【文章內容簡介】 %， %和 %，死區(qū)體積變化不大。由于具備了較長的最小停留時間和峰值時間，流體在中間包內的運動路線更長，更曲折，為夾雜物的充分上浮提供了條件。圖 最小停留 時間 和峰 值時間 與堰 壩 中心距的關系圖 死區(qū)體 積 分率與堰 壩 中心距的關系2 堰壩幾何尺寸優(yōu)化 l 雖然確定了較佳的堰壩位置，但存在的問題依然比較明顯，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。由于壩高和堰深對中間包內流體的運動路線有顯著影響，以下部分將在上述優(yōu)化堰壩位置的基礎上，重點研究堰壩幾何尺寸對中間包內流體流動特征的影響，從而尋求最佳的堰壩幾何尺寸。l 實驗中，將堰壩位置固定在效果比較好的優(yōu)化位置上進行堰壩尺寸的優(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 壩 高和堰深 變 化示意 圖圖 堰 壩 尺寸 對 中 間 包流體流 動 最小停留 時間 和峰 值時間 的影響圖 堰 壩 尺寸 對 中 間 包流體流 動 死區(qū)體 積 分率的影響l 綜合最小停留時間、峰值時間和死區(qū)體積分率三者來看，當堰與水口中心距為 472mm，堰壩中心距為 350mm，壩高為 200或 220mm，堰深為 170mm時，中間包內流體流動特征參數(shù)最佳，此時的最小停留時間在 50s左右，峰值時間在 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l 上述優(yōu)化過程中，無論如何改變堰壩位置和堰壩尺寸，雖然最小停留時間和峰值時間會有所延長，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應的死區(qū)體積分率也和原方案 (單擋墻 )相差不大，均在 26~28%之間。l 對溢流孔尺寸進行優(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間延長，改善了流體流動特性。由此可得，對溢流孔進行優(yōu)化是相當必要，也是效果顯著的。圖 壩 上溢流孔改 變 前后示意 圖l 溢流孔優(yōu)化之后，最小停留時間及峰值時間分別延長了 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 場顯 示圖 堰 壩組 合 優(yōu) 化方案中 間 包流體流 動 狀況圖 堰 壩組 合 優(yōu) 化方案中 間 包流體流 動 狀況圖 堰壩組合優(yōu)化方案中間包流體流動狀況4 中間包夾雜物控制l 連鑄坯夾雜物來源l l l l l 5吸入空氣l （大型夾雜）l l 鋼液注流保護澆鑄包括鋼包注流保護澆鑄和中間包注流保護澆鑄，通常有耐火材料保護套管、長水口及惰性氣體屏蔽等方法，生產高清潔度鋼時則可綜合采用上述方法。l 通過注流保護澆鑄，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，而且在澆鑄時使中間包水口被 Al2O3夾雜堵塞的可能性增加，同時也使鋼中氮含量增加。氣體保護的不同措施l 美國伯利恒鋼鐵公司在鋼包上滑板底部開一個環(huán)形槽，在槽內通入氬氣。l 鋼包集流水口的防護裝置，接口用插座和墊圈來密封。在插座內裝有環(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。l 密封中間包，包底吹氬穿過鋼液，在液面上形成保護氣氛。l 在中間包內，夾雜物依然可以通過上浮由鋼液中排除。按常規(guī)看法，夾雜物上浮去除速度服從斯托克斯 (Stokes)公式：l 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)。l 從本質上來說，斯托克斯 (Sokes)公式所計算的上浮速度是顆粒在重力場中流體介質內作加速度運動時，受到介質摩擦阻力而達到的終速度，其初速度比該值還要小得多。l 在中間包內，流體本身的流動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的鋼液一同運動，只有大顆粒夾雜物在鋼液流速較低的區(qū)域能夠上浮。l 對鋼液潤濕的夾雜物，在浮到表面后，可能重新被流動的鋼液帶回其中。l 只有對鋼液不潤濕的夾雜 (稱為疏鐵性夾雜 )，能自動從鋼液中分離出來。如 Al2O3。l 在流動的鋼液中，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：l 布朗碰撞：是小顆粒夾雜物熱運動產生的。l Stokes碰撞：大小顆粒夾雜物上浮速度不同造成的。l 速度梯度碰撞：不同流線上的夾雜物速度不同造成的。l 湍流碰撞：夾雜物具有脈動速度造成的。 中間包吹氬l 中間包吹氬不是為了增強攪拌，而是用惰性氣泡清洗鋼液。l 最初在中間包中吹氬著眼于脫氫。試驗證明吹氬 5080NL/min可清除開澆階段的增氫現(xiàn)象。l 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位置通過多孔磚或多孔氬管吹入微小氣泡。中間包底吹氬作用l (1)排列成列的吹員孔口垂直于沿包底流動的液流布置，類似于在包底設置了壩，促使鋼液轉向上方流動，其作用比壩的效果還強烈；l (2)員氣泡的浮力產生氣泡泵現(xiàn)象，促使該局部的湍動能耗散率顯著增大，有利于夾雜物顆粒碰撞長大而排除；l (3)上浮的氣泡可以捕獲夾雜物顆粒、并攜帶著它一同上浮，這樣就使微細夾雜物顆粒上浮速度增大到氣泡上浮的速度。l 許多研究證明，夾雜物去除速率等于氣泡產生數(shù)與每一氣泡和顆粒碰撞數(shù)的乘積：l 積分后可得：l 因子依次分別為每個氣泡清洗體積；單位體積內顆粒數(shù)；捕獲夾雜概率；吹氣生成氣泡數(shù)；溫度變化引起的膨脹。l 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。l 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。l 另外，氬氣泡會帶走一些熱量。受熱平衡的限制，中間包吹氬流量不能很大。實例l 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)上游設置一個隧道擋墻，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。對管線鋼 APIX60的抗 HIC(氫誘導裂紋 )指標有顯著改進 ,如圖 420所示。l 中間包吹氬的另一作用是防止長水口 結瘤 堵塞，為此要把氬氣直接吹如長水口，氬氣隨鋼液進入結晶器后上浮逸出。l 常用的方法是通過塞棒中心的鐵管往下吹氬。也可以制成復合的長水口，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 － 。水口結瘤的原因可歸納如下：(1)鋼液溫度下降，導致鋁脫氧反應平衡移動在水口中析出 Al2O3；(2)高速流動的鋼液由水口耐火材料的孔隙抽引空氣到鋼液中，與鋼液中的鋁反應生成 Al2O3 ；(3)水口內鋼流有很大速速度梯度和湍動能，使 Al2O3顆粒能碰撞長大，大顆粒夾雜物 (100um)可節(jié)助法向脈動速度穿過邊界層到達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反應，在耐火壁面附近形成雜質 (Si、 C等 )富集層，其濃度梯度導致表面張力梯度，產生借助馬拉戈尼 (Marangoni)效應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l 吹氬還對減輕結晶器內鋼液的二次氧化有利。l 然而，水口吹氬產生的部分氬氣泡會隨鋼液進入結晶器內，直徑很小的員氣泡有可能在鋼凝固前來不及上浮并析出，造成鋼坯和鋼板的皮下氣泡缺陷。對于品質要求很嚴格的鋼板，可能成為質量事故的原因。大的氬氣泡能從結晶器浮出，但上浮速度快造成結晶器鋼液面波動，對鋼坯質量也有不利影響。l 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。 中間包內鋼液卷渣及其控制l 在連鑄過程中為對鋼液起到保溫、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程中發(fā)生卷渣現(xiàn)象的技術研究。 l (1)鋼渣界面流動的剪切力和表面波，主要是盛鋼桶注流的沖擊引起的表面波動；l (2)注流沖擊區(qū)的湍流，由于注流形成的液－液射流的影響，將表面渣卷入鋼液內部；l (3)中間包水口處的匯流旋渦，匯流旋渦的生成是使中間包覆蓋劑卷入結晶器內的重要原因，尤其是在中間包液位較低時。l 1. 采用長水口或套管注入鋼液l 中間包保持正常液位時，鋼包敞開澆鑄，注流有極大的流速，產生的沖擊力引起液面強烈波動，沿鋼渣界面產生剪切力，把渣子卷入鋼液。當中間包的注流采用長水口或套管保護時，注流引起的液面表面波動明顯減輕，鋼渣界面剪切力減弱，鈉液卷渣明顯減少。l