提高连铸坯质量的中间包冶金技术.pdf

w w w .b z f x w .c o m 提高连铸坯质量的中间包冶金技 Yogeshwar Sahai （教授，材料科学与工程学院，俄亥俄州立大学，哥伦比亚，美 摘摘 要要在连铸工艺过程中，中间包在控制铸坯质量方面具有重要的作用，本文简要的介绍了钢水中形成的 够保证不会产生新的夹杂物，并能够在钢液在中间包以及从中间包到结晶器内流动过程中，降低从钢 流装置的效果进行了描述。对中间包内喂钙线的冶金效果进行了简单的介绍。在日本的很多钢厂，快速更 快速更换热中间包技术也进行了解释。 关键词关键词连续铸钢 中间包 洁净钢 质量 流动控制 冶金工业中洁净钢的概念，是指最终钢材产品中具有最少数量较小尺寸的夹杂物。高品质“洁净钢” 的要求。非金属夹杂物包括氧化物、硫化物、氮化物、碳化物以及其混合物。在一般情况下，钢中的氮化物 了提高钢材的使用性能，小尺寸的特殊的氧化物、硫化物、碳化物和氮化物已经被用来控制钢材的微观组织 夹杂存在于液态钢水中。如果这些大尺寸的夹杂物在凝固之前不能有效的去除，将会给工艺过程带来麻烦 间包之前，在钢包内脱硫可以有效的减少硫化物夹杂的数量。 页码，1/9提高连铸坯质量的中间包冶金技术 2009-1-24 氧化物夹杂有两种一种是外来夹杂，另外一种是内生夹杂物。外来夹杂物主要来源于脱氧和、精炼 火材料的卷入。内生夹杂物主要是指钢液中的溶解氧与脱氧剂铝、硅等在钢包内的反应产物。内生夹杂物在不互相 尺寸一般都比较小并且对钢材质量的危害亦不严重。内生夹杂物的尺寸一般小于20-50μm，而外来夹杂物 中间包的要求为 （1）防止形成大尺寸外来夹杂物； （2）阻止内生夹杂物之由于碰撞，而形成大尺寸的非金属夹杂物，至少也要减轻夹杂物聚合长大的 （3）在钢水流经中间包时，能够最大限度的去除这些非金属夹杂物。 为了达到这些目的，在中间包内的钢液应该防止被外面的空气与钢包内炉渣二次氧化。应该避免钢包下渣到中 的产生，防止卷渣。有关非金属夹杂物的详细介绍请参考最近出版的新书[1]。 1. 钢包到中间包的二次氧化及卷渣 由于二次氧化产生的大尺寸外来夹杂物如图1所示。Ohno等人[2]研究发现在钢液从钢包注入中间包的 倍左右，这些二次氧化生成的非金属夹杂物的直径一般均超过100微米。为了防止钢液流股被空气氧化，可以采用 注和氩气密封保护措施。图2[3]为在耐火材料套管内采用氩封以及长水口保护浇注的示意图。 钢包渣中的氧化性组分，如FeO、MnO和SiO2，被带入中间包后，将和钢液中的酸溶铝发生反应，最终导 间包内的渣，最后被带入结晶器则会被凝固坯壳捕捉，造成铸坯内大型宏观夹杂物和夹渣等缺陷发生。可以在 以检测从钢包下渣到中间包的情况。 页码，2/9提高连铸坯质量的中间包冶金技术 2009-1-24 图图1 引起钢中非金属夹杂物因素比较图 图图2 钢包注流保护系统（a）氩气保护（b）长水口 在注流周围安装电磁下渣检测系统是一种检测钢包是否下渣到结晶器的最为有效的一种方法，目前该 并命名为AMEPA（Angewandte Messtechnik und Prozessautomatisierung）方法[4]，意思为应用仪表和过 泛使用。 2. 中间包尺寸的影响 研究发现中间包的外形尺寸对铸坯质量有着重要的影响。增加中间包的尺寸是提高钢水在中间包内平均停留 下，则中间包内钢水的体积流量不会发生变化，此时中间包的尺寸越大，则钢水在中间包内的平均停留时间则 型宏观夹杂物（如氧化铝）的数量，在更换钢包时，这种效果更加明显。 图3为Tozaki等人[5]在工厂内将中间包尺寸从65吨增加到85吨后的结果。中间包尺寸加大后，无论是在 化二铝夹杂物的数量都明显减少。增加中间包容量的另外一个优点是在更换钢包时不需要降低拉坯速度。 又能增加铸坯产量。在神户钢厂的Ishikura等人[6]也发表了相似的的实验结果。在该研究中，对旧的中间 的4号连铸机进行了比较研究。他们发现80吨中间包的铸机以2.0m/min浇铸时的冶金效果与50吨中间包的 加中间包容量可以在不牺牲铸坯质量的前提下提高生产率。他们同时还发现采用80吨中间包的铸机即使在更 示。 页码，3/9提高连铸坯质量的中间包冶金技术 2009-1-24 图图3 中间包深度对铸坯中氧化铝夹杂数量的影响 图图4 采用80吨中间包浇铸后铸坯质量得到明显提高 3. 中间包控流装置的影响 为了优化钢水在中间包内的流动特性，在中间包内安装了很多控流装置，如挡堰、挡坝、多孔板、缓 经在工厂的实际生产中以及物理和数值模拟中得到了验证[7-16]。通过在中间包内合理安置挡墙和挡堰，能 增加中间包内柱塞流的体积。这些控流装置经过正确安装后，可以在其控制区域内促进夹杂物的碰撞聚合和去除 从钢包进入中间包的钢液，如果采用长水口保护浇铸并不卷吸空气时，钢液将会以高速紊流进入中间 引起耐火材料的严重脱落现象。设计缓冲垫并将其安装在中间包底部的目的就是承受钢流对耐火材料的侵 火材料制成的。波纹状的冲击板在降低钢流湍流方面的作用非常明显。采用缓冲垫设计能够降低钢流的湍度已 的缓冲垫及其内部流体流动如图5所示。注入的钢 液流股在和自由面碰撞返回后，变得相对平静。这种与表面平行的流股非常有助于非金属夹杂物的上浮去除 页码，4/9提高连铸坯质量的中间包冶金技术 2009-1-24 形状，随着其耐火材料被侵蚀，水平流股的形状也可能发生变化。 图图5 缓冲垫及其内部流体流动示意图 4. 无控流装置的大尺寸中间包 如上所示，在中间包内安装各种控流装置对提高铸坯洁净度的效果非常明显。很多钢厂在其二次精 特别是在稳定浇铸阶段。但是即使认真控制二次精炼工艺过程，在非稳态浇铸时期铸坯中仍然会存在大型的外 的时间保证大尺寸非金属夹杂物上浮，并且能够保证即使在较高的拉速下，连浇高品质钢种时的非稳态操作 装置也不利于快速更换热中间包的操作，而热中包循环已被证明是非常经济有效。大尺寸的中间包因为具有 置。大尺寸中间包的设计简单，能够满足较高的拉速和维持较长的连浇炉次，从而可以提高生产效率并能 5. 钙处理的影响 在钢包和中间包内进行钙处理的技术已经被很多钢铁企业采用。钙处理可以将大尺寸簇群状的氧化铝夹杂转变为 杂在后续的凝固以及热轧和冷轧操作过程中能变形并且破碎成为细小的非金属夹杂物，从而减轻其对钢材性能的破坏作用 瘤的程度，从而防止水口堵塞，并维持稳定的浇铸速率。很多企业已经研究并报道了采用钙处理技术的意 中加入50ppm的Ca之后，铸坯中硫化锰夹杂和大尺寸非金属氧化物夹杂的数量都明显减少，如图6所示。他 明显减少，采用钙处理后铸坯洁净度的整体水平提高。 页码，5/9提高连铸坯质量的中间包冶金技术 2009-1-24 图图6 钙处理对铸坯中大型非金属夹杂物数量的影响 图图7 热中间包循环技术（SGV滑动水口阀门，TD中间 6. 热中间包循环技术 在一个浇次结束之后，去除中间包内的凝壳有时会破坏中间包内衬，根据中间包内衬材料的不同，修 力成本。因此在日本以神户制钢为代表的很多钢铁公司都采用了循环热中间包技术[19]。一般来说，在一 残留的钢液和钢渣，并迅速自动更换浸入式水口并对其进行预热，更换滑动水口并修复任何有损害的耐火材料 一定温度。而在热中间包循环操作过程中，则不需要进行上述所有步骤。取消了中间包预热过程，因为在 化，从而会导致在下一个浇次产生大型非金属夹杂物。另外只有必要时才会对中间包内耐火材料进行修补 后迅速返回，或者在更换滑动水口之后迅速返回，或者在返回之前对耐火材料进行修补并进行预热，然后返回到下一 时间为8小时左右，而采用快速更换热中间包技术之后，中间包准备时间缩短至25min，并将耐火材料消耗降低 7. 洁净钢连铸工艺系统 为了指导洁净钢连铸工艺，Okimori等人制作的连铸浇铸系统示意图，如图8所示。在图中包括钢包、 从图上我们可以看出，在钢包和中间包之间安装有下 页码，6/9提高连铸坯质量的中间包冶金技术 2009-1-24 渣检测系统，采用长水口和浸入式水口对钢流进行保护浇铸，中间包具有密封盖，并采用氩封。中间包内 的钢液采用中间包覆盖剂进行保护。随着中间包尺寸的加大和安装适当的控流装置，钢液在中间包内的停留 方向的流动有利于夹杂物去除的流股。也可以采用中间包感应加热系统对钢液进行温度的调节。在中间包到浸入式水口 系列措施可以用来浇铸超纯净的超低碳钢（SULC）。一般说来，中间包不会同时包含上述所有措施，可以根据 图图8 浇铸纯净钢（SULC超低碳钢）连铸系统的装置和工艺示意 8. 结论 在本文中对控制铸坯质量相关的中间包冶金技术进行了介绍。为了保证洁净钢的浇铸，应该遵从如下几 关的更多细节请参考文献[1]。 （1）采用带有中间包盖的较大容量和较深的中间包，或者采用中间包覆盖剂保护钢水。 （2）钢包到中间包的钢流需要采用长水口或者在氩气密封保护陶瓷管内进行保护浇注。 （3）采用下渣检测装置，防止钢包向中间包以及中间包到结晶器之间的下渣行为。 （4）采用高质量的耐火材料，中间包覆盖剂以及热中间包循环技术。 （5）如果需要应该采用钙处理技术对夹杂物进行变性处理。 （6）根据具体情况，在中间包内设置合理的控流装置。 页码，7/9提高连铸坯质量的中间包冶金技术 2009-1-24 （7）中间包水口吹氩并且采用密封的SEN； （8）适当的温度控制制度。 致谢诚挚的感谢参考文献[1]中书籍的合作者 Toshihiko Emi博士，在本文中大量的引用了该书的内 参考文献 [1] Sahai Y., Emi T. Tundish Technology for Clean Steel Production, World Scientific Publishers, 2008. [2] Ohno T., Ohashi T., Matsunaga H., et al. Trans. ISIJ, 1975, 15, 407-416. [3] Shirota Y., Nishiyama Kinen Kouza, NMS-ISIJ, 1990, 143-144, p. 167. [4] Julius E. Stahl u. Eisen, 1987, 107, 397-402. [5] Tozaki Y., Hirata T., Satoh A., K. Sekino, et al. Steelmaking Conference Proceedings, ISS AIME, 1993, 377 [6] Ishikura T., Saito T., Yasui T., K. Matsuo, et al. 9th PTD Conference Proceedings, ISS AIME, 1990, 115 [7] Tacke K-H. and Ludwig J.C. Steel Research, 1987, 58, 262-270. [8] Sinha A.K. Ph.D. Thesis, The Ohio State University, USA, 1990. [9] Kemeny F., Harris D.J., McLean A., et al. 2nd Process Technology Conference, ISS-AIME, 1981, 232-245. [10] Harris D.J. and Young J.D. Steelmaking Conference Proceedings, ISS-AIME, 1982, 65, 3-16. [11] Knoepke J. and Mastervich J., Steelmaking Conference Proceedings, ISS-AIME, 1986, 69, 777-788. [12] Schmidt M., Rosso T.J., and Bederka D.J. Steelmaking Conference Proceedings, ISS-AIME, 1990, 73, 451 [13] Lowry M.L. and Sahai Y. Steelmaking Proceedings, I.S.S. Publication, 1989, 72, 71- 79. [14] Dorricott J.D., Heaslip L.J., and Hoagland P.J. Tundish Metallurgy, vol. II, ISS-AIME Publication, 1991, 页码，8/9提高连铸坯质量的中间包冶金技术 2009-1-24 [15] Emi T. and Habu Y. Proc. Phys. Chem. and Steelmaking, S.F.M., IRSID, ATS, 1978,126-131. [16] Nakajima H., Sebo F., Tanaka S. et al., Steelmaking Conference Proceedings, ISS-AIME, 1986, 69, 705- [17] Bolger D. and Saylor K. Steelmaking Conference Proceedings, ISS-AIME, 1994, 77, 225-233. [18] Yoshii Y., Habu Y., Emi T., et al. Tetsu-to-Hagane, 1978, 64, S626. [19]Maeda M., Saito T., Ebato K., et al. CAMP-ISIJ, 1990, 3, 199. [20] M. Okimori, Nippon Steel Technical Report, 1996, No. 361, 67-76. 免责声明免责声明本网站的所有论文都经作者本人同意或作者单位同意，任何单位不得擅自转载和用做出版使用 页码，9/9提高连铸坯质量的中间包冶金技术 2009-1-24