【正文】 但孔徑過小，鋼流的沖擊深度增大，對(duì)夾雜物的去除不利。減小側(cè)孔孔徑，會(huì)減小流場(chǎng)的不對(duì)稱性。水口的橫截面積和側(cè)孔總面積是相關(guān)因素，浸入式水口截面積較大的話，其頂部則形成一個(gè)壓力差，導(dǎo)致局部滯流，引起結(jié)晶器內(nèi)鋼液向水口出口的上部產(chǎn)生回流，出口流股向下的傾角隨出口面積的增大而增大，射流出口平均速度隨側(cè)孔面積的增大而減小。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。在相同的水口長(zhǎng)度下，小內(nèi)徑的水口噴出射流的速度明顯高于大內(nèi)徑的水口，但是如果浸入式水口兩個(gè)側(cè)孔的總面積小于水口的橫截面積，使流股在出口處受到壓縮，這時(shí)浸入式水口橫截面積對(duì)出口流股的平均速度的影響不明顯。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)。1．浸入式水口內(nèi)徑對(duì)結(jié)晶器流場(chǎng)的影響流股并不是完全充滿整個(gè)出口截面，射流傾度也不等于水口的出口傾角，而是比水口的側(cè)孔傾角更向下一些。圖16 浸入式水口基本類型 結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場(chǎng)的影響因素 浸入式水口結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流場(chǎng)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。薄板坯澆注往往采用箱型水口。板坯澆注普遍使用雙側(cè)孔SEN。目前，廣泛使用的SEN有單孔直筒型、雙側(cè)孔型和箱型三種，見圖16。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(zhǎng)。 結(jié)晶器浸入式水口浸入式水口(Submerged Entry Nozzle，簡(jiǎn)稱SEN)是鋼液從中間包流入結(jié)晶器的通道。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。連鑄用結(jié)晶器應(yīng)具有以下五種性能：1. 良好的導(dǎo)熱性，使鋼液在結(jié)晶器內(nèi)迅速凝固成足夠厚度的初生坯殼；2. 結(jié)構(gòu)剛性好，力求簡(jiǎn)單，易于制造、拆裝、調(diào)整和維修方便；3. 較好的耐磨性和較高的壽命；4. 在保證剛度的前提下，質(zhì)量要??；5. 足夠高的強(qiáng)度和硬度。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。結(jié)晶器冶金是去除夾雜物、改善鋼材質(zhì)量的最后機(jī)會(huì)。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牧看蟆?) 中間包底部吹惰性氣體對(duì)鋼液吹惰性氣體來改善夾雜上浮，這種形式在鋼包處理已得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了較大的效果，已經(jīng)成為鋼包處理的必備手段。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。改進(jìn)后的矩形中間包由于兩個(gè)端部的截面積較小，有利于提高兩個(gè)端部鋼流的速度，減少死區(qū)面積和溫度損失。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。1．中間包內(nèi)結(jié)構(gòu)總體形式的改進(jìn)傳統(tǒng)的中間包為T形或矩形：T形中間包主要應(yīng)用在澆鑄流數(shù)較少的小容量冶煉爐情況下，由于中間包為T型，增加了大包注流到最近水口的距離，同時(shí)也就增加了鋼液在中間包內(nèi)的滯留時(shí)間，增大了夾雜上浮的機(jī)會(huì)，其缺點(diǎn)是中間包的四個(gè)角部死區(qū)較大。 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。7．中間包底部到結(jié)晶器上口距離選擇不當(dāng)。5．中間包變形大，造成多流水口難以對(duì)中。3．中間包水口位置設(shè)計(jì)不當(dāng)，尤其是靠?jī)蓚?cè)邊的水口離兩個(gè)側(cè)邊太近，易造成兩個(gè)側(cè)邊水口澆注不順。2) 難以實(shí)現(xiàn)在換包時(shí)保持恒速澆注。圖15 中間包示意圖2．中間包容量小熔池深度淺，不適合高速鑄機(jī)。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。1．中間包內(nèi)腔形狀不合理，見圖15。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。圖14 抑湍器加單壩控流裝置 中間包目前普遍存在的問題及改進(jìn)措施 中間包存在的問題目前我國(guó)使用的中間包存在較多的問題，尤其是方坯連鑄機(jī)用的中間包存在問題更為突出。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)及尺寸合理的抑湍器能延長(zhǎng)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。防湍流墊對(duì)中間包永久襯是沒有特別的影響，不過損耗的分布更加均勻，而以往則主要集中在隔墻之間。4) 長(zhǎng)期使用防湍流墊時(shí)，90%的情況下無需去渣殼。防湍流墊的使用消除了穩(wěn)定澆注狀態(tài)下鋼包長(zhǎng)水口周圍的液面湍流。其主要的作用：1) 減少了鋼包開澆時(shí)的噴濺。 湍流控制器能改變中間包鋼液的流動(dòng)，減少了中間包注流區(qū)的表面湍流現(xiàn)象，減少了出口回流的生成。大包注流造成的強(qiáng)湍流對(duì)澆注區(qū)的流場(chǎng)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。3．過濾器有些研究人員認(rèn)為：中間包中安裝過濾裝置，其過濾效果主要表現(xiàn)在：鋼液被過濾后全氧量降低，鋼中夾雜物數(shù)量減少，軋材質(zhì)量改善，以及操作事故減少，特別是水口堵塞現(xiàn)象明顯改善。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。實(shí)踐表明，在六流中間包中采用不對(duì)稱陶瓷質(zhì)導(dǎo)流擋板后，與不設(shè)控流裝置的中間包冶金效果相比，內(nèi)、外側(cè)水口的鋼液溫度差降低了7℃，拉漏現(xiàn)象的發(fā)生率降低40％以上，拉坯成型率提高了8%，并且無水口阻塞現(xiàn)象。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。結(jié)果表明，設(shè)有控流裝置時(shí)，最短停留時(shí)間增加，而且鋼液在較寬中間包內(nèi)的最短停留時(shí)間隨著下?lián)鯄Ω叩母淖兌淖?，但下?lián)鯄Ω咧幌薅ㄔ谝欢ǖ姆秶? H— H)內(nèi)才有意義，如果下?lián)鯄Ω叱隽松舷拗?，最短停留時(shí)間反而會(huì)縮短。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。加入擋壩后促使鋼液向上翻，鋼液從壩的上部流過，可以消除短路流，所以擋渣墻、擋渣壩通常結(jié)合在一起使用。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)。上擋墻、下?lián)鯄Γ瑢?dǎo)流擋板，過濾器和湍流控制器，以及它們的組合使用是現(xiàn)代中間包采用的控流裝置。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。圖9 多臺(tái)階中間包簡(jiǎn)圖 控流裝置對(duì)流場(chǎng)的影響在中間包內(nèi)設(shè)置控流裝置的目的就是要改善原有中間包內(nèi)的鋼液的流動(dòng)狀況，使中間包內(nèi)鋼液盡量按照我們需要的方式流動(dòng)，最后達(dá)到我們期望的中間包冶金的作用，控流裝置如圖10。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。此外，較深的熔池表面流速較小，減輕了液面波動(dòng)，這對(duì)減輕二次氧化也是有利的。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(zhǎng)，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。賀友多等用數(shù)學(xué)模型研究了不同傾角的中間包流場(chǎng)，認(rèn)為斜墻使鋼液最小停留時(shí)間增大，但傾角對(duì)流動(dòng)方式影響不大。 中間包各因素對(duì)鋼水流場(chǎng)的影響 中間包內(nèi)部形狀、注流對(duì)多流澆注的影響李潤(rùn)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。5．中間包熱周轉(zhuǎn)技術(shù)可降低熱損失、穩(wěn)定澆鑄溫度，有利于高效連鑄的順行。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)。1．在連鑄高效化改造中應(yīng)采用大容量、高壽命、深型中間包，且包型可通過流動(dòng)模型仿真計(jì)算來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。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。離心流中間包利用轉(zhuǎn)動(dòng)鋼水所產(chǎn)生的離心力促進(jìn)夾雜物分離，抑制了鋼水短路流的產(chǎn)生，促進(jìn)了大夾雜物的上浮。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%。為了消除鋼包更換時(shí)中間包內(nèi)鋼液的密度差異，中間包加熱技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生了。喂線技術(shù)為中間包冶金提供了更多的機(jī)會(huì)。4．中間包喂線技術(shù)的研究。3．中間包控流裝置。改進(jìn)中間包覆蓋劑和水口材質(zhì)，避免澆注過程出現(xiàn)中間包水口堵塞現(xiàn)象。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。 中間包冶金技術(shù)的現(xiàn)狀現(xiàn)在主要采用的中間包冶金技術(shù)有：1．增大中間包容量。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。為完成上述功能，開發(fā)了多項(xiàng)中間包冶金技術(shù)。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(zhǎng)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)。對(duì)連鑄過程中夾雜物的可能來源，圖 7 給出了較全面分析。為此，人們提出了中間包冶金的概念。除了更換鋼包的很短的時(shí)間外，中間包的液面保持不變，鋼水的靜壓力恒定，因此中間包能夠連續(xù)而均勻地向結(jié)晶器供給鋼水。4 中間包內(nèi)部流場(chǎng)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。覆蓋劑加入鋼包后，較為理想的是形成三層結(jié)構(gòu)：即原始層、燒結(jié)層、液態(tài)層。3．確保覆蓋劑具有適宜的成渣性能。方法是在覆蓋劑配加適量的發(fā)熱劑，利用發(fā)熱劑的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量來彌補(bǔ)鋼包內(nèi)鋼水的熱損失。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。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)以下幾方面：1．提高覆蓋劑的鋪展性。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)。 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程中產(chǎn)生的稻殼作為原料，經(jīng)過充分碳化處理后的產(chǎn)物。 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。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。而中間包內(nèi)保護(hù)渣層的存在也會(huì)給鋼渣的檢測(cè)帶來問題。這樣會(huì)在檢測(cè)到下渣時(shí)，會(huì)有一定的下渣量存在。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)澆注過程沒有影響。鋼水和鋼渣可以通過這個(gè)反射器。如圖5所示。超聲波在鋼渣的檢測(cè)中可以有兩種方案。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。傳感器埋設(shè)在鋼包底水口同心位置的下座磚內(nèi)。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。因?yàn)殇撍弯撛@示出不同的輻射特性，使得通過許多紅外線波長(zhǎng)范圍內(nèi)釋放的輻射密度來區(qū)別鋼水和鋼渣成為可能。而要解決目前國(guó)內(nèi)下渣檢測(cè)中的這些問題，就需要鋼渣的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。在澆注時(shí)根據(jù)鋼包重量的變化來檢側(cè)是否己經(jīng)下渣。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。同時(shí)，澆注工通過鋼水的顏色特征來區(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。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。而中間包中鋼渣過多，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。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。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。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。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)。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。 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。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。其開澆原理為：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。在開澆時(shí)，它能使鋼包內(nèi)的鋼水順流而下。主要表現(xiàn)在當(dāng)鋼包不能自動(dòng)開澆時(shí)，采用燒氧開澆造成滑板滑