包永鵬

（酒鋼（集團(tuán)）宏興股份有限責(zé)任公司， 甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

1 中間包在連鑄過(guò)程中的作用

全連鑄技術(shù)的發(fā)展使煉鋼生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化，流程縮短，生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益顯著提高，因此大力發(fā)展連鑄技術(shù)是改進(jìn)煉鋼廠工藝流程和提高經(jīng)濟(jì)效益的突破口。中間包是煉鋼生產(chǎn)流程的中間環(huán)節(jié)，而且是由間歇操作轉(zhuǎn)向連續(xù)操作的銜接點(diǎn)，無(wú)論對(duì)于連鑄操作的順利進(jìn)行，還是對(duì)于保證鋼液品質(zhì)符合要求，中間包的作用是不容忽視的。通常認(rèn)為中間包起到的作用：

1）減壓作用。鋼包內(nèi)液面高度較高，沖擊力很大，在澆鑄過(guò)程中變化幅度也很大，中間包液面高度比鋼包低，變化幅度也小得多，因此可用來(lái)穩(wěn)定鋼液澆鑄過(guò)程，減小鋼流對(duì)結(jié)晶器凝固坯殼的沖刷。

2）連澆作用。在多爐連澆時(shí)，中間包存儲(chǔ)的鋼液在換盛鋼桶時(shí)起到銜接的作用。

3）保護(hù)作用。通過(guò)中間包液面的覆蓋劑，長(zhǎng)水口以及其他保護(hù)裝置，減少中間包中的鋼液受外界的污染。

4）在多流連鑄機(jī)上起分配鋼流的作用。

中間包作為連鑄過(guò)程中的中間容器，已經(jīng)由傳統(tǒng)的容器轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸苯鸸δ艿姆磻?yīng)器，而且作用越來(lái)越大，現(xiàn)代冶金觀點(diǎn)認(rèn)為中間包還有的功能：

1）清除和減少鋼液再次污染的來(lái)源，即防止二次氧化、減輕耐火材料的侵蝕、減少鋼包渣的卷入以及渣中不穩(wěn)定氧化物的危害。

2）改善鋼水流動(dòng)狀態(tài)，防止短路流，減小死區(qū)，增加鋼液停留時(shí)間，防止卷渣，促進(jìn)鋼水中的夾雜物上浮，進(jìn)一步提高進(jìn)入結(jié)晶器鋼水質(zhì)量和鑄坯的質(zhì)量。

3）通過(guò)加合金和加熱技術(shù)對(duì)鋼水的成分和溫度進(jìn)行微調(diào)。

2 中間包渣和夾雜物的來(lái)源

中間包渣量影響連鑄終澆時(shí)中包注余重量，降低了金屬收得率，特別是對(duì)一些經(jīng)濟(jì)附加值高的鋼種來(lái)說(shuō)，影響了經(jīng)濟(jì)效益；中包渣過(guò)多，在換包時(shí)中包液面控制得過(guò)低，夾雜物上浮不充分，也影響了鑄坯的質(zhì)量。其主要來(lái)源：

1）鋼包澆注完下渣。

2）中包覆蓋劑吸收非金屬夾雜物。

作過(guò)程中加強(qiáng)判渣的水平和減少鋼水非金屬夾雜物對(duì)減少中間包渣量具有重要的作用。

中間包的夾雜物根據(jù)其來(lái)源可分為外來(lái)夾雜物和內(nèi)生夾雜物。外來(lái)夾雜物是指從煉鋼到澆注的全過(guò)程中，鋼液與空氣、耐火材料、爐渣相互作用的產(chǎn)物以及機(jī)械卷入鋼中的各種氧化物，包括氧化產(chǎn)物、二次氧化產(chǎn)物、出鋼時(shí)卷入的冶金爐渣、鋼流沖刷而卷入的耐火材料等；內(nèi)生夾雜物主要是指脫氧和合金化元素與溶解在鋼液中的氧以及硫、氮的反應(yīng)產(chǎn)物。

2.1 中間包的控流裝置

隨著連鑄技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)連鑄坯軋材的要求也越來(lái)越高，而影響連鑄坯及軋材質(zhì)量的主要因素之一就是非金屬夾雜物。大量的實(shí)踐表明，連鑄坯中大型夾雜物來(lái)源于中間包。因此，在中間包內(nèi)如何采取有效措施控制非金屬夾雜物，使其不隨鋼液進(jìn)入結(jié)晶器非常重要。中間包作為鋼液凝固前所經(jīng)過(guò)的最后一個(gè)耐火材料容器，要求其最大可能使鋼中非金屬夾雜物在鋼水處于液態(tài)時(shí)排除徹底，同時(shí)要防止非穩(wěn)態(tài)澆注時(shí)鋼水的二次氧化和耐火材料的熔損、沖刷所產(chǎn)生的新的二次夾雜物，因此，系統(tǒng)研究中間包控流裝置對(duì)于提高鋼水潔凈度具有重要意義，中間包控流裝置的作用是增加鋼水的停留時(shí)間，并保證鋼水中的非金屬夾雜物有充分的時(shí)間上浮、排除。常用的控流裝置有湍流控制器、堰、壩等。中間包安裝湍流控制器流場(chǎng)示意圖見(jiàn)圖1。中間包安裝擋墻和擋壩后流場(chǎng)示意圖見(jiàn)圖2

圖1 中間包安裝湍流控制器流場(chǎng)示意圖

圖2 中間包安裝擋墻和擋壩后流場(chǎng)示意圖

2.1.1 湍流控制器的作用

1）改善流體流動(dòng)軌跡。注流下來(lái)后正好沖擊在安裝在大包長(zhǎng)水口正下方的湍流控制器，注流產(chǎn)生的湍流不僅受到約束，而且會(huì)以大的傾角逆向朝著液體表面流動(dòng),然后流向上擋墻,流體流動(dòng)曲折迂回，并且最大程度地靠近中間包液體表面緩慢流動(dòng)。這樣一來(lái)，不僅消除了流體“短路流”，更重要的是，靠近液體表面的流動(dòng)可為夾雜物上浮創(chuàng)造有利的條件。

2）減少開(kāi)澆時(shí)鋼水噴濺。

3）減輕長(zhǎng)水口卷吸空氣。

2.1.2 堰的作用

堰，又稱(chēng)擋渣堰或上擋墻。橫跨整個(gè)中間包寬度，從鋼液面上部延伸至距中間包底部一定距離，鋼水可從其下方流過(guò)。堰的主要作用：

1）控制鋼包注流沖擊區(qū)的大小和鋼包注流對(duì)中包鋼水?dāng)嚢鑿?qiáng)度，促使夾雜物碰撞和聚集成大尺寸夾雜物上浮并去除。

2）把隨鋼包注流進(jìn)入中間包的爐渣擋在沖擊區(qū)內(nèi)，減少鋼水因鋼包卷渣造成的二次污染。

3）把鋼包注流沖擊引起的中間包鋼水表面波動(dòng)限制在堰的上游，穩(wěn)定堰的下游中間包鋼水液面，減少表面卷渣、二次氧化和機(jī)械沖刷所產(chǎn)生夾雜物數(shù)量。

2.1.3 壩的作用

壩，又稱(chēng)導(dǎo)流壩或下?lián)鯄?。橫跨整個(gè)中間包寬度，從中間包底部向上延伸至距鋼液面之下一定距離，鋼水從其上流過(guò)。壩的主要作用：

1）過(guò)壩的鋼水產(chǎn)生指向鋼液表面的流動(dòng)軌跡，縮短夾雜物的上浮距離，有利于夾雜物上浮去除和頂渣捕獲夾雜物。

2）可以將鋼包注流沖擊限制在沖擊區(qū)內(nèi)，降低鋼水水平流動(dòng)速度。

3）防止中間包短路流的形成，延長(zhǎng)鋼水在中間包內(nèi)的流動(dòng)距離，增加鋼水在中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間。

2.2 不繡鋼中間包控流裝置配置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于不銹鋼對(duì)鋼水純凈度要求較高，選擇合適的中包工作層耐火材料，對(duì)于去除中間包鋼液中的非金屬夾雜物、降低耐火材料對(duì)鋼水的二次污染極其重要，選擇合適的耐火材料不僅能在一定程度上能夠吸附鋼水中的雜質(zhì)元素及其化合物，并在使用壽命上也能滿(mǎn)足生產(chǎn)的要求，除此之外合理布置中間包的各種控流裝置并對(duì)其優(yōu)化，增加鋼水平均停留時(shí)間，促進(jìn)夾雜物充分上浮，減小死區(qū)，對(duì)提高鑄坯質(zhì)量，增加經(jīng)濟(jì)效益有重要的作用。下面是某不銹鋼廠對(duì)中間包控流元件配置實(shí)驗(yàn)。

2.2.1 不銹鋼中包控流裝置配置的方案

根據(jù)碳鋼中間包使用情況和文獻(xiàn)資料設(shè)計(jì)四種不銹鋼中包控流裝置配置方案。

1）方案一。在不銹鋼中間包沖擊區(qū)迎鋼面上設(shè)置一個(gè)湍流控制器，在其右邊設(shè)置一塊擋渣墻和擋渣壩，如圖3 所示。

圖3 設(shè)置擋墻、擋壩、湍流控制器的方案

2）方案二。將方案一中的擋渣墻取消，其目的是驗(yàn)證湍流控制器、擋渣壩對(duì)中包流場(chǎng)的影響，如圖4所示。

圖4 設(shè)置湍流控制器和擋壩的實(shí)驗(yàn)方案

3）方案三。僅設(shè)置一個(gè)紊流器，是將方案二中的擋渣壩取消，其目的是比較本方案與方案二的流場(chǎng)特性，如圖5 所示。

圖5 設(shè)置湍流控制器的實(shí)驗(yàn)方案

4）方案四。本方案與方案三不同，是將方案三中的湍流控制器取消，換成一塊正方形沖擊板，其目的是不設(shè)控流裝置，驗(yàn)證僅沖擊板對(duì)中包流場(chǎng)的影響，如圖6 所示。

圖6 設(shè)置沖擊板的實(shí)驗(yàn)方案

將中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)看作三維穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)，采用連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、示蹤劑湍流傳質(zhì)方程及其差分方程，用計(jì)算機(jī)求解中間包內(nèi)鋼液的流場(chǎng)及示蹤劑的濃度分布，并繪制RTD 曲線(xiàn)。得出流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果：

1）方案一。如圖7 所示，中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)以擋渣墻為界被分割成兩大區(qū)域：在紊流器附近區(qū)域，由于鋼包鋼液的射流作用，流股直達(dá)紊流器內(nèi)底面，迅速向四周鋪開(kāi)，碰到側(cè)壁后轉(zhuǎn)而向上和向主射流相反方向也即向上流動(dòng)，在長(zhǎng)水口入口處鋼液形成卷吸循環(huán)區(qū)，由于該區(qū)遠(yuǎn)離鋼液面，因此降低了鋼液卷渣、卷入氣體的概率和鋼液的二次氧化；而在紊流器內(nèi)底部外環(huán)區(qū)域，由于紊流器的縮口作用，這種循環(huán)對(duì)鋼液的混勻作用更加突出，有利于均勻鋼液成分和鋼液溫度，同時(shí)減緩了鋼液的沖擊、飛濺和由沖擊而造成的波動(dòng)及向上流動(dòng)的速度，也減緩了對(duì)耐火材料的沖刷；在紊流器的主流股外部上方由于主流股向上的卷吸作用，出現(xiàn)向心回流，形成外循環(huán)區(qū)，該循環(huán)區(qū)流速相對(duì)緩慢，有利于夾雜物的聚合和上??；而在中間包擋渣墻水口一側(cè)，鋼液流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定（也即穩(wěn)定區(qū)），流速緩慢，有利于夾雜物的上浮和去除。在豎直截面還可以看到，鋼液由擋渣墻的底部向澆注區(qū)流動(dòng)，經(jīng)過(guò)第一個(gè)擋渣壩改變了鋼液的流動(dòng)方向，迫使鋼液上揚(yáng)流動(dòng)，延長(zhǎng)了流動(dòng)路徑，可以延長(zhǎng)其在中間包內(nèi)的停留時(shí)間。朝向中包水口方向流動(dòng)的主流股集中在液面附近，碰撞聚集生成的夾雜物距離渣液面較近，也就是說(shuō)夾雜物上升距離較短，很容易被渣液面上的渣吸附，從而達(dá)到去除鋼液中的夾雜物之目的。而在中間包底部?jī)蓚€(gè)擋壩之間，由于主流股的卷吸作用，出現(xiàn)朝向中包注流區(qū)方向的回流，形成循環(huán)區(qū)，該循環(huán)區(qū)流速緩慢，有利于夾雜物的聚集生成，但卻容易形成死區(qū)。另外，從豎直截面和水平截面可以看出，無(wú)論是水平中心區(qū)域，還是遠(yuǎn)離水平中心區(qū)域，流股流速都比較均勻且流動(dòng)方向一致，因此，該方案的流場(chǎng)比較理想。

圖7 中間包內(nèi)不同鋼液截面流場(chǎng)

2）方案二。如圖8 所示，鋼液的流動(dòng)以湍流控制器為界被分割成兩大區(qū)域：湍流強(qiáng)度較強(qiáng)的注流區(qū)和流動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)的澆注區(qū)，在澆注區(qū)鋼液的流動(dòng)與方案一相同，這里不在重述，而在澆注區(qū)由湍流控制器留出的鋼液，其主流股主要集中在液面附近，但是隨著朝向水口方向的流動(dòng)，有一部分流股逐漸下降，在接近或到達(dá)包底后，繼續(xù)前行，當(dāng)遇到擋渣壩后，鋼液開(kāi)始上揚(yáng)流動(dòng)，這在一定程度上消除了短路流，但是這種流場(chǎng)使得夾雜物的上浮距離增加，不利于夾雜物的去除。從豎直截面和水平截面可以看出，在液面附近，無(wú)論是水平中心區(qū)域，還是遠(yuǎn)離水平中心區(qū)域，流股流速與方案一相比，其大小都有些不均勻，因此，該方案的流場(chǎng)效果稍次于方案一。

圖8 中間包內(nèi)不同鋼液截面流場(chǎng)

3）方案三。如圖9 所示，由上述流場(chǎng)圖可以看出，本方案與方案二的流場(chǎng)效果基本上相同，不再重述。唯有不同的是本方案將方案二中的擋壩去掉了，從而失去了因擋壩引起的上揚(yáng)流動(dòng)。因此，該方案的流場(chǎng)效果相對(duì)方案二較弱。

圖9 中間包內(nèi)不同鋼液截面流場(chǎng)

4）方案四。如圖10 所示，與控流元件配置方案三比較，本方案取消了紊流器，而改成了沖擊板，很顯然。沖擊板的作用明顯不如紊流器（湍流控制器）的作用突出，而鋼液的主流股也不是主要集中在鋼液面附近，不利于夾雜物的去除，該方案與方案三相比，較差。

圖10 中間包內(nèi)不同鋼液截面流場(chǎng)

2.2.2 結(jié)論

采用湍流控制器、擋渣墻、擋壩時(shí)，鋼液的瞬態(tài)響應(yīng)及停留時(shí)間均有所延長(zhǎng)，有利于夾雜物的上浮去除，死區(qū)體積降低，有利于提高中間包的利用率；方案四由于沒(méi)有設(shè)置控流元件，鋼液的瞬態(tài)響應(yīng)及停留時(shí)間均為最短，也即流場(chǎng)效果最差。綜合前面的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析，認(rèn)為方案一是所有方案中較好的，方案二也可以使用，方案四建議不采用。

目前中間包采用的控流裝置是湍流控制器、擋渣墻、擋壩，能夠較好的滿(mǎn)足生產(chǎn)的工藝要求

2.3 各種不同擋墻設(shè)置方案對(duì)流場(chǎng)的影響

煉鋼分廠引進(jìn)VAI 連鑄機(jī)，中間包結(jié)構(gòu)及內(nèi)腔尺寸圖紙也一同引進(jìn)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否合理，將影響鋼坯內(nèi)在質(zhì)量，在保證中間包控流裝置不變的情況下，通過(guò)改變擋墻位置和高度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.3.1 增加上擋墻距包底的高度

圖11 中間包縱向流場(chǎng)截面局

圖12 中間包流場(chǎng)示意圖

如圖11 所示，隨著上擋墻距離底面的高度增大，上擋墻后方（右邊）的低速區(qū)域范圍縮小，鋼水通過(guò)上擋墻下部后越過(guò)下?lián)鯄?，直接沖擊到頂面的渣層,然后環(huán)形流向出口，該流動(dòng)對(duì)液面的波動(dòng)影響大。

如圖12 鋼液流線(xiàn)圖，從圖12 中可看出，隨著上擋墻距包底距離的不同，包內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)有明顯的不同。兩擋墻間形成回流，可以增加鋼水在包內(nèi)的停留時(shí)間，利于夾雜物上浮。隨高度的增加。兩擋墻間的循環(huán)流強(qiáng)度降低，鋼流對(duì)下水口頂部的鋼水及渣層沖擊加強(qiáng)，卷渣幾率增加。故上擋墻離包底距離不宜增加。

2.3.2 增加下?lián)鯄Φ母叨?/p>

如圖13 所示，隨著下?lián)鯄嚯x底面的高度增大，鋼水對(duì)頂面渣層的影響略有增加。在下?lián)鯄τ覀?cè)即出口區(qū)域上方，低速區(qū)域增大，鋼水流動(dòng)變得均勻。如圖14 所示，隨下?lián)鯄Ω叨仍黾?，鋼水?duì)頂面的鋼水及渣層沖擊加強(qiáng)。

圖13 中間包縱向流場(chǎng)截面局

圖14 中間包流場(chǎng)示意圖

2.3.3 上擋墻向右偏移100 mm

如圖15 所示，上擋墻向右平移后，在其下方的速度略有降低，但整個(gè)區(qū)域來(lái)說(shuō)，高速區(qū)的流體范圍擴(kuò)大，流動(dòng)更加合理。下頁(yè)圖16 所示，比較圖16-1，16-2，上擋墻向中心平移后，鋼水在包內(nèi)的流動(dòng)趨勢(shì)發(fā)生了很大變化，出口上方分層流向出口的現(xiàn)象得到緩解，圖16-2 完全避免了該種流動(dòng)的存在,因此,流動(dòng)更加優(yōu)化，利于夾雜物的去除。

圖15 中間包縱向流場(chǎng)截面局

2.3.4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)酒鋼不銹鋼煉鋼中間包流場(chǎng)數(shù)值模擬分析及查找相關(guān)的資料文獻(xiàn)，并和其他單位的中間包進(jìn)行對(duì)比得出如下結(jié)論，酒鋼的中間包流場(chǎng)基本合理，湍流控制器、上擋墻、下?lián)鯄苡行У陌l(fā)揮作用；適當(dāng)?shù)陌焉蠐鯄τ乙坪瓦m當(dāng)?shù)脑黾酉聯(lián)鯄Φ母叨葧?huì)使流場(chǎng)更加均勻合理。

圖16 中間包流場(chǎng)示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)合理的設(shè)置設(shè)計(jì)中間包控流裝置和相對(duì)位置，改善中間包內(nèi)鋼流的流動(dòng)軌跡，適當(dāng)?shù)脑黾愉撍钠骄Ａ魰r(shí)間，充分利用中間包容積，促進(jìn)鋼液中夾雜物充分上浮，可以提高鋼水的潔凈度，進(jìn)而提高鑄坯的質(zhì)量。

通過(guò)嚴(yán)格的工藝制度，前道工序?yàn)檫B鑄機(jī)提供質(zhì)量合格的鋼水，澆注過(guò)程中采用全保護(hù)澆注，操作過(guò)程中注意判渣，可以防止中間包過(guò)早下渣和卷渣，減少中間包注余，提高金屬收得率，增加經(jīng)濟(jì)效益。