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改善铸坯质量的中包冶金技术研究进展

Yogeshwar Sahai教授

俄亥俄州州立大学材料科学与工程学院

美国俄亥俄州哥伦布 43210

摘要：2000年以来，世界钢产量迅速增加。与此同时，连铸坯产量达到了钢产量的90%以上。连铸生产中，中包在控制铸坯质量方面发挥着十分重要的作用。本文介绍了连铸生产中，改善铸坯质量的中包冶金技术进展。钢流控制、钢水温度控制、大容量中包、钢包和中间包钙处理以及中包热循环利用等技术，这些技术可有效地改善铸坯质量。

关键词：连铸 中间包 洁净钢 质量 流场控制

在钢铁生产过程中，连铸作为重要环节被广泛使用。2000年以来，世界钢产量飞速增长。2007年，中国钢产量已经超过了4.89亿吨，占世界钢产量的36%。而世界钢产量的90%以上都是通过连铸生产的。与此同时，用户对钢铁的质量要求也越来越高。因此，钢铁生产者首要关心的是钢的洁净度和成分控制。中间包是钢铁生产中的最后一个冶金容器，钢水通过它注入结晶器。在中间包转送钢水过程中，钢水将与渣、耐火材料以及空气接触。因此，为保证钢水分配过程中的成分和质量，合理的中包外形设计和操作是十分重要的。在过去的二三十年，为了生产洁净钢，中间包冶金技术已经取得了重大进展，本文将讨论这些中包冶金技术的进展。

钢的质量要求包括严格的成分控制、非金属夹杂物数量少、尺寸小且分布均匀。为了满足严格的机械性能、特殊的延展性和耐用性要求，必需提高钢水的纯净度。非金属夹杂物包括氧化物、硫化物、氮化物、碳化物以及它们的化合物或合成物。在正常条件下，当钢水温度低于凝固点以下时，钢中的硫化物、氮化物和碳化物将要析出来。某些特殊的氧化物夹杂、硫化物和碳化物颗粒可用来控制钢的显微组织以改善其性能。然而，大部分氧化物夹杂和硫化物夹杂都以大颗粒形式存在于钢水中。如果这些大颗粒夹杂物不去除，将会增加给生产带来困难且产品质量降低。钢包脱硫可减小硫化物夹杂数量，以此来防止夹杂物进入中包。

氧化物夹杂有两种：外来夹杂和内生夹杂。外来夹杂来源于钢水的二次氧化、炉渣或耐火材料颗粒。内生夹杂来源于钢中游离氧与脱氧剂如铝或硅的反应产物。未聚集长大的内生夹杂物的尺寸非常小且不会对钢水带来不利影响。内生夹杂的直径一般小于50μm，而外来夹杂物的尺寸却比较大。中包的主要功能是将洁净的钢水按要求的流速、温度和组成分配给各个铸流。在提高钢水质量方面，要求中间包具有消除大型外来夹杂物的来源、避免内生夹杂物聚集长大以及钢水在传送过程中可去除任何残余夹杂物等功能。

为达到这些目的，必须避免钢水传送过程中被空气和钢包渣二次氧化。为避免钢包渣进入中包和中包渣带入结晶器，必须防止它们发生乳化以及被卷入钢水中。最近出版的书中将详细讨论洁净钢技术和非金属夹杂物 [1] 。

1 钢水由钢包流入中间包过程中的二次氧化和卷渣

大型夹杂物的形成与钢水二次氧化之间的显著关系由图1可以看出。Ohno等 [2] 发现，钢水二次氧化形成大型夹杂物数量大约是钢包到中包之间形成大型夹杂物的2.5倍。且二次氧化产物的尺寸都在100μm以上。采用物理密封方

法可防止二次氧化，该方法将钢流密封在一个耐火材料导流管或氩气密封套

内。如图2 [3]描述了耐火材料导流管内氩气密封和长水口保护浇注应用技术。 氧化物包括FeO、MnO和SiO2, 钢包渣进入中包后，与钢水中的铝发生反应生产簇状三氧化二铝残留于板坯中。部分钢包渣经过中间包最终进入结晶器内，这些渣可能残留在凝固的坯壳中，从而形成大型夹杂物或夹渣。采用大包下渣检测系统可以有效地监测大包下渣。

电磁涡流法采用钢渣探测器，可有效地监测钢流中的钢渣，该方法由AMEPA公司开发[4]，已广泛应用于钢铁工业。AMEPA表示Angewandte Messtechnik und Prozessautomatisierung，也就是说检测仪表和工程控制。现在，很多钢铁企业都采用AMEPA下渣检测系统，该系统的传感器信号可以直接控制滑动水口，这样，可以最大限度减少钢包下渣。图3显示了AMEPA传感器探测到的钢渣信号 [5] ，该图表明，传感器可以在2秒钟内激活并关闭滑动水口。

图1 影响钢中夹杂物各种因素的相对作用 [参考文献2]

图2 长水口（b）和氩气密封保护浇注[参考文献3]

图3 AMEPA传感器探测到的下渣信号 [参考文献5]

2 中包尺寸的影响

中包尺寸对提高钢水质量具有十分重要的影响。延长钢水在中包中停留时间最有效方法是增大中包容量。拉速一定时，中包容量取决于钢水的体积流量，容量大意味着钢水在中间包的平均停留时间长。增大中包容量可以减少钢水中大型夹杂物 (簇状三氧化二铝)的数量，尤其是更换钢包时。

Tozaki等[6]将中包容量由65t增大到85t，并进行工业试验，其结果如图4和图5。无论是在稳定浇注条件还是在非稳定浇注条件下，簇状三氧化二铝夹杂物数量都有所减少。提高中包液面高度另一个好处是更换钢包时不需要进行降拉速操作。因此，提高中包液面高度，不仅可以提高钢水质量而且可以增加产量。Ishikura等[7]发表了在日本神户钢铁厂进行类似工业试验结果，他们将该厂新建的4#连铸机（中间包容量80t）与旧的3#连铸机（中间包容量50t）进行比较发现，中包容量为50t的连铸机在1.4m/min拉速条件下生产铸坯质量与中包容量为80t的连铸机在2m/min的拉速条件下生产铸坯的质量相当。因此，提升连铸机产量不会牺牲铸坯质量。他们还发现，采用80t中包，在更换钢包时生产的铸坯质量也有显著改善，如图4。

图4 液面高度对簇状三氧化二铝的影响 [参考文献6]