鋼中夾雜物控制技術(shù)進步與發(fā)展

劉建華 劉洪波

(北京科技大學(xué)冶金工程研究院)

0 前言

國內(nèi)外鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)進步迅速，諸多新設(shè)備、新工藝和新技術(shù)得到研發(fā)和推廣，鋼鐵生產(chǎn)效率和質(zhì)量水平顯著提高。鋼中夾雜物是影響鋼鐵生產(chǎn)和應(yīng)用的重要因素，其控制水平是鋼材質(zhì)量評判的重要方面。夾雜物控制工藝技術(shù)一直是鋼鐵生產(chǎn)和科研關(guān)注的重點，近年來潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)進步也異常顯著。

鋼鐵生產(chǎn)是一個包含從礦石、焦炭、石灰等原料處理到鋼材軋制及熱處理的系統(tǒng)工程，盡管煉鋼和連鑄過程是鋼中夾雜物控制的最重要環(huán)節(jié)，但煉鋼生產(chǎn)的穩(wěn)定性及控制水平還很大程度上與其他工序提供的鐵水、廢鋼、石灰等質(zhì)量和穩(wěn)定性關(guān)系密切，連鑄坯中部分夾雜物在后續(xù)加熱、軋鋼及熱處理工序也會發(fā)生形態(tài)、尺寸及分布的變化，因此夾雜物控制是一個與鋼鐵生產(chǎn)全流程各工序均相關(guān)的系統(tǒng)工程。

另一方面，鋼中夾雜物去除和控制一直是鋼材質(zhì)量控制的難點，到現(xiàn)今為止且在今后很長一段時間內(nèi)，還不能僅通過一兩項技術(shù)爐外精煉或連鑄領(lǐng)域的技術(shù)將鋼中夾雜物徹底去除和控制，因此潔凈鋼生產(chǎn)必須通過多工序協(xié)同控制實現(xiàn)。

隨著“夾雜物控制是系統(tǒng)工程”理念的逐漸形成，鋼鐵企業(yè)在潔凈鋼生產(chǎn)中不僅在煉鋼和連鑄中采取系列措施提高鋼水和鑄坯潔凈度，而且也逐漸加強了鐵礦石質(zhì)量的控制和處理、高爐煉鐵穩(wěn)定性操作、鐵水預(yù)處理、廢鋼嚴格分類和控制、石灰活性和雜質(zhì)控制等方面的工作，相關(guān)系統(tǒng)工作促進了潔凈鋼生產(chǎn)水平的提高。

1 煉鋼新技術(shù)

隨著爐外精煉技術(shù)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，轉(zhuǎn)爐和電爐逐漸演變?yōu)殇撍某鯚捲O(shè)備。由于脫氧及夾雜物上浮去除一般在轉(zhuǎn)爐和電爐出鋼之后進行，轉(zhuǎn)爐和電爐鋼水中的夾雜物控制不是關(guān)注的對象。但由于煉鋼生產(chǎn)對精煉生產(chǎn)及夾雜物控制存在顯著影響，煉鋼工藝技術(shù)的進步顯著促進了潔凈鋼生產(chǎn)水平的提高。

鐵水預(yù)處理工藝可以滿足冶煉低硫鋼或者極低硫鋼種的需要，鐵水預(yù)脫硫不僅可以減輕高爐負擔(dān)，降低焦比，而且轉(zhuǎn)爐也不必為脫硫而采取大渣量和高堿度的操作。現(xiàn)階段，鐵水預(yù)處理工藝已經(jīng)發(fā)展成為煉鐵—煉鋼—連鑄過程中不可分割的重要環(huán)節(jié)，隨著專用轉(zhuǎn)爐脫磷、脫硅工藝技術(shù)的開發(fā)和發(fā)展，現(xiàn)正在形成一種全量鐵水進行“三脫”預(yù)處理的先進工藝，以建立起高效低成本的潔凈生產(chǎn)工藝平臺，提高生產(chǎn)效率，以實現(xiàn)緊湊、高效、節(jié)能的循環(huán)型經(jīng)濟發(fā)展模式。

近年來，轉(zhuǎn)爐和電爐的大型化發(fā)展，以及自動化煉鋼技術(shù)的推廣應(yīng)用，顯著提高了鋼水溫度和成分的穩(wěn)定性，確保了精煉操作及連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定性。自動化煉鋼技術(shù)還顯著提高了轉(zhuǎn)爐終點的成分和溫度命中率，減少了終點補吹，使鋼中氧、氮和爐渣氧化性得到良好控制。這些進步不僅直接提高了鋼水潔凈度，而且促進了精煉生產(chǎn)的順行及精準控制，減少了后續(xù)RH 和CAS 精煉溫度補償，同時也為連鑄恒拉速生產(chǎn)的實現(xiàn)提供了良好基礎(chǔ)，因此對潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)進步發(fā)揮了良好推動作用。

采用轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)潔凈鋼，轉(zhuǎn)爐復(fù)吹效果與鋼水中的氧及磷等控制密切相關(guān)。近年來，轉(zhuǎn)爐底吹元件和快換爐底等技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)爐復(fù)吹效果強化，鋼中碳氧反應(yīng)更趨于平衡，碳氧積越來越低，如部分企業(yè)平均碳氧積［1］可以控制到0．0022 以下。特別是近年來，部分鋼廠對轉(zhuǎn)爐爐齡和鋼水質(zhì)量控制進行了平衡考慮，在潔凈鋼生產(chǎn)中不過分追求濺渣護爐效果，確保底吹效果成為首要目標(biāo)。

滑板擋渣在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中的應(yīng)用是近年來潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)的一個明顯進步。結(jié)合遠紅外成像測渣系統(tǒng)的應(yīng)用，轉(zhuǎn)爐下渣控制水平明顯進步。寶鋼不同擋渣方式的擋渣效果見表1。寶鋼煉鋼廠3 號轉(zhuǎn)爐采用滑動水口擋渣工藝技術(shù)，將轉(zhuǎn)爐傾動角度信號和AMEPA 紅外下渣檢測技術(shù)與滑動水口的開閉相結(jié)合，實現(xiàn)全自動的判渣和擋渣，擋渣成功率達到100%，鋼包渣厚可以穩(wěn)定控制在40 mm 以下［2］。

表1 寶鋼不同擋渣方式的擋渣效果［2］

2 爐外精煉新技術(shù)

爐外精煉技術(shù)是潔凈鋼生產(chǎn)的保障，爐外精煉領(lǐng)域的諸多技術(shù)研發(fā)對潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)進步發(fā)揮了巨大的推動作用。另一方面，爐外精煉技術(shù)的發(fā)展歷史還比較短，還不能滿足夾雜物高效去除和徹底控制的要求，發(fā)展空間還很大，許多新技術(shù)還在不斷涌現(xiàn)。

2．1 鋼包渣改質(zhì)技術(shù)

由于精煉過程中脫碳的需要，部分鋼種煉鋼生產(chǎn)中采用沸騰出鋼，轉(zhuǎn)爐出鋼不脫氧，精煉時鋼包渣中氧化鐵含量較高。例如，采用轉(zhuǎn)爐－RH 流程生產(chǎn)超低碳鋼時，如果不對鋼包渣進行處理，那么RH精煉時鋼包渣中氧化鐵含量常常超過8%。如此，精煉脫氧后，由于爐渣中氧勢遠高于鋼液，氧不斷從爐渣向鋼水中傳遞，鋼水潔凈度難以達到鋼種要求。部分鋼企通過在精煉前后分別對爐渣進行改質(zhì)，爐渣中氧化鐵含量可控制到4%以下，顯著控制了精煉后期及連鑄過程中爐渣中氧向鋼水中的傳輸，提高了鋼水潔凈度。

2．2 氣泡浮選夾雜物技術(shù)

2．2．1 增氮析氮法去除鋼中夾雜技術(shù)

鋼中彌散微小氣泡粘附夾雜物上浮是去除夾雜物的有效方法［3，4］。日本NKK 鋼管公司于二十世紀90年代初期提出了加壓減壓法(NK －PERM)［5］，其原理是將轉(zhuǎn)爐冶煉的鋼水在帶有加熱功能的NK －AP 鋼包爐中用超高堿度合成渣(5%－15% CaF2)精煉，同時采用頂吹噴槍和包底透氣磚吹氮，使鋼中氮含量達到100 ppm ～400 ppm，然后在RH 真空循環(huán)脫氣裝置中脫氣去夾雜。北京科技大學(xué)李康偉等通過將鋼液置于氮氣分壓較高環(huán)境中，使鋼液中氮含量顯著增加，達到100 ppm ～300 ppm;然后通過迅速減壓，使鋼中過飽和氮以夾雜物為核心生成氣泡，氣泡攜帶夾雜物快速上浮去除;真空處理時間越長，鋼中全氧和顯微非金屬夾雜物數(shù)量越低;當(dāng)真空處理時間為30 min 時，鋼中全氧去除率達到81．6%，由析氮前38 ppm 降至7 ppm［6］。

2．2．2 中間包微小彌散氣泡去除鋼夾雜技術(shù)

Wang 等提出了在鋼包保護套管中吹入惰性氣體，利用套管中湍急的鋼液注流將氣體離散為微小的氣泡。進入中間包后，氣泡上浮長大，同時與夾雜物相互碰撞、黏附，從而促進夾雜物的上浮和去除［7，8］。北京科技大學(xué)劉建華等通過對不同澆注條件下注流在保護套管中能量分散強度的分析，研究了氣體在保護套管中的彌散行為［9］，其中不同滑板開口度對保護套管中氣泡的影響的計算結(jié)果如圖1所示，其尺寸為0．5 mm ～3 mm，它們遠遠小于采用透氣磚或者透氣塞向鋼水容器中吹入氣體時所產(chǎn)生氣泡的尺寸(10 mm ～20 mm［10］)。并且，在此基礎(chǔ)上進行實驗室水模實驗對理論計算結(jié)果進行了驗證，如圖2 所示。其中，套管中水的平均流速為0．296 m/s，照片中的白色斑點為彌散氣泡，大量氣泡尺寸在1 mm 左右。

圖1 不同滑板開口度時保護套管中氣泡的最大尺寸［10］

圖2 生成微小氣泡的水模實驗［10］

2．2．3 反應(yīng)誘發(fā)微小異相去除鋼中細小夾雜物

通常鋼液中非金屬夾雜物的去除主要通過一下兩種途徑實現(xiàn):夾雜物相互碰撞形成大尺寸的夾雜物，而后通過Stokes 運動上浮去除;利用氣泡的黏附作用將鋼液中的非金屬夾物帶出鋼液［11，12］。鞍鋼集團公司唐復(fù)平等設(shè)計了一種復(fù)合球體，如圖3 所示。該復(fù)合球體在高溫下會分解釋放出微小氣泡和細小渣滴［13］。尺寸細小的氣泡可以增加其與夾雜物碰撞概率，提高夾雜物的去除效率;細小渣滴的存在還能起到渣洗的作用。Turkdogan 等人的研究表明，通過在鋼液中引入細小的碳酸鈉，可以在鋼液中生成微小的氣泡，小氣泡不僅能夠使鋼液成分和溫度均勻，而且通過氣泡的捕捉作用直接去除夾雜物［14－16］。

圖3 反應(yīng)誘發(fā)微小氣泡和渣滴［13］

王曉峰等人將碳酸鹽類的復(fù)合球體加入到RH精煉爐中進行工業(yè)現(xiàn)場試驗，如圖4 所示。復(fù)合球體處理罐次與對比罐次w(T［O］)的對比，如圖5 所示。在RH 工位采用復(fù)合球體處理后，過程樣的w(T［O］)發(fā)生顯著的變化［17］。例如，RH 出站時鋼水的w(T［O］)平均值為35 ppm，而經(jīng)過復(fù)合球體處理后鋼水的w(T［O］)值均低于為35 ppm，最低可達21 ppm。這表明RH 精煉過程中向鋼水中投入復(fù)合球體誘發(fā)微小氣泡和渣滴，可顯著降低鋼水的w(T［O］)。同時，中間包和鑄坯的w(T［O］)也得到顯著的降低。未進行復(fù)合球體處理的中間包和鑄坯平均w(T［O］)分別為21 ppm 和14 ppm，而處理后的w(T［O］)卻遠遠低于這一水平，中間包和鑄坯w(T［O］)最低可達到13 ppm 和5 ppm。

圖4 復(fù)合球體在RH 精煉過程中加入示意圖［17］

圖5 對比罐次與試驗罐次復(fù)合球體處理前后過程與鑄坯試樣全氧變化情況［17］

2．3 真空碳脫氧技術(shù)

真空條件下，碳是很強的脫氧劑，并且脫氧產(chǎn)物是CO 氣體，不會形成鋼中夾雜物;真空有利于碳氧反應(yīng)，達到理想的脫氧效果;真空碳脫氧可以大幅度的降低脫氧和去除夾雜物的成本。

因此，在條件成熟的條件下，可在RH 和VD 精煉過程利用碳進行脫氧，提高鋼水潔凈度。鞍鋼［18］和舞鋼［19］分別在RH 精煉和VD 精煉中采用了碳脫氧技術(shù)，不僅顯著減少了鋼中夾雜物，而且降低了脫氧合金消耗。

表2 武鋼100tVD 精煉爐處理前后w(T［O］)數(shù)據(jù)［20］

武鋼陳慶迪等研究表明，武鋼100 t 的VD 經(jīng)VD 精煉后的鋼液，鋼中的非金屬夾雜物的數(shù)量減少，形態(tài)也變小，VD 后鋼中未發(fā)現(xiàn)較大的Al2O3夾雜物，尺寸大多都在10 μm 以下。從表2 中可以看出，VD 精煉前w(T［O］)=35 ppm ～47 ppm，而精煉后w(T［O］)=12 ppm ～35 ppm，這表明VD 采取真空碳脫氧技術(shù)具有很好的脫氧和去除非金屬夾雜物的能力［20］。湯曙光通過研究表明，VD 過程當(dāng)渣中［%FeO］＜0． 5 時，鋼中的w(T［O］)均小于20 ppm，夾雜物總量也較低，當(dāng)渣中的［%FeO］＞0．5時，鋼中的全氧和夾雜物總量明顯增加［21］。

2．4 固體電解質(zhì)脫氧技術(shù)

為了減少脫氧生成的夾雜物，一些冶金學(xué)者采用電化學(xué)脫氧方法［22－28］． 電化學(xué)脫氧可分為外電勢法和原電池法。外電勢法是用外電源通過電解質(zhì)把氧從金屬中抽出;原電池法則是依靠氧位差作動力，使氧通過電解質(zhì)脫離金屬液體。脫氧體脫氧的原理，如圖6 所示。

圖6 脫氧體脫氧的原理圖［22］

從圖6 可以看出，當(dāng)脫氧體浸入到鋼液后，根據(jù)電化學(xué)原理，鋼液中的氧會在氧位差的推動下通過固體電解質(zhì)進入脫氧體內(nèi)，與脫氧劑反應(yīng)，使鋼液脫氧。寶鋼和鋼鐵研究總院對固體電解質(zhì)電解法脫氧工業(yè)應(yīng)用前景進行了探討［29］． 研究稱采用氧化鋯固體電解質(zhì)脫氧仍不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求． 另外氧化鋯固體電解質(zhì)價格昂貴，成本較高。

隨著固體電解質(zhì)脫氧技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者提出采用爐渣代替固體電解質(zhì)，在渣金之間施加電場來強化脫氧的渣金間外加直流電場脫氧的方法． 熔渣是一種具有離子導(dǎo)電特性的電解質(zhì)，在金屬熔體與覆蓋于其上的熔渣之間施加定向直流電場，可控制氧離子在熔渣體系中的傳導(dǎo)方向和速度。魯雄剛等人在銅液與Na3AlF6－A12O3渣系間施加穩(wěn)定的直流電場，進行了銅液的脫氧實驗研究［30－32］． 研究結(jié)果見表3。

表3 銅液的脫氧實驗研究［32］

由表3 可知，外加直流電場法可快速并且有效地將銅液中的溶解氧脫除到10 ppm 左右。脫氧速度會隨著外加電場電壓的增大而增大，在一定的電場條件下(電壓:1 V;電流:2 A)，銅液中氧含量從600 ppm 到10 ppm 以下僅需20 min。

2．5 潔凈鐵合金應(yīng)用

鐵合金是重要的冶金輔料，起到脫氧和合金化的作用。北京科技大學(xué)韓培偉等人對煉鋼過程中常用鐵合金之一的錳鐵合金中的氧化物夾雜物以及其對潔凈鋼質(zhì)量的影響進行了分析［33］，研究發(fā)現(xiàn)國內(nèi)的中碳錳鐵中氧化物夾雜物主要有MnO 和SiO2構(gòu)成，成分與錳橄欖石(2MnO－SiO2)接近，大多數(shù)為長方形，尺寸一般在30 μm ～150 μm 左右。夾雜物的形貌圖以及能譜圖如圖7 所示。郭東海等人報道稱普通中碳錳鐵合金中的MnO 夾雜通常是呈枝晶狀或斜方晶型，尺寸一般在3 μm ～180 μm 之間［34］。Babli等人研究認為，當(dāng)錳鐵合金中Si 含量小于0．3%時，枝晶狀和斜方晶型MnO 夾雜物都存在;Si 含量在0．3% ～0．5%時，只有斜方晶型夾雜物存在;當(dāng)Si 含量大于0．5%時，很少有純凈的MnO 夾雜物存在，而是以含錳、硅、硫、氧等元素的復(fù)合夾雜物存在［35］。

圖7 中碳錳鐵氧化物夾雜的SEM 照片和能譜分析［33］

國外文獻報道稱錳鐵中純的細小的MnO 夾雜因其熔化溫度1844℃高于鋼水溫度，且不易上浮而可能保留在鋼中［36］。上述以錳鐵合金為例說明了鐵合金中的夾雜物，有可能造成鋼中夾雜物在數(shù)量、尺寸和組成成分上的改變，由此影響潔凈鋼的生產(chǎn)。

2．6 鋼包釉控制

近年來，國外學(xué)者Beskow 和Riaz 等人研究了鋼包釉與耐火材料的反應(yīng)及其對鋼中夾雜物的影響［37－39］，其研究發(fā)現(xiàn)在煉鋼過程中，出鋼水隨著鋼水的不斷下降，鋼包渣在鋼包內(nèi)壁附著一薄層玻璃態(tài)的渣，形成鋼包釉。在下次煉鋼時，這層釉會部分進入鋼水中，成為鋼中夾雜物的主要來源之一。

瑞典皇家工學(xué)院的Du Sichen 等［40］的研究表明，隨著包齡的增大，鋼包釉對鋼水的污染越嚴重;當(dāng)包齡超過50 爐次時，鋼包釉會引起鋼中夾雜物數(shù)量顯著增加。他們通過對瑞典OVAKO 鋼廠軸承鋼鋼包精煉過程中的鋼中、渣中夾雜物和耐火材料進行了SEM 分析，其中夾雜物主要分為五類，Al2O3、CaO－Al2O3、鎂鋁尖晶石和CaO －Al2O3構(gòu)成的復(fù)合夾雜物、還有CaS 包裹的尖晶石類夾雜，研究發(fā)現(xiàn)鋼包釉是其中夾雜物的主要來源，此時鋼中夾雜物主要可以通過真空脫氣處理進行去除。

3 連鑄新技術(shù)

隨著連鑄技術(shù)迅猛發(fā)展和日趨成熟，生產(chǎn)操作穩(wěn)定性大為提高，涌現(xiàn)出諸多夾雜物控制新技術(shù)。這其中包括中間包加熱技術(shù)、中間包電磁攪拌技術(shù)以及中間包氬封技術(shù)。

3．1 中間包加熱

隨著連續(xù)鑄鋼技術(shù)的發(fā)展，人們對鑄坯質(zhì)量要求越來越高，也越來越關(guān)注連鑄機中間包加熱技術(shù)，以實現(xiàn)鋼水的低過熱度恒溫連鑄，大幅度提高鑄坯質(zhì)量。近十幾年來已開發(fā)出多種形式的中間包加熱技術(shù)，其中主要有等離子體加熱技術(shù)和通道是感應(yīng)加熱技術(shù)。

1983年，Ueda Tsunehiro 等人第一次提出了通道式中間包感應(yīng)加熱的概念［41］。Masaki 等人通過研究發(fā)現(xiàn)，通道鋼水經(jīng)過加熱會產(chǎn)生熱膨脹，浸入澆鑄區(qū)后由于密度差的存在受到浮力作用而向上流動，延長了鋼水的平均停留時間，有利于夾雜物的上浮去除［42］。北京科技大學(xué)張炯明等人研究了中間包感應(yīng)加熱的加熱效率和流場分布的問題，對兩種不同通道涉及的感應(yīng)加熱方式進行了比較研究，研究表明經(jīng)過感應(yīng)加熱的鋼液浸入澆鑄區(qū)后，由于密度的減小而受到浮力作用，會產(chǎn)生向上流動的趨勢，延長了鋼液的平均停留時間并有利于夾雜物的上浮去除［43］。東北大學(xué)王強等人針對國內(nèi)某鋼廠的雙通道感應(yīng)加熱中間包，建立了三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型來研究感應(yīng)加熱中間包內(nèi)夾雜物的運動行為和去除率。模型計算結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同感應(yīng)加熱功率時中間包出口夾雜物的粒徑分布［44］

從圖8 可以看出，無感應(yīng)加熱時，小粒徑夾雜物占的比重較大，只要集中在5 μm ～10 μm。隨著加熱功率的增加，稍大粒徑的夾雜物逐漸增加。1200 W時，中間包出口處夾雜物粒徑已經(jīng)集中達到15 μm ～20 μm。研究認為鋼液流過通道受到緊箍作用，夾雜物會受電磁壓力作用而向通道壁面運動，有利于夾雜物的去除，且碰撞長大能夠顯著提高小粒徑夾雜物的去除率［44］。

3．2 中間包電磁攪拌

高效連鑄對鋼水凈化特別是正常澆注期、鋼包交換期等的要求越來越高，因此需要更有效的夾雜物分離技術(shù)，以滿足高效連鑄對高清潔度鋼水的要求。在此背景下，日本川崎鋼鐵公司Miki 等人開發(fā)了電磁驅(qū)動離心流動中間包以去除鋼中的非金屬夾雜物，簡稱CF 中間包［45］，如圖9 所示。

圖9 離心流動中間包示意圖［45］

CF 中間包是由中間包和電磁攪拌器等組成。鋼水由鋼包長水口進入旋轉(zhuǎn)室，在旋轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)的鋼水受電磁力驅(qū)動離心流動，然后從旋轉(zhuǎn)區(qū)底部出口浸入分配室進行澆注。通過對日本川崎公司千葉廠的4 號高速板坯連鑄機上裝備的30 t 的CF 中間包工業(yè)應(yīng)用效果來看，由于鋼水旋轉(zhuǎn)流動，中間包內(nèi)的總氧含量比鋼包內(nèi)約降低一半，其中的夾雜物也降低約一半［47］。換包期間有無離心旋轉(zhuǎn)對板坯中全氧含量影響如圖10 所示［46］。

圖10 離心旋轉(zhuǎn)對全氧含量的影響［46］

從圖10 可以看出，進行電磁離心攪拌后全氧分數(shù)由20 ppm ～40 ppm 降低到8 ppm ～15 ppm，夾雜物總減少約一半，達到了高拉速、高清潔度的目的。

3．3 中間包氣幕擋墻

中間包氣幕擋墻是20 世紀末借鑒鋼包吹氬攪拌技術(shù)發(fā)展起來的一項去除鋼液中非金屬夾雜物的新技術(shù)。其示意圖如圖11 所示。

從圖11 可以看出，氣幕擋墻就是在中間包內(nèi)沿長度方向在底部安裝條形透氣磚，從透氣磚底部吹入一定流量的氬氣，起到改變鋼水流動狀態(tài)，促進夾雜物上浮去除的功能。

圖11 中間包吹氬氣幕擋墻示意圖［48］

表4 有無氣幕擋墻試樣中全氧和大型夾雜物含量［48］

北京科技大學(xué)崔衡在某鋼廠進行中間包底吹氣試驗，對氣幕擋墻去除鋼中大型夾雜物的效果進行了研究［48］。研究結(jié)果見表4。

由表4 可知，采用氣幕擋墻后，中間包長水口到鑄坯的w(T［O］)降幅較大，平均為32．51%。施加氣幕擋墻后鋼液中夾雜物得到有效上浮，鑄坯中夾雜物含量顯著減少，每10 Kg 試樣大型夾雜物總含量由 3． 85 mg 降至 2． 88 mg，平均降低25．19%［48］。首鋼技術(shù)研究院劉國梁等人分析了中間包不加氣幕擋墻和加氣幕擋墻吹氬時夾雜物上浮速度與氣泡直徑、夾雜物直徑和密度的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)吹氬時10 Kg 鑄坯中平均夾雜物總量為6．08 mg，未吹氬時10 Kg 鑄坯中平均夾雜物總量為10．08 mg，中間包吹氬對大型夾雜物的去除有較明顯的作用，但對小夾雜物的去除效果不明顯［49］。唐山鋼鐵集團王愛東以唐鋼薄板坯中間包為原型，研究了不同方案的中間包流場和夾雜物的運動軌跡，表明氣幕擋墻可以有效改變夾雜物的運動軌跡，吹氣量不同，位置不同，會產(chǎn)生不同的效果。合適的吹氣量可以使50 μm 以下的夾雜物通過被氣泡捕獲上浮去除的概率明顯增加，氣量太大反而會增加夾雜的數(shù)量［50］。

3．4 結(jié)晶器冶金

連鑄結(jié)晶器區(qū)域是最后一步的精煉環(huán)節(jié)，其中，結(jié)晶器的流場形態(tài)對夾雜物控制非常重要。

3．4．1 電磁攪拌技術(shù)

電磁力可以充分改變鑄坯內(nèi)部的流場形態(tài)［51］，加快鋼中夾雜物的去除，提高鑄坯質(zhì)量。Timken Harrison 鋼廠采用鑄坯外部電磁攪拌改善了鋼的潔凈度，使方坯的全氧含量從30 ppm 降低至20 ppm［51］。

目前，比較先進的電磁攪拌方法是多模式電磁攪拌。多模式電磁攪拌(MM －EMS)使用了4 個電磁攪拌器，安裝在結(jié)晶器高度方向上的中間位置，位于背板后，浸入式水口兩側(cè)各兩個［52］，如圖12 所示。

這樣，多模式電磁攪拌安裝在同一臺連鑄機上，將三種電磁攪拌功能，即減速(EMLS)、加速(EMLA)和旋轉(zhuǎn)(EMRS)，結(jié)合起來并應(yīng)用鑄坯缺陷分析、流體力學(xué)及磁流體力學(xué)計算的技術(shù)和成果，可以動態(tài)的控制鑄坯的質(zhì)量。POSCO 的3 號板坯連鑄機與和光陽廠的1 ～3 號連鑄機應(yīng)用了此技術(shù)，生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，高速澆鑄時，EMLS 可以使彎月面的鋼水流速降低50%左右;低速澆鑄時，EMLA 可使彎月面處鋼水流速提高25%左右。EMRS 使彎月面鋼水產(chǎn)生選裝運動，流速可達0．35 m/s，并且可以消除彎月面7 mm ～9 mm 以內(nèi)的波動，鑄坯皮下缺陷可減少40%，頭坯表面夾渣、針孔減少40% ～75%。

圖12 多模式電磁攪拌4 個攪拌器對鋼液運動的影響［52］

3．4．2 電磁制動技術(shù)

電磁制動原理的具體示意圖如圖13 所示。

圖13 電磁制動原理圖

從圖13 可以看出，電磁制動原理主要是在水口區(qū)域及周邊區(qū)域設(shè)置與水口出口流股垂直的恒穩(wěn)磁場，即在板坯結(jié)晶器的兩個寬面處外加一對恒定的磁場，在連鑄生產(chǎn)中，直流磁場可以用來控制金屬熔體的流動，當(dāng)導(dǎo)流體流過磁場時，在流體內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電流，形成一個與導(dǎo)電流體速度相反的洛侖磁力，抑制流體的漩渦度和湍流度，緩和流體的速度。從而，擴大了非金屬夾雜物的上浮區(qū)。

上海大學(xué)的劉太楷等人采用Fluent 軟件對板坯結(jié)晶器偏流下電磁制動去除夾雜物進行了模擬分析，研究結(jié)果如圖14 所示。

圖14 不同磁場下，不同粒徑夾雜物的去除率［53］

從圖14 可以看出，在自由液面下270 mm 施加磁場后，隨著水口滑板開啟率的減小，夾雜物的去除率增加，且隨著磁場強度的增加，夾雜物的去除率也隨之增加。在350 mm 處施加磁場后，水口滑板開啟率和磁場大小的改變對夾雜物的去除率影響較小，此時各粒徑夾雜物顆粒去除率與在270 mm 處施加磁場時的去除率明顯增加［53］。美國的Berkeley公司使用電磁制動后，在拉速為5 m/min 時，鋼液的沖擊深度有15 mm 降低到5 mm，保護渣卷入所產(chǎn)生的缺陷減少了90%［52］。東北大學(xué)戰(zhàn)東平等人對梅鋼2#連鑄機采用的FC－Mold 全幅二段電磁制動器對鋼中非金屬夾雜物的影響進行了研究，結(jié)果表明，采用電磁制動后，鑄坯中心的夾雜物總個數(shù)少于未采用電磁制動的鑄坯，邊部的夾雜物個數(shù)是未采用電磁制動鑄坯的2．06 倍。而且，未采用電磁制動鑄坯中含K、Na 的夾雜物明顯多于采用電磁制動鑄坯，說明了電磁制動可以明顯地降低結(jié)晶器液面波動，有助于減少卷渣幾率［54］。

3．5 恒拉速連鑄

連鑄過程中結(jié)晶器保護渣“卷渣”主要發(fā)生在“非穩(wěn)態(tài)澆鑄”階段，即拉速發(fā)生較大波動的時期。拉速如果發(fā)生較大的變化，結(jié)晶器內(nèi)鋼水的正常流動會收到擾亂，容易造成卷渣，被鑄坯坯殼捕捉成為鋼中的非金屬夾雜物。

北京科技大學(xué)王新華對寶鋼IF 鋼拉速變化對鑄坯表層夾雜物含量進行了研究，如圖15 所示。圖15(a)是拉速從0．6 m/min 穩(wěn)定升至1．4 m/min 過程中夾雜物含量變化曲線，圖15(b)是拉速由1．4 m/min穩(wěn)定升至0．6 m/min 過程中夾雜物含量變化曲線。

圖15 拉速變化過程澆鑄鑄坯表層中夾雜物含量變化［55］

從圖15 可以看出，升拉速時，對保護渣卷渣的影響主要發(fā)生在提升到高拉速后停止升速階段，而低拉速時啟動升速和隨后均勻升速對鑄坯夾雜物含量影響不大;而降拉速時，對結(jié)晶器保護渣卷入的影響主要發(fā)生在降速初期，而隨后的降速和低拉速下停止降速對夾雜物含量影響不大［55］。

4 結(jié)語

鋼中夾雜物控制是一個包括原材料質(zhì)量穩(wěn)定控制、高爐煉鐵穩(wěn)定生產(chǎn)、鐵水高效預(yù)處理、高效煉鋼和精煉、嚴密保護且穩(wěn)定澆注的系統(tǒng)工程;其中生產(chǎn)過程穩(wěn)定控制，包括原材料質(zhì)量的穩(wěn)定控制、煉鋼和精煉過程自動化與精準控制、連鑄恒拉速穩(wěn)定生產(chǎn)等是潔凈鋼穩(wěn)定生產(chǎn)的基本保障;同時，轉(zhuǎn)爐復(fù)吹、轉(zhuǎn)爐滑板擋渣、中間包密封、中間包加熱、結(jié)晶器電磁制動等新技術(shù)的應(yīng)用顯著地促進了夾雜物控制水平的提高，成為新一代高潔凈鋼生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。

另一方面，許多夾雜物控制新技術(shù)還正在研發(fā)和完善中，精煉和連鑄過程中氣泡浮選夾雜物技術(shù)、真空碳脫氧、固體電解質(zhì)脫氧等新技術(shù)的研發(fā)給夾雜物控制技術(shù)的發(fā)展帶來了無限的想象。

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