.2 基于吸附夾雜物的冶金技術(shù)

（1）工作襯耐火材料與覆蓋劑

中間包工作襯耐火材料與覆蓋劑對鋼水質(zhì)量有著比較大的影響。硅質(zhì)耐火材料和覆蓋劑不但不能吸附鋼中夾雜物，而且在澆注錳含量高的鋼種（如16Mn）和鋁鎮(zhèn)靜鋼時，耐火材料和覆蓋劑中的SiO₂還能分解，產(chǎn)生二次氧化作用，成為鋼水的污染源之一。

隨著對鋼質(zhì)量的要求不但提高，中間包工作襯耐火材料逐漸向堿性的鎂質(zhì)、鎂鈣質(zhì)噴涂料、干式料方向發(fā)展，中間包覆蓋劑也逐漸由酸性向高堿度方向發(fā)展。文獻[12]分別采用鎂質(zhì)噴涂料（MgO≥85%）和鎂鈣質(zhì)噴涂料（CaO：30～45%，MgO＋CaO≥85%），低堿度覆蓋劑（CaO/SiO₂約1.2～1.5）和高鈣質(zhì)覆蓋劑（CaO≥55%，CaO/SiO₂≥4.5），研究了中間包工作襯耐火材料與覆蓋劑對鋼水質(zhì)量的影響，試驗結(jié)果分別如圖7、圖8和表1所示。試驗結(jié)果表明，使用高鈣覆蓋劑和鎂鈣質(zhì)噴涂料時可降低鋼水全[O]含量8～14%，可降低鋼水全[N]含量8～19%，鋼中電解夾雜物總量去除率提高了約6%。

 

圖7  工作襯和覆蓋劑對鋼水全[O] 的影響      圖8  工作襯和覆蓋劑對鋼水全[N] 的影響

 

表1 工作襯和覆蓋劑對鋼水夾雜物的影響

注：去除率 ＝（[夾雜物] (鋼包) － [夾雜物] (鑄坯)）/ [夾雜物](鋼包)×100

 

（2）鋼水過濾裝置

過濾是將懸浮在液體中的固體顆粒有效地加以分離的常用方法。目前在中間包中取得實際應用的鋼水過濾裝置是直通孔式CaO質(zhì)、ZrO₂質(zhì)、鋯剛玉質(zhì)陶瓷過濾器，安裝在中間包擋墻上。

希拉克（S.Hiraki）等人^[13~15]對中間包過濾器進行了廣泛的實驗室和現(xiàn)場研究。新日鐵公司^{[16, 17]}的研究工作比較系統(tǒng)和細致，認為可能使夾雜物顆粒吸附在過濾器上的力有六種：浮力、攔截、慣性、表面張力、擴散和流體力學效應，但主要是前三種，過濾器對夾雜物的吸附與液體流速有關(guān)，在鋼水流速2~8cm/s時去除夾雜物效率比較低，當鋼水流速大于10cm/s時可達到理論過濾效果。

 

4.3 基于促進夾雜物碰撞、聚合、上浮的冶金技術(shù)

4.3.1 中間包控流裝置

中間包控流裝置通常包括擋墻、擋壩、防湍流控制器等，材質(zhì)可以是高鋁質(zhì)、剛玉質(zhì)、鎂質(zhì)等，從提高鋼水潔凈度的角度考慮，鎂質(zhì)材料比較好。中間包擋墻、擋壩、防湍流控制器要求產(chǎn)品強度高，抗沖刷能力強，抗爆裂性能良好。

作者應邯鄲鋼鐵公司要求，對該廠薄板坯中間包擋墻、擋壩的安裝位置及防湍流控制器設計進行了數(shù)學模擬研究，結(jié)果如下：

（1）擋墻 — 擋壩對流場的影響

擋墻—擋壩對流場的影響如圖9所示。沖擊區(qū)由于鋼包注流的沖擊，形成了速度高、卷吸嚴重的區(qū)域，鋼液從長水口下落直沖包底，在包底受到阻擋，液流迅速沿包底呈放射狀散開，散開的鋼液碰到側(cè)墻、擋墻、擋壩后轉(zhuǎn)而向上流動，形成回流。一部分鋼水受擋壩的影響沿擋墻—擋壩之間的空隙向上、向側(cè)上方向流動，部分回流鋼水沖擊著擋墻外側(cè)。在擋墻外側(cè)相對平靜的流場區(qū)域，鋼液流速較低，并在渣－鋼界面流過較長的距離，有利于鋼液中夾雜物上浮。在中間包水口附近，鋼液的流速也較大。

 

圖9 擋渣墻 — 擋渣壩結(jié)構(gòu)對中間包流場的影響

 

（2）含防湍流控制器的中間包流場

設計了三種防湍流控制器，分別如圖10所示。防湍流控制器對中間包鋼水流場的影響分別如圖11、12、13所示。

      防湍流控制器1             防湍流控制器2                防湍流控制器3

圖10 防湍流控制器示意圖

 

在擋墻—擋壩基礎(chǔ)上添加防湍流控制器，改變了流場特點：沖擊區(qū)鋼液從長水口下落到防湍流控制器后，液流迅速向上、向側(cè)上方向回流，并在防湍流控制器上方形成大的回流旋渦。由于防湍流控制器的緩沖作用，從擋墻和擋壩之間流出的鋼液速度大大降低，沒有出現(xiàn)鋼液沖擊著擋渣墻外側(cè)現(xiàn)象。

防湍流控制器形狀和大小對流場有較大影響：防湍流控制器1由于縮口作用，鋼液從長水口達到防湍流控制器后，大部分鋼流沿水平側(cè)上方向四周散開，形成比較大的回流，減輕了沖擊區(qū)的渦流強度，增長了鋼水在中間包內(nèi)的行程長度，有利于夾雜物上浮。防湍流控制器3的高度相對較低，減少了防湍流控制器與側(cè)墻之間的死區(qū)體積，提高了中間包的有效容積，同時鋼液從擋墻和擋壩之間流出的鋼液速度有所增大，有利于鋼液到達渣－鋼界面，促進夾雜物上浮，鋼液上升到自由表面的速度降低，有利于減少沖擊區(qū)卷渣。

 

圖11 防湍流控制器1

 

圖12 防湍流控制器2

 

圖13 防湍流控制器3

 

（3）墻—壩結(jié)構(gòu)與含防湍流控制器結(jié)構(gòu)的中間包鋼液停留時間分布曲線對比

    墻—壩結(jié)構(gòu)與含防湍流控制器結(jié)構(gòu)的中間包鋼液停留時間分布曲線如圖13所示，可見，使用防湍流控制器后，峰值出現(xiàn)時間往后推遲，峰值高度較大幅度提高，這些均有利于夾雜物上浮。

 

圖13 鋼液在中間包內(nèi)停留時間分布曲線

 

4.3.2 中間包氣幕墻技術(shù)

基于促進夾雜物“碰撞——聚合——長大——上浮——去除”原理，鋼水吹氬氣攪拌是一種行之有效的方法，并在鋼包中取得了廣泛應用。關(guān)于中間包吹氬氣攪拌鋼水，國內(nèi)外學者做了很多理論、實驗室和現(xiàn)場試驗研究，并在國外發(fā)達國家，如日本、德國等，取得了一些實際應用。

中間包吹氬技術(shù)是通過埋設在中間包底部的吹氣裝置或旋轉(zhuǎn)噴嘴向中間包鋼水中吹入氬氣，其最初目的是在中間包內(nèi)進一步脫氫，但實驗結(jié)果表明中間包吹氬最明顯的效果是去除夾雜物，其機理主要體現(xiàn)在以下三個方面^[2]：

（1）排列成列的吹氣孔垂直于液流布置，類似于在包底設置了擋壩，促使鋼液向上流動，其作用甚至比擋壩的效果更強烈；

（2）氬氣泡的浮力產(chǎn)生氣泡泵現(xiàn)象，促使局部湍流動能耗散率顯著增大，有利于夾雜物碰撞長大而排除；

（3）上浮的氣泡可以捕捉夾雜物顆粒，并攜帶夾雜物顆粒一同上浮去除，這樣就使微細夾雜物顆粒上浮速度增大到氣泡的上浮速度，因而可以在更大程度上凈化鋼水。

研究表明^[18]，中間包鋼水吹氬產(chǎn)生的夾雜物去除速率等于氣泡產(chǎn)生率和每個氣泡和顆粒碰撞數(shù)的乘積：

         （12）

式中右邊第一項為每個氣泡的清洗體積，第二項為單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)量，第三項為氣泡捕捉夾雜物的概率，第四項為吹氣生成氣泡數(shù)量，第五項為溫度變化引起的氣泡體積膨脹。由上式可知，吹氬量越大，氣泡直徑越小，氣泡深度越深，夾雜物的去除率越高。因而，中間包吹氬適宜于數(shù)量多、體積小的微小氣泡，這和鋼包吹氬起攪拌作用的目的不同。

莫若菲克（R Moravec）^[19]報道了捷克NOVA HUT a.s.鋼廠中間包吹氬試驗結(jié)果。該試驗在24噸六流方坯中間包上進行，透氣磚安裝在沖擊板的右側(cè)，分別試驗了氬氣流量和鋼包澆注時間對夾雜物去除效果的影響，文章認為低的吹氬強度有利于提高鋼水潔凈度（夾雜物平均含量降低了9~26%），相反高的吹氬強度反而危害了鋼水潔凈度，中間包吹氬有利于降低鋼水夾雜物含量的波動范圍，有利于降低更換鋼包對鋼水質(zhì)量的損害。

日本新日鐵鋼廠^[20]中間包吹氬布置圖和吹氬對去除夾雜物的冶金效果分別如下圖所示，可見吹氬時夾雜物去除率相當高，其中在注流區(qū)（A區(qū)）吹氬效果更好，原因可能是增大了湍流動能耗散率ε，導致夾雜物顆粒碰撞凝聚長大而從鋼液中排除。

 

圖15 中間包吹氬布置示意圖                圖16 吹氬對去除夾雜物的冶金效果

 

比利時CRM鋼廠^[22]在2流6噸方坯中間包內(nèi)設透氣管，進行中間包吹氬工業(yè)試驗，獲得了較好的冶金效果，澆注中[H]控制得到了改善，氧化夾雜物含量可降低30%左右。德國Neue Maxhutte Shahlwerke GmhH公司^[23]在上世紀90年代初期，進行了中間包安裝透氣梁，吹氣凈化鋼水的工業(yè)試驗，透氣磚選用彌散型透氣磚，與傳統(tǒng)中間包相比，吹氬后大尺寸夾雜物全部去除，小尺寸夾雜物降低了50%，微細尺寸夾雜物的去除沒有多大改善。日本往友金屬鹿島廠^[24]在60噸中間包中用多孔磚吹氬，微孔直徑200μm，在吹氬上游設置一個隧道式擋渣墻，試驗結(jié)果證明，吹氬對管線鋼API-X60的抗氫誘導裂紋有明顯改進作用。

 

5 結(jié)語

中間包冶金作為一項特殊的爐外精煉技術(shù)，總是與中間包內(nèi)鋼液的流動和夾雜物在鋼液中的分布與運動密切相關(guān)，中間包冶金所采用的一切手段，最終目的是減少鑄坯中夾雜物的數(shù)量和大小。由于中間包內(nèi)液體的流動是一個非等溫的理想流體，夾雜物在鋼液中的分布與運動又是極其復雜而不可控的，注定中間包冶金過程的研究也是極其復雜的，它不再是一項單純的冶金工程學，而是越來越多的融合了包括冶金、化工、流體力學、電子及超聲波等多學科知識的交叉科學，并在理論和工藝方面取得了重要進展。

耐火材料作為高溫工業(yè)的輔助材料，在中間包冶金中發(fā)揮著重要作用，一方面它可以直接參與到捕捉與去除鋼液夾雜物的過程中，另一方面是作為一個工具，將某些特殊的冶金手段，如改變鋼液流動路線、將氬氣泡引入鋼液等，參與中間包冶金過程。隨著中間包冶金的不斷發(fā)展，功能性耐火材料必將發(fā)揮更大的作用。