中间包冶金技术

中间包冶金技术
摘要：分析了连铸坯中夹杂物的来源和浇注过程中的二次氧化问题。

介绍了国内外先进炼钢厂(新日铁、JFE、克鲁斯、迪林根、浦项和宝钢等)中间包夹杂物的去除与控制措施。

通过增大中间包容量、采用H型中间包或离心流动中间包、设置中间包气幕挡墙和中间包控流装置，优化中间包结构。

通过采用中间包密封吹氩技术控制中间包开浇的二次污染；采用汇流旋涡抑制器防止中间包浇注过程中卷渣；采用碱性包衬和碱性覆盖剂、中间包无氧化烘烤与电磁感应加热、中间包连续真空浇注处理和电磁过滤，可以降低钢水二次污染，防止二次氧化，促进夹杂物上浮，提高铸坯的质量。

前言：随着对钢的质量要求日益提高，开发了各种钢包精炼技术，其目的就是提高洁净度，把钢水搞“干净”些。

而中间包是连铸钢包与结晶器间的一个耐火材料容器。

经过炉外精炼的钢水可以说是“干净”了，但浇到中间包后又可能再污染。

因此，不能把中间包看着是一个简单的钢水过渡容器，而应把它看着是一个连续的冶金反应器，钢包精炼中采用的措施可以移植到中间包，以进一步净化钢液。

为此提出了中间包冶金的概念，受到了人们的重视。

1 连铸坯中夹杂物的来源
从炼钢生产流程来看，铸坯的洁净度主要取决于钢水进入结晶器之前的炼钢、精炼和中间包冶金工序，钢水中夹杂物的主要来源是内生夹杂物和外来夹杂物。

1．1内生夹杂物
内生夹杂物主要是脱氧产物，是钢中的合金化元素与溶解在钢水中的氧以及硫、氮的反应产物。

如铝镇静钢，脱氧产物以A1₂0₃，为主；硅镇静钢，脱氧产物以MnO·SiO₂：为主；钙处理钢，脱氧产物以mCaO·nAl₂0₃、mCaO·nAl₂0₃·X为主；钛处理钢，脱氧产物以TiO₂、A1₂0₃、TiN、A1₂0₃与TiN复合夹杂物为主。

内生夹杂物数量多，颗粒较小(一般小于10μm)，分布较均匀，成分简单,对钢的质量危害较小。

1．2外来夹杂物
外来夹杂物是指从炼钢到浇注的过程中，二次氧化产物和机械卷入钢中的各种氧
化物。

外来夹杂物数量少，尺寸较大，多在30-300μm，成分复杂，在钢中呈偶然分布，对钢质危害大。

2 优化中间包结构
2．1增大中间包容量
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更换钢包时中间包内的钢水处于相对稳定状态，防止卷渣。

为了避免卷渣，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45 t以上，其中最大的中间包容量为70 t。

日本的中间包容量均在60 t以上，最大的中间包容量达84 t。

据报道，克鲁斯公司的中间包由25 t扩大到45 t后，不仅氧化铝夹杂数量减少，而且夹杂物在铸坯内弧侧聚集的现象也明显减少［1］。

国内某钢厂对薄板坯用中间包进行水模拟实验后发现：增大中间包容量(在相同控流装置条件下，提升中间包内钢水液位50 mm)，钢水静置时间延长约10 s，死区减少3％。

有研究表明，在控流装置相同的条件下，60 t中间包比10 t中间包夹杂物去除率明显提高，钢水的洁净度大大改善［2，3］。

中间包容量对钢水清洁度的影响见表1。

还有人认为在相同的挡墙条件下，中间包加高能延长钢水停留时问约30％，有利于钢中夹杂物的上浮分离［4］。

2.2设置中间包控流装置
中间包控流装置的设置对其包内非金属夹杂物的上浮、均匀钢水温度和成分起着至关重要的作用。

国内外许多冶金工作者为强化中间包的冶金作用建立了中间包流场模型，但其对于满足当前生产高质量钢种要求是否具有实际意义尚无定论。

近年来，中间包内主要的控流装置有挡墙、坝、过滤器、湍流控制器和中间包底部吹气及其组合装置。

2.2.1 挡墙、坝
在中间包中安置堰和坝，可以有效改变钢水流向，延长钢水停留时间，有利于夹杂物的上浮。

在中间包中，坝和堰通常一起使用，以获得理想的中间包钢水流动和冶金效果。

有实验比较了装与不装坝(或坝和堰)中间包内钢水的最短停留时间[5]，结果是没有控流装置的中间包最短停留时间延长，并且钢水在较宽中间包内的最短停留时间随着坝高的改变而改变。

但坝高应限定在一定范围(0．25～0．75 H，H 为中包熔池深度)才有效果。

如果坝高超出了上限值，最短停留时间反而会缩短。

但是，德国马普斯技术中心研究结果表明[6]，中间包挡墙促进夹杂物上浮的作用并不明显。

因此，在欧洲各个钢厂推广使用的是无挡墙中间包技术
3 防止中间包浇注过程的二次污染
日本住友金属鹿岛厂的实验结果表明，从冶炼设备经钢包和中间包出钢，如不加以保护，钢水中将有约70％的夹杂(内在夹杂和外来夹杂)来自于中间包。

这些夹杂在中间包内如不加以分离，将对铸坯质量和冶金工艺产生严重危害。

过去，为了去除中间包内夹杂物，采用的技术主要是防止钢水再污染：换包时尽量减少钢包渣的卷入、钢包到中间包采用长水口浇注、防止钢水与包衬耐火材料发生反应、中间包加盖等保护技术。

近年来，为进一步满足市场对高质量产品的需求，当今国内外围绕中间包开发了一系列提高浇注钢水质量的相关技术[8]。

4 中间包冶金新技术
4．1 中间包加热技术
钢包更换时，由于新钢包内钢水的密度与已注入中间包内钢水的密度之间存在差异，从而影响了中间包内钢水的流动形态，而密度的差异主要是源于钢水之间的温度差。

中间包加热可以消除钢水之间的温度差。

4.1.1 等离子加热技术
Bghedelstahl钢厂的水平连铸机上应用了等离子加热器。

直流等离子枪的加热弥补了钢水在中间包内的热量损失，并以将钢水加热到所要求的温度。

NKK京浜厂采用14 MW直流转移型等离子弧加热，可将中间包内的钢水温度控制在目标温±10％之内；在钢包更换期间，等离子加热可将中间包内钢水的温降控制在5℃之内。

通过精确地控制中间包内的钢水温度，产品的中心偏析现象消失，生产率提
高。

有研究指出[7]，采用等离子加热法时，中间包加盖，并采用气体搅拌均匀熔池，中间包热传输性好，热利用率高，达到了去除夹杂物的目的。

4.1.2氮气流加热技术
为降低中间包耐火材料损耗，改进钢水质量，国外有些钢厂以前曾采用煤气烧嘴预热器来维持热量。

但这种预热会导致循环使用的中间包内残余物的再次氧化。

被氧化的残余物(如FeO)会与钢水中的铝起反应，产生Al₂0₃。

夹杂，从而降低尤其是初始浇注炉次的铸坯质量。

其后进行过向循环使用的中间包内吹入惰性气体的无预热密封防氧化操作，但必须调节密封气体的流速以保证浇注顺利开始的最低中间包温度(900ºC)。

4．2 中间包连续真空浇注处理
俄罗斯的研究人员在连铸过程中对钢水进行连续真空处理，利用如图1所示的装置进行脱气和去除夹杂物。

图5 连续真空处理装置
此项技术工艺布置紧凑、投资省、占地面积小、操作方便，脱气效果比其他真空处理方法优越。

但是，由于该装置位于钢包与中间包之间，可调范围小。

4．3电磁过滤
电磁过滤原理是根据非金属夹杂物与熔体导电性的差异，在电磁场作用下非金属夹杂物与熔体的运动规律不同，使非金属夹杂物与熔体分离。

分析得出，采用电磁过滤法比普通过滤方法可更有效去除钢水中小于10μm的非金属夹杂物。

4．6连续测温技术
连铸中间包钢水温度测量是控制铸机拉速、提高浇成率的一项重要监测指标。

基于在线黑体空腔理论的研究成果，有人提出了一种新型的钢水连续测温方法[9]。

该方法通过在线黑体空腔辐射特性的研究，有效解决了在线黑体空腔“非密闭性”和“不等温性”对测量的影响。

实践证明该方法具有较高性能价格比：测量误差≤(±3)℃，测温管寿命可达20～40 h，测温成本与现行的快速热电偶实际消耗相当或略低，同时低于铂铑热电偶连续测温。

还有人研发了以高温快速光纤比色温度传感器为核心的测温系统[10]。

它显著特点是响应速度快、使用寿命长、抗电磁干扰、灵敏度高，使用温度区间为800—2 400℃。

另外还有人提出了辐射测温方法，即红外系统[11]。

5 结语
随着用户对钢材质量要求的进一步提高，中间包的精炼功能也越来越重要。

(1)生产高附加值钢材用铸坯，必须对钢包到中间包、中间包钢水液面和中间包到结晶器过程全程保护浇注，同时在钢包到中间包和中问包到结晶器问要防止吸气和汇流旋涡卷渣。

(2)设置合理的中间包结构(上下挡墙、湍流抑制器、旋涡抑制器)不仅可以最大程度防止吸气、卷渣，而且可提高去除夹杂物的能力。

(3)电磁搅拌离心流动对去除中间包内夹杂物效果显著。

(4)连续真空处理对脱气和去除夹杂物有良好效果，但其可调性差，电磁过滤作为去除夹杂物的辅助方法。