【正文】 中間包冶金 主講教師：閔 義 連鑄理論及工藝 1. 前言 中間包的作用 ? 中間包是煉鋼生產(chǎn)流程的中間環(huán)節(jié)，而且是由間歇操作轉(zhuǎn)向連續(xù)操作的銜接點(diǎn)。中間包作為冶金反應(yīng)器是提高鋼產(chǎn)量和質(zhì)量的重要一環(huán)。無(wú)論對(duì)于連鑄操作的順利進(jìn)行，還是對(duì)于保證鋼液品質(zhì)符合需要，中間包的作用是不可忽視的。 中間包的作用 ? (1)分流作用。對(duì)于多流澆鑄，由多水口中間包進(jìn)行分流。 ? (2)連澆作用。在多爐連澆時(shí)，中間包存儲(chǔ)的鋼液在換鋼包時(shí)起到銜接的作用。 ? (3)減壓作用。盛鋼捅內(nèi)液面高度有 5— 6m，沖擊力很大。在澆鑄過(guò)程中變化幅度也很大。中間包液面高度比鋼包低，變化幅度也小得多，因此可用來(lái)穩(wěn)定鋼液澆鑄過(guò)程，減小鋼流對(duì)結(jié)晶器凝固坯殼的沖刷。 ? (4)保護(hù)作用。通過(guò)中間包液面的覆蓋劑，長(zhǎng)水口以及其他保護(hù)裝置，減少中間也中的鋼液受外界的污染。 對(duì)中間包的要求 ? 滿足純凈鋼生產(chǎn)的要求：中間包是鋼液凝固之前所經(jīng)過(guò)的最后一個(gè)耐火材料容器，對(duì)鋼的質(zhì)量有著重要的影響。應(yīng)該盡可能排除掉鋼水中非金屬夾雜物；防止鋼液吸收空氣以及耐火材料中的氧，避免二次氧化，以滿足純凈鋼的品質(zhì)要求。 ? 滿足連續(xù)生產(chǎn)的要求：轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐技術(shù)的推廣應(yīng)用后，轉(zhuǎn)爐壽命大幅度增加，中間包壽命成為連續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。要求提高中間包耐火材料壽命，以及在線快速更換易損毀元件等。 中間包結(jié)構(gòu) ? 中間包一般由包體、包蓋、水口和控流裝置組成。 ? 中間包容量一般取鋼包容量的 20％ ~40％，小容量鋼包取大值，大容量鋼包小值。 ? 為了保證多爐連澆時(shí)的鑄坯質(zhì)量，其儲(chǔ)存的鋼液，應(yīng)大于換包所需的時(shí)間。鋼液在中間包內(nèi)的停留時(shí)間和中間包容量及鑄速有關(guān)，為使鋼液在中間包內(nèi)有必要的停留時(shí)間，應(yīng)根據(jù)鑄速來(lái)核算中間包的容量。停留時(shí)間縮短，對(duì)排除非金屬夾雜物不利。 中間包種類 ? 中間包的形狀類型很多，包括矩形、三角形、橢圓形、v形、 Y形、 H形等，可根據(jù)車間情況及鑄機(jī)尺寸等選用，以矩形中間包應(yīng)用較多。 ? 如果按其結(jié)構(gòu)分類，大體上可分為板坯連鑄用中間包和小方坯連鑄用中間包。板坯連鑄用中間包用于大型板坯連鑄，板帶類產(chǎn)品對(duì)清潔度要求最為嚴(yán)格，所以國(guó)內(nèi)外關(guān)于矩形板坯連鑄中間包的研究最多。 ? 爐外精煉使鋼液純凈度提高，鋼液和環(huán)境 (大氣、耐火材料等 )間雜質(zhì)濃度差別 (或化學(xué)位差別 )增大，重新污染的可能性和速率都將增大。 ? 爐外精煉后，鋼液溫度是均勻的，而當(dāng)鋼液流過(guò)中間包時(shí)其溫度又會(huì)再次改變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)。 ? 所以，鋼液通過(guò)中間包的過(guò)程中，發(fā)生某些物理和化學(xué)的變化是不可避免的。 ? “中間包冶金”的概念是在 20世紀(jì) 80年代初期提出的，研究成果已為工程時(shí)間所應(yīng)用和檢驗(yàn)。研究?jī)?nèi)容主要為： ? (1)清除鋼液再次污染的來(lái)源，即防止二次氧化、減輕耐火材料侵蝕、減少鋼包渣的卷入以及渣中不穩(wěn)定氧化物的危害。 ? (2)改善鋼液流動(dòng)條件，最大可能去除鋼中非金屬夾雜物；亦即防止短路流，減小死區(qū)，改進(jìn)流線方向，增加鋼液的停留時(shí)間。 ? (3)選擇合適的包襯耐火材料和覆蓋劑，既減輕熱損失又有利于吸收分離和上浮的夾雜物。 ? (4) 控制好鋼液溫度，必要時(shí)增加加熱措施，使鋼液過(guò)熱度保持穩(wěn)定。 中間包冶金的研究方法 ? 作為一種連續(xù)操作的反應(yīng)器，它與轉(zhuǎn)爐、電爐及鋼包等間歇操作反應(yīng)器的概念是不同的。反應(yīng)工程學(xué)的原理得到更多更深入的運(yùn)用。主要研究方法有： ? 物理模擬： 主要是用水模型的方法來(lái)研究中間包流場(chǎng)特征，如速度場(chǎng)，控制元件對(duì)流動(dòng)特征的影響，夾雜物去除的影響等。 ? 數(shù)學(xué)模擬： 用計(jì)算流體力學(xué)方法求解中間包流場(chǎng)。 2 中間包物理模擬 ? 中間包內(nèi)基本的物理現(xiàn)象是鋼液的流動(dòng)，各種冶金過(guò)程都是在流動(dòng)的鋼液中進(jìn)行的，所以研究中間包內(nèi)的流動(dòng)現(xiàn)象是中間包冶金的基礎(chǔ)。 ? 研究證明，用水模型來(lái)研究鋼包、中間包、結(jié)晶器等內(nèi)部的鋼液流動(dòng)不僅是可行的，而且能夠正確反映實(shí)際鋼液流動(dòng)的數(shù)值和規(guī)律。 ? 直接測(cè)量高溫下的鋼液的流速，不僅在測(cè)量技術(shù)方面有難度，而且研究費(fèi)用也很高。在開(kāi)發(fā)新工藝以及改進(jìn)現(xiàn)有工藝時(shí)，模型研究是一種成本低、見(jiàn)效快的可靠工具。 ? 物理模擬的目的 ? 第一個(gè)目的是尋求有利的操作參數(shù)：例如利于鋼液中夾雜物的上浮，設(shè)置控流元件，元件位置、尺寸等參數(shù)可以通過(guò)流場(chǎng)測(cè)量、刺激響應(yīng)技術(shù)、夾雜物模擬等實(shí)驗(yàn)確定。 ? 第二個(gè)目的是找出過(guò)程的某些主要參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，而這些關(guān)系也可應(yīng)用于實(shí)際冶金過(guò)程。 ? 中間包中鋼液的流動(dòng)，是鋼液在重力作用下從盛鋼捅水口流人中間包，然后從中間包水口流出，在這種情況下．一般可視為粘性不可壓縮穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，忽略化學(xué)反應(yīng)的影響。 ? 系統(tǒng)只要滿足幾何相似，運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力學(xué)相似即可，而運(yùn)動(dòng)是動(dòng)力所驅(qū)動(dòng)的，所以中間包鋼液流動(dòng)的物理模擬，需要滿足模型和原型幾何相似和動(dòng)力學(xué)相似。 ? 影響流動(dòng)狀態(tài)的作用力主要有慣性力、重力、粘性力和表面張力。 ? 在中間包冶金過(guò)程的物理模擬中，常用水來(lái)模擬鋼液，考慮等溫流動(dòng)時(shí)，水模型中的流動(dòng)和中間包中鋼液流動(dòng)相似的條件為 Re數(shù)和 Fr數(shù)保持不變，即： ? Fr數(shù)相等時(shí)有： ? Re數(shù)相等時(shí)有： ? 當(dāng)模型與原型為 1： 1時(shí)，可以同時(shí)保證 Fr數(shù)和 Re數(shù)相等，二者相似最為理想。但選用 1： 1模型成本較高，而且試驗(yàn)場(chǎng)地受到限制。 ? 常用的中間包物理模擬方法： ? 同時(shí)考慮 Fr數(shù)和 Re數(shù)相等； ? 只考慮 Fr數(shù)相等， Re數(shù)處于同一自?；瘏^(qū)（即 Re都處于大于第二臨界值時(shí)，湍流程度和流速不受 Re的影響）； ? 同時(shí)考慮 Fr數(shù)和 We數(shù)相等：考慮中間包覆蓋劑的卷入間題時(shí)，需要考慮液體表面張力的作用。要求模型為原型的 倍。 ? 非等溫流動(dòng)的模擬。 停留時(shí)間分布的測(cè)定 ? 中間包是連續(xù)反應(yīng)器。鋼包注流的沖擊，水口處對(duì)鋼液的抽吸以及中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形狀，使中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)狀態(tài)很復(fù)雜。 ? 進(jìn)入中間包中各流體分子或流體微團(tuán)從流入到流出這段過(guò)程中，實(shí)際經(jīng)歷的路徑長(zhǎng)短小一，它們的流速分布也不同，從而在中間包內(nèi)的停留時(shí)間也就各不相同。 ? 流體分子 (或微閉 )在中間包內(nèi)停留時(shí)間的長(zhǎng)短及分布，對(duì)中間包的各種冶金功能有非常重要的影響，因此測(cè)定中間包內(nèi)流體的停留時(shí)間分布，并用來(lái)分析中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀態(tài)及對(duì)其冶金功能的影響。 刺激－響應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù) ? 測(cè)量停留時(shí)間分布，通常應(yīng)用’刺激一響應(yīng)”實(shí)驗(yàn)。此方法在類似于中間包這類非理想流動(dòng)的反應(yīng)器個(gè)得到了廣泛采用。 ? 其方法是：在中間包注入流處輸入一個(gè)刺激信號(hào)，信號(hào)一般使用示蹤劑來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后在中間包出口處測(cè)量該輸入情號(hào)的輸出，即所謂響應(yīng)，從響應(yīng)曲線得到流體在中間包內(nèi)的停留時(shí)間分布。 ? 水模中常用的示蹤劑有：電解質(zhì)、發(fā)光或染色物質(zhì)作為示蹤劑，例如 KCl， NaCl，通常為脈沖式加入。 應(yīng)用原則 ? 響應(yīng)信號(hào)要能夠真正反映反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)的真實(shí)狀態(tài)：應(yīng)用刺激－響應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)遵循以下原則： ? (1)刺激－響應(yīng)過(guò)程必須是線性過(guò)程，刺激估號(hào)在數(shù)量上的變化導(dǎo)致響應(yīng)在相應(yīng)量上的變化是成比例的 ? (2)作為刺激信號(hào)的示蹤劑不能參與反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的任何化學(xué)反應(yīng)，即不會(huì)因反應(yīng)導(dǎo)致示蹤列物質(zhì)的增加或減少。 ? (3)脈沖式加入刺激信號(hào)，示蹤劑應(yīng)瞬時(shí)加入。 ? (4)刺激與響應(yīng)信號(hào)安易于測(cè)量。 停留時(shí)間分布函數(shù) E(t) ? 分子在反應(yīng)器內(nèi)的壽命不相同。但反應(yīng)器中反應(yīng)物分子數(shù)眾多，分子在反應(yīng)器內(nèi)的壽命分布應(yīng)服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。圖 2－ 2為各個(gè)分子在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間的分布規(guī)律，大多數(shù)分子的停留時(shí)間在中等范圍波動(dòng)，壽命極短及極長(zhǎng)的分子都不多，這種分布曲線稱為停留時(shí)間分布函數(shù) E（ t）。其定義為： Edt是進(jìn)入反應(yīng)器的流體中在系統(tǒng)內(nèi)的壽命居于 t和t+dt之間的那部分分子。 ? 通過(guò)反應(yīng)器的全部流體分子可以看作為 1，即： ? 壽命低于 t1的流體所占分率為： ? 壽命高于 t1的流體所占的分率： ? E(t)的均值為： ? E(t)的方差（離散度）： 平均停留時(shí)間 ? 當(dāng)中間包鈉液的體積為 vR，由鑄速所決定的鋼液流出的體積流率為 Q時(shí)，由此可算出平均停留時(shí)間： ? 當(dāng)中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)沒(méi)有死區(qū)現(xiàn)象存在時(shí)，二者計(jì)算的平均停留時(shí)間應(yīng)當(dāng)一致。也就是說(shuō)，鋼液在中間包內(nèi)的實(shí)際停留時(shí)間應(yīng)等于所測(cè)得的 E(t)的數(shù)學(xué)期望。 ? 在實(shí)驗(yàn)中，往往利用兩者的差別來(lái)判斷中間包內(nèi)死區(qū)的大小。 ? 曲線 A： 鋼液流動(dòng)為活塞流，示蹤劑分子和加人前后的流體沒(méi)有混合，經(jīng)過(guò)時(shí)間 tc后全部示蹤劑由水口流出，所以仍然保留脈沖特征。 ? 曲線 B： 如果鋼液流動(dòng)為全混流、示蹤齊脈沖加入后立刻與中間包內(nèi)鋼液混合，混合均勻并立即由水口流出，以后隨著鋼液流出的示蹤劑將逐漸減少、所以 B曲線呈現(xiàn)衰減的曲線特征。 流場(chǎng)顯示及流速測(cè)量的實(shí)驗(yàn)技術(shù) ? 但是建立了合適的模型，還必須有合適的實(shí)驗(yàn)技術(shù)才能得到良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 ? 流場(chǎng)顯示技術(shù)是研究各種復(fù)雜流動(dòng)的有效方法。流場(chǎng)顯示的任務(wù)就是把透明流體 (如水 )的流動(dòng)現(xiàn)象，設(shè)法用圖像顯示出流動(dòng)圖形(流譜 )供定性分析之用，并力求做到根據(jù)這些流動(dòng)圖形作出流場(chǎng)某種物理量的定量測(cè)量，中間包中的許多流動(dòng)現(xiàn)象，例如注流沖擊、卷渣、夾雜物上浮等，都可以通過(guò)流動(dòng)顯示進(jìn)行研究； ? 流動(dòng)測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)代化，不但提供了各種流動(dòng)的流譜，而且還可提供定量的測(cè)量數(shù)據(jù)，如激光測(cè)速法、高速攝影法等技術(shù) 流動(dòng)顯示技術(shù) ? 顯示出來(lái)的流動(dòng)圖形既便于直接觀察，也可用照相或攝影的方法記錄下來(lái)。 ? 最常用的顯示方法是示蹤法。示蹤粒子一般在流動(dòng)的上游即中間包