去除鋼水中非金屬夾雜物方法研究

李世珺 周靜程樹(shù)森

(1.安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司；2.北京科技大學(xué))

去除鋼水中非金屬夾雜物方法研究

李世珺1，2周靜1程樹(shù)森2

(1.安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司；2.北京科技大學(xué))

介紹了一種去除鋼水中非金屬夾雜物的方法，探討了它對(duì)中間包內(nèi)腔結(jié)構(gòu)改進(jìn)的作用。經(jīng)過(guò)計(jì)算，本方法能夠滿足10μm以上非金屬夾雜物的上浮時(shí)間要求。實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)整流的作用，降低了鋼水流動(dòng)速度，流動(dòng)更加平穩(wěn)，可降低注流區(qū)的湍流強(qiáng)度，同時(shí)使鋼液流動(dòng)路線延長(zhǎng)，鋼液平均停留時(shí)間增加，夾雜物上浮增多，利于提高鋼液潔凈度。鋼水均勻慢速流動(dòng)減輕了鋼水短路流動(dòng)造成的耐火材料熔損，由耐火材料熔損造成的夾雜物減少。

夾雜物 去除 方法

0 前言

使用鋁碳質(zhì)侵入式水口澆注鋁鎮(zhèn)靜鋼時(shí)，非金屬夾雜物的堆積使水口堵塞，從而也減少了鋼中非金屬夾雜物(堵塞的主因是非金屬夾雜物的附聚傾向)。這一現(xiàn)象提示：水口這個(gè)特定結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的吸附夾雜能力，如果在理論的指導(dǎo)下能夠把這個(gè)特點(diǎn)強(qiáng)化，勢(shì)必能夠極大的提高鋼水的純凈度，對(duì)純凈鋼的生產(chǎn)能起到事半功倍的效果。筆者在分析了脫除夾雜的原因之后，發(fā)現(xiàn)能夠利用分離技術(shù)基礎(chǔ)理論 (質(zhì)點(diǎn)群動(dòng)態(tài)分布律、分散物質(zhì)分層沉淀理論)、斜管沉淀、離心分離等原理去強(qiáng)化鋼水與夾雜物的分離，與傳統(tǒng)去除非金屬夾雜物方法相結(jié)合后，能大大的提高去除非金屬夾雜物的能力。

中間包內(nèi)去除非金屬夾雜物在現(xiàn)代連鑄中占據(jù)重要地位，中間包內(nèi)鋼水流場(chǎng)如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)目刂坪筒僮鳎斑^(guò)程所達(dá)到的鋼水清潔度都會(huì)失去[1-3〗，所以該方法針對(duì)中間包內(nèi)非金屬夾雜物的去除，兼顧中間包內(nèi)鋼水流場(chǎng)控制，在中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)、鋼水在中間包內(nèi)的流場(chǎng)控制、促進(jìn)非金屬夾雜物的上浮和被吸附等方面對(duì)非金屬夾雜物去除新方法展開(kāi)系統(tǒng)的可行性研究，這對(duì)提高鋼水的純凈度有著重要的理論意義[4-5]。

1 簡(jiǎn)介

該方法是從分離技術(shù)基礎(chǔ)理論 (質(zhì)點(diǎn)群動(dòng)態(tài)分布律、分散物質(zhì)分層沉淀理論)、斜管沉淀、離心分離等原理以及流體力學(xué)相關(guān)內(nèi)容入手，在中間包內(nèi)設(shè)置促進(jìn)非金屬夾雜物的上浮和吸附的裝置，在鋼水進(jìn)入結(jié)晶器之前建立一道高效去除夾雜的防線。在這些裝置中一部分非金屬夾雜物完成聚集上浮的過(guò)程，一部分吸附在裝置的耐火材料壁上。新方法應(yīng)用于中間包改造的設(shè)計(jì)圖形如圖1所示。

1)鋼包下的浸入式水口壁上開(kāi)有斜孔，鋼水以離心旋轉(zhuǎn)的方式從水口流入離心分離裝置內(nèi)。鋼水旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于非金屬夾雜物和液體的質(zhì)量不同，所受的離心力也不相同，質(zhì)量小的非金屬夾雜物被拋向內(nèi)側(cè)并被水口壁捕捉，質(zhì)量大的液體被推向外層，這樣大顆粒的非金屬夾雜物和鋼水各自分離。

2)經(jīng)過(guò)離心分離過(guò)程的鋼水流向粗?；b置，這是個(gè)布滿斜管空腔的擋墻。在這里，斜管的水力半徑較大，斜管起到吸附較大非金屬夾雜物和粗?；b置的作用。斜管的空腔上部設(shè)置了類似鑄造澆注系統(tǒng)中的集渣包的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在鑄造生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)滯留非金屬夾雜物一直起著決定性作用。較大的非金屬夾雜物顆粒被吸附在類似集渣包的結(jié)構(gòu)中，其余較難吸附的微小非金屬夾雜物顆粒在這里聚結(jié)成大顆粒，達(dá)到一定尺寸后，在浮力和鋼水流體剪力的作用下，脫離斜管表面，形成大顆粒的聚合體浮升到鋼水表面或跟隨鋼水繼續(xù)向前流動(dòng)。

圖1 新方法應(yīng)用于中間包改造的設(shè)計(jì)圖形

3)流過(guò)起到粗?；b置作用的擋墻，鋼水流向斜管沉淀池形式的擋墻。途中經(jīng)過(guò)底吹氬形成的氣幕壩，底吹氬形成的氣泡帶動(dòng)非金屬夾雜物加速上浮到鋼水頂層。鋼水經(jīng)過(guò)氣幕壩以后進(jìn)入斜管沉淀池形式的擋墻，在這里，斜管的水力半徑較小，非金屬夾雜物上浮距離變小，上浮時(shí)間變長(zhǎng)，對(duì)上浮特別有利。斜管的空腔也有集渣包的結(jié)構(gòu)，能夠把細(xì)小的非金屬夾雜物滯留在這里。當(dāng)鋼水與擋墻充分接觸后，絕大部分的非金屬夾雜物被擋墻吸附。

4)鋼水流過(guò)斜管分離形式的擋墻，進(jìn)入中間包的最后一個(gè)裝置，叫做水口過(guò)濾吸附器，這個(gè)過(guò)濾吸附器在中間包水口正上方，頂部是封閉的，減少了鋼水氧化、吸入渣滴的可能性。在這里沒(méi)有進(jìn)行底吹氬，以盡量保證鋼水流動(dòng)的平穩(wěn)。為了去除細(xì)小夾雜和攔截被沖刷掉的耐火材料，這里的斜管水力半徑更小，斜管的空腔也有集渣包的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)前面兩道裝置處理后的鋼水到這里已經(jīng)比較干凈了，這個(gè)裝置是用于精細(xì)處理過(guò)程。水口過(guò)濾吸附器上開(kāi)設(shè)的斜孔是非中心對(duì)稱的，這樣可以使鋼水多流一段距離后進(jìn)入澆口，這樣可以多吸附一些夾雜物。

5)因?yàn)槲覀兝迷透采w劑吸附夾雜的能力是有限的，所以上浮到鋼水頂層的非金屬夾雜物會(huì)因其附著的氣泡的破裂或被鋼水的流動(dòng)帶動(dòng)而重新卷入到鋼水里。對(duì)于上浮到頂面的夾雜物，在本方法里要利用具有一定過(guò)冷度的裝置，在鋼水表面對(duì)上浮到表面層的夾雜物進(jìn)行吸附。這種裝置吸收夾雜的原理和鋁碳質(zhì)水口是一樣的，它具有鋁碳質(zhì)水口相同的特點(diǎn)。

2 數(shù)學(xué)模型

非金屬夾雜物、氣泡顆粒在流體中主要受到三個(gè)力的作用：重力、浮力、流體作用于顆粒上的阻力。其表達(dá)式如下：

浮力計(jì)算公式為：

重力計(jì)算公式為：

阻力計(jì)算公式為[6]：

其與顆粒雷諾數(shù) Rep的一般關(guān)系式如下：

顆粒雷諾數(shù) Rep的表達(dá)式為：

式中：CD——為顆粒曳力系數(shù)，

u和 up——分別為流體和顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；

ρ和ρp——分別為流體和顆粒的密度，kg/m3；

μ——流體的粘度，kg/(m·s)；

g——重力加速度，m/s2；

dp——顆粒直徑，m。

非金屬夾雜物、氣泡顆粒在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，當(dāng)其受力達(dá)到平衡時(shí)，就會(huì)在鋼液中做勻速運(yùn)動(dòng)，其最終的上浮速度決定了顆粒在鋼液中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。使用計(jì)算機(jī)程序?qū)ζ胶鉅顟B(tài)下的顆粒運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行了計(jì)算，當(dāng)顆粒的運(yùn)動(dòng)速度為正值時(shí)，表示其能夠在鋼液中上浮；當(dāng)上浮速度為負(fù)值時(shí)，則表示顆粒無(wú)法上浮。

3 計(jì)算、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 離心分離裝置分離

在鋼液中，非金屬夾雜物會(huì)因自身浮力的作用而上浮。其中渣滴的密度為2700 kg/m3，A l2O3夾雜的密度為4000 kg/m3。

離心分離主要目的是去除鋼液中混入的尺寸在2mm以上的渣滴和的A l2O3顆粒。鋼水旋轉(zhuǎn)時(shí)，密度小于鋼水的懸浮顆粒被“浮上”在離心設(shè)備最里面。根據(jù)顆粒隨水旋轉(zhuǎn)時(shí)所受的向心力與水的反向阻力平衡原理，可導(dǎo)出粒徑為 d的顆粒在圓周上的分離速度為[7]：

式中：uc——顆粒在圓周上的分離速度，m/s；

ρ、ρ0——分別為顆粒和鋼水的密度，kg/m3；

μ——鋼水的動(dòng)力粘度，0.005 Pa·s。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，在離心分離裝置中，直徑為2mm的渣滴的分離速度為0.279 m/s，直徑為2mm的A l2O3的分離速度為0.195 m/s。從計(jì)算結(jié)果看，該離心分離裝置能進(jìn)行離心分離操作。

3.2 粗粒化裝置

粗?；b置上布滿斜孔，由于不希望角度過(guò)大導(dǎo)致更換中間包時(shí)殘余鋼水過(guò)多，斜孔的角度取25°，斜孔斷面尺寸取50mm×80mm。斜孔共11層，每層10個(gè)孔。考慮到流動(dòng)的不均勻性，我們考慮按 8層計(jì)算。

由于個(gè)別形狀不利于上浮的非金屬夾雜物上浮到斜孔頂面的時(shí)間需比理論放大3～4倍，通過(guò)計(jì)算，在本粗?；b置中，夾雜物上浮到斜孔頂面所需的最小速度為0.00921 m/s。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，10μm渣滴或 A l2O3夾雜在這里的上浮速度能達(dá)到0.009123 m/s和0.009116 m/s，說(shuō)明大于10μm的渣滴或 A l2O3夾雜都能上浮到斜孔頂面。該裝置能夠起攔截、吸附和粗粒化的作用。

3.3 斜管沉淀池形式擋墻

擋墻上布滿斜孔，由于不希望角度過(guò)大導(dǎo)致更換中間包時(shí)殘余鋼水過(guò)多，斜孔的角度取25°，斜孔斷面尺寸取40mm×80mm。斜孔共13層，每層10個(gè)孔?？紤]到流動(dòng)的不均勻性，我們考慮按9層計(jì)算。

對(duì)于個(gè)別形狀不利于上浮的非金屬夾雜物，上浮到斜孔頂面的時(shí)間需放大3～4倍，通過(guò)計(jì)算，夾雜物上浮到斜孔頂面所需的最小速度0.00635 m/s。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，10μm A l2O3夾雜或渣滴在這里的上浮速度能達(dá)到0.01 m/s，說(shuō)明大10μm的A l2O3夾雜或渣滴都能上浮到斜孔頂面，該裝置能夠起到攔截并吸附夾雜物的作用。

3.4 水口過(guò)濾吸附器

水口過(guò)濾吸附器，在鋼水流出中間包前對(duì)鋼水進(jìn)行最后一次凈化。厚壁管上斜孔的開(kāi)設(shè)是不對(duì)稱的，正對(duì)流過(guò)來(lái)鋼水的面上，斜孔的開(kāi)設(shè)較少。斜孔的角度取25°，斜孔斷面尺寸取30mm×50mm。斜孔共22層，每層 8個(gè)孔。考慮到流動(dòng)的不均勻性，我們考慮按18層計(jì)算。

對(duì)于個(gè)別形狀不利于上浮的非金屬夾雜物，上浮到斜孔頂面的時(shí)間需放大3～4倍，通過(guò)計(jì)算，夾雜物上浮到斜孔頂面所需的最小速度為0.0114 m/s。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，10μm A l2O3夾雜或渣滴在這里的上浮速度能達(dá)到0.0134 m/s，說(shuō)明大于10 μm的A l2O3夾雜或渣滴都能上浮到斜孔頂面，該裝置能夠起到攔截并吸附夾雜物的作用。

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

水力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)研究方法的理論依據(jù)是相似原理。在連鑄中間包內(nèi)由大包長(zhǎng)水口引入的注流特征為有限空間內(nèi)的湍流射流，控制中間包內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要因素是慣性力和重力，因此原型與模型的相似可用弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)值相等來(lái)表示，此時(shí)幾何相似選取任意比例。實(shí)驗(yàn)按半個(gè)中間包的尺寸，按1∶6比例用有機(jī)玻璃制作模型。根據(jù)此模型，分別測(cè)量在普通擋墻、新方法條件下，中間包內(nèi)夾雜物流入結(jié)晶器的量。水力模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 水力模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

其中工況1為普通擋墻模型，模型內(nèi)只設(shè)置一道擋墻。工況2為新方法模型，因受條件限制，新方法模型內(nèi)部沒(méi)有設(shè)置離心分離裝置和夾雜物吸附裝置，只設(shè)置了粗粒化裝置、斜管沉淀池形式擋墻和水口過(guò)濾吸附器。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用聚苯乙烯塑料粒子和少量油混合在一起分別代表大型非金屬夾雜物和小型非金屬夾雜物。計(jì)量流出水口的聚苯乙烯塑料粒子和油占總量的百分比，可以知道兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿コ墙饘賷A雜物的效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：工況1截留的大型非金屬夾雜物占總量的 85％，截留的小型非金屬夾雜物占總量的20％；工況2截留的大型非金屬夾雜物占總量的90％，截留的小型非金屬夾雜物占總量的 80％。采用新方法模型的工況2更有利于提高鋼液潔凈度。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，工況1(普通擋墻模型)這種流動(dòng)模式顯然不利于鋼液中非金屬夾雜物碰撞、長(zhǎng)大和上浮。對(duì)于工況2(新方法的模型)來(lái)說(shuō)，粗粒化裝置可以明顯降低注流區(qū)的湍流強(qiáng)度及表面卷渣，并消除短路流，改善了中間包內(nèi)鋼水的流動(dòng)狀態(tài)；斜管沉淀池形式擋墻的作用使鋼液向上流動(dòng)，有利于非金屬夾雜物上浮，而且由于用于上浮的面積加大、上浮的距離縮短，特別有利于非金屬夾雜物的聚集上?。凰谶^(guò)濾吸附器相當(dāng)于縮小的斜管沉淀池形式擋墻，用于細(xì)小顆粒的非金屬夾雜物上浮。相對(duì)于工況1來(lái)說(shuō)，工況2優(yōu)化組合了粗粒化裝置、斜管沉淀池形式擋墻和水口過(guò)濾吸附器，使得平均停留時(shí)間顯著增長(zhǎng)，有利于去除非金屬夾雜物。所以說(shuō)，工況2的組合控流，可以顯著改善中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀況，延長(zhǎng)平均停留時(shí)間，減小死區(qū)體積，改善非金屬夾雜物的去除效果。

4 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算和模擬實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了新方法有較好的去除非金屬夾雜物的作用，并得出以下結(jié)論：

1)非金屬夾雜物的去除分粗、中、細(xì)三個(gè)階段，既可以有效地防止中間包內(nèi)的各種裝置堵塞，又可以提高細(xì)小夾雜物的去除率。擋墻中的斜管采用熔模制造，可大大降低制造成本。

2)中間包內(nèi)的離心分離設(shè)備能進(jìn)行離心分離操作。懸浮顆粒的粒徑 d越大，密度ρ同鋼水的密度ρ0差越大，鋼水的動(dòng)力粘度μ越小，則顆粒的分離速度 uc越大，越易分離。

3)通過(guò)計(jì)算，證實(shí)本文提出的中間包內(nèi)的粗粒化裝置、斜管沉淀池形式擋墻、水口過(guò)濾吸附器能夠滿足10μm以上各種形狀非金屬夾雜物上浮的時(shí)間要求。

4)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明通過(guò)整流的作用，鋼水的流動(dòng)速度降低了，流動(dòng)更加平穩(wěn)均勻，可以降低注流區(qū)的湍流強(qiáng)度，同時(shí)使鋼液流動(dòng)路線延長(zhǎng)，鋼液平均停留時(shí)間增大，非金屬夾雜物上浮增多，防止產(chǎn)生渦旋而卷渣有利于提高鋼液潔凈度。

5)中間包內(nèi)各種裝置的應(yīng)用使鋼水均勻慢速流動(dòng)，會(huì)大大減輕鋼水短路流動(dòng)造成的耐火材料熔損，由耐火材料熔損造成的夾雜物會(huì)減少。

6)由于計(jì)算不包含吸附所能起到的作用，所以整個(gè)方法的綜合作用還要等到將來(lái)的工業(yè)試驗(yàn)才能完成。

7)本方法不止適用于中間包，研究其在中間包內(nèi)的應(yīng)用是為了不改變連鑄機(jī)結(jié)構(gòu)，利用本方法可以制作各種樣式的去除夾雜物的裝置。

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THE STUDY OF A TECHN IQUE FOR REM OV ING INCLUSI ONS INM OLTEN STEEL

L i Shijun1，2Zhou Jing1Ch eng Shusen2(1.Anyang Iron and Steel Group Co.，L td；2.University of Science and Techno logy Beijing)

This paper introduced a technique on removing non-m etallic inc lusions in mo lten steel，discussed the effect of structural imp rovem ent for tundish cavity.The calculation results p roved that the new technique can fulfill the requirem ent of floating t im e of non-m etallic inc lusionswhich size are larger than10μm.Experim ents verified that the steel flow velocity reduced and more stable and unifo rmflow can reduce the tu rbulen t intensity in the pouring region through the rectification of the steel flow，at the sam e tim e that the steel flow route were p ro longed and the average residual tim e were increased asw ell as the num ber of floating inclusion were increased which were beneficial to imp rove cleanness of liquid steel.The unifo rm and slow steel flow can reduce the lossof refracto ry caused by sho rt-cu t flow and the inc lusion from refractory loss reduces.

inc lusion remove technique

2009—12—28