【正文】 安裝角度ɑ 29 結(jié)晶器寬度對(duì)流場(chǎng)的影響 29 拉速對(duì)流場(chǎng)的影響 30 結(jié)晶器電磁攪拌(即M—EMS)強(qiáng)度E對(duì)流場(chǎng)的影響[33] 30 結(jié)晶器內(nèi)鋼液連鑄電磁攪拌技術(shù) 32 電磁攪拌器的工作原理 32 電磁攪拌技術(shù)的類型[35] 32 結(jié)晶器電磁攪拌的冶金機(jī)理及效果[36] 34 連鑄電磁制動(dòng)技術(shù) 34 電磁制動(dòng)技術(shù)研發(fā)背景與工作原理 34 電磁制動(dòng)技術(shù)在冶金應(yīng)用上的效果 36結(jié) 論 37參考文獻(xiàn) 38致 謝 41注 釋 42附 錄 43引 言連續(xù)鑄鋼技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用是鋼鐵冶金生產(chǎn)領(lǐng)域繼氧氣轉(zhuǎn)爐之后又一次意義重大的技術(shù)革命，它對(duì)鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)流程的變革、產(chǎn)品質(zhì)量的提高和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面起了革命性的作用。高質(zhì)量連鑄坯對(duì)連鑄鋼水的清潔度和鑄坯質(zhì)量的要求也越來越高。因此，對(duì)連鑄鋼液的流動(dòng)模式進(jìn)行研究和分析，保證鋼液流動(dòng)狀態(tài)的合理性具有相當(dāng)重要的理論和實(shí)際意義。1 文獻(xiàn)綜述 鋼的連鑄技術(shù)發(fā)展本世紀(jì)初，中國(guó)由鋼材凈進(jìn)口國(guó)轉(zhuǎn)為凈出口國(guó)，并使鋼產(chǎn)量達(dá)到世界總產(chǎn)量的三分之一。由于資源和能源的限制，以及環(huán)境承載量的制約，使中國(guó)鋼鐵工業(yè)定位于滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力是中國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進(jìn)及大型能源、交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。為了貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀及走新型工業(yè)化道路，中國(guó)要建設(shè)新一代可循環(huán)的鋼鐵流程，使之兼具優(yōu)質(zhì)鋼材生產(chǎn)、高效能源轉(zhuǎn)化及消納社會(huì)廢棄物三項(xiàng)基本功育旨。 連鑄技術(shù)概述連續(xù)鑄鋼技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用是鋼鐵冶金生產(chǎn)領(lǐng)域繼氧氣轉(zhuǎn)爐之后又一次意義重大的技術(shù)革命，它對(duì)鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)流程的變革、產(chǎn)品質(zhì)量的提高和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面起了革命性的作用。世界上先進(jìn)的主要產(chǎn)鋼國(guó)家的連鑄比已達(dá)到95%以上。與我國(guó)鋼鐵工業(yè)在世界上的地位一樣，我國(guó)是一個(gè)連鑄生產(chǎn)大國(guó)，但不是一個(gè)連鑄技術(shù)大國(guó)。有代表性的主力機(jī)型有直弧型大板坯鑄機(jī)、弧型小方坯鑄機(jī)、弧型大方坯鑄機(jī)和立彎型薄板坯鑄機(jī)。目前我國(guó)連鑄機(jī)的設(shè)計(jì)作業(yè)率為80%左右，實(shí)際作業(yè)率通常為60%~90%，有些連鑄機(jī)作業(yè)率已經(jīng)超過90%。至于設(shè)計(jì)產(chǎn)量，大型板坯或薄板坯連鑄機(jī)為100萬t/流，小方坯連鑄機(jī)為12萬t/流左右。我國(guó)連鑄生產(chǎn)水平與世界同類指標(biāo)相當(dāng)。某些薄板坯連鑄機(jī)的裝備技術(shù)處于世界先進(jìn)水平。許多連鑄新技術(shù)的研究開發(fā)是在緊跟國(guó)際上的發(fā)展。鋼在這種由液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中, 體系內(nèi)存在動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳輸, 相變、外力和應(yīng)力引起的變形, 這些過程均十分復(fù)雜, 往往耦合進(jìn)行或相互影響。2. 提高了金屬收得率, 一方面大幅度減少了鋼坯的切頭切尾損失。3. 降低了生產(chǎn)過程能耗, 可省去鋼錠開坯均熱爐的燃動(dòng)力消耗, 可減少 能耗 1/4～1/2。 連鑄生產(chǎn)正?；枰臈l件1．完好的設(shè)備狀態(tài)連鑄機(jī)是在極為惡劣的高溫環(huán)境中工作的，鑄坯質(zhì)量的好壞、生產(chǎn)率的高低都受到設(shè)備狀態(tài)的影響。3．科學(xué)的管理方法現(xiàn)代化的連鑄由多工序組成，時(shí)間性很強(qiáng)的生產(chǎn)作業(yè)線強(qiáng)化生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)，有效的生產(chǎn)組織網(wǎng)絡(luò)是保證連鑄穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。 方坯連鑄概述方坯連鑄機(jī)用于鋼的長(zhǎng)材生產(chǎn)，既有性能要求復(fù)雜的各種機(jī)械、設(shè)備制造的結(jié)構(gòu)鋼材，也有產(chǎn)量大而性能相對(duì)要求低的建筑鋼材如鋼筋、盤圓等，有的要冷拔成高強(qiáng)度鋼絲。小方坯連鑄一般指斷面尺寸7070～160160mm2，的方坯或與之面積相當(dāng)?shù)钠渌麛嗝嫘螤畹蔫T坯。小方坯連鑄具有設(shè)備簡(jiǎn)單，其建投資省，生產(chǎn)率高，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以小方坯連鑄發(fā)展較快。近年來由于小斷面鑄坯鋼流保護(hù)澆注，電磁攪拌技術(shù)以及計(jì)算機(jī)過程控制等的發(fā)展和應(yīng)用，小方坯連鑄機(jī)也可生產(chǎn)合金鋼。而鋼鐵企業(yè)又是消耗能源的主要部門，如果采用模注——開坯工藝生產(chǎn)生產(chǎn)小型材，能源消耗很大；若采用小方坯連鑄工藝，不僅節(jié)省了開坯工序，還可實(shí)現(xiàn)一火成材，這就大大節(jié)約了能源。為了簡(jiǎn)化操作。小方坯的流數(shù)一般為1—4流，每流的流間距為900—1200mm。與所澆注小斷面連鑄機(jī)配合的爐子容量愈大，需要的流數(shù)愈多。為此需要提高出鋼溫度，鋼包、中間題需要很好地預(yù)熱，并且應(yīng)使出鋼到開澆之間的溫降盡量減少，以保證能順利地把全部鋼液澆完。在采用12流時(shí)，如果用普通連鑄機(jī)，中間題太長(zhǎng)操作困難較多，對(duì)這個(gè)問題，目前國(guó)外有以下幾種設(shè)想：1)把一包鋼液分成兩包，然后用兩臺(tái)六流小方還連鑄機(jī)；2)一個(gè)大鋼包，用兩個(gè)水口，分別澆人兩臺(tái)背相布置的六流小方還連鑄機(jī)；3)采用密集型連鑄機(jī)，將12流分為四組，每組三流，裝在一個(gè)框架內(nèi)，一組流間距為350mm，相鄰兩組兩個(gè)結(jié)晶器中心距可以作大些。由于大方坯連鑄機(jī)在澆注優(yōu)質(zhì)特種鋼和不銹鋼時(shí)，可在降低澆注速度、減少鑄坯非金屬夾雜和中心疏松、提高鑄坯質(zhì)量的前提下，不降低生產(chǎn)能力，并在產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)合理性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，從而逐步取代模鑄成為優(yōu)質(zhì)特種鋼的主要鑄造工藝。研究并改進(jìn)各個(gè)中間設(shè)備對(duì)提高連鑄坯質(zhì)量有重要意義。 研究?jī)?nèi)容鋼水從大包開澆到鑄坯成型各個(gè)環(huán)節(jié)，包括鋼包、滑動(dòng)水口、中間包、浸入式水口、結(jié)晶器以及現(xiàn)在廣泛使用的各種新技術(shù)等的基礎(chǔ)介紹，同時(shí)介紹其工作原理，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要概括，同時(shí)分析其對(duì)鋼液流場(chǎng)在不同情況下的影響，改進(jìn)各個(gè)環(huán)節(jié)內(nèi)不合理設(shè)計(jì)。這些因素在鋼液澆筑過程中是變化的。所以，很有必要針對(duì)實(shí)際情況，進(jìn)行鋼包內(nèi)鋼液行為的研究，摸清各因素對(duì)鋼包鋼液流動(dòng)狀態(tài)的影響，從而確定這些因素對(duì)鋼液流動(dòng)行為的影響，為加強(qiáng)鋼包在生產(chǎn)周轉(zhuǎn)過程中的管理和調(diào)度，確保連鑄過程中鋼水流場(chǎng)的變化適應(yīng)澆注過程的工藝需要。滑動(dòng)水口工藝目前已在全世界范圍內(nèi)得到普及，我國(guó)在鋼包上也基本上都安裝了滑動(dòng)水口機(jī)構(gòu)[1~3]。如圖1 所示，由座磚、上水口磚、上滑板、下滑板和下水口磚組成。圖2 滑動(dòng)水口配套機(jī)構(gòu)示意圖固定框架：裝上滑板用,固定在鋼包上。開閉框架：連接固定框架,托起滑動(dòng)框架,施加面壓,安裝下水口磚。防熱罩、防濺板：防止鋼水飛濺和熱輻射。冷卻機(jī)構(gòu)：由風(fēng)冷管道組成,通過冷風(fēng)降低機(jī)構(gòu)的溫度,對(duì)彈簧進(jìn)行冷卻,防止變形。 滑動(dòng)水口的原理鋼包滑動(dòng)水口機(jī)構(gòu)，就是利用安裝在鋼包底部金屬外殼外面的兩塊用耐火材料制成的平板(上面的稱上滑板，下面的稱下滑板)，并且依靠機(jī)械的力量把兩塊滑板壓緊，達(dá)到近乎沒有間隙的程度。當(dāng)上、下澆鑄孔在移動(dòng)中重合時(shí)，鋼包內(nèi)鋼水可以通過上水口、上滑板、下滑板、下水口流出，進(jìn)行澆鑄作業(yè)。由于滑板的移動(dòng)是和水口連接在一起進(jìn)行的，并且整個(gè)機(jī)構(gòu)安裝在鋼包底部，所以稱之為鋼包滑動(dòng)水口機(jī)構(gòu)[7~8]。但該機(jī)構(gòu)在實(shí)際使用過程中也存在著不少問題，可以歸納成如下幾點(diǎn)[9~19]： 1．配套機(jī)構(gòu)裝置方面的原因。 2．耐火材質(zhì)方面的原因。 3．操作方面的原因。 引流砂滑動(dòng)水口引流料是充填在滑動(dòng)水口上水口、上滑板流鋼孔中的不定形耐火材料。 引流砂的工作原理鋼包鋼水自動(dòng)開澆是指盛鋼水的鋼包在將其滑板打開后，鋼水能自動(dòng)從鋼包中流出，順利地澆注到中間包內(nèi)。 引流砂對(duì)鋼包開澆率的影響引流砂質(zhì)量是影響開澆率的主要因素之一。為此，要求引流砂具備以下條件：1．不過度燒結(jié)；2．抗鋼水滲透性好；3．流動(dòng)性好。生產(chǎn)中，若填充料的狀態(tài)不好，則易使鋼包滑動(dòng)水口堵塞，自然開澆率降低。在現(xiàn)場(chǎng)，填充料的裝入一般是通過手工操作進(jìn)行。對(duì)ｂ，ｅ兩種堆積狀態(tài)而言，填充料經(jīng)鋼液沖刷后，鋼水很容易進(jìn)入鋼包滑動(dòng)水口內(nèi)凝固，導(dǎo)致滑動(dòng)水口堵塞而不能自然開澆。圖3 滑動(dòng)水口內(nèi)填充料的堆積狀態(tài) 鋼包下渣系統(tǒng) 下渣系統(tǒng)概述在連鑄中，鋼水從鋼包出水口出流到中間包，再從中間包出水口進(jìn)入結(jié)晶器。由于連鑄生產(chǎn)的重要性，連鑄鋼包到中間包的下渣檢測(cè)技術(shù)成為目前研究的重點(diǎn)。鋼包中隨鋼流進(jìn)入中間包的鋼渣量，將導(dǎo)致中間包中渣層厚度的不斷增加。因而要生產(chǎn)高質(zhì)量的連鑄坯，最根本的一點(diǎn)就是減少由鋼包進(jìn)入中間包的鋼渣量，并使之達(dá)到合理的最小值.為了能夠在鋼水澆鑄過程中準(zhǔn)確判定鋼包澆注終點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)一般采用以下兩種手段：1．通過肉眼觀察[20]一般鋼包向中間包澆注時(shí)，為防止鋼水二次氧化，均采用長(zhǎng)水口(保護(hù)套管)保護(hù)鋼流。只好采用提前拆去長(zhǎng)水口，人工肉眼觀察來判定澆鑄終點(diǎn)，在這段時(shí)間內(nèi)鋼水將嚴(yán)重二次氧化。因此拆除長(zhǎng)水口后，肉眼觀察是否下渣時(shí)，往往下渣量已很大了，甚至流股變?yōu)槿鼤r(shí)，才能分辨出是否混渣，然后再關(guān)閉滑動(dòng)水口，此時(shí)已有大量鋼渣進(jìn)人了中間包，為避免大量鋼渣進(jìn)人中間包情況發(fā)生，操作工不得不提前關(guān)閉水口，尤其對(duì)嚴(yán)格要求品質(zhì)的鋼種更是如此，這樣就造成鋼包中殘鋼量上升，降低了鋼水收得率，從而使經(jīng)濟(jì)效益降低。2．通過重量進(jìn)行分析[21]這種方法是通過安裝在鋼包上的稱重設(shè)備來對(duì)鋼包的重量來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于鋼水和鋼渣的比重差別較大，同時(shí)包襯的重量由于侵蝕而不斷變化，而且每包的出鋼量也不同，還有水口變化等因素都會(huì)影響到下渣的準(zhǔn)確判斷，因此這種方法應(yīng)用很少，只能作為肉眼觀察法的輔助手段。 現(xiàn)有下渣檢測(cè)方法介紹1．紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼渣檢測(cè)[22]該方法是一種基于非接觸式的鋼渣檢測(cè)系統(tǒng)的概念：它的中心部件是一架照相機(jī)，用于采集紅外線波長(zhǎng)范圍的輻射能。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)可靠，能準(zhǔn)確反映出鋼渣含量。2．電磁檢測(cè)方法[22]該檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是傳感器，傳感器的安裝位置見圖4。圖4 傳感器安裝位置示意圖這種方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)可靠，能反映出鋼流混渣量。3．超聲波檢測(cè)方法[23]超聲波檢測(cè)方法的原理是利用當(dāng)有渣和無渣時(shí)超聲波發(fā)出信號(hào)和反射信號(hào)的差別來實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼渣的檢測(cè)。第一種是采用浸入式的超聲波探頭。圖5 浸入式超聲波檢測(cè)原理示意圖浸入式的超聲波探頭由壓電晶體、低碳鋼波導(dǎo)和一個(gè)安裝在石墨支撐架上的反射器組成。通過超聲波脈沖發(fā)生器發(fā)出超聲波，超聲波遇到底壁時(shí)將反射回來，反射回來的信號(hào)被接收探頭接收，并且加以放大轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后讓它在示波器上顯示。但是，它只有在鑰渣流到中間包以后才能檢測(cè)出來。而且超聲波探頭的工作溫度高達(dá)1500℃，系統(tǒng)的使用費(fèi)用比較高。第二種方法是在鋼包的側(cè)壁上裝上超聲波探頭。但需要對(duì)鋼包進(jìn)行改造，而且超聲波探頭的工作環(huán)境也比較惡劣，工作溫度高達(dá)700~800℃，制造和使用的費(fèi)用較高。為了避免鋼包內(nèi)的鋼水直接裸露在空氣中，造成澆鑄過程中的鋼水溫降過快，必須在轉(zhuǎn)爐出鋼后向鋼水表面加入一定量的鋼水保溫劑進(jìn)行保溫，保溫劑保溫效果的好壞對(duì)鋼錠質(zhì)量的影響較大。它具有容量小、熱容小、熔點(diǎn)高及不易侵蝕耐材等特點(diǎn)。 新型鋼包覆蓋保溫劑由于碳化稻殼在保溫性能上存在著一定的缺陷，已不能滿足煉鋼工藝的要求，新型鋼水覆蓋劑的開發(fā)已勢(shì)在必行。方法是添加一定數(shù)量的膨脹蛭石和膨脹石墨， 膨脹蛭石和膨脹石墨都具有較高的膨脹能力，能夠使覆蓋劑在投入鋼包后迅速地鋪展開，使覆蓋劑有效地覆蓋住鋼水表面。2．提高覆蓋劑的發(fā)熱值。在發(fā)熱劑的選擇上我們考慮了兩種方案：一種方案是加入鋁粉另一種是采用焦炭粉和煤粉。覆蓋劑的成渣性能包括適宜的成渣速度和成渣溫度。這就要求覆蓋劑加入鋼包后要具有一定的成渣速度，使部分渣料接觸高溫鋼水后能夠形成一定的熔渣層，在鋼液表面擴(kuò)散并覆蓋住鋼水表面。熔融態(tài)鋼水首先從鋼包注入中間包，再通過中間包水口分配到下面的結(jié)晶器，在那里熔融的鋼水冷卻成為固體，拉出切割成成品的連鑄坯。圖6 連鑄工藝流程圖 中間包冶金技術(shù) 中間包的作用及冶金功能隨著對(duì)鋼質(zhì)量的要求越來越嚴(yán)格，以及在鋼包冶金方面的成功，已使人們不能再把中間包作為一個(gè)簡(jiǎn)單的容器使用，而是力爭(zhēng)在中間包中進(jìn)一步去除夾雜物，并防止鋼液的再污染?？傮w而言，中間包作為冶金精煉反應(yīng)器，應(yīng)該具有如下功能[25]：1．消除鋼水再污染，防止鋼液二次氧化，防止耐火材料侵蝕和鋼包渦流卷渣。這些來源為：1) 鋼包水口出流旋渦卷渣；2) 由盛鋼桶到中間包注流被空氣氧化；3) 注流沖擊中間包液面引起卷渣；4) 中間包耐火材料被侵蝕；5) 中間包水口吸入空氣；6) 浸入式水口結(jié)瘤脫落形成大顆粒夾雜；7) 結(jié)晶器保護(hù)渣卷入鋼中。3．相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，如下渣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、液面控制系統(tǒng)、加熱設(shè)備、合金微調(diào)、夾雜物形態(tài)控制等等。通過上述冶金功能的實(shí)現(xiàn)，就進(jìn)一步凈化了進(jìn)入結(jié)晶器的鋼液清潔度。如鋼包精煉技術(shù)一樣，中間包已成為煉鋼生產(chǎn)流程中一個(gè)獨(dú)立的冶金反應(yīng)器。增大中間包容量使鋼液在中間包內(nèi)有較長(zhǎng)的停留時(shí)間，從而有利于夾雜物的充分上浮。2．避免中間包水口堵塞和改進(jìn)水口技術(shù)。采用旋轉(zhuǎn)管閥進(jìn)行澆注，使中間包鋼液面降到更低而不損害鑄坯的質(zhì)量，提高鋼液收得率。采用堰、壩、導(dǎo)流隔墻、過濾器和湍流控制器，以及它們的組合來控制中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)，其目的是控制中間包中流場(chǎng)形態(tài)，使流動(dòng)合理，液面保持平穩(wěn)，盡量減輕湍流的干擾，減少死區(qū)，增大鋼水平均停留時(shí)間，有利于夾雜物去除，提高鋼水清潔度。中間包鋼水喂鈣線是為了去除夾雜以及使夾雜物變性，中間包鋼水喂合金線，主要是為了調(diào)整鋼液成份。5．中間包加熱技術(shù)的研究。6．中間包噴吹氣體技術(shù)。7．離心流中間包的應(yīng)用。 高效連鑄對(duì)中間包冶金技術(shù)的要求較之常規(guī)連鑄技術(shù)，高效連鑄技術(shù)具有更高的澆注速度、高的連鑄機(jī)作業(yè)率、高連澆率、高的質(zhì)量水平及高的出坯溫度。高效連鑄技術(shù)對(duì)于鋼液的澆注溫度、潔凈度及流動(dòng)穩(wěn)定性等方面的要求嚴(yán)格，因此有必要通過數(shù)學(xué)模擬和物理模擬來對(duì)中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)特性和溫度分布進(jìn)行深入研究，并廣泛應(yīng)用中間包冶金技術(shù)，優(yōu)化中間包的結(jié)構(gòu)參數(shù)以獲得良好的流動(dòng)模式和鑄流特性。2．通過控流及過濾設(shè)備(包括壩、堰、導(dǎo)流板和過濾器)的優(yōu)化組合應(yīng)用，可以有效地控制鋼液的流動(dòng)方向、流動(dòng)模式和停留時(shí)間，更有利于夾雜物的上浮分離和過濾。4．采用等離子中間包加熱技術(shù)，添加既能起保溫作用又能起成分微調(diào)作用的覆蓋劑，實(shí)現(xiàn)多爐連澆和低過熱度高速澆注。6．中間包內(nèi)襯材質(zhì)的改進(jìn)，可大幅度地提高中間包