中間包冶金過程模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

田 源

中國第一重型機械有限集團公司

中間包冶金過程模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

田 源

中國第一重型機械有限集團公司

近些年來，我國的經(jīng)濟飛速發(fā)展，鋼鐵冶金業(yè)也得到了長足的進步，社會對于鋼鐵冶金的要求也越來越高。隨著鋼鐵產(chǎn)業(yè)中連鑄比的不斷提高，中間包內(nèi)鋼液流態(tài)會發(fā)生變化，中間包熔池液面波動、熔池溫度分布、各流出口溫度差異更加難以控制，直接影響著鑄坯的質(zhì)量。采用數(shù)學物理模擬方法能夠很好的設計或優(yōu)化中間包結(jié)構(gòu)和控流擋墻結(jié)構(gòu)，提高中間包冶金效果。

中間包、冶金過程模擬、結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 中間包冶金技術(shù)綜述

中間包是鋼水罐與結(jié)晶器之間的過渡容器，傳統(tǒng)的中間包由包體、包蓋、水口和控流裝置組成，本公司所用中間包是水桶式中間包和橢圓帶擋墻式中間包。包體的外殼一般用厚度為12～20mm的鋼板焊成，要求具有足夠的剛性，長期在高溫環(huán)境下承受澆鑄，搬運，清渣和翻包等操作時結(jié)構(gòu)不變形。中間包內(nèi)襯有耐火材料。中間包內(nèi)設有擋墻結(jié)構(gòu)，用于隔離鋼水罐注流對中間包鋼液的擾動，使中間包內(nèi)鋼液的流動更合理，有利于夾雜物的分離和上浮。隨著連鑄技術(shù)的發(fā)展，對中間包內(nèi)襯、滑動水口和浸入式水口的耐火材料的質(zhì)量要求越來越高，以避免侵蝕后進入鋼液。中間包蓋主要用于保溫，減少鋼液的散熱損失。一般小容量為整體形，大容量可由幾部分組成。包蓋用鋼板焊成，內(nèi)襯耐火材料，包蓋上設有鋼流注孔、塞棒孔和加熱孔。

中間包的一個重要參數(shù)就是中間包容量，一般情況下，我們?nèi)′撍奕萘康?0%-40%，小容量鋼水罐取最大值，大鋼水罐取最小值。為了保證多爐連澆時的鑄坯質(zhì)量，其儲存的鋼液，應大于換包所需的時間。鋼液在中間包內(nèi)的停留時間和中間包容量及鑄速有關(guān)，為了使鋼液在中間包內(nèi)有必要的停留時間，應根據(jù)鑄速來核算中間包的容量。

2 中間包擋墻技術(shù)和中間包冶金的作用

在一個上下有完全隔開的耐火材料上，設置若干個不同尺寸和傾角的孔洞。鋼液根據(jù)需要的方向流過孔洞，其通過導流擋板后的流速和方向由孔的大小和方向決定，這就是控流擋墻。英國鋼鐵廠的實踐表明，在六流中間包中采用不對稱、能承受7小時以上澆鑄的陶瓷質(zhì)導流擋板后，與不設控流裝置的中間包冶金效果相比，內(nèi)、外側(cè)水口的鋼液溫度差降低了7℃，拉漏現(xiàn)象發(fā)生率降低40%，拉坯成型率提高8%，并且無水口堵塞現(xiàn)象。實驗的中間包有兩種形式。一種是設上、下?lián)踉鼔?，而另一種在第一種基礎之上又加了多孔導流擋板。大量實驗證明：帶有導流擋板的中間包中流向各水口的鋼液成分和溫度更加均勻，從內(nèi)側(cè)水口流出的鋼液的平均停留時間比前者延長了35%，但對于從外側(cè)水口流出的鋼液來說，平均停留時間卻略縮短。

生產(chǎn)實踐中總結(jié)出中間包主要有以下作用：澆鑄作用：換鋼水罐時需要通過中間包存儲的鋼液來起到銜接的作用；分流作用：多流連鑄機的多水口必須通過中間包對鋼液進行分流；保護作用：通過保護裝置(例如液面的覆蓋劑、長水口以及其他保護措施)，可以減少中間包中的鋼液受到外界環(huán)境帶入的各類污染。減壓作用：鋼水罐內(nèi)液面高度落差一般在5-6m，有很大沖擊力，可以用于穩(wěn)定在鋼液澆注的過程中，鋼液對結(jié)晶器凝固坯殼的沖刷，另外在澆注過程中鋼液的液面變化幅度也很大。由于中間包液面高度比鋼水罐液面低得多，也使得液面的變化幅度小得很多。

作為鋼液凝固之前所經(jīng)過的最后一個耐火材料容器，必須盡可能地防止鋼液吸收空氣以及耐火材料的氧，防止造成二次氧化，必須使鋼液中的非金屬夾雜物上浮并及時排除掉，這樣才能使鋼液滿足純凈鋼的技術(shù)要求。另外，要想保持煉鋼生產(chǎn)線能夠連續(xù)運轉(zhuǎn)，必須使所有的鋼液能順利通過中間包。在整個生產(chǎn)線中，中間包壽命是關(guān)鍵一環(huán)。當轉(zhuǎn)爐濺渣護爐技術(shù)推廣應用后，轉(zhuǎn)爐壽命大幅度增加，這時只要中間包不損毀，整個生產(chǎn)線就能維持運轉(zhuǎn)，所以中間包的運轉(zhuǎn)成為煉鋼廠的限制環(huán)節(jié)。提高中間包耐火材料壽命，以及在線更換易損毀的原件，也是對中間包的要求之一。

3 中間包冶金過程模擬方法

3.1 冶金過程物理模擬

冶金工作者們對于冶金反應器內(nèi)的液體運動行為和溫度分布已經(jīng)開展了相當廣泛的研究工作，盡管從理論上的研究較多，但是針對不同工藝參數(shù)條件，研究內(nèi)容依然存在較多不同。研究者們大多采用建立數(shù)學模型的方法對此類行為進行研究，然而，數(shù)學模型的準確性直接影響了計算結(jié)果的可信度。而對于物理模擬方面，如何模擬中間包內(nèi)的溫度場分布依舊是困擾實驗室研究工作的難題。為此，依據(jù)數(shù)學物理模擬中間包內(nèi)鋼液流動行為和數(shù)學模擬溫度分布來判斷研究結(jié)果的準確性，為中間包結(jié)構(gòu)設計提供理論依據(jù)。

冶金系統(tǒng)中，流體的流動、傳熱、傳質(zhì)和冶金反應同時發(fā)生，而且在高溫下進行，很難對這些現(xiàn)象完全加以模擬。只能進行局部、冷態(tài)或者單元過程的模型實驗。在針對冶金過程的物理模擬中，因為鋼液的流動對傳熱、傳質(zhì)、混合和返混等有較為重大的影響，所以對流動現(xiàn)象的模擬最為廣泛。

物理模擬有兩種類型。一種是完全模擬，它以精確的物理模型，嚴格地按照相似原理構(gòu)造模型，可以直接對實驗結(jié)果進行比例放大。另一種是部分模型，也就是以半精確模型，對冶金過程只能做到部分模擬，研究其中的較為關(guān)鍵的物理現(xiàn)象，實驗結(jié)果可借助數(shù)學模型應用于實際系統(tǒng)。

3.2 冶金過程水力學模擬

根據(jù)水力學物理模擬的實驗特點，為更加節(jié)省人力、物力，水力學模擬實驗針對中間包結(jié)構(gòu)設計思路而制定了控流擋墻主次因素實驗方案和不同設計間對比實驗方案，以達到與數(shù)值模擬結(jié)論相互驗證的目的。如果控流擋墻正交試驗測定影響中間包控流擋墻各因素主次順序的水力學模擬與數(shù)模實驗結(jié)論吻合，即可證明中間包控流擋墻設計思路的正確性。如果針對數(shù)值模擬設計方案而進行的水力學模擬實驗得出了與數(shù)值模擬相同或相近的結(jié)論，即可證明中間包結(jié)構(gòu)設計的準確性。

[1]董水秀.中間包冶金過程模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].遼寧科技大學，2012.

[2]楊小容.連鑄中間包內(nèi)鋼中夾雜物運動行為模擬研究[D].武漢科技大學，2004.

[3]許長軍，胡小東，胡林，汪琦，軒宗宇，王欣，陳興偉.中間包導流擋板設計與冶金效果[J].煉鋼，2013，01：69-73.