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改善铸坯质量的中间包冶金技术研究进展 Yogeshwar Sahai教授 俄亥俄州州立大学材料科学与工程学院 美国俄亥俄州哥伦布 43210 摘要2000年以来，世界钢产量迅速增加。与此同时，连铸坯产量达到了钢产量的90以上。连铸生产中，中间包在控制铸坯质量方面发挥着十分重要的作用。本文介绍了连铸生产中，改善铸坯质量的中间包冶金技术进展。钢流控制、钢水温度控制、大容量中间包、钢包和中间包钙处理以及中间包热循环利用等技术，这些技术可有效地改善铸坯质量。 关键词连铸 中间包 洁净钢 质量 流场控制 在钢铁生产过程中，连铸作为重要环节被广泛使用。2000年以来，世界钢产量飞速增长。2007年，中国钢产量已经超过了4.89亿吨，占世界钢产量的36。而世界钢产量的90以上都是通过连铸生产的。与此同时，用户对钢铁的质量要求也越来越高。因此，钢铁生产者首要关心的是钢的洁净度和成分控制。中间包是钢铁生产中的最后一个冶金容器，钢水通过它注入结晶器。在中间包转送钢水过程中，钢水将与渣、耐火材料以及空气接触。因此，为保证钢水分配过程中的成分和质量，合理的中间包外形设计和操作是十分重要的。在过去的二三十年，为了生产洁净钢，中间包冶金技术已经取得了重大进展，本文将讨论这些中间包冶金技术的进展。 钢的质量要求包括严格的成分控制、非金属夹杂物数量少、尺寸小且分布均匀。为了满足严格的机械性能、特殊的延展性和耐用性要求，必需提高钢水的纯净度。非金属夹杂物包括氧化物、硫化物、氮化物、碳化物以及它们的化合物或合成物。在正常条件下，当钢水温度低于凝固点以下时，钢中的硫化物、氮化物和碳化物将要析出来。某些特殊的氧化物夹杂、硫化物和碳化物颗粒可用来控制钢的显微组织以改善其性能。然而，大部分氧化物夹杂和硫化物夹杂都以大颗粒形式存在于钢水中。如果这些大颗粒夹杂物不去除，将会增加给生产带来困难且产品质量降低。钢包脱硫可减小硫化物夹杂数量，以此来防止夹杂物进入中间包。 氧化物夹杂有两种外来夹杂和内生夹杂。外来夹杂来源于钢水的二次氧化、炉渣或耐火材料颗粒。内生夹杂来源于钢中游离氧与脱氧剂如铝或硅的反应产物。未聚集长大的内生夹杂物的尺寸非常小且不会对钢水带来不利影响。内生夹杂的直径一般小于50μm，而外来夹杂物的尺寸却比较大。中间包的主要功能是将洁净的钢水按要求的流速、温度和组成分配给各个铸流。在提高钢水质量方面，要求中间包具有消除大型外来夹杂物的来源、避免内生夹杂物聚集长大以及钢水在传送过程中可去除任何残余夹杂物等功能。 为达到这些目的，必须避免钢水传送过程中被空气和钢包渣二次氧化。为避免钢包渣进入中间包和中间包渣带入结晶器，必须防止它们发生乳化以及被卷入钢水中。最近出版的书中将详细讨论洁净钢技术和非金属夹杂物 [1] 。 1 钢水由钢包流入中间包过程中的二次氧化和卷渣 大型夹杂物的形成与钢水二次氧化之间的显著关系由图1可以看出。Ohno等 [2] 发现，钢水二次氧化形成大型夹杂物数量大约是钢包到中间包之间形成大型夹杂物的2.5倍。且二次氧化产物的尺寸都在100μm以上。采用物理密封方法可防止二次氧化，该方法将钢流密封在一个耐火材料导流管或氩气密封套内。如图2 [3]描述了耐火材料导流管内氩气密封和长水口保护浇注应用技术。 氧化物包括FeO、MnO和SiO2, 钢包渣进入中间包后，与钢水中的铝发生反应生产簇状三氧化二铝残留于板坯中。部分钢包渣经过中间包最终进入结晶器内，这些渣可能残留在凝固的坯壳中，从而形成大型夹杂物或夹渣。采用大包下渣检测系统可以有效地监测大包下渣。 电磁涡流法采用钢渣探测器，可有效地监测钢流中的钢渣，该方法由AMEPA公司开发[4]，已广泛应用于钢铁工业。AMEPA表示Angewandte Messtechnik und Prozessautomatisierung，也就是说检测仪表和工程控制。现在，很多钢铁企业都采用AMEPA下渣检测系统，该系统的传感器信号可以直接控制滑动水口，这样，可以最大限度减少钢包下渣。图3显示了AMEPA传感器探测到的钢渣信号 [5] ，该图表明，传感器可以在2秒钟内激活并关闭滑动水口。 图1 影响钢中夹杂物各种因素的相对作用 [参考文献2] 图2 长水口（b）和氩气密封保护浇注[参考文献3] 图3 AMEPA传感器探测到的下渣信号 [参考文献5] 2 中间包尺寸的影响 中间包尺寸对提高钢水质量具有十分重要的影响。延长钢水在中间包中停留时间最有效方法是增大中间包容量。拉速一定时，中间包容量取决于钢水的体积流量，容量大意味着钢水在中间包的平均停留时间长。增大中间包容量可以减少钢水中大型夹杂物 簇状三氧化二铝的数量，尤其是更换钢包时。 Tozaki等[6]将中间包容量由65t增大到85t，并进行工业试验，其结果如图4和图5。无论是在稳定浇注条件还是在非稳定浇注条件下，簇状三氧化二铝夹杂物数量都有所减少。提高中间包液面高度另一个好处是更换钢包时不需要进行降拉速操作。因此，提高中间包液面高度，不仅可以提高钢水质量而且可以增加产量。Ishikura等[7]发表了在日本神户钢铁厂进行类似工业试验结果，他们将该厂新建的4连铸机（中间包容量80t）与旧的3连铸机（中间包容量50t）进行比较发现，中间包容量为50t的连铸机在1.4m/min拉速条件下生产铸坯质量与中间包容量为80t的连铸机在2m/min的拉速条件下生产铸坯的质量相当。因此，提升连铸机产量不会牺牲铸坯质量。他们还发现，采用80t中间包，在更换钢包时生产的铸坯质量也有显著改善，如图4。 图4 液面高度对簇状三氧化二铝的影响 [参考文献6] 图5 液面高度对簇状三氧化二铝尺寸的影响 [参考文献6] 图6 80t中间包连铸机铸坯质量改善情况 3 控流装置的影响 为了改善钢水的流动特性，很多人尝试在现有中间包中安装各种控流装置，如堰、坝、带孔挡墙、钢流缓冲器、稳流器等。在实际工业试验中，已经证实了各种控流装置的优点，同时还进行了物理和数学模型研究[如参考文献8～17]。合适的堰和坝位置将有利于延长钢水在中间包里的平均停留时间，也会增加钢水在中间包里单向流动的体积量。控流装置安装得当，可以使局部流场混合最小。这有利于夹杂物的聚集和去除。 钢流以湍流的方式高速注入中间包，尤其是长水口保护浇注且没有密封气体。钢流与中间包底部之间碰撞导致耐火材料侵蚀严重。为减轻钢水的冲刷作用，在中间包底部设计一块缓冲器。缓冲器由高致密且化学性能稳定的耐火材料制成。带沟纹的缓冲器对减少钢水的湍流十分有利。Bolger和Saylor设计了减少钢流湍流的缓冲器并发表了相关报告 [18] 。他们设计的缓冲器及其相关流场如图7. 钢水注入并经过扩散后返回到自由液面，处于静止状态。这些液面单向流通有利于夹杂物上浮。当然，这些单向流通表面与缓冲器的原始形状有关，而缓冲器形状可能随着耐火材料的侵蚀而变化。 图7 缓冲器及其相应流场状况示意图 [参考文献18] 这里简要介绍控流装置安装位置优化的计算机模拟研究。Mukhopadhyay等[19]研究了不同控流控制装置对中间包钢水流动和湍流状况、夹杂物上浮情况的影响。他们模拟了装有带孔的挡墙、缓冲器、冲击砖和坝等条件下的中间包流场，三种条件下中间包状况如图8。钢水注入和钢水流出侧的钢水液面如图8。图11显示了钢水注入侧和钢水流出侧夹杂物上浮情况。如，挡墙区域的向上钢流和向下钢流。将安装挡墙中间包的钢水不同速率和湍流能的能值面用不同颜色表示如图9和图10. 在其它两种形状中间包上也做了类似预测。作者还研究了在10～500μm夹杂物的上浮情况。 图11显示了上浮夹杂物和随钢水流入水口夹杂物的百分比。由图11可以发现，100μm以上的夹杂物全部上浮，该类型夹杂物未进入中间包水口。为得到钢水停留时间的临界值，对图11中的数据进一步分析如图12。结果显示小颗粒夹杂物受湍流影响最大，其停留时间在2.5min～20min之间。停留时间随着颗粒尺寸的增大而减少，但直径大于200μm时，这种变化就不明显。在该研究中，准确地模拟了湍流熔池中夹杂物的非稳态行为。因此，在中间包设计和优化分析时，可采用CFA软件进行数学模拟。 图8 安装有带孔挡墙（顶部）、缓冲器（中部）和带缓冲器与坝（底部）的中间包[参考文献19] 图9 带挡墙中间包内钢水的不同流速 [参考文献19] 图10 带挡墙中间包的湍流能值图 [参考文献19] 图11 中间包液面和中间包钢流出口中夹杂物颗粒分布 图12 带挡墙中间包内夹杂物尺寸与停留时间的关系 4 不带控流装置的大容量中间包 上文提到的各种控流装置对钢水洁净度的作用。但最近已经出现了一些变化，二次精炼工艺方面的重大进展和精炼装置在很多钢铁企业的应用已经使钢水的洁净度能够满足使用要求，尤其是在稳态下浇注更是如此。但即使精炼操作非常细心，在非稳态条件下浇注，大型夹杂物也会形成。大容量中间包为夹杂物上浮提供足够的停留时间，且可防止在非稳定条件下产生涡流，这两方面对连续浇注高质量钢水是很有效的，即使在高拉速下也是如此。此外，控流装置不适合中间包热循环，就这一点而言，不装控流装置是非常经济的。大容量中间包设计简单，可实现大通钢量和多连浇炉数，从而实现高产、高质量和低成本。 5 钢水温度控制 中间包钢水温度对连铸产品的质量和性能、连铸机操作以及耐火材料寿命等都有十分重要的影响。大容量钢包的浇注周期可能达到1小时。系统温度损失总是客观存在的，特别是大容量钢包、中间包钢水液面以及中间包耐火墙等传热。因此，从钢包到中间包，钢水温度都是连续变化的。考虑中间包内钢水温度损失，钢流温度变化必然导致中间包钢水温度的改变。图13（上方）[20]是伯利恒钢铁公司中间包连续测温的结果。这也是大约20℃温度变化范围内的典型的圆顶型温度变化曲线。图13（下方）[20]是连浇4炉中间包钢水温度变化。图中“A”代表换钢包，且表明每炉钢水的开浇温度是不同的，各炉钢水的中间包最高温度和最低温度也是变化的。在这些例子中，中间包钢水温度先升高且大约在20min内达到最高，然后开始降低，直到该炉浇注结束。因此，在钢包浇注结束时，中间包钢水温度最低。 Chakraborty and Sahai [21] 为整个板坯浇次中的中间包和典型钢包内钢水流场、传热开发了数学模型。图14显示一炉钢水在47min浇注过程中，中间包钢水温度变化。图14中曲线A显示在48min浇注时间内，钢流温度下降的预报值。在这期间，钢流温度下降了约40℃。在浇注前期钢水温度下降缓慢，然而在末期钢流温度迅速下降。主要原因在于在浇注末期，钢包中钢水较少，热损失速度相对较快。曲线B、C和D代表中间包中三个不同监测点钢水温度的预报值。预报表明，钢水温度在约25min之内达到最大值，然后缓慢下降。中间包预热、保温和钢包隔热效果好，可减少钢流温度损失。进而影响中间包钢水温度。 图13 正常连浇条件下中间包钢水温度曲线 [参考文献20] 图14 中间包内四个监测点钢水温度的变化 [参考文献21] 铸坯质量与钢水过热度的关系如图15。在浇注方坯时，中间包钢水温度对夹杂物指数和中心偏析指数的影响如图15 [22] 。Matsumoto等 [23] 还研究了钢水过热度对板坯夹杂物指数的影响，其结果见图16。该结果表明，在高过热度和低过热度条件下，钢水中夹杂物数量增加是一样的。因此，保持中间包过热度在最合适温度且波动小十分重要。很多公司都采用中间包钢水等离子或电磁感应加热技术，来保证中间包温度波动小。 图15 钢水温度对夹杂物指数和中心偏析指数的影响 [参考文献22] 图16 中间包过热度对板坯夹杂物指数的影响 [参考文献23] 5、 钙处理的影响 很多钢铁公司已经在钢包和中间包里对钢水进行钙处理。钙元素可将簇状的大型三氧化二铝夹杂物转变成液态的钙铝酸盐夹杂物，固态钙铝酸盐夹杂物在接下来的热轧和冷轧中被拉长，然后碎断成小颗粒夹杂物，从而消除钙铝酸盐夹杂物对钢材性能的危害。液态夹杂物可减少夹杂物见水口中黏附甚至造成水口堵塞的事故， 获得所要求的钢流。钙元素还可以改善钢材的其它机械性能。很多工业性研究已得出了钢水钙处理的好处。例如，Yoshii等[24]在川崎钢铁公司的研究发现，钢水钙含量达到50ppm时，钢水中的大型硫化物夹杂和氧化物夹杂大幅度降低（如图17）。他们还发现，在更换钢包过程中浇注的板坯，夹杂物数量也有所减少，钙处理对钢水的总体洁净度也有所改善。 图17 钢水钙处理对大型夹杂物的影响 [参考文献24] 6 中间包热循环利用 一个浇次结束后，翻包操作有时会损坏中间包的工作层。维修中间包工作层所需耐火材料费用非常高且劳动强度大。因此，很多钢铁公司，尤其在日本，都采用中间包热循环利用技术，日本神户钢厂首先采用该技术 [25] 。该项操作是，在停浇后不久，将中间包内的所有残钢和残渣倾翻出去，然后自动换上经过预热的新浸入式水口、更换滑动水口阀门并维修损毁的耐火材料。最后，将中间包烘烤到要求温度，再投入生产。在热中间包循环利用操作中，没有必要执行上述全部操作步骤。由于预热将导致中间包内残钢的氧化，这可能给下个浇次钢水带来非金属夹杂物，因此，热循环中间包通常不进行预热。在确认耐火材料确实需要维修后，再进行相应的维修操作。图18所示，中间包用于下一个浇次之前，可能需要翻渣或更换滑动水口阀或维修与预热耐火材料等操作。中间包热循环工艺将传统的中间包准备时间缩短为25min，且耐火材料成本也只有传统工艺的十分之一。 图18 中间包热循环操作（SGV滑动水口阀，TD中间包）[参考文献25] 7、高质钢的连浇系统 图19是Okimori [26]给出浇注系统，如钢包、中间包和结晶器，图中描述了浇注超级纯净钢的主要装置和工艺过程。可以发现，采用了大包下渣检测装置，长水口和水口密封避免钢水二次氧化，中间包加密封盖、中间包吹氩密封以及中间包覆盖剂。大容量中间包和控流装置有利于延长钢水在中间包中的停留时间。缓冲器和坝可实现钢水表面单向流动，这有利于夹杂物上浮。中间包采用电磁感应加热技术来调节钢水温度。SEN吹氩可防止水口堵塞。中间包采用高质量的镁质耐火材料。该系统用于浇注高质量的超低碳钢（SULC）。一般来说，一个中间包不可能同时使用上述装置，但可以根据钢种类型和质量要求来选择不同中间包冶金装置。 图19 带全部装置的洁净钢浇注系统（钢包、中间包和结晶器）和工艺过程[参考文献26] 8、结论 本文介绍了提高连铸钢水质量的一些重要中间包冶金技术。对于浇注纯净钢而言，以下几方面是十分重要的，详细的介绍请见参考文献[1]。 （1）避免或尽量减少钢水在中间包流入结晶器过程中，被空气或氧化性炉渣二次氧化； （2）采用长水口或带氩气密封的陶瓷密封管道来实现保护浇注； （3）采用大包下渣检测防止大包下渣。采用抑制钢渣流动技术来避免中间包渣进入结晶器； （4）中间包容量大且液面高度深，同时采用中间包氩封技术或加入中间包覆盖剂； （5）钙处理促使夹杂物变性； （6）根据现场环境，使用控流装置以获得良好的中间包流场； （7）采用电磁感应或等离子加热技术实现中间包温度的准确控制，从而生产出高质量钢种； （8）中间包热循环利用技术可降低耐火材料成本，节省能源且提高钢水洁净度。 致谢 作者非常感谢本书[参考文献1]合作者Toshihiko Emi博士在准备该论文过程中所做的大量工作。 参考文献 [1]Sahai Y., Emi T. 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