優(yōu)化中間包結(jié)構(gòu)去除鋼液氧化物夾雜

梁子福,李新強(qiáng),蔣 軍,薛 松

(中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司,陜西 西安 710032)

1 前言

中間包是鋼液凝固前所經(jīng)過(guò)的最后一個(gè)耐火材料容器,主要功能是將潔凈的鋼液按要求的流速、溫度和成分分配給各個(gè)鑄流。無(wú)論是轉(zhuǎn)爐的脫氧產(chǎn)物、鋼包渣、中間包渣還是二次氧化產(chǎn)生的氧化物,都應(yīng)盡可能地從中間包過(guò)程中去除,如果中間包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,就難以在中間包內(nèi)去除夾雜物。因此,為提高鋼液質(zhì)量,要求中間包具有消除大型外來(lái)夾雜物、避免內(nèi)生夾雜物聚集長(zhǎng)大及可在鋼液傳送過(guò)程中去除任何殘余夾雜物等功能。合理的中間包外形設(shè)計(jì)和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)布置不僅是連澆過(guò)程中穩(wěn)定連鑄機(jī)和連續(xù)操作的關(guān)鍵因素,而且在去除鋼液中夾雜物、提高鑄坯質(zhì)量、獲得高附加值產(chǎn)品方面發(fā)揮著重要作用。

2 中間包鋼液氧化物夾雜的來(lái)源及去除機(jī)理

中間包鋼液中氧化物夾雜有外來(lái)夾雜和內(nèi)生夾雜兩種。外來(lái)夾雜來(lái)源于鋼液的二次氧化、卷渣或耐材侵蝕物等。外來(lái)夾雜物為組成復(fù)雜的復(fù)合大尺寸氧化物。Ohno等[1]發(fā)現(xiàn),鋼液二次氧化形成的大型夾雜物數(shù)量大約是鋼包到中間包之間形成大型夾雜物的 2.5倍,且二次氧化產(chǎn)物的尺寸一般都在50μm以上。鋼包渣中含有 FeO、MnO和 Si O2等氧化物,部分鋼包渣進(jìn)入中間包后,與鋼液中的鋁發(fā)生反應(yīng)生成簇狀的Al2O3,最終進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)并可能殘留在凝固的坯殼中,形成大型夾雜物或夾渣,圖 1為鑄坯中Al2O3夾雜物不同形態(tài)示意圖。如果不去除這些大顆粒夾雜物,會(huì)增加浸入式水口堵塞的幾率,降低或惡化產(chǎn)品質(zhì)量。

圖 1 鑄坯中 Al2O3夾雜物不同形態(tài)示意圖

內(nèi)生夾雜是鋼液中游離氧與脫氧劑如鋁或硅的反應(yīng)產(chǎn)物,98%的內(nèi)生夾雜的直徑小于5μm,內(nèi)生夾雜物的尺寸較小且在鋼中均勻分布,不會(huì)對(duì)連鑄鋼坯帶來(lái)不利影響。

去除中間包鋼液夾雜物的方式主要有上浮、相互碰撞長(zhǎng)大上浮和黏附包內(nèi)耐火材料去除法等,這都與鋼液的流動(dòng)密切相關(guān)。夾雜物上浮速度可粗略用 Stockes公式表示

式中,vs為夾雜物上浮速度,cm/min;DI為夾雜物的粒徑,cm;ρS為鋼液密度,7.0 g/cm3;ρI為夾雜物密度,3.5g/cm3;μ為鋼液黏度,1 600℃時(shí)為 0.05 g/cm·s2;g為重力加速度,980 cm/s2。

夾雜物從中間包底部上浮到鋼渣界面所需的時(shí)間 tf

式中,L為中間包鋼液的高度,cm。

鋼液在中間包中平均停留時(shí)間tθ按下式計(jì)算

式中,W為中間包鋼液的容量,t;Q為鋼液澆注速度,t/min。

中間包鋼液夾雜物上浮臨界粒徑DC

若按鋼液在中間包內(nèi)停留時(shí)間大于 8～10 min計(jì)算,根據(jù)公式 (4)可得出不同容量中間包夾雜物上浮的臨界直徑 DC=50～80μm,也就是說(shuō)只要有充分的停留時(shí)間,中間包鋼液中大于50μm的夾雜物可以通過(guò)上浮去除。

為使中間包內(nèi)大顆粒夾雜物充分上浮,中間包設(shè)計(jì)應(yīng)考慮采用大容量深熔池的中間包,以增加中間包鋼液平均停留時(shí)間 tf;在內(nèi)腔結(jié)構(gòu)上合理布置控流裝置,以改變鋼液的流動(dòng)軌跡,縮短夾雜物的上浮距離。評(píng)價(jià)中間包冶金效果的指標(biāo)主要是:

(1)鋼中總氧量 T[O]。T[O]=[O]熔+[O]夾,鋼中 T[O]越低,說(shuō)明 [O]夾也越低,鋼的潔凈度也越高;

(2)鋼中顯微夾雜物 (M I)。一般采用金相顯微統(tǒng)計(jì)方法來(lái)鑒定;

(3)大顆粒夾雜物 (MA)。采用 Slims法來(lái)評(píng)價(jià)鋼中大顆粒夾雜物的數(shù)量 (從 1 mg/10 kg鋼到幾百 mg/10 kg鋼)。

3 中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 中間包內(nèi)腔尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1)中間包容量的大型化。為使中間包內(nèi)大顆粒夾雜物充分上浮,增加中間包鋼液平均停留時(shí)間 tf最有效的方法為采用大容量深熔池的中間包。拉速一定時(shí),中間包容量取決于鋼液的體積流量,公式 (3)表明,容量大意味著鋼液在中間包的平均停留時(shí)間長(zhǎng),從而使夾雜物有足夠的時(shí)間上浮到頂渣層而被去除,從而減少中間包鋼液中大型夾雜物的數(shù)量。Tozaki等[2]將中間包容量由 65 t增大到85 t,并進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn),其結(jié)果如圖 2、圖 3所示。無(wú)論是在穩(wěn)定澆注條件下還是在非穩(wěn)定澆注條件下,簇狀 Al2O3夾雜物數(shù)量都有所減少。S.Hiraki等人研究認(rèn)為,采用大容量中間包不僅提高了高速連鑄薄板坯 (厚為 90～100 mm)的純凈度,而且在進(jìn)行低液位操作時(shí)還可以促使夾雜物的上浮[3]。

(2)中間包的深熔池化發(fā)展。隨著中間包容量的增大,液面高度也隨之增大。液面高度增加可消除擊穿流,避免卷渣鋼液進(jìn)入結(jié)晶器。中間包液面高度最高可達(dá)1 778 mm[4]。研究表明[5],中間包液面越低,鋼液中大型夾雜物含量越多,液面增高,大型夾雜物含量減少,中間包不同液位高度鋼液中大型夾雜物分析數(shù)據(jù)見表 1。

表 1 中間包不同液位高度鋼液中大夾雜物分析

3.2 中間包內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

內(nèi)腔結(jié)構(gòu)布置合理的中間包既能將大包注流引起的強(qiáng)烈紊流控制在紊流區(qū),又能優(yōu)化中間包的流場(chǎng),促進(jìn)夾雜物去除,改善鋼的清潔度,并盡可能地保持各流之間溫度和成分的相似,獲得質(zhì)量均勻的產(chǎn)品。此外還要盡可能減少耐火材料的用量,減少對(duì)中間包的二次污染和降低耐火材料的使用成本。因此,對(duì)控流裝置的布置方式、形狀尺寸及所用的耐火材料進(jìn)行研究和選擇很重要。

3.2.1 改進(jìn)控流裝置

(1)導(dǎo)流裝置。研究表明,當(dāng)中間包內(nèi)沒(méi)有如導(dǎo)流堰、導(dǎo)流壩及帶孔導(dǎo)流隔墻等導(dǎo)流裝置時(shí),大包注入的鋼液以較高的速度沖到中間包底部,并向四周散開,一部分鋼液沿著包底向出水口流去,造成短路流現(xiàn)象;另一部分鋼液在中間包內(nèi)有回流現(xiàn)象,形成返混流,這種流動(dòng)方式不利于夾雜物的上浮,鋼液在中間包內(nèi)的停留時(shí)間短。但在中間包內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流裝置后,中間包流場(chǎng)得到很大改善,鋼液的運(yùn)動(dòng)路線延長(zhǎng),停留時(shí)間相應(yīng)增加,死區(qū)比例減小,有利于夾雜物的上浮和去除。設(shè)置導(dǎo)流裝置的形式有單擋墻、雙擋墻和多擋墻,目前國(guó)內(nèi)的多流中間包一般采用帶有導(dǎo)流孔的擋墻和擋壩組合的導(dǎo)流裝置。

(2)湍流控制器。中間包防湍流控制器是一種限制大包注流沖擊能的裝置,能有效防止中間包鋼流對(duì)中間包底部的沖刷,延長(zhǎng)中間包的壽命;有利于防止?jié)沧^(qū)中間包覆蓋劑卷入鋼液形成夾雜及卷入空氣發(fā)生二次氧化;可改善中間包內(nèi)鋼液流場(chǎng),消除短路流,延長(zhǎng)鋼液滯留時(shí)間,促進(jìn)夾雜物上浮。

圖 4為 Bolger和 Saylor[6]設(shè)計(jì)的減少湍流的控制器,將其安放在鋼包注流沖擊點(diǎn),使大包注流反向流動(dòng),從而耗散了注流的湍動(dòng)能。但湍流控制器不能改變中間包內(nèi)鋼液流場(chǎng)的整體狀態(tài),它可以與導(dǎo)流控制裝置 (如擋壩等)配合使用。此外,防湍流的效果與控制器的原始形狀、有無(wú)頂緣有關(guān),而控制器的形狀會(huì)隨著耐火材料的侵蝕而發(fā)生變化。

圖 4 湍流控制器結(jié)構(gòu)示意圖

(3)中間包底部吹氬裝置。采用在中間包耐火里襯的兩側(cè)和底部埋設(shè)透氣管、在包底安裝條形透氣磚等方式,從中間包底部吹氬形成氣幕擋墻,由氣泡吸住夾雜物并托著夾雜物一起上浮,從而使夾雜物進(jìn)入到渣中,提高了鋼液的清潔度。用吹氬形成的氣幕擋墻代替擋渣堰和導(dǎo)流壩的設(shè)想適應(yīng)潔凈鋼發(fā)展的新要求,這一方面可以減少耐火材料的使用量,從而降低耐火材料受沖蝕進(jìn)入鋼液而污染鋼液的機(jī)會(huì);另一方面中間包吹氬還有利于微小氬氣泡捕獲鋼液中的小顆粒非金屬夾雜,攜帶其上浮至頂渣液面被去除。但其不利之處是吸附夾雜物的氣泡有可能卷入鑄坯,造成較嚴(yán)重的缺陷。

3.2.2 中間包內(nèi)耐火材料的改進(jìn)

各種尺寸的夾雜物在與包內(nèi)耐火材料接觸后,會(huì)粘附在耐火材料的表面從而脫離鋼液。通過(guò)包內(nèi)拆下的殘磚反應(yīng)層中 Al2O3成分的變化證實(shí)了這一點(diǎn)。且由于大多數(shù)耐火材料為氧化物,因此,耐火材料對(duì)鋼水中氧含量也有很大影響。但耐火材料向鋼液中傳氧取決于鋼液的脫氧程度以及所用耐火材料的種類和組成。通過(guò)氧勢(shì)分析[7],堿性氧化物如 CaO等使鋼液增氧很少。中間包工作層由絕熱層、噴涂料發(fā)展到現(xiàn)在的干式振動(dòng)料,采用堿性材料MgO質(zhì)、CaO-MgO質(zhì)、鈣質(zhì)工作層更有利于鋼液的凈化。目前,已開發(fā)的無(wú)樹脂結(jié)合的無(wú)碳干式料,屬環(huán)保型材料,對(duì)鋼水無(wú)污染,較目前樹脂結(jié)合劑干式料更耐鋼液侵蝕。此外,也應(yīng)考慮中間包內(nèi)預(yù)制件的長(zhǎng)壽化并避免對(duì)鋼水的污染,材料由高鋁質(zhì)到MgO質(zhì)或鎂鈣質(zhì)是發(fā)展趨勢(shì)。

4 工業(yè)應(yīng)用效果

2009年新設(shè)計(jì)的攀鋼 6機(jī) 6流方圓坯連鑄機(jī),澆注斷面為 200 mm×200 mm的方坯和Ф200 mm的圓坯。中間包設(shè)計(jì)考慮夾雜物上浮所需的鋼水滯留時(shí)間按 10 min計(jì)算,最大拉速2.2 m/min,中間包容量約為 38 t。為保證鋼液從注入口至澆注口有足夠的距離,采用 T型中間包,正常澆注時(shí)液面高度為 900 mm。

通過(guò)與重慶大學(xué)合作,對(duì)所設(shè)計(jì)的中間包進(jìn)行了多種水模型方案的試驗(yàn),確定中間包內(nèi)腔結(jié)構(gòu)采用防湍流控制器 +擋墻 +擋壩 (雙壩)的形式,并確定了中間包底部和沖擊區(qū)側(cè)部耐火材料層厚度為 260 mm,其它側(cè)部為 240 mm,如圖 5所示。為防止耐火材料的二次污染,預(yù)制件湍流控制器、擋墻、擋壩均采用MgO≥84%、SiO2≤7.5%的鎂質(zhì)耐火材料。中間包工作層則采用MgO≥80%的干式涂料。

最后對(duì)優(yōu)化后的中間包進(jìn)行了冶金效果的綜合評(píng)估。與空白試驗(yàn)相比,結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的中間包冶金效果為:鑄坯中總氧 T[O]含量可減少44%;顯微夾雜物 (M I)數(shù)量可減少 54%;大顆粒夾雜物 (MA)數(shù)量可減少 83%。該連鑄機(jī)于2009年 10月份投產(chǎn),中間包使用狀況穩(wěn)定,壽命長(zhǎng),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖 5 中間包防湍流控制器 +擋墻 +擋壩 (雙壩)示意圖

5 結(jié)論

為滿足高端產(chǎn)品的生產(chǎn)要求,需要對(duì)中間包進(jìn)行精確設(shè)計(jì),要充分考慮夾雜物的上浮特性。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是確保獲得理想的鋼液流場(chǎng)和合理的鋼液停留時(shí)間,使鋼液在進(jìn)入結(jié)晶器之前能夠最大限度地滿足潔凈度要求。但每臺(tái)中間包都應(yīng)根據(jù)連鑄機(jī)的實(shí)際情況量身定做,并參照實(shí)物大小用水力學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果而設(shè)計(jì),方可得到流場(chǎng)控制最優(yōu)的中間包。中間包向大容量、深熔池方向發(fā)展,配合采用多孔隔墻等導(dǎo)流裝置、防湍流控制器、吹氬攪拌等仍是目前優(yōu)化中包結(jié)構(gòu)的手段。

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[4] 張立峰,王新華.連鑄鋼中的夾雜物[J].山東冶金,2005,(2).

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[7] 李楠.鋼與耐火材料的作用及耐火材料的選取[J].耐火材料創(chuàng)刊 40周年特刊,2006.