優(yōu)化中間包結構去除鋼液氧化物夾雜

梁子福,李新強,蔣 軍,薛 松

(中國重型機械研究院有限公司,陜西 西安 710032)

1 前言

中間包是鋼液凝固前所經(jīng)過的最后一個耐火材料容器,主要功能是將潔凈的鋼液按要求的流速、溫度和成分分配給各個鑄流。無論是轉爐的脫氧產(chǎn)物、鋼包渣、中間包渣還是二次氧化產(chǎn)生的氧化物,都應盡可能地從中間包過程中去除,如果中間包結構設計不合理,就難以在中間包內去除夾雜物。因此,為提高鋼液質量,要求中間包具有消除大型外來夾雜物、避免內生夾雜物聚集長大及可在鋼液傳送過程中去除任何殘余夾雜物等功能。合理的中間包外形設計和內腔結構布置不僅是連澆過程中穩(wěn)定連鑄機和連續(xù)操作的關鍵因素,而且在去除鋼液中夾雜物、提高鑄坯質量、獲得高附加值產(chǎn)品方面發(fā)揮著重要作用。

2 中間包鋼液氧化物夾雜的來源及去除機理

中間包鋼液中氧化物夾雜有外來夾雜和內生夾雜兩種。外來夾雜來源于鋼液的二次氧化、卷渣或耐材侵蝕物等。外來夾雜物為組成復雜的復合大尺寸氧化物。Ohno等[1]發(fā)現(xiàn),鋼液二次氧化形成的大型夾雜物數(shù)量大約是鋼包到中間包之間形成大型夾雜物的 2.5倍,且二次氧化產(chǎn)物的尺寸一般都在50μm以上。鋼包渣中含有 FeO、MnO和 Si O2等氧化物,部分鋼包渣進入中間包后,與鋼液中的鋁發(fā)生反應生成簇狀的Al2O3,最終進入結晶器內并可能殘留在凝固的坯殼中,形成大型夾雜物或夾渣,圖 1為鑄坯中Al2O3夾雜物不同形態(tài)示意圖。如果不去除這些大顆粒夾雜物,會增加浸入式水口堵塞的幾率,降低或惡化產(chǎn)品質量。

圖 1 鑄坯中 Al2O3夾雜物不同形態(tài)示意圖

內生夾雜是鋼液中游離氧與脫氧劑如鋁或硅的反應產(chǎn)物,98%的內生夾雜的直徑小于5μm,內生夾雜物的尺寸較小且在鋼中均勻分布,不會對連鑄鋼坯帶來不利影響。

去除中間包鋼液夾雜物的方式主要有上浮、相互碰撞長大上浮和黏附包內耐火材料去除法等,這都與鋼液的流動密切相關。夾雜物上浮速度可粗略用 Stockes公式表示

式中,vs為夾雜物上浮速度,cm/min;DI為夾雜物的粒徑,cm;ρS為鋼液密度,7.0 g/cm3;ρI為夾雜物密度,3.5g/cm3;μ為鋼液黏度,1 600℃時為 0.05 g/cm·s2;g為重力加速度,980 cm/s2。

夾雜物從中間包底部上浮到鋼渣界面所需的時間 tf

式中,L為中間包鋼液的高度,cm。

鋼液在中間包中平均停留時間tθ按下式計算

式中,W為中間包鋼液的容量,t;Q為鋼液澆注速度,t/min。

中間包鋼液夾雜物上浮臨界粒徑DC

若按鋼液在中間包內停留時間大于 8～10 min計算,根據(jù)公式 (4)可得出不同容量中間包夾雜物上浮的臨界直徑 DC=50～80μm,也就是說只要有充分的停留時間,中間包鋼液中大于50μm的夾雜物可以通過上浮去除。

為使中間包內大顆粒夾雜物充分上浮,中間包設計應考慮采用大容量深熔池的中間包,以增加中間包鋼液平均停留時間 tf;在內腔結構上合理布置控流裝置,以改變鋼液的流動軌跡,縮短夾雜物的上浮距離。評價中間包冶金效果的指標主要是:

(1)鋼中總氧量 T[O]。T[O]=[O]熔+[O]夾,鋼中 T[O]越低,說明 [O]夾也越低,鋼的潔凈度也越高;

(2)鋼中顯微夾雜物 (M I)。一般采用金相顯微統(tǒng)計方法來鑒定;

(3)大顆粒夾雜物 (MA)。采用 Slims法來評價鋼中大顆粒夾雜物的數(shù)量 (從 1 mg/10 kg鋼到幾百 mg/10 kg鋼)。

3 中間包結構優(yōu)化

3.1 中間包內腔尺寸的優(yōu)化設計

(1)中間包容量的大型化。為使中間包內大顆粒夾雜物充分上浮,增加中間包鋼液平均停留時間 tf最有效的方法為采用大容量深熔池的中間包。拉速一定時,中間包容量取決于鋼液的體積流量,公式 (3)表明,容量大意味著鋼液在中間包的平均停留時間長,從而使夾雜物有足夠的時間上浮到頂渣層而被去除,從而減少中間包鋼液中大型夾雜物的數(shù)量。Tozaki等[2]將中間包容量由 65 t增大到85 t,并進行工業(yè)試驗,其結果如圖 2、圖 3所示。無論是在穩(wěn)定澆注條件下還是在非穩(wěn)定澆注條件下,簇狀 Al2O3夾雜物數(shù)量都有所減少。S.Hiraki等人研究認為,采用大容量中間包不僅提高了高速連鑄薄板坯 (厚為 90～100 mm)的純凈度,而且在進行低液位操作時還可以促使夾雜物的上浮[3]。

(2)中間包的深熔池化發(fā)展。隨著中間包容量的增大,液面高度也隨之增大。液面高度增加可消除擊穿流,避免卷渣鋼液進入結晶器。中間包液面高度最高可達1 778 mm[4]。研究表明[5],中間包液面越低,鋼液中大型夾雜物含量越多,液面增高,大型夾雜物含量減少,中間包不同液位高度鋼液中大型夾雜物分析數(shù)據(jù)見表 1。

表 1 中間包不同液位高度鋼液中大夾雜物分析

3.2 中間包內腔結構的優(yōu)化

內腔結構布置合理的中間包既能將大包注流引起的強烈紊流控制在紊流區(qū),又能優(yōu)化中間包的流場,促進夾雜物去除,改善鋼的清潔度,并盡可能地保持各流之間溫度和成分的相似,獲得質量均勻的產(chǎn)品。此外還要盡可能減少耐火材料的用量,減少對中間包的二次污染和降低耐火材料的使用成本。因此,對控流裝置的布置方式、形狀尺寸及所用的耐火材料進行研究和選擇很重要。

3.2.1 改進控流裝置

(1)導流裝置。研究表明,當中間包內沒有如導流堰、導流壩及帶孔導流隔墻等導流裝置時,大包注入的鋼液以較高的速度沖到中間包底部,并向四周散開,一部分鋼液沿著包底向出水口流去,造成短路流現(xiàn)象;另一部分鋼液在中間包內有回流現(xiàn)象,形成返混流,這種流動方式不利于夾雜物的上浮,鋼液在中間包內的停留時間短。但在中間包內設置導流裝置后,中間包流場得到很大改善,鋼液的運動路線延長,停留時間相應增加,死區(qū)比例減小,有利于夾雜物的上浮和去除。設置導流裝置的形式有單擋墻、雙擋墻和多擋墻,目前國內的多流中間包一般采用帶有導流孔的擋墻和擋壩組合的導流裝置。

(2)湍流控制器。中間包防湍流控制器是一種限制大包注流沖擊能的裝置,能有效防止中間包鋼流對中間包底部的沖刷,延長中間包的壽命;有利于防止?jié)沧^(qū)中間包覆蓋劑卷入鋼液形成夾雜及卷入空氣發(fā)生二次氧化;可改善中間包內鋼液流場,消除短路流,延長鋼液滯留時間,促進夾雜物上浮。

圖 4為 Bolger和 Saylor[6]設計的減少湍流的控制器,將其安放在鋼包注流沖擊點,使大包注流反向流動,從而耗散了注流的湍動能。但湍流控制器不能改變中間包內鋼液流場的整體狀態(tài),它可以與導流控制裝置 (如擋壩等)配合使用。此外,防湍流的效果與控制器的原始形狀、有無頂緣有關,而控制器的形狀會隨著耐火材料的侵蝕而發(fā)生變化。

圖 4 湍流控制器結構示意圖

(3)中間包底部吹氬裝置。采用在中間包耐火里襯的兩側和底部埋設透氣管、在包底安裝條形透氣磚等方式,從中間包底部吹氬形成氣幕擋墻,由氣泡吸住夾雜物并托著夾雜物一起上浮,從而使夾雜物進入到渣中,提高了鋼液的清潔度。用吹氬形成的氣幕擋墻代替擋渣堰和導流壩的設想適應潔凈鋼發(fā)展的新要求,這一方面可以減少耐火材料的使用量,從而降低耐火材料受沖蝕進入鋼液而污染鋼液的機會;另一方面中間包吹氬還有利于微小氬氣泡捕獲鋼液中的小顆粒非金屬夾雜,攜帶其上浮至頂渣液面被去除。但其不利之處是吸附夾雜物的氣泡有可能卷入鑄坯,造成較嚴重的缺陷。

3.2.2 中間包內耐火材料的改進

各種尺寸的夾雜物在與包內耐火材料接觸后,會粘附在耐火材料的表面從而脫離鋼液。通過包內拆下的殘磚反應層中 Al2O3成分的變化證實了這一點。且由于大多數(shù)耐火材料為氧化物,因此,耐火材料對鋼水中氧含量也有很大影響。但耐火材料向鋼液中傳氧取決于鋼液的脫氧程度以及所用耐火材料的種類和組成。通過氧勢分析[7],堿性氧化物如 CaO等使鋼液增氧很少。中間包工作層由絕熱層、噴涂料發(fā)展到現(xiàn)在的干式振動料,采用堿性材料MgO質、CaO-MgO質、鈣質工作層更有利于鋼液的凈化。目前,已開發(fā)的無樹脂結合的無碳干式料,屬環(huán)保型材料,對鋼水無污染,較目前樹脂結合劑干式料更耐鋼液侵蝕。此外,也應考慮中間包內預制件的長壽化并避免對鋼水的污染,材料由高鋁質到MgO質或鎂鈣質是發(fā)展趨勢。

4 工業(yè)應用效果

2009年新設計的攀鋼 6機 6流方圓坯連鑄機,澆注斷面為 200 mm×200 mm的方坯和Ф200 mm的圓坯。中間包設計考慮夾雜物上浮所需的鋼水滯留時間按 10 min計算,最大拉速2.2 m/min,中間包容量約為 38 t。為保證鋼液從注入口至澆注口有足夠的距離,采用 T型中間包,正常澆注時液面高度為 900 mm。

通過與重慶大學合作,對所設計的中間包進行了多種水模型方案的試驗,確定中間包內腔結構采用防湍流控制器 +擋墻 +擋壩 (雙壩)的形式,并確定了中間包底部和沖擊區(qū)側部耐火材料層厚度為 260 mm,其它側部為 240 mm,如圖 5所示。為防止耐火材料的二次污染,預制件湍流控制器、擋墻、擋壩均采用MgO≥84%、SiO2≤7.5%的鎂質耐火材料。中間包工作層則采用MgO≥80%的干式涂料。

最后對優(yōu)化后的中間包進行了冶金效果的綜合評估。與空白試驗相比,結構優(yōu)化設計后的中間包冶金效果為:鑄坯中總氧 T[O]含量可減少44%;顯微夾雜物 (M I)數(shù)量可減少 54%;大顆粒夾雜物 (MA)數(shù)量可減少 83%。該連鑄機于2009年 10月份投產(chǎn),中間包使用狀況穩(wěn)定,壽命長,達到了設計要求。

圖 5 中間包防湍流控制器 +擋墻 +擋壩 (雙壩)示意圖

5 結論

為滿足高端產(chǎn)品的生產(chǎn)要求,需要對中間包進行精確設計,要充分考慮夾雜物的上浮特性。設計的重點是確保獲得理想的鋼液流場和合理的鋼液停留時間,使鋼液在進入結晶器之前能夠最大限度地滿足潔凈度要求。但每臺中間包都應根據(jù)連鑄機的實際情況量身定做,并參照實物大小用水力學模型試驗結果而設計,方可得到流場控制最優(yōu)的中間包。中間包向大容量、深熔池方向發(fā)展,配合采用多孔隔墻等導流裝置、防湍流控制器、吹氬攪拌等仍是目前優(yōu)化中包結構的手段。

[1] Ohno T,Ohashi T,Matsunaga H,et al. Trans.[J]. ISIJ,1975,15:407-416.

[2] Tozaki Y,Hirata T,Satoh A,K. Sekino,et al.Steel making Conference Proceedings[A]. ISS A I ME,1993,377-382.

[3] Hiraki S,Kanazawa T,Kumakura S,Kode M,Hanazaki K. Influence of tundish operation on the quality of hot coils during high speed continuous casting[J]. I&S M,1999,(3):47-52.

[4] 張立峰,王新華.連鑄鋼中的夾雜物[J].山東冶金,2005,(2).

[5] 曹廣疇.現(xiàn)代板坯連鑄 [M].北京:冶金工業(yè)出版社,1994,48.

[6] BolgerD.and Saylor K.Steel making Conference Proceedings,ISS-A I ME,1994,77,225-233.

[7] 李楠.鋼與耐火材料的作用及耐火材料的選取[J].耐火材料創(chuàng)刊 40周年特刊,2006.