中间包钢流控制与净化新技术

关键词 中间包流场，湍流控制器，气幕挡墙，离心式中间包

中图分类号 TF777 文献标识码 A

1 前言

随着对钢材洁净度要求的进一步提高，中间包的精炼功能也越来越受人们的关注，中间包的冶金功能除稳定钢流、减少钢液对结晶器的冲击外，还具有均匀钢水成分和温度，防止二次氧化，去除夹杂、净化钢质等功能。中间包内钢水的流动特性，对钢水中夹杂物的上浮分离起到十分重要的作用，有研究资料表明^[1]，钢水在经出钢到浇注的过程中如不加以保护，将有70％的夹杂来自于中间包。中间包已成为连铸生产的关键一环^[2]。国内外普遍采用水模分析或有限元分析法来设计中间包结构，通过堰、坝、湍流控制器、气幕挡墙等控流装置，以改善中间包内钢水流场，减少死区，延长钢水在中间包内的停留时间，促进夹杂物的上浮。

2 中间包结构和控流装置的优化

中间包冶金的主要功能是注流分配以及去除夹杂，达到净化钢水的目的，多年来人们对中间包结构及内部控流装置等进行了许多研究，取得了很大的成绩。早期是在中间包内设挡渣墙及导流坝，以改善钢水的流动，后来人们又研制了陶瓷过滤器，20世纪八、九十年代国外少数钢厂开始应用微气泡气幕挡墙及湍流控制器。中间包也向大型化发展，大容量深中问包可以增加钢水的停留时间，有利于夹杂物上浮，深中间包还可以防止漩涡的形成，换包时防止卷渣，在过去的几年里，世界范围内生产低碳铝镇静钢的中间包容量逐步增加。较典型的容量达60～80t，深度超过1778mm^[3]。中间包水口部位鞋跟“heel”的设计，可以避免开浇、停浇低液位时的紊流影响，同时有利于金属收得率的提高。

2．1 过滤器

20世纪80年代，日本开发了过滤技术，并在连铸普碳钢中进行了半工业试验，国内近年来也开展了陶瓷过滤器的开发，已研制成功多孔泡沫过滤器，并在高温合金和连铸钢液中试用，取得了一定的效果^[4]。浦项钢厂在坝上开了77个孔使其部分具有过滤器作用，钢水洁净度得到改善。Nisshin钢厂也采用类似技术同样改善了钢的洁净度，陶瓷过滤器和CaO过滤器对去除夹杂是非常有效的，但因过滤器种类和结构的不同，夹杂物去除率有很大变化(4％～80％)，去除率越大则过滤钢液量越少，另外过滤器的成本较高且易产生堵塞，进而影响中间包内流场，限制了它的推广使用。

2．2 气幕挡墙

微气泡的气幕挡墙是采用布置在中间包底部的条状弥散型透气砖或排列成列的吹氩孔吹人惰性气体氩气，吹入的氩气在中间包内形成一道“气幕”，气幕挡墙具有以下优点：

(1)其主要作用是“气洗”，而不是搅拌，但搅拌作用还是不能忽视的；

(2)气幕挡墙不像其它预制件那样污染钢液，如增加钢液中夹杂物、磷等，而是在微气泡的带动下，促进夹杂物的碰撞上浮；

(3)气幕挡墙可以改善中间包流场，可以抑制注流沿包底流动形成的短路流，延长钢液在中间包内的平均停留时间。

钢液中的小颗粒夹杂物很难通过常规的控流装置去除，在中间包的合适位置设置气幕挡墙，可以对夹杂物起到隔离作用阻止其流向水口部位。另外，与小气泡碰撞而黏结在一起的小夹杂物，聚集长大，被气泡带到钢液面而去除，气幕挡墙对中间包内钢水流动特性的改善是很重要的。图1为有无气幕挡墙的中间包内钢液沿着长度方向中心截面的速度矢量图。由图1可以看出无气幕挡墙时钢液注入后，在注入区两侧形成大的环流，最后经水口流出，而采用“气幕”后，钢液流动轨迹发生变化，在“气幕墙”两侧分别形成2个方向相反的回流区消除了包底水平流，增加了该区域的钢液混合程度增大了夹杂物的碰撞长大概率。

一般在堰、坝的下游及中间包端部存在较大死区，在气幕挡墙的气体流作用下，可充分利用中间包的体积，死区体积减少，流场的改善，促进夹杂去除。张美杰等^[5]对20～100μm的夹杂物颗粒进行了有无气幕挡墙的模拟计算，图2为有无气幕状态下中间包内夹杂物的运动轨迹图，吹气过程及吹气量对中问包内夹杂物的去除率见表1。由表1可看出，采用吹气装置后，夹杂物上浮明显提高。由此也可看出吹气量影响夹杂物的去除率，应选取一个合适的通气量，并不是吹气量越大越好。

气幕挡墙的搅拌作用是不能忽视的，研究^[6]。表明，气幕挡墙的微细气泡群还可以均匀钢液成分、温度，同时具有真空泵的作用，具有一定的脱氮、脱氢的功能。气幕挡墙已在本钢、柳钢等多家板坯连铸机上应用，该技术在洁净钢的生产中有很大的应用潜力。

2．3湍流控制器

湍流控制器(TI)是改善中间包内部钢液流场的又一个质的飞跃，简单的堰、坝组合并不能很好地改善中间包流场，冲击区的钢水注人湍流动能对整个中间包内钢水的流动有很大的影响。因此采用合理的控流装置来抑制冲击区湍流作用是很必要的。湍流控制器在许多钢厂得到了应用，如唐钢FTSC中间包就采用了这种装置，其为DANIELI公司专利，又称“双效冲击垫(DEP)”(见图3)。经CFD模拟和浇钢实践，效果良好。图4、图5模拟了：DEP内钢液流速矢量图和FTSC中间包流场。经长水口快速注入流有一部分折返向上与新的注人流碰撞使注流区湍动能通过重复循环和逆向环状流而逐渐消散，延长其在中间包内的滞留时间，注流区的流体混合促进夹杂物碰撞上浮。湍流控制器可以消除开浇时的钢水飞溅。减缓了长水口注入区的湍流程度，有利于钢液的混合，避免水平流，另外有抑制氢、氧的吸入和表面卷渣作用，避免了中间包冲击区侧壁的冲刷，有利于中间包使用寿命的提高。

研究^[7]表明，湍流控制器加气幕挡墙的合理布置能更有效地改善中间包内流体流动轨迹和特征参数。采用湍流控制器加气幕挡墙较只采用堰、坝结构中间包内流体最小停留时间延长，活塞流体积增大，有效地减少了死区，其结果如表2所示，中间包的冶金效果得到很大改善。

3 中间包吹气技术

该技术的基本思路是在高速紊流的钢水中吹人气体，高紊流强度的液体将气体打碎形成无数小的气泡，分散在钢水中，气泡在洁净钢生产中有着重要的冶金效果。大的气泡直径10～20mm，很难去除-小于50mm的夹杂物^[8]，而这些微小气泡的流动促进和吸附了夹杂物随气泡上浮而被去除。吹气位于钢包长水口部位，如图6。钢包中钢液在长水口内快速流动，形成很强的冲击力，有利于气泡细化，增强精炼作用。未吹气时钢水在注流带动下流动，然后沿包壁回流至上表面，滞留时间短，撞碰机会少，而吹气后在气泡的拖曳作用下钢水向上流动，然后沿包壁下降形成环形流有利于夹杂物上浮和被气泡捕获上浮去除。

这种吹气技术也有利于均匀钢液成分和温度，在操作过程中应设定合适的通气量。避免引起中间包液面的波动，造成卷渣。

4 中间包离心流场

Y．MIKI^[10]等人开发的离心式中间包是又一典型新技术，并在Et本川崎制铁应用，钢水经长水口流出后进入旋转室在电磁力驱动下进行离心流动。然后由旋转室底部的出口流出，湍动能的耗散集中在注流区，有利于夹杂碰撞聚集，同时具有湍流控制器的作用。李玉宽、侯勤福等^[11]、[12]对离心式中间包整体流场进行了研究。离心式中间包流场模拟图如图7所示，注流钢水在离心室内强烈离心流动后沿中间包侧壁流向浇注区，整个中间包内钢水呈非对称性流动，随着注流量的增加，旋转室内的流速会增强，可能造成液面的波动、卷渣，对旋转室高度和直径应合理设计。稳态浇注时这种离心式中间包钢水全氧量T[O]可由(8～15)×10^-6降至7×10^-6。以下^[13]、[14]。

中间包主截面流场

5 结论

(1)过滤器因种类和结构不同对去除夹杂差别较大(4％～80％)，另外过滤器的成本较高且易产生堵塞，使用寿命受到限制。

(2)湍流控制器能消除湍动能，有利于钢液混合，促进夹杂物上浮。

(3)气幕挡墙对净化钢水效果明显，尤其是配合湍流控制器使用，对均匀钢水成分、温度也很有利，值得推广。

(4)中间包吹气技术消除了湍动能，并利用微小气泡来吸附夹杂，其流量设计很重要。

(5)离心技术对去除夹杂改变湍动能有效，但其对液面的搅动不能忽视，另外，钢水呈非对称性流动，与挡坝等配合使用效果会更好。

总之，不管采用哪种中间包结构，采用水模分析合理设计很重要，否则，不但不会改善中间包内流场，反而会带来不良影响。