【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(kāi)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(kāi)坯工序，還可實(shí)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(jìng)爭(zhēng)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(jī)的工藝，取得了最佳的經(jīng)濟(jì)效果，進(jìn)一步促進(jìn)了小方坯連鑄技術(shù)的發(fā)展。為了簡(jiǎn)化操作。提高小方坯連鑄機(jī)的作業(yè)率，在設(shè)備結(jié)構(gòu)上作了許多改進(jìn)，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(yīng)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(jī)。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(jī)的流數(shù)是由煉鋼爐爐容量、澆注時(shí)間、澆注斷面及拉速所確定的。與所澆注小斷面連鑄機(jī)配合的爐子容量愈大，需要的流數(shù)愈多。小方坯連鑄機(jī)配合大容量的爐子，有兩種方法：1. 把澆注時(shí)間延長(zhǎng)例如300噸鋼水澆注斷面為150 150毫米方坯用8流連鑄機(jī)，澆注時(shí)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(yù)熱，并且應(yīng)使出鋼到開(kāi)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(jī)的流數(shù)，例如采用12流連鑄機(jī)。在采用12流時(shí)，如果用普通連鑄機(jī)，中間題太長(zhǎng)操作困難較多，對(duì)這個(gè)問(wèn)題，目前國(guó)外有以下幾種設(shè)想：1)把一包鋼液分成兩包，然后用兩臺(tái)六流小方還連鑄機(jī)；2)一個(gè)大鋼包，用兩個(gè)水口，分別澆人兩臺(tái)背相布置的六流小方還連鑄機(jī)；3)采用密集型連鑄機(jī)，將12流分為四組，每組三流，裝在一個(gè)框架內(nèi)，一組流間距為350mm，相鄰兩組兩個(gè)結(jié)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(jī)在澆注優(yōu)質(zhì)特種鋼和不銹鋼時(shí)，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(zhì)量的前提下，不降低生產(chǎn)能力，并在產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)合理性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，從而逐步取代模鑄成為優(yōu)質(zhì)特種鋼的主要鑄造工藝。2 研究?jī)?nèi)容及方案 研究背景隨著鋼鐵技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋼材的性能要求不斷提高，鋼鐵工業(yè)都對(duì)產(chǎn)品規(guī)格、質(zhì)量提出了更高的要求，合理科學(xué)的連鑄流程對(duì)提高鑄坯質(zhì)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(dòng)水口、中間包、浸入式水口、結(jié)晶器多個(gè)中間環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)鋼液的流動(dòng)、成分產(chǎn)生一定影響。研究并改進(jìn)各個(gè)中間設(shè)備對(duì)提高連鑄坯質(zhì)量有重要意義。 研究目的對(duì)連鑄鋼包、滑動(dòng)水口、中間包、浸入式水口、結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)模式進(jìn)行研究和分析，保證鋼液流動(dòng)狀態(tài)的合理性，對(duì)防止鋼水二次氧化、延長(zhǎng)鋼水在中間包內(nèi)停留時(shí)間、促進(jìn)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(dāng)重要的理論和實(shí)際意義。 研究?jī)?nèi)容鋼水從大包開(kāi)澆到鑄坯成型各個(gè)環(huán)節(jié)，包括鋼包、滑動(dòng)水口、中間包、浸入式水口、結(jié)晶器以及現(xiàn)在廣泛使用的各種新技術(shù)等的基礎(chǔ)介紹，同時(shí)介紹其工作原理，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要概括，同時(shí)分析其對(duì)鋼液流場(chǎng)在不同情況下的影響，改進(jìn)各個(gè)環(huán)節(jié)內(nèi)不合理設(shè)計(jì)。3 鋼包內(nèi)部流場(chǎng)研究 鋼包在連鑄過(guò)程中的重要性鋼包作為連鑄過(guò)程中盛放鋼水，進(jìn)行開(kāi)澆的首要設(shè)備，其在澆注過(guò)程中的鋼液流動(dòng)狀態(tài)，特別是在澆注末期時(shí)的鋼水流動(dòng)狀態(tài)，直接影響著鋼液的成分。這些因素在鋼液澆筑過(guò)程中是變化的。模鑄改為連鑄后，加上爐外精煉技術(shù)的應(yīng)用，鋼包不再僅僅是運(yùn)輸和澆注鋼水的容器，同時(shí)也是爐外精煉的精煉爐，這就勢(shì)必延長(zhǎng)鋼水在鋼包內(nèi)的滯留時(shí)間，增加鋼包周轉(zhuǎn)過(guò)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(duì)實(shí)際情況，進(jìn)行鋼包內(nèi)鋼液行為的研究，摸清各因素對(duì)鋼包鋼液流動(dòng)狀態(tài)的影響，從而確定這些因素對(duì)鋼液流動(dòng)行為的影響，為加強(qiáng)鋼包在生產(chǎn)周轉(zhuǎn)過(guò)程中的管理和調(diào)度，確保連鑄過(guò)程中鋼水流場(chǎng)的變化適應(yīng)澆注過(guò)程的工藝需要。 鋼包滑動(dòng)水口 鋼包滑動(dòng)水口機(jī)構(gòu)的構(gòu)成鋼包滑動(dòng)水口機(jī)構(gòu)是安裝在鋼包底部的裝置，一千多度的鋼水，就是經(jīng)過(guò)它進(jìn)入中間包或激振器內(nèi)，滑動(dòng)水口可以隨時(shí)開(kāi)閉，起到控制鋼溫、調(diào)節(jié)鋼流的作用，保護(hù)著鋼包下面的設(shè)備和操作人員的安全?；瑒?dòng)水口工藝目前已在全世界范圍內(nèi)得到普及，我國(guó)在鋼包上也基本上都安裝了滑動(dòng)水口機(jī)構(gòu)[1~3]。鋼包滑動(dòng)水口主要由耐火材料部分和配套機(jī)構(gòu)部分兩大部分構(gòu)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(dòng)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(jī)構(gòu)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)安裝，其安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示[4~6]。圖2 滑動(dòng)水口配套機(jī)構(gòu)示意圖固定框架：裝上滑板用,固定在鋼包上?；瑒?dòng)框架：裝下滑板用,用來(lái)平行位移。開(kāi)閉框架：連接固定框架,托起滑動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)：連接桿、傳動(dòng)臂,把油缸的垂直動(dòng)力轉(zhuǎn)為水平動(dòng)力,推動(dòng)下滑板移動(dòng)。冷卻機(jī)構(gòu)：由風(fēng)冷管道組成,通過(guò)冷風(fēng)降低機(jī)構(gòu)的溫度,對(duì)彈簧進(jìn)行冷卻,防止變形。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：由電動(dòng)缸或油缸組成。 滑動(dòng)水口的原理鋼包滑動(dòng)水口機(jī)構(gòu)，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(jī)械的力量把兩塊滑板壓緊，達(dá)到近乎沒(méi)有間隙的程度。通過(guò)外部的驅(qū)動(dòng)力量，移動(dòng)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(nèi)鋼水，下滑板的澆鑄孔連接下水口。當(dāng)上、下澆鑄孔在移動(dòng)中重合時(shí)，鋼包內(nèi)鋼水可以通過(guò)上水口、上滑板、下滑板、下水口流出，進(jìn)行澆鑄作業(yè)。當(dāng)上、下滑板的澆鑄孔錯(cuò)開(kāi)時(shí)，則澆鑄孔關(guān)閉，澆注作業(yè)停止。由于滑板的移動(dòng)是和水口連接在一起進(jìn)行的，并且整個(gè)機(jī)構(gòu)安裝在鋼包底部，所以稱之為鋼包滑動(dòng)水口機(jī)構(gòu)[7~8]。 滑動(dòng)水口機(jī)構(gòu)的常見(jiàn)問(wèn)題鋼包滑動(dòng)水口機(jī)構(gòu)是鋼包系統(tǒng)的重要組成部份，是將鋼包內(nèi)的高溫鋼水安全、穩(wěn)定、可靠地注入中間包的關(guān)鍵設(shè)備。但該機(jī)構(gòu)在實(shí)際使用過(guò)程中也存在著不少問(wèn)題，可以歸納成如下幾點(diǎn)[9~19]： 1．配套機(jī)構(gòu)裝置方面的原因。主要表現(xiàn)在機(jī)構(gòu)加工精度差，使滑動(dòng)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(qū)動(dòng)裝置故障。 2．耐火材質(zhì)方面的原因。主要表現(xiàn)在座磚耐高溫強(qiáng)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(shí)，易在鑄孔邊緣形成“馬蹄形熔損”下水口磚在使用時(shí)受熱應(yīng)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(dāng)鋼包不能自動(dòng)開(kāi)澆時(shí)，采用燒氧開(kāi)澆造成滑板滑動(dòng)面的燒壞；滑板的滑動(dòng)面有鋼渣沒(méi)有清理干凈，導(dǎo)致兩滑板機(jī)構(gòu)之間有縫隙。 引流砂滑動(dòng)水口引流料是充填在滑動(dòng)水口上水口、上滑板流鋼孔中的不定形耐火材料。在開(kāi)澆時(shí)，它能使鋼包內(nèi)的鋼水順流而下。 引流砂的工作原理鋼包鋼水自動(dòng)開(kāi)澆是指盛鋼水的鋼包在將其滑板打開(kāi)后，鋼水能自動(dòng)從鋼包中流出，順利地澆注到中間包內(nèi)。其開(kāi)澆原理為：當(dāng)鋼水與引流砂接觸后，高溫鋼水會(huì)使上部的引流砂形成很薄的燒結(jié)層，打開(kāi)滑板時(shí)，燒結(jié)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(jié)層形成空殼；鋼水靜壓力壓破形成空殼的燒結(jié)層而使鋼水從水口自動(dòng)流出。 引流砂對(duì)鋼包開(kāi)澆率的影響引流砂質(zhì)量是影響開(kāi)澆率的主要因素之一。就引流砂本身而言，不能自動(dòng)開(kāi)澆主要有以下原因：1．引流砂的燒結(jié)層過(guò)厚，鋼水靜壓不能將其沖開(kāi)；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(guò)大，流動(dòng)性變差。為此，要求引流砂具備以下條件：1．不過(guò)度燒結(jié)；2．抗鋼水滲透性好；3．流動(dòng)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(dòng)水口內(nèi)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(dòng)水口堵塞，自然開(kāi)澆率降低。當(dāng)填充料的裝人量不足時(shí)，填充料不能填滿滑動(dòng)水口，鋼液進(jìn)人水口冷區(qū)凝固而堵塞；當(dāng)加入足夠的填充料，則可阻止鋼液進(jìn)入水口，減輕堵塞程度，有利于提高自然開(kāi)澆率。在現(xiàn)場(chǎng)，填充料的裝入一般是通過(guò)手工操作進(jìn)行。由于工作條件惡劣，在裝入填充料時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如圖3所示三種堆積狀態(tài)。對(duì)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(jìn)入鋼包滑動(dòng)水口內(nèi)凝固，導(dǎo)致滑動(dòng)水口堵塞而不能自然開(kāi)澆。生產(chǎn)試驗(yàn)表明，填充料在滑動(dòng)水Ｉｑ內(nèi)填充飽滿時(shí)（如ａ所示），滑動(dòng)水1：3堵塞減輕，自然開(kāi)澆率明顯提高。圖3 滑動(dòng)水口內(nèi)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?gòu)闹虚g包出水口進(jìn)入結(jié)晶器。如果鋼包渣流入中間包就會(huì)導(dǎo)致鋼渣的積聚，使連鑄不能正常進(jìn)行：而中間包的鋼渣進(jìn)入結(jié)晶器會(huì)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(cè)技術(shù)成為目前研究的重點(diǎn)。連鑄過(guò)程中，由鋼包進(jìn)入中間包的鋼渣量，對(duì)連鑄操作和最終產(chǎn)品質(zhì)量都有著至關(guān)重要的影響。鋼包中隨鋼流進(jìn)入中間包的鋼渣量，將導(dǎo)致中間包中渣層厚度的不斷增加。而中間包中鋼渣過(guò)多，不僅會(huì)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(shí)中間包中的渣殼重量也會(huì)同步增加，從而影響了連鑄的進(jìn)行。因而要生產(chǎn)高質(zhì)量的連鑄坯，最根本的一點(diǎn)就是減少由鋼包進(jìn)入中間包的鋼渣量，并使之達(dá)到合理的最小值.為了能夠在鋼水澆鑄過(guò)程中準(zhǔn)確判定鋼包澆注終點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)一般采用以下兩種手段：1．通過(guò)肉眼觀察[20]一般鋼包向中間包澆注時(shí)，為防止鋼水二次氧化，均采用長(zhǎng)水口(保護(hù)套管)保護(hù)鋼流。為判定鋼包澆注終點(diǎn)，只能通過(guò)鋼包重量變化一種手段，包襯重量由于侵蝕不斷變化，轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)下渣量每爐均不同，這些因素均影響了澆鋼終點(diǎn)判斷的準(zhǔn)確性。只好采用提前拆去長(zhǎng)水口，人工肉眼觀察來(lái)判定澆鑄終點(diǎn)，在這段時(shí)間內(nèi)鋼水將嚴(yán)重二次氧化。同時(shí)，澆注工通過(guò)鋼水的顏色特征來(lái)區(qū)分鋼和鋼渣，由于出鋼時(shí)的濃煙和強(qiáng)光，發(fā)現(xiàn)鋼渣是一件困難的事情。因此拆除長(zhǎng)水口后，肉眼觀察是否下渣時(shí)，往往下渣量已很大了，甚至流股變?yōu)槿鼤r(shí)，才能分辨出是否混渣，然后再關(guān)閉滑動(dòng)水口，此時(shí)已有大量鋼渣進(jìn)人了中間包，為避免大量鋼渣進(jìn)人中間包情況發(fā)生，操作工不得不提前關(guān)閉水口，尤其對(duì)嚴(yán)格要求品質(zhì)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(jì)效益降低。從操作工的勞動(dòng)保護(hù)角度看，長(zhǎng)期用肉眼觀察鋼水帶渣情況會(huì)造成視力下降。2．通過(guò)重量進(jìn)行分析[21]這種方法是通過(guò)安裝在鋼包上的稱重設(shè)備來(lái)對(duì)鋼包的重量來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在澆注時(shí)根據(jù)鋼包重量的變化來(lái)檢側(cè)是否己經(jīng)下渣。由于鋼水和鋼渣的比重差別較大，同時(shí)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(huì)影響到下渣的準(zhǔn)確判斷，因此這種方法應(yīng)用很少，只能作為肉眼觀察法的輔助手段。而要解決目前國(guó)內(nèi)下渣檢測(cè)中的這些問(wèn)題，就需要鋼渣的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。 現(xiàn)有下渣檢測(cè)方法介紹1．紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼渣檢測(cè)[22]該方法是一種基于非接觸式的鋼渣檢測(cè)系統(tǒng)的概念：它的中心部件是一架照相機(jī)，用于采集紅外線波長(zhǎng)范圍的輻射能。因?yàn)殇撍弯撛@示出不同的輻射特性，使得通過(guò)許多紅外線波長(zhǎng)范圍內(nèi)釋放的輻射密度來(lái)區(qū)別鋼水和鋼渣成為可能。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)可靠，能準(zhǔn)確反映出鋼渣含量。其缺點(diǎn)是在檢測(cè)中鋼流不能被遮擋，如用于鋼包到中間包的下渣檢測(cè)，則必須除去長(zhǎng)水口，而這樣就會(huì)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(cè)中，主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐下渣檢測(cè)中。2．電磁檢測(cè)方法[22]該檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是傳感器，傳感器的安裝位置見(jiàn)圖4。傳感器埋設(shè)在鋼包底水口同心位置的下座磚內(nèi)。圖4 傳感器安裝位置示意圖這種方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)可靠，能反映出鋼流混渣量。缺點(diǎn)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(cè)方法[23]超聲波檢測(cè)方法的原理是利用當(dāng)有渣和無(wú)渣時(shí)超聲波發(fā)出信號(hào)和反射信號(hào)的差別來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼渣的檢測(cè)。超聲波在鋼渣的檢測(cè)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(cè)原理示意圖浸入式的超聲波探頭由壓電晶體、低碳鋼波導(dǎo)和一個(gè)安裝在石墨支撐架上的反射器組成。鋼水和鋼渣可以通過(guò)這個(gè)反射器。通過(guò)超聲波脈沖發(fā)生器發(fā)出超聲波，超聲波遇到底壁時(shí)將反射回來(lái)，反射回來(lái)的信號(hào)被接收探頭接收，并且加以放大轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后讓它在示波器上顯示。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)澆注過(guò)程沒(méi)有影響。但是，它只有在鑰渣流到中間包以后才能檢測(cè)出來(lái)。這樣會(huì)在檢測(cè)到下渣時(shí)，會(huì)有一定的下渣量存在。而且超聲波探頭的工作溫度高達(dá)1500℃，系統(tǒng)的使用費(fèi)用比較高。而中間包內(nèi)保護(hù)渣層的存在也會(huì)給鋼渣的檢測(cè)帶來(lái)問(wèn)題。第二種方法是在鋼包的側(cè)壁上裝上超聲波探頭。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是在鋼渣流進(jìn)中間包以前就可以檢測(cè)出下渣。但需要對(duì)鋼包進(jìn)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(dá)700~800℃，制造和使用的費(fèi)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(nèi)的鋼水直接裸露在空氣中，造成澆鑄過(guò)程中的鋼水溫降過(guò)快，必須在轉(zhuǎn)爐出鋼后向鋼水表面加入一定量的鋼水保溫劑進(jìn)行保溫，保溫劑保溫效果的好壞對(duì)鋼錠質(zhì)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(guò)程中產(chǎn)生的稻殼作為原料，經(jīng)過(guò)充分碳化處理后的產(chǎn)物。它具有容量小、熱容小、熔點(diǎn)高及不易侵蝕耐材等特點(diǎn)。但也存碳化稻殼的鋪展性差，隔熱保溫作用不理想等缺點(diǎn)。 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(kāi)發(fā)已勢(shì)在必行。在新型鋼包覆蓋劑的研制中，針對(duì)碳化稻殼性能上存在的主要缺陷在成分設(shè)計(jì)上重點(diǎn)改進(jìn)以