中间包冶金

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2.3 中间包采用导流隔墙及过滤器
导流隔墙(baffle)是一个在中间包将上下游完全隔开的 挡墙，并在上面设置若干个不同尺寸和倾角的导流孔。 钢液根据需要的方向流过导流孔，其通过导流隔墙后 的流速和方向由孔的大小和倾角决定。 导流隔墙的作用是，当钢水通过导流隔墙时，将中间包 的湍动流动限制在一定的范围内，可产生指向钢液表 面的流动，以促进夹杂物与顶渣接触的机会，有利于 去除夹杂。导流隔墙在中间包中可以起到堰坝组合相 同的或优于堰坝组合的作用。
湍流控制器（turbulence inhibitor）是一种小的容器形结构的装置， 位于钢包注流下方。钢水从钢包长水口高速流出，进入到湍流控 制器中，受到湍流控制器的限制，再从湍流控制器的上口反向流 出。湍流控制器是 20 世纪 90 年代中期开发的一种新型控流装 置。 湍流控制器的作用： 1）对钢包注流的冲击起缓冲和限制作用，以获得平稳的流动。 2）改善中间包钢水的流动特性，延长停留时间，有利于钢水中的夹 杂物上浮分离。 3）减轻大包开浇和更换时大包注流冲击中间包钢水造成的钢水飞溅， 减少中间包衬的侵蚀。 4）增加中间包钢水流动的活塞流体积，降低死区体积。
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(c) 速度梯度碰撞。颗粒沿流线轨迹运动，高速流线上 的颗粒将追上低速流线上的颗粒，只要两颗粒的距离 不超过它们的半径之和，颗粒将发生碰撞。这种碰撞 和流场速度有关，当流场速度梯度不够大时，梯度碰 撞不是主要的方式。但在某些速度场有急剧变化的部 位，梯度碰撞是可能的。 (d) 湍流碰撞。夹杂物被夹带入湍流旋涡中，引起夹杂物 之间的碰撞。湍流碰撞是夹杂物颗粒碰撞长大的重要 形式。对于中间包反应器，其流场中湍动能耗散率值 比较大，很容易发生湍流碰撞，因而其内夹杂物的碰 撞方式主要是湍流碰撞。
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典型的中间包停留时间分布曲线
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中间包流体流动的体积可划分为活塞流体积 (plug volume)或分散活塞流体积 (dispersed plug valume)、死区体积 (dead valume)和完全混合流体积(well mixedvolume)。到目前为止，各体积占中 间包液体体积的分率计算模型有三种。 Kemeny等人最早应用混合流动模型(mixed flow model)分析实验得到的停留时间曲线， 来计算活塞流体积分率、死区体积分率和混合 流体积分率。
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2中间包冶金技术
1.长水口 Ar 封 2.密封盖 3.内衬耐火材料 4.挡墙和坝 5.过滤器 6.Ar 气吹洗装置 7.覆盖剂 8.钢包下渣监测系统 9.加热装置 10.塞棒吹氩
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1 ）防止钢水再污染技术
钢包到中间包水口保护浇注; 防止钢包到中间包卷渣技术; 防止钢水与内衬耐火材料反应; 中间包加盖密封技术;
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中间包水模试验装置
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水和钢液的物理性能
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中间包物理模拟实验方法
停留时间分布曲线测定 从实验测定得到的停留时间分布曲线 RTD(Residence Time Distribution)，可 以直接得到从加入示踪剂到示踪剂流至中间包 水口时的最小停留时间 tmin(又称响应时间) 和示踪剂浓度达到最大时的峰值时间 tmax。 还可得到各流体微元在中间包的实际平均停留 时间 tav。
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堰，又称挡渣堰或上挡墙。横跨整个中间包宽度，从钢液面上部延 伸至距中间包底部一定距离，钢水可从其下方流过。其在中间包 的作用是： 1）可以控制钢包注流冲击区的大小，控制钢包注流对中间包钢水 的搅拌强度，促进夹杂物碰撞和粘结成大颗粒，以便使小颗粒夹 杂物聚合成大颗粒上浮去除。 2）可以将随钢包注流进入中间包的炉渣挡在注流钢包注流冲击区 内，防止从钢包卷入到中间包的渣子流入到中间包水口侧，减少 钢水因钢包卷渣造成的二次污染。 3）可以将大包注流冲击引起的中间包钢水表面波动限制在堰的上 游，稳定堰的下游中间包钢水液面，有利于减少因表面卷渣、二 次氧化和机械冲刷所产生的夹杂量。
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斯托克斯(Stokes)公式所计算的上浮速度是颗粒在重力场中流体介 质内作加速度运动时，受到介质摩擦阻力而达到的终速度，其初 速度比该值还要小得多。而在中间包内，流体本身的流动速度往 往比上述速度高出很多，所以小颗粒的夹杂物，在中间包中将跟 随流动的钢液一同运动，只有大颗粒夹杂物在钢液流速较低的区 域能够上浮。如果考虑夹杂物同钢液流动的跟随性，除非钢液的 流动方向偏向上方，否则小粒径的夹杂不可能上浮出来。中间包 容量较大时，钢液停留时间会长一些，但是也没有根本的改变。 所以仅仅依靠上浮运动，小颗粒夹杂物无法从钢液中除去。 Stokes 公式仅适用雷诺数 Re 小于 2 的情况。 Stokes 上浮公式仅适用于静止状态或层流状态（Re≤2）。如前面 所述，中间包内雷诺数 Re≥1000，故应用于中间包时，应该使 用修正了的 Stokes-Newton 公式
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斯托克斯(Stokes)公式
Stokes-Newton 公式
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(2) 夹杂物的碰撞长大
在流动的钢液中，夹杂物颗粒容易相互碰撞而不断长大， 长大的颗粒，较碰撞前更容易上浮，所以颗粒的碰撞 长大是夹杂物去除的一种重要形式。颗粒的碰撞有以 下四种方式： (a) 布朗碰撞。夹杂物颗粒在钢液中做无规则的热运动而 产生的碰撞，中间包内夹杂物碰撞属于布朗碰撞的类 型很少。 (b) 斯托克斯碰撞。颗粒上浮速度与其大小有关。大颗粒 夹杂物上浮的速度大，在上浮时可能追上小颗粒夹杂 物而与之碰撞成为更大颗粒，因而上浮速度加快，更 容易捕获其他颗粒。在中间包内，斯托克斯碰撞是夹 杂物碰撞长大去除的重要形式之一。
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2） 促进夹杂物去除技术
增大中间包容量; 中间包内的控流装置; 中间包气体吹洗—吹氩技术; 中间包使用合适的覆盖剂;
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3 ）相关技术的发展
中间包喂丝技术; 中间包加热技术; 连续测温技术;
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中间包控流装置演变的历史可划分为 4 个时期： (1) 20 世纪 70 年代，开始在中间包内安置堰 和坝； (2) 20 世纪 80 年代，中间包开始使用导流隔 墙、过滤器； (3) 20 世纪 90 年代中期，中间包开始使用湍 流控制器； (4) 近年来，在中间包内开始研究和应用气幕隔 墙技术。
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为了有效地去除中间包钢水中的非金属夹杂物， 中间包内的钢水流动应具有以下的流动特征： 大的最小停留时间； 小的死区体积； 大的活塞流体积与死区体积之比和较大的活塞 流体积与混合流体积之比； 有指向表面的流动； 平静的渣层； 有限的混合区。
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2.1大容量中间包
中间包容量影响到中间包液面高度和中间包钢水 在包内的停留时间。大容量中间包可以保证换 钢包时中间包钢水处于相对稳定状态，防止卷 渣，这对生产表面质量和内部质量要求高的产 品如深冲钢和汽车板尤为重要。为了不发生卷 渣，中间包钢水必须在最小深度以上操作。北 美 20 世纪 80 年代以后投产使用的中间包容 量均为 45t 以上，其中最大的中间包容量为 70t。日本的中间包容量均在 60t 以上，最 大的中间包容量达 84t。
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（a）无流动控制装置 (b)挡墙和坝 (c) 多孔挡板 中间包内各种流动形态控 制装置
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加入湍流控制器的双挡墙中间包内的流动状态
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有气幕隔墙的中间包流体流动状态
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湍流控制器的钢流控制模型
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3中间包结构物理模拟方法
中间包流动过程模拟实验的相似准数 物理模拟实验要保持发生在模型和原型的流动过程相似， 则必须保证模型与原型之间的几何相似和动力相似。 几何相似要求模型的几何尺寸与原型的对应的几何尺 寸具有固定的相似比，而动力相似要求在模型与原型 中作用在流体微元上的力相同且由这些力组成的相似 准数应相等。 当原型中间包的湍流 Reynolds 准数Ret, 和 Froulde 准数Frp 和模型中间包的湍流 Reynolds 准数Ret 和 Froulde 准数 Frm相等时.
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死区完全滞止的中间包流动模型
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4中间包吹氩气体净化技术
中间包钢液中夹杂物的运动行为 在中间包内，钢液始终处于流动状态，夹杂物在其中 的运动也因此比平静钢液复杂得多。许多学者对钢液 中夹杂物的运动状态进行深入研究后认为：夹杂物在 钢液中发生以下几种行为： (1) 夹杂物的上浮 在中间包内，夹杂物依然可以通过上浮从钢液中排除。 按常规看法，夹杂物上浮去除速度服从斯托克斯 (Stokes)公式 。
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导流隔墙和过滤器
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导流隔墙的结构（孔的大小、数目、分布和倾角） 以及安放位置对中间包的流动特性都有很重要 的影响。 导流隔墙还可以和直通孔过滤器相结合使用，过 滤器安装在导流孔处，钢液从过滤孔洞中流过， 于是过滤器不仅有吸附夹杂物的作用，而且也 成为一种有效的流动控制装置。
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2.4 中间包湍流控制器
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坝，又称导流坝或下挡墙。横跨整个中间包宽度，从中 间包底部向上延伸至距钢液面之下一定距离，钢水从 其上流过。它具有以下的作用： 1）可以防止中间包短路流的形成，延长钢水在中间包内 的流动距离，增加钢水在中间包的停留时间。 2）可以将钢包注流的冲击限制在冲击区内，降低钢水的 水平流动速度。 3）使流过坝的钢水产生指向钢液表面的流动，缩短夹杂 物的上浮距离，有利于夹杂物上浮去除和顶渣捕获夹 杂物。 在中间包中，坝和堰常常是一起使用， 以获得理想的中 间包钢水的流动和冶金效果。
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中间包的作用
减小钢水静压力，使中间包的注流稳定——稳流作用； 在两流以上的多流连铸机中，中间包起到分配器的作用——分流作 用； 在多炉连浇中，储存一定量的钢水，保证换包时不至于停浇——连 浇作用。 此外，中间包还是一个半连续的钢水精炼容器，具有以下的精炼功 能： 防止钢水二次氧化和吸气； 改善钢水流动状态，防止卷渣，促进钢水的夹杂物上浮； 钢水成分微调； 夹杂物形态控制； 精确控制钢水过热度。
中间包冶金
东北大学
2019年2月11日
1中间包冶金发展的概况 2中间包冶金技术 3中间包结构物理模拟方法 4中间包吹氩气体净化技术
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1中间包冶金发展的概况
“中间包冶金” 概念是在 20 世纪 80 年代初期被提出来 的，中间包冶金是一项特殊的炉外精炼技术，是从钢 的熔炼和精炼到制成固态连铸坯这个生产流程中保证 获得优良钢质量的关键一环。在连铸过程中起到重要 的作用。随着高效连铸的推进，中间包冶金技术已经 成为高效连铸必不可少的重要技术。它对扩大连铸品 种﹑增大连铸比﹑提高铸机作业率﹑掌握浇铸过程的 中间包钢水温度的变化规律﹑优化生产作业﹑顺利进 行多炉连浇﹑改善钢坯质量等均起到重要作用。
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过滤器(filter)为带有微孔结构材料的隔墙，它横跨整个 中间包宽度，从钢液面上方一直延伸到中间包底部， 钢水从微孔流过。其作用有，在中间包的钢水中，直 径大于 50μm 的大颗粒夹杂物可以采取简便的净化 措施将它们与钢水分离从而使它们上浮排除。但直径 小于 50μm 的夹杂物因其上浮速度很小而难以去除。 过滤器就是用来捕捉这些小颗粒夹杂物，以净化钢水。 但过滤器因微孔容易堵塞，钢水通过过滤器的流量小 和成本高，在应用上受到限制。
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2.4 中间包吹氩
钢液中的小颗粒夹杂物，由于中间包钢水的湍流流动， 很难通过采用上述的控流装置将其去除。通过在中间 包一定的位置吹入微小的氩气泡，在该位置上形成气 幕隔墙，既可以改善中间包流体的流动特性，气幕又 可以对夹杂物起到隔离作用，阻止夹杂物流到中间包 水口侧。另外，与小气泡碰撞的大、小夹杂物，将被 气泡带到钢液面上，进入到覆盖渣中，有利于钢水中 的夹杂物上浮分离，提高中间包的夹杂物去除能力。 在密闭的中间包中吹氩，可以使中间包内的气氛在开浇 和浇注过程中处于惰性气氛中，可以防止钢水的二次 氧化和从大气中吸气。
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中间包容量对钢水清洁度的影响
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2.2 中间包采用堰和坝
中间包内采用堰(weir)和 坝(dam)作为控流装置是 最普遍的应用技术措施之 一，是最简便而有效的净 化钢液的方法。在中间包 中安置堰和坝，可以有效 改变钢液流向，延长钢水 停留时间wenku.baidu.com有利于夹杂物 的上浮。中间包采用典型 的堰、坝结构如图。