中間包冶金過程模擬與結構優化

田 源

中國第一重型機械有限集團公司

中間包冶金過程模擬與結構優化

田 源

中國第一重型機械有限集團公司

近些年來，我國的經濟飛速發展，鋼鐵冶金業也得到了長足的進步，社會對于鋼鐵冶金的要求也越來越高。隨著鋼鐵產業中連鑄比的不斷提高，中間包內鋼液流態會發生變化，中間包熔池液面波動、熔池溫度分布、各流出口溫度差異更加難以控制，直接影響著鑄坯的質量。采用數學物理模擬方法能夠很好的設計或優化中間包結構和控流擋墻結構，提高中間包冶金效果。

中間包、冶金過程模擬、結構優化

1 中間包冶金技術綜述

中間包是鋼水罐與結晶器之間的過渡容器，傳統的中間包由包體、包蓋、水口和控流裝置組成，本公司所用中間包是水桶式中間包和橢圓帶擋墻式中間包。包體的外殼一般用厚度為12～20mm的鋼板焊成，要求具有足夠的剛性，長期在高溫環境下承受澆鑄，搬運，清渣和翻包等操作時結構不變形。中間包內襯有耐火材料。中間包內設有擋墻結構，用于隔離鋼水罐注流對中間包鋼液的擾動，使中間包內鋼液的流動更合理，有利于夾雜物的分離和上浮。隨著連鑄技術的發展，對中間包內襯、滑動水口和浸入式水口的耐火材料的質量要求越來越高，以避免侵蝕后進入鋼液。中間包蓋主要用于保溫，減少鋼液的散熱損失。一般小容量為整體形，大容量可由幾部分組成。包蓋用鋼板焊成，內襯耐火材料，包蓋上設有鋼流注孔、塞棒孔和加熱孔。

中間包的一個重要參數就是中間包容量，一般情況下，我們取鋼水罐容量的20%-40%，小容量鋼水罐取最大值，大鋼水罐取最小值。為了保證多爐連澆時的鑄坯質量，其儲存的鋼液，應大于換包所需的時間。鋼液在中間包內的停留時間和中間包容量及鑄速有關，為了使鋼液在中間包內有必要的停留時間，應根據鑄速來核算中間包的容量。

2 中間包擋墻技術和中間包冶金的作用

在一個上下有完全隔開的耐火材料上，設置若干個不同尺寸和傾角的孔洞。鋼液根據需要的方向流過孔洞，其通過導流擋板后的流速和方向由孔的大小和方向決定，這就是控流擋墻。英國鋼鐵廠的實踐表明，在六流中間包中采用不對稱、能承受7小時以上澆鑄的陶瓷質導流擋板后，與不設控流裝置的中間包冶金效果相比，內、外側水口的鋼液溫度差降低了7℃，拉漏現象發生率降低40%，拉坯成型率提高8%，并且無水口堵塞現象。實驗的中間包有兩種形式。一種是設上、下擋渣墻，而另一種在第一種基礎之上又加了多孔導流擋板。大量實驗證明：帶有導流擋板的中間包中流向各水口的鋼液成分和溫度更加均勻，從內側水口流出的鋼液的平均停留時間比前者延長了35%，但對于從外側水口流出的鋼液來說，平均停留時間卻略縮短。

生產實踐中總結出中間包主要有以下作用：澆鑄作用：換鋼水罐時需要通過中間包存儲的鋼液來起到銜接的作用；分流作用：多流連鑄機的多水口必須通過中間包對鋼液進行分流；保護作用：通過保護裝置(例如液面的覆蓋劑、長水口以及其他保護措施)，可以減少中間包中的鋼液受到外界環境帶入的各類污染。減壓作用：鋼水罐內液面高度落差一般在5-6m，有很大沖擊力，可以用于穩定在鋼液澆注的過程中，鋼液對結晶器凝固坯殼的沖刷，另外在澆注過程中鋼液的液面變化幅度也很大。由于中間包液面高度比鋼水罐液面低得多，也使得液面的變化幅度小得很多。

作為鋼液凝固之前所經過的最后一個耐火材料容器，必須盡可能地防止鋼液吸收空氣以及耐火材料的氧，防止造成二次氧化，必須使鋼液中的非金屬夾雜物上浮并及時排除掉，這樣才能使鋼液滿足純凈鋼的技術要求。另外，要想保持煉鋼生產線能夠連續運轉，必須使所有的鋼液能順利通過中間包。在整個生產線中，中間包壽命是關鍵一環。當轉爐濺渣護爐技術推廣應用后，轉爐壽命大幅度增加，這時只要中間包不損毀，整個生產線就能維持運轉，所以中間包的運轉成為煉鋼廠的限制環節。提高中間包耐火材料壽命，以及在線更換易損毀的原件，也是對中間包的要求之一。

3 中間包冶金過程模擬方法

3.1 冶金過程物理模擬

冶金工作者們對于冶金反應器內的液體運動行為和溫度分布已經開展了相當廣泛的研究工作，盡管從理論上的研究較多，但是針對不同工藝參數條件，研究內容依然存在較多不同。研究者們大多采用建立數學模型的方法對此類行為進行研究，然而，數學模型的準確性直接影響了計算結果的可信度。而對于物理模擬方面，如何模擬中間包內的溫度場分布依舊是困擾實驗室研究工作的難題。為此，依據數學物理模擬中間包內鋼液流動行為和數學模擬溫度分布來判斷研究結果的準確性，為中間包結構設計提供理論依據。

冶金系統中，流體的流動、傳熱、傳質和冶金反應同時發生，而且在高溫下進行，很難對這些現象完全加以模擬。只能進行局部、冷態或者單元過程的模型實驗。在針對冶金過程的物理模擬中，因為鋼液的流動對傳熱、傳質、混合和返混等有較為重大的影響，所以對流動現象的模擬最為廣泛。

物理模擬有兩種類型。一種是完全模擬，它以精確的物理模型，嚴格地按照相似原理構造模型，可以直接對實驗結果進行比例放大。另一種是部分模型，也就是以半精確模型，對冶金過程只能做到部分模擬，研究其中的較為關鍵的物理現象，實驗結果可借助數學模型應用于實際系統。

3.2 冶金過程水力學模擬

根據水力學物理模擬的實驗特點，為更加節省人力、物力，水力學模擬實驗針對中間包結構設計思路而制定了控流擋墻主次因素實驗方案和不同設計間對比實驗方案，以達到與數值模擬結論相互驗證的目的。如果控流擋墻正交試驗測定影響中間包控流擋墻各因素主次順序的水力學模擬與數模實驗結論吻合，即可證明中間包控流擋墻設計思路的正確性。如果針對數值模擬設計方案而進行的水力學模擬實驗得出了與數值模擬相同或相近的結論，即可證明中間包結構設計的準確性。

[1]董水秀.中間包冶金過程模擬與結構優化[D].遼寧科技大學，2012.

[2]楊小容.連鑄中間包內鋼中夾雜物運動行為模擬研究[D].武漢科技大學，2004.

[3]許長軍，胡小東，胡林，汪琦，軒宗宇，王欣，陳興偉.中間包導流擋板設計與冶金效果[J].煉鋼，2013，01：69-73.