【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ， %和 %，死區(qū)體積變化不大。由于具備了較長(zhǎng)的最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間，流體在中間包內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路線更長(zhǎng)，更曲折，為夾雜物的充分上浮提供了條件。 200 250 300 350 400 450404550556065100120140160180200Time,sDistance between weir and dam,mm tmin tpeak圖 最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間與堰壩中心距的關(guān)系 200 250 300 350 400 45027282930313233 Dead zone volume,%Distance between weir and dam,mm圖 死區(qū)體積分率與堰壩中心距的關(guān)系 2 堰壩幾何尺寸優(yōu)化 ? 雖然確定了較佳的堰壩位置，但存在的問(wèn)題依然比較明顯，即獲得的死區(qū)體積分率較大，仍然難于提供理想的堰壩組合方案。由于壩高和堰深對(duì)中間包內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)路線有顯著影響，以下部分將在上述優(yōu)化堰壩位置的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究堰壩幾何尺寸對(duì)中間包內(nèi)流體流動(dòng)特征的影響，從而尋求最佳的堰壩幾何尺寸。 ? 實(shí)驗(yàn)中，將堰壩位置固定在效果比較好的優(yōu)化位置上進(jìn)行堰壩尺寸的優(yōu)化，即堰與水口中心距 472mm，堰壩間距 350mm。其中，堰深 H1的變化水平為： 130mm、 150mm、 170mm、 190mm、 210mm，壩高 H2的變化水平為： 180mm、 200mm、 220mm， 圖 中間包內(nèi)壩高和堰深變化示意圖 0 2 4 6 8 10 12 14 16404550140160180200220Time,sSerial number tmin Tpeak圖 堰壩尺寸對(duì)中間包流體流動(dòng)最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間的影響 0 2 4 6 8 10 12 14 16262830323436Dead zone volume,%Serial number圖 堰壩尺寸對(duì)中間包流體流動(dòng)死區(qū)體積分率的影響 ? 綜合最小停留時(shí)間、峰值時(shí)間和死區(qū)體積分率三者來(lái)看，當(dāng)堰與水口中心距為 472mm，堰壩中心距為 350mm，壩高為 200或 220mm，堰深為 170mm時(shí)，中間包內(nèi)流體流動(dòng)特征參數(shù)最佳，此時(shí)的最小停留時(shí)間在 50s左右，峰值時(shí)間在 190s左右，死區(qū)體積分率減少至 27~28%左右。 3 壩上溢流孔尺寸優(yōu)化 ? 上述優(yōu)化過(guò)程中，無(wú)論如何改變堰壩位置和堰壩尺寸，雖然最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間會(huì)有所延長(zhǎng)，但死區(qū)體積分率仍然比較大，即使最佳堰壩組合方案所對(duì)應(yīng)的死區(qū)體積分率也和原方案 (單擋墻 )相差不大，均在 26~28%之間。 ? 對(duì)溢流孔尺寸進(jìn)行優(yōu)化之后，從右圖可以看出，底流明顯減小。底流的減小，使得流體的最小停留時(shí)間延長(zhǎng)，改善了流體流動(dòng)特性。由此可得，對(duì)溢流孔進(jìn)行優(yōu)化是相當(dāng)必要，也是效果顯著的。 圖 壩上溢流孔改變前后示意圖 ? 溢流孔優(yōu)化之后，最小停留時(shí)間及峰值時(shí)間分別延長(zhǎng)了 27s和46s，分別增加了52%和 24%，死區(qū)體積分率由 %減少至 %，減小了 33%。 圖 壩底部溢流孔優(yōu)化前后流場(chǎng)顯示 圖 堰壩組合優(yōu)化方案中間包流體流動(dòng)狀況 圖 堰壩組合優(yōu)化方案中間包流體流動(dòng)狀況圖 堰壩組合優(yōu)化方案中間包流體流動(dòng)狀況 4 中間包夾雜物控制 ? 連鑄坯夾雜物來(lái)源 ? ? ? ? ? 5吸入空氣 ? （大型夾雜） ? ? 鋼液注流保護(hù)澆鑄包括鋼包注流保護(hù)澆鑄和中間包注流保護(hù)澆鑄，通常有耐火材料保護(hù)套管、長(zhǎng)水口及惰性氣體屏蔽等方法，生產(chǎn)高清潔度鋼時(shí)則可綜合采用上述方法。 ? 通過(guò)注流保護(hù)澆鑄，既可防止注流的二次氧化，又能避免澆注沖擊液面使鋼液裸露而造成的二次氧化。二次氧化不但使鋼中的大型氧化物夾雜增多，而且在澆鑄時(shí)使中間包水口被 Al2O3夾雜堵塞的可能性增加，同時(shí)也使鋼中氮含量增加。 氣體保護(hù)的不同措施 ? 美國(guó)伯利恒鋼鐵公司在鋼包上滑板底部開一個(gè)環(huán)形槽，在槽內(nèi)通入氬氣。 ? 鋼包集流水口的防護(hù)裝置，接口用插座和墊圈來(lái)密封。在插座內(nèi)裝有環(huán)形管，氬氣從環(huán)形管上的縫通入。氬氣管道和插座連接在鋼包底部。 ? 密封中間包，包底吹氬穿過(guò)鋼液，在液面上形成保護(hù)氣氛。 ? 在中間包內(nèi)，夾雜物依然可以通過(guò)上浮由鋼液中排除。按常規(guī)看法，夾雜物上浮去除速度服從斯托克斯 (Stokes)公式： ? u為夾雜物的上浮去除速度； ρ m為鋼液的密度； ρ s為夾雜物的密度； g為重力加速度。 D p為夾雜物的直徑， μ 為鋼液黏度系數(shù)。 ? 從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，斯托克斯 (Sokes)公式所計(jì)算的上浮速度是顆粒在重力場(chǎng)中流體介質(zhì)內(nèi)作加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到介質(zhì)摩擦阻力而達(dá)到的終速度，其初速度比該值還要小得多。 ? 在中間包內(nèi)，流體本身的流動(dòng)速度比上述速度高出很多，小的夾雜物顆粒，在中間包中將跟隨流動(dòng)的鋼液一同運(yùn)動(dòng)，只有大顆粒夾雜物在鋼液流速較低的區(qū)域能夠上浮。 ? 對(duì)鋼液潤(rùn)濕的夾雜物，在浮到表面后，可能重新被流動(dòng)的鋼液帶回其中。 ? 只有對(duì)鋼液不潤(rùn)濕的夾雜(稱為疏鐵性?shī)A雜 )，能自動(dòng)從鋼液中分離出來(lái)。如 Al2O3。 ? 在流動(dòng)的鋼液中，夾雜物顆粒容易碰撞而凝聚成大顆粒，液態(tài)的夾雜物凝并后成為較大液滴；顆粒的碰撞凝聚是夾雜物去除的重要形式。顆粒的碰撞有以下四種方式： ? 布朗碰撞：是小顆粒夾雜物熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。 ? Stokes碰撞：大小顆粒夾雜物上浮速度不同造成的。 ? 速度梯度碰撞：不同流線上的夾雜物速度不同造成的。 ? 湍流碰撞：夾雜物具有脈動(dòng)速度造成的。 中間包吹氬 ? 中間包吹氬不是為了增強(qiáng)攪拌，而是用惰性氣泡清洗鋼液。 ? 最初在中間包中吹氬著眼于脫氫。試驗(yàn)證明吹氬 5080NL/min可清除開澆階段的增氫現(xiàn)象。 ? 但是中間包吹氬最明顯的效果是去除夾雜物。中間包吹氬的主要方式是在中間包底部某個(gè)位置通過(guò)多孔磚或多孔氬管吹入微小氣泡。 中間包底吹氬作用 ? (1)排列成列的吹員孔口垂直于沿包底流動(dòng)的液流布置，類似于在包底設(shè)置了壩，促使鋼液轉(zhuǎn)向上方流動(dòng)，其作用比壩的效果還強(qiáng)烈； ? (2)員氣泡的浮力產(chǎn)生氣泡泵現(xiàn)象，促使該局部的湍動(dòng)能耗散率顯著增大，有利于夾雜物顆粒碰撞長(zhǎng)大而排除； ? (3)上浮的氣泡可以捕獲夾雜物顆粒、并攜帶著它一同上浮，這樣就使微細(xì)夾雜物顆粒上浮速度增大到氣泡上浮的速度。 ? 許多研究證明，夾雜物去除速率等于氣泡產(chǎn)生數(shù)與每一氣泡和顆粒碰撞數(shù)的乘積： ? 積分后可得： ? 因子依次分別為每個(gè)氣泡清洗體積；單位體積內(nèi)顆粒數(shù)；捕獲夾雜概率；吹氣生成氣泡數(shù)；溫度變化引起的膨脹。 ? 吹氬量越大、氣泡直徑越小，吹氬深度越深，則式中的const越大，亦即夾雜去除率越高。 ? 中間包吹氬適宜用小的氣泡，有利于捕獲更多的夾雜物顆粒。這和鋼包吹氬攪拌的目的是有區(qū)別的。 ? 另外，氬氣泡會(huì)帶走一些熱量。受熱平衡的限制，中間包吹氬流量不能很大。 實(shí)例 ? 日本住友金屬鹿島廠在 6080t中間包中用多孔磚吹氬，微孔直徑200um，在吹氬區(qū)上游設(shè)置一個(gè)隧道擋墻，其布置如圖 419所示。底部上升的氬氣泡流還有控制沿包底鋼流的作用。對(duì)管線鋼APIX60的抗 HIC(氫誘導(dǎo)裂紋 )指標(biāo)有顯著改進(jìn) ,如圖 420所示。 ? 中間包吹氬的另一作用是防止長(zhǎng)水口 結(jié)瘤 堵塞，為此要把氬氣直接吹如長(zhǎng)水口，氬氣隨鋼液進(jìn)入結(jié)晶器后上浮逸出。 ? 常用的方法是通過(guò)塞棒中心的鐵管往下吹氬。也可以制成復(fù)合的長(zhǎng)水口，將多孔材料或吹氣槽鑲嵌在水口中或滑板上，吹入的氬氣量為 － 。 水口結(jié)瘤的原因可歸納如下： (1)鋼液溫度下降，導(dǎo)致鋁脫氧反應(yīng)平衡移動(dòng)在水口中析出 Al2O3； (2)高速流動(dòng)的鋼液由水口耐火材料的孔隙抽引空氣到鋼液中，與鋼液中的鋁反應(yīng)生成 Al2O3 ； (3)水口內(nèi)鋼流有很大速速度梯度和湍動(dòng)能，使 Al2O3顆粒能碰撞長(zhǎng)大，大顆粒夾雜物 (100um)可節(jié)助法向脈動(dòng)速度穿過(guò)邊界層到達(dá)并粘附在耐火材料表面； (4)由于凝固偏析和鋼液與耐火材料的化學(xué)反應(yīng)，在耐火壁面附近形成雜質(zhì) (Si、 C等 )富集層，其濃度梯度導(dǎo)致表面張力梯度，產(chǎn)生借助馬拉戈尼 (Marangoni)效應(yīng)使小顆粒夾雜物穿透層流底層而粘附在壁面。 水口吹氬的缺點(diǎn) ? 吹氬還對(duì)減輕結(jié)晶器內(nèi)鋼液的二次氧化有利。 ? 然而，水口吹氬產(chǎn)生的部分氬氣泡會(huì)隨鋼液進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)，直徑很小的員氣泡有可能在鋼凝固前來(lái)不及上浮并析出，造成鋼坯和鋼板的皮下氣泡缺陷。對(duì)于品質(zhì)要求很嚴(yán)格的鋼板，可能成為質(zhì)量事故的原因。大的氬氣泡能從結(jié)晶器浮出，但上浮速度快造成結(jié)晶器鋼液面波動(dòng)，對(duì)鋼坯質(zhì)量也有不利影響。 ? 所以，最好的辦法還是減輕二次氧化，降低鋼液中的 Al2O3夾雜物。另外，把 Al2O3夾雜改性成為鋁酸鈣夾雜，也是防止堵塞水口的有效方法。 中間包內(nèi)鋼液卷渣及其控制 ? 在連鑄過(guò)程中為對(duì)鋼液起到保溫、防止二次氧化、吸收夾雜物等冶金作用，必須使用中間包覆蓋劑，但是在中間包澆鑄過(guò)程中，也常常發(fā)生鋼液卷渣現(xiàn)象，在鋼中形成大型夾雜物，因此有必要開展防止在澆鑄過(guò)程中發(fā)生卷渣現(xiàn)象的技術(shù)研究。 ? (1)鋼渣界面流動(dòng)的剪切力和表面波，主要是盛鋼桶注流的沖擊引起的表面波動(dòng)； ? (2)注流沖擊