【正文】 夾雜物的捕獲。圖22概述了M—EMS的冶金機(jī)理和效果。電磁攪拌的基本功能是通過使鋼液產(chǎn)生強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)而起到冰淇淋冷凍機(jī)的作用。 結(jié)晶器電磁攪拌的冶金機(jī)理及效果[36]連鑄過程，鋼水被銅質(zhì)結(jié)晶器和結(jié)晶器下方的噴淋水強(qiáng)制冷卻，然后凝固成針狀，從表面向中心生長，一直到鋼液溫度保持在液相線溫度之上時(shí)都是如此。圖21 安裝在連鑄機(jī)不同位置的電磁攪拌器凝固末端電磁攪拌：安裝在靠近連鑄坯凝固末端處。S—EMS的不足之處是攪拌器安裝在二冷區(qū)，工藝復(fù)雜且易遭損壞。為了解決這一問題，通常采用彌散硬化的銅合金作為結(jié)晶器壁，此外采用低頻供電以增加電磁場的穿透能力，經(jīng)驗(yàn)頻率是1—10Hz。圖 21為不同位置安裝攪拌器的示意圖。 電磁攪拌器的工作原理電磁攪拌的原理與三相異步電動(dòng)機(jī)相似，當(dāng)攪拌器的三對(duì)定子繞組通入三相交流電后，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割鑄坯，在鋼水中產(chǎn)生感應(yīng)電流，載流的鑄坯在旋轉(zhuǎn)磁場作用下產(chǎn)生電磁力，從而形成繞鑄坯中心軸線的電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)鋼液旋轉(zhuǎn)[34]。另外該循環(huán)流還會(huì)抽吸液面上的熔渣，甚至燒結(jié)層的保護(hù)渣顆粒。日本學(xué)者對(duì)斷面為145mm145mm方坯進(jìn)行了水模實(shí)驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，—，對(duì)應(yīng)的攪拌強(qiáng)度最理想。攪拌強(qiáng)度主要由鑄坯凝固前沿所需的流速來確定。圖19 結(jié)晶器電磁攪拌的作用1— 結(jié)晶器；2—彎月面；3—?dú)馀荩?—非金屬夾雜5—等軸結(jié)晶；6—凝殼；7—鋼液；8—浸入式水口合理的攪拌強(qiáng)度是M—EMS正常發(fā)揮其上述作用的關(guān)鍵。而且，凝固前沿鋼液的溫度梯度變小，即加快了過熱度的降低，從而使鑄坯的晶粒細(xì)化，產(chǎn)品致密。同時(shí)射流對(duì)結(jié)晶器壁面的沖刷加劇，進(jìn)而減慢了凝固殼的生長速度。 結(jié)晶器寬度對(duì)流場的影響結(jié)晶器寬度是影響結(jié)晶器流場的重要因素，隨著結(jié)晶器寬度的增加，鋼液流股到達(dá)窄面的行程增加，由于鋼流在前進(jìn)中擴(kuò)散及受粘性阻力的影響，到達(dá)窄面的速度隨結(jié)晶器寬度的增加也將減小，所以對(duì)窄面的沖擊動(dòng)力也將減小，同時(shí)使表面湍流的速度也降低。指定某一個(gè)出孔，其中心線與內(nèi)弧面垂線的夾角，定義為該浸入式水口在結(jié)晶器內(nèi)的安裝角度，記作ɑ。同時(shí)會(huì)造成向下的循環(huán)流股的整個(gè)區(qū)域下移，因此從中間包進(jìn)入結(jié)晶器的鋼液中的夾雜物上浮機(jī)會(huì)減少，并會(huì)有更多的高溫鋼液被帶到結(jié)晶器下部，結(jié)晶器內(nèi)整個(gè)鋼液熱流密度分布下移。研究發(fā)現(xiàn)水口的浸入深度對(duì)液面波動(dòng)和流股的沖擊深度有重要的影響。而采用跑道形出孔時(shí)鋼液出流角度比出孔傾角要大，這將有利于鋼液面的平靜。考慮到方坯用的多孔SEN的特點(diǎn)，在出孔面積比一定的前提下，圓形出孔水口的鋼液出流效果最佳。因此，從前者流出的鋼液速度降低得就快，對(duì)坯殼得沖刷相對(duì)就弱。設(shè)置的臺(tái)階可使浸入式水口各出孔流股均勻，保證結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)的對(duì)稱性和穩(wěn)定性。采用該“X”形浸入式水口澆注的生產(chǎn)實(shí)踐表明：鑄坯中的激冷等軸晶、柱狀晶、心部等軸晶和旋轉(zhuǎn)流線非常明顯，沒有中心縮孔，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量得到明顯改善。采用凹型內(nèi)底水口時(shí)，流股在凹坑內(nèi)得到緩沖，上翻的流股與向下的流股混合，然后再流出水口出孔，使流股流出后向下沖擊速度減小，即沖擊深度減小。不同的形狀將對(duì)鋼液流出狀態(tài)產(chǎn)生不同的影響[30]。減小側(cè)孔孔徑，會(huì)減小流場的不對(duì)稱性。2．浸入式水口出孔面積對(duì)液面波動(dòng)的影響楊秉儉對(duì)側(cè)孔直徑分別為40mm 和50mm的四孔式浸入式水口進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在吹氣量相同的情況下，液面波動(dòng)隨側(cè)孔面積的增大而增大。利用1/3水模型，在滿足最大拉速水流量的情況下，設(shè)計(jì)出內(nèi)徑分別為18mm、19mm、22mm的三種浸入式水口，進(jìn)行水模型試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：大的浸入式水口內(nèi)徑可以減少流股的沖擊深度，減少液面波動(dòng)。圖16 浸入式水口基本類型 結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場的影響因素 浸入式水口結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流場的影響合適的浸入式水口結(jié)構(gòu)是改善結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)狀態(tài)，降低注流沖擊深度、促使結(jié)晶器內(nèi)形成均勻的坯殼并促使夾雜物上浮的重要手段。板坯澆注普遍使用雙側(cè)孔SEN。SEN除了具有保護(hù)鋼流、防止鋼液二次氧化的功能外，還可以改變注流在結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，防止注流沖刷凝固層造成漏鋼和拉裂，減小注流的沖擊深度，促進(jìn)夾雜物在結(jié)晶器內(nèi)上浮，并分散注流帶入的熱量，有利于坯殼的均勻生長。結(jié)晶器的振動(dòng)實(shí)際上是起強(qiáng)制脫模作用，其目的是為了防止初生坯殼與結(jié)晶器之間發(fā)生粘結(jié)而被拉裂。因此，深入了解和控制結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為是提高連鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵。在煉鋼生產(chǎn)中過濾技術(shù)受到限制的主要原因是因?yàn)殇撘簻囟雀咔蚁牧看?。這種結(jié)構(gòu)的中間包可分為兩個(gè)區(qū)域：混合流區(qū)域和柱塞流區(qū)域。矩形中間包由于達(dá)到中間包四個(gè)角部的速度較大，避免了T型中間包只能適用于較小容量冶煉爐的不足，但也帶來了一部分注流到達(dá)包底后直接進(jìn)入近水口，即所謂的貫穿流的缺陷，同時(shí)注流引起的高速湍流也可能將夾雜和爐渣直接帶入近水口。 中間包的改進(jìn)措施中間包改進(jìn)的幾點(diǎn)建議：上述中間包在低拉速情況下勉強(qiáng)可用，不適應(yīng)當(dāng)今高拉速連鑄的要求。5．中間包變形大，造成多流水口難以對(duì)中。2) 難以實(shí)現(xiàn)在換包時(shí)保持恒速澆注。2) 大包注流進(jìn)入中間包落點(diǎn)距中間包水口距離短，或距離各個(gè)水口距離差別太大。許多中間包不僅起不到凈化鋼液，提高產(chǎn)品質(zhì)量的作用，反而將鋼液污染，降低產(chǎn)品質(zhì)量。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)及尺寸合理的抑湍器能延長水口響應(yīng)時(shí)間及平均停留時(shí)間、提高活塞流區(qū)體積分?jǐn)?shù)及降低死區(qū)體積分?jǐn)?shù)，可以防止?jié)茶T區(qū)中間包內(nèi)的渣卷入鋼液及鋼液的二次氧化；適當(dāng)結(jié)構(gòu)及尺寸的抑湍器與單壩組合的控流裝置在控流流體流動(dòng)方面效果極好，其中尤以不帶頂緣的抑湍器與單壩組合最佳。4) 長期使用防湍流墊時(shí)，90%的情況下無需去渣殼。其主要的作用：1) 減少了鋼包開澆時(shí)的噴濺。大包注流造成的強(qiáng)湍流對(duì)澆注區(qū)的流場有很大的影響，它使表面渣層波動(dòng)造成卷渣，強(qiáng)大的沖擊縮短了中間包耐火材料的壽命，形成短路流、旋渦，抑制夾雜物的上浮。一種是內(nèi)設(shè)上、下?lián)鯄?，而另一種在第一種基礎(chǔ)之上又加了多孔導(dǎo)流擋板。圖11 無流動(dòng)控制裝置的中間包內(nèi)鋼水流動(dòng)形態(tài)圖12 加上下?lián)鯄蟮闹虚g包內(nèi)鋼水流動(dòng)形態(tài)2．導(dǎo)流擋板導(dǎo)流擋板是在一個(gè)上下有完全隔開的耐火材料上設(shè)置若干個(gè)不同尺寸和傾角的孔洞制成的。下?lián)鯄梢愿淖冧撘旱牧鲃?dòng)形態(tài)，消除鋼液短路流，促進(jìn)鋼液產(chǎn)生指向表面的流動(dòng)，但下?lián)鯄Φ奈恢脤?duì)鋼液流動(dòng)特征影響不大，上擋墻的位置則沒有影響。擋墻在很大程度上起到控制湍流區(qū)的作用，它將沖擊區(qū)和澆注區(qū)分開，形成相對(duì)獨(dú)立的注流區(qū)和澆注區(qū)。最初使用的有擋墻、擋壩，到后來發(fā)展到多孔擋板、多孔過濾器，以及開槽的壩、沖擊杯、抑湍器等。下藏法防下渣技術(shù)在中間包中的應(yīng)用就是局部降低水口附近的包底，使臨界高度部分以至全部藏入該降低部位之內(nèi)，從下部躲避漩渦，從而達(dá)到減少下渣和提高鋼液收得率的雙重目的。其中H型中間包不僅可以使中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)平穩(wěn)，而且使鋼液停留時(shí)間延長，特別是在更換鋼包時(shí)可以大大減少鋼液面波動(dòng)及卷渣現(xiàn)象，顯著強(qiáng)化了中間包的冶金作用。 中間包各因素對(duì)鋼水流場的影響 中間包內(nèi)部形狀、注流對(duì)多流澆注的影響李潤生等[26]通過水模的正交實(shí)驗(yàn)對(duì)具有加熱功能的四流中間包作了最佳設(shè)計(jì)，并發(fā)現(xiàn)入流稍偏離對(duì)稱軸線時(shí)，會(huì)引起非常靈敏的鋼液偏流。3．采用螺旋喂絲技術(shù)等各種精煉方法可以對(duì)鋼液成分和溫度進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。其核心是高拉速，目的是提高連鑄機(jī)和整個(gè)配套流程的生產(chǎn)效率及鑄坯質(zhì)量。吹入的氣體一般為Ar，通過Ar的攪拌，加速了夾雜物的上浮，使用中間包吹A(chǔ)r技術(shù)，夾雜物的含量降低了25%。喂線技術(shù)為中間包冶金提供了更多的機(jī)會(huì)。3．中間包控流裝置。采用大容量中間包還可以提高連澆時(shí)鋼的清潔度，使換包時(shí)保持穩(wěn)定狀態(tài)，不卷渣又不必降低拉速。為此冶金工作者們就提出了把中間包當(dāng)作連續(xù)的精煉冶金反應(yīng)器的構(gòu)想。圖7連鑄工程中產(chǎn)生夾雜物的來源2．中間包鋼水流動(dòng)過程中，促使鋼中夾雜物進(jìn)一步去除，即盡力延長鋼水平均停留時(shí)間，改善流動(dòng)狀態(tài)，防止擊穿流，減少死區(qū)。為此，人們提出了中間包冶金的概念。4 中間包內(nèi)部流場研究 中間包概述如圖 6 所示，在連鑄工藝流程中，中間包是連接鋼包和連鑄機(jī)結(jié)晶器的一個(gè)中間設(shè)備。3．確保覆蓋劑具有適宜的成渣性能。同時(shí)這種膨脹作用還能使鋼水表面的渣層中形成一個(gè)隔離層，可有效地降低鋼水向外的熱傳導(dǎo)速度，起到隔熱保溫的作用。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)。 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。而中間包內(nèi)保護(hù)渣層的存在也會(huì)給鋼渣的檢測帶來問題。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)澆注過程沒有影響。如圖5所示。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。其缺點(diǎn)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(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中，主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐下渣檢測中。而要解決目前國內(nèi)下渣檢測中的這些問題，就需要鋼渣的自動(dòng)檢測技術(shù)。從操作工的勞動(dòng)保護(hù)角度看，長期用肉眼觀察鋼水帶渣情況會(huì)造成視力下降。為判定鋼包澆注終點(diǎn)，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(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。連鑄過程中，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。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，自然開澆率明顯提高。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，有利于提高自然開澆率。就引流砂本身而言，不能自動(dòng)開澆主要有以下原因：1．引流砂的燒結(jié)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(dòng)性變差。在開澆時(shí)，它能使鋼包內(nèi)的鋼水順流而下。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。 滑動(dòng)水口機(jī)構(gòu)的常見問題鋼包滑動(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。通過外部的驅(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。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)?；瑒?dòng)框架：裝下滑板用,用來平行位移。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。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，這就勢必延長鋼水在鋼包內(nèi)的滯留時(shí)間，增加鋼包周轉(zhuǎn)過程中的操作環(huán)節(jié)，加大了這些因素的變化。 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。鑄坯斷面尺寸大于220 mm220 mm的為大方坯。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。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)。當(dāng)前世界能源緊缺，燃料不斷上漲。目前各國生產(chǎn)的小方坯斷面一般在9090～160160 mm2方坯，小于9090 mm2的小方坯的拉速快，澆注難度大，鑄坯質(zhì)量較差，目前已較少生產(chǎn)。4．高水平的人員素質(zhì)現(xiàn)代化連鑄機(jī)是機(jī)械、電氣、儀表、自動(dòng)化控制等技術(shù)高密集的設(shè)備 ，液態(tài)的凝固又是很復(fù)雜的相變和傳熱過程，因此一只知識(shí)面廣操作技術(shù)和管理水平高、能適應(yīng)連鑄生產(chǎn)和維修的職工隊(duì)伍是必要的做好職工的培訓(xùn)和知識(shí)更新、提高連鑄工作者的素質(zhì)是搞好連鑄生產(chǎn)的重要條件。4．提高了生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化水平, 為勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高及企業(yè)的現(xiàn)代化管理升級(jí)創(chuàng)造了有利條件。與模鑄—初軋開坯工藝相比,連鑄工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：1．簡化了鑄坯生產(chǎn)的工藝流程, 省去了模鑄工藝的脫模、整模、鋼錠均熱和開坯工序, 基建投資可節(jié)省40%,占地面積可減少30%, 操作費(fèi)用可節(jié)省40%, 耐火材料的消耗可減少15% 。在連鑄新技術(shù)研究開發(fā)方面，進(jìn)行了高效連鑄技術(shù)、近終形連鑄技術(shù)、電磁連鑄技術(shù)、特殊鋼連鑄技術(shù)、連鑄坯凝固控制技術(shù)和雙輥薄帶連鑄技術(shù)等方面的工作。某些小方坯(120mm或 150mm)連鑄機(jī)的年產(chǎn)量已超過18萬t/流。近年來，我國在高效連鑄、薄板坯連鑄、特殊鋼連鑄方面取得了長足的進(jìn)步。近20年來，我國的連鑄技術(shù)發(fā)展迅猛，在成熟生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用、新技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)用基礎(chǔ)研究等方面都得到了快速的發(fā)展，連鑄機(jī)保有量和連鑄坯產(chǎn)量己占世界第一。中國鋼鐵工業(yè)在新鋼種研發(fā)、鋼材質(zhì)量提高方面亦取得了令人矚目的成績，使高性能汽車用鋼、管線用鋼、模具鋼、不銹鋼等已基本立足國內(nèi)，有力的支撐了中國裝備制造業(yè)的快速發(fā)展。在產(chǎn)能擴(kuò)大的同時(shí)，裝備的大型化、現(xiàn)代化及工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，使中國主要大、中型鋼鐵企業(yè)的技術(shù)水平已達(dá)到世界同類鋼廠的水平。合理的連鑄過程中的流場，對(duì)防止鋼水二次氧化、延長鋼水在中間包內(nèi)停留時(shí)間、促進(jìn)夾雜物上浮去除等都具有重要的作用。因此，對(duì)連鑄鋼包、中間包、結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)模式進(jìn)行研究和分析，保證