【正文】 不斷上漲。而鋼鐵企業(yè)又是消耗能源的主要部門，如果采用模注——開坯工藝生產(chǎn)生產(chǎn)小型材，能源消耗很大；若采用小方坯連鑄工藝，不僅節(jié)省了開坯工序，還可實現(xiàn)一火成材，這就大大節(jié)約了能源。中小鋼廠在與大型鋼廠的競爭中，優(yōu)先發(fā)展了小方坯連鑄，采用了電爐—小方坯連鑄成材軋機的工藝，取得了最佳的經(jīng)濟效果，進一步促進了小方坯連鑄技術的發(fā)展。為了簡化操作。提高小方坯連鑄機的作業(yè)率，在設備結構上作了許多改進，例如采用剛性引錠桿；為了節(jié)約能源研究了小方坯的熱送工藝；為了適應多品種的要求，研制了小方坯，大方坯，圓坯及板坯兼用型連鑄機。小方坯的流數(shù)一般為1—4流，每流的流間距為900—1200mm。連鑄機的流數(shù)是由煉鋼爐爐容量、澆注時間、澆注斷面及拉速所確定的。與所澆注小斷面連鑄機配合的爐子容量愈大，需要的流數(shù)愈多。小方坯連鑄機配合大容量的爐子，有兩種方法：1. 把澆注時間延長例如300噸鋼水澆注斷面為150 150毫米方坯用8流連鑄機，澆注時間約為140分鐘。為此需要提高出鋼溫度，鋼包、中間題需要很好地預熱，并且應使出鋼到開澆之間的溫降盡量減少，以保證能順利地把全部鋼液澆完。2. 另一種作法是增加連鑄機的流數(shù)，例如采用12流連鑄機。在采用12流時，如果用普通連鑄機，中間題太長操作困難較多，對這個問題，目前國外有以下幾種設想：1)把一包鋼液分成兩包，然后用兩臺六流小方還連鑄機；2)一個大鋼包，用兩個水口，分別澆人兩臺背相布置的六流小方還連鑄機；3)采用密集型連鑄機，將12流分為四組，每組三流，裝在一個框架內，一組流間距為350mm，相鄰兩組兩個結晶器中心距可以作大些。鑄坯斷面尺寸大于220 mm220 mm的為大方坯。由于大方坯連鑄機在澆注優(yōu)質特種鋼和不銹鋼時，可在降低澆注速度、減少鑄坯非金屬夾雜和中心疏松、提高鑄坯質量的前提下，不降低生產(chǎn)能力，并在產(chǎn)品質量和經(jīng)濟合理性方面具有一定的優(yōu)勢，從而逐步取代模鑄成為優(yōu)質特種鋼的主要鑄造工藝。2 研究內容及方案 研究背景隨著鋼鐵技術的發(fā)展，對鋼材的性能要求不斷提高，鋼鐵工業(yè)都對產(chǎn)品規(guī)格、質量提出了更高的要求，合理科學的連鑄流程對提高鑄坯質量有重要意義，受到人們的重視，鋼水從澆注到鑄坯成型經(jīng)歷鋼包、滑動水口、中間包、浸入式水口、結晶器多個中間環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都對鋼液的流動、成分產(chǎn)生一定影響。研究并改進各個中間設備對提高連鑄坯質量有重要意義。 研究目的對連鑄鋼包、滑動水口、中間包、浸入式水口、結晶器內鋼液的流動模式進行研究和分析，保證鋼液流動狀態(tài)的合理性，對防止鋼水二次氧化、延長鋼水在中間包內停留時間、促進夾雜物上浮去除，減少鋼液夾雜物，減少鑄坯裂紋等都具有相當重要的理論和實際意義。 研究內容鋼水從大包開澆到鑄坯成型各個環(huán)節(jié)，包括鋼包、滑動水口、中間包、浸入式水口、結晶器以及現(xiàn)在廣泛使用的各種新技術等的基礎介紹，同時介紹其工作原理，國內外研究現(xiàn)狀進行簡要概括，同時分析其對鋼液流場在不同情況下的影響，改進各個環(huán)節(jié)內不合理設計。3 鋼包內部流場研究 鋼包在連鑄過程中的重要性鋼包作為連鑄過程中盛放鋼水，進行開澆的首要設備，其在澆注過程中的鋼液流動狀態(tài)，特別是在澆注末期時的鋼水流動狀態(tài)，直接影響著鋼液的成分。這些因素在鋼液澆筑過程中是變化的。模鑄改為連鑄后，加上爐外精煉技術的應用，鋼包不再僅僅是運輸和澆注鋼水的容器，同時也是爐外精煉的精煉爐，這就勢必延長鋼水在鋼包內的滯留時間，增加鋼包周轉過程中的操作環(huán)節(jié)，加大了這些因素的變化。所以，很有必要針對實際情況，進行鋼包內鋼液行為的研究，摸清各因素對鋼包鋼液流動狀態(tài)的影響，從而確定這些因素對鋼液流動行為的影響，為加強鋼包在生產(chǎn)周轉過程中的管理和調度，確保連鑄過程中鋼水流場的變化適應澆注過程的工藝需要。 鋼包滑動水口 鋼包滑動水口機構的構成鋼包滑動水口機構是安裝在鋼包底部的裝置，一千多度的鋼水，就是經(jīng)過它進入中間包或激振器內，滑動水口可以隨時開閉，起到控制鋼溫、調節(jié)鋼流的作用，保護著鋼包下面的設備和操作人員的安全?；瑒铀诠に嚹壳耙言谌澜绶秶鷥鹊玫狡占?，我國在鋼包上也基本上都安裝了滑動水口機構[1~3]。鋼包滑動水口主要由耐火材料部分和配套機構部分兩大部分構成。如圖1 所示，由座磚、上水口磚、上滑板、下滑板和下水口磚組成。圖1 滑動水口示意圖為了把上述耐火材料部分固定安裝在鋼包底部，因而需要配套機構部分來實現(xiàn)安裝，其安裝結構示意圖如圖 2 所示[4~6]。圖2 滑動水口配套機構示意圖固定框架：裝上滑板用,固定在鋼包上。滑動框架：裝下滑板用,用來平行位移。開閉框架：連接固定框架,托起滑動框架,施加面壓,安裝下水口磚。下水口頂座：托起下水口磚,將下水口磚與下滑板頂緊。防熱罩、防濺板：防止鋼水飛濺和熱輻射。傳動機構：連接桿、傳動臂,把油缸的垂直動力轉為水平動力,推動下滑板移動。冷卻機構：由風冷管道組成,通過冷風降低機構的溫度,對彈簧進行冷卻,防止變形。驅動機構：由電動缸或油缸組成。 滑動水口的原理鋼包滑動水口機構，就是利用安裝在鋼包底部金屬外殼外面的兩塊用耐火材料制成的平板(上面的稱上滑板，下面的稱下滑板)，并且依靠機械的力量把兩塊滑板壓緊，達到近乎沒有間隙的程度。通過外部的驅動力量，移動下滑板，使上、下滑板產(chǎn)生平行位移，由于上、下滑板上都有同樣大小的澆鑄孔，且上滑板的澆鑄孔與上水口連接，直接連通鋼包內鋼水，下滑板的澆鑄孔連接下水口。當上、下澆鑄孔在移動中重合時，鋼包內鋼水可以通過上水口、上滑板、下滑板、下水口流出，進行澆鑄作業(yè)。當上、下滑板的澆鑄孔錯開時，則澆鑄孔關閉，澆注作業(yè)停止。由于滑板的移動是和水口連接在一起進行的，并且整個機構安裝在鋼包底部，所以稱之為鋼包滑動水口機構[7~8]。 滑動水口機構的常見問題鋼包滑動水口機構是鋼包系統(tǒng)的重要組成部份，是將鋼包內的高溫鋼水安全、穩(wěn)定、可靠地注入中間包的關鍵設備。但該機構在實際使用過程中也存在著不少問題，可以歸納成如下幾點[9~19]： 1．配套機構裝置方面的原因。主要表現(xiàn)在機構加工精度差，使滑動面面壓分布不均勻；所采用的彈簧組件耐高溫能力差，使用壽命短；驅動裝置故障。 2．耐火材質方面的原因。主要表現(xiàn)在座磚耐高溫強度低，上水口磚熱穩(wěn)定性能差，鋼水易滲入縫隙發(fā)生漏鋼；滑板磚不耐鋼水的侵蝕和沖刷，在澆鑄含 Ca，Mn 的鋼水時，易在鑄孔邊緣形成“馬蹄形熔損”下水口磚在使用時受熱應力的影響易產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。 3．操作方面的原因。主要表現(xiàn)在當鋼包不能自動開澆時，采用燒氧開澆造成滑板滑動面的燒壞；滑板的滑動面有鋼渣沒有清理干凈，導致兩滑板機構之間有縫隙。 引流砂滑動水口引流料是充填在滑動水口上水口、上滑板流鋼孔中的不定形耐火材料。在開澆時，它能使鋼包內的鋼水順流而下。 引流砂的工作原理鋼包鋼水自動開澆是指盛鋼水的鋼包在將其滑板打開后，鋼水能自動從鋼包中流出，順利地澆注到中間包內。其開澆原理為：當鋼水與引流砂接觸后，高溫鋼水會使上部的引流砂形成很薄的燒結層，打開滑板時，燒結層下面的引流砂受重力作用順上水口、滑板及下水口流出，從而使燒結層形成空殼；鋼水靜壓力壓破形成空殼的燒結層而使鋼水從水口自動流出。 引流砂對鋼包開澆率的影響引流砂質量是影響開澆率的主要因素之一。就引流砂本身而言，不能自動開澆主要有以下原因：1．引流砂的燒結層過厚，鋼水靜壓不能將其沖開；2．鋼水浸入引流砂的顆粒間并且凝固；3．引流砂的顆粒本身有棱角，或者受熱膨脹過大，流動性變差。為此，要求引流砂具備以下條件：1．不過度燒結；2．抗鋼水滲透性好；3．流動性好。 引流砂的填充狀態(tài)填充料的充填狀態(tài)包括填充料的裝入量，填充料在鋼包滑動水口內的堆積形狀等。生產(chǎn)中，若填充料的狀態(tài)不好，則易使鋼包滑動水口堵塞，自然開澆率降低。當填充料的裝人量不足時，填充料不能填滿滑動水口，鋼液進人水口冷區(qū)凝固而堵塞；當加入足夠的填充料，則可阻止鋼液進入水口，減輕堵塞程度，有利于提高自然開澆率。在現(xiàn)場，填充料的裝入一般是通過手工操作進行。由于工作條件惡劣，在裝入填充料時，會出現(xiàn)如圖3所示三種堆積狀態(tài)。對ｂ，ｅ兩種堆積狀態(tài)而言，填充料經(jīng)鋼液沖刷后，鋼水很容易進入鋼包滑動水口內凝固，導致滑動水口堵塞而不能自然開澆。生產(chǎn)試驗表明，填充料在滑動水Ｉｑ內填充飽滿時（如ａ所示），滑動水1：3堵塞減輕，自然開澆率明顯提高。圖3 滑動水口內填充料的堆積狀態(tài) 鋼包下渣系統(tǒng) 下渣系統(tǒng)概述在連鑄中，鋼水從鋼包出水口出流到中間包，再從中間包出水口進入結晶器。如果鋼包渣流入中間包就會導致鋼渣的積聚，使連鑄不能正常進行：而中間包的鋼渣進入結晶器會降低鑄坯潔凈度，甚至造成拉漏事故。由于連鑄生產(chǎn)的重要性，連鑄鋼包到中間包的下渣檢測技術成為目前研究的重點。連鑄過程中，由鋼包進入中間包的鋼渣量，對連鑄操作和最終產(chǎn)品質量都有著至關重要的影響。鋼包中隨鋼流進入中間包的鋼渣量，將導致中間包中渣層厚度的不斷增加。而中間包中鋼渣過多，不僅會降低鋼坯的表面清潔度，而且還將加速中間包耐火材料的腐蝕，同時中間包中的渣殼重量也會同步增加，從而影響了連鑄的進行。因而要生產(chǎn)高質量的連鑄坯，最根本的一點就是減少由鋼包進入中間包的鋼渣量，并使之達到合理的最小值.為了能夠在鋼水澆鑄過程中準確判定鋼包澆注終點，目前國內一般采用以下兩種手段：1．通過肉眼觀察[20]一般鋼包向中間包澆注時，為防止鋼水二次氧化，均采用長水口(保護套管)保護鋼流。為判定鋼包澆注終點，只能通過鋼包重量變化一種手段，包襯重量由于侵蝕不斷變化，轉爐出鋼時下渣量每爐均不同，這些因素均影響了澆鋼終點判斷的準確性。只好采用提前拆去長水口，人工肉眼觀察來判定澆鑄終點，在這段時間內鋼水將嚴重二次氧化。同時，澆注工通過鋼水的顏色特征來區(qū)分鋼和鋼渣，由于出鋼時的濃煙和強光，發(fā)現(xiàn)鋼渣是一件困難的事情。因此拆除長水口后，肉眼觀察是否下渣時，往往下渣量已很大了，甚至流股變?yōu)槿鼤r，才能分辨出是否混渣，然后再關閉滑動水口，此時已有大量鋼渣進人了中間包，為避免大量鋼渣進人中間包情況發(fā)生，操作工不得不提前關閉水口，尤其對嚴格要求品質的鋼種更是如此，這樣就造成鋼包中殘鋼量上升，降低了鋼水收得率，從而使經(jīng)濟效益降低。從操作工的勞動保護角度看，長期用肉眼觀察鋼水帶渣情況會造成視力下降。2．通過重量進行分析[21]這種方法是通過安裝在鋼包上的稱重設備來對鋼包的重量來進行實時監(jiān)控。在澆注時根據(jù)鋼包重量的變化來檢側是否己經(jīng)下渣。由于鋼水和鋼渣的比重差別較大，同時包襯的重量由于侵蝕而不斷變化，而且每包的出鋼量也不同，還有水口變化等因素都會影響到下渣的準確判斷，因此這種方法應用很少，只能作為肉眼觀察法的輔助手段。而要解決目前國內下渣檢測中的這些問題，就需要鋼渣的自動檢測技術。 現(xiàn)有下渣檢測方法介紹1．紅外技術實現(xiàn)鋼渣檢測[22]該方法是一種基于非接觸式的鋼渣檢測系統(tǒng)的概念：它的中心部件是一架照相機，用于采集紅外線波長范圍的輻射能。因為鋼水和鋼渣顯示出不同的輻射特性，使得通過許多紅外線波長范圍內釋放的輻射密度來區(qū)別鋼水和鋼渣成為可能。這種方法的優(yōu)點是系統(tǒng)可靠，能準確反映出鋼渣含量。其缺點是在檢測中鋼流不能被遮擋，如用于鋼包到中間包的下渣檢測，則必須除去長水口，而這樣就會引起鋼水的二次氧化，所以目前一般不用于鋼包的下渣檢測中，主要應用于轉爐下渣檢測中。2．電磁檢測方法[22]該檢測系統(tǒng)的關鍵部件是傳感器，傳感器的安裝位置見圖4。傳感器埋設在鋼包底水口同心位置的下座磚內。圖4 傳感器安裝位置示意圖這種方法的優(yōu)點是系統(tǒng)可靠，能反映出鋼流混渣量。缺點是傳感器工作環(huán)境惡劣，需要經(jīng)常更換，制造與使用成本高。3．超聲波檢測方法[23]超聲波檢測方法的原理是利用當有渣和無渣時超聲波發(fā)出信號和反射信號的差別來實現(xiàn)對鋼渣的檢測。超聲波在鋼渣的檢測中可以有兩種方案。第一種是采用浸入式的超聲波探頭。如圖5所示。圖5 浸入式超聲波檢測原理示意圖浸入式的超聲波探頭由壓電晶體、低碳鋼波導和一個安裝在石墨支撐架上的反射器組成。鋼水和鋼渣可以通過這個反射器。通過超聲波脈沖發(fā)生器發(fā)出超聲波，超聲波遇到底壁時將反射回來，反射回來的信號被接收探頭接收，并且加以放大轉換為電信號，然后讓它在示波器上顯示。此種方法的優(yōu)點是對澆注過程沒有影響。但是，它只有在鑰渣流到中間包以后才能檢測出來。這樣會在檢測到下渣時，會有一定的下渣量存在。而且超聲波探頭的工作溫度高達1500℃，系統(tǒng)的使用費用比較高。而中間包內保護渣層的存在也會給鋼渣的檢測帶來問題。第二種方法是在鋼包的側壁上裝上超聲波探頭。此種方法的優(yōu)點是在鋼渣流進中間包以前就可以檢測出下渣。但需要對鋼包進行改造，而且超聲波探頭的工作環(huán)境也比較惡劣，工作溫度高達700~800℃，制造和使用的費用較高。 鋼包覆蓋劑合適的鋼水溫度是保證鋼水順利澆鑄成合格鋼錠的必要條件。為了避免鋼包內的鋼水直接裸露在空氣中，造成澆鑄過程中的鋼水溫降過快，必須在轉爐出鋼后向鋼水表面加入一定量的鋼水保溫劑進行保溫，保溫劑保溫效果的好壞對鋼錠質量的影響較大。 傳統(tǒng)鋼包覆蓋保溫劑傳統(tǒng)的覆蓋保溫劑使用的是碳化稻殼，炭化稻殼是采用稻米加工過程中產(chǎn)生的稻殼作為原料，經(jīng)過充分碳化處理后的產(chǎn)物。它具有容量小、熱容小、熔點高及不易侵蝕耐材等特點。但也存碳化稻殼的鋪展性差，隔熱保溫作用不理想等缺點。 新型鋼包覆蓋保溫劑由于碳化稻殼在保溫性能上存在著一定的缺陷，已不能滿足煉鋼工藝的要求，新型鋼水覆蓋劑的開發(fā)已勢在必行。在新型鋼包覆蓋劑的研制中，針對碳化稻殼性能上存在的主要缺陷在成分設計上重點改進以