酒鋼不銹鋼中包流場和中包渣量對鑄坯質量的影響

包永鵬

（酒鋼（集團）宏興股份有限責任公司， 甘肅 嘉峪關 735100）

1 中間包在連鑄過程中的作用

全連鑄技術的發展使煉鋼生產工藝簡化，流程縮短，生產效率和經濟效益顯著提高，因此大力發展連鑄技術是改進煉鋼廠工藝流程和提高經濟效益的突破口。中間包是煉鋼生產流程的中間環節，而且是由間歇操作轉向連續操作的銜接點，無論對于連鑄操作的順利進行，還是對于保證鋼液品質符合要求，中間包的作用是不容忽視的。通常認為中間包起到的作用：

1）減壓作用。鋼包內液面高度較高，沖擊力很大，在澆鑄過程中變化幅度也很大，中間包液面高度比鋼包低，變化幅度也小得多，因此可用來穩定鋼液澆鑄過程，減小鋼流對結晶器凝固坯殼的沖刷。

2）連澆作用。在多爐連澆時，中間包存儲的鋼液在換盛鋼桶時起到銜接的作用。

3）保護作用。通過中間包液面的覆蓋劑，長水口以及其他保護裝置，減少中間包中的鋼液受外界的污染。

4）在多流連鑄機上起分配鋼流的作用。

中間包作為連鑄過程中的中間容器，已經由傳統的容器轉變為具有冶金功能的反應器，而且作用越來越大，現代冶金觀點認為中間包還有的功能：

1）清除和減少鋼液再次污染的來源，即防止二次氧化、減輕耐火材料的侵蝕、減少鋼包渣的卷入以及渣中不穩定氧化物的危害。

2）改善鋼水流動狀態，防止短路流，減小死區，增加鋼液停留時間，防止卷渣，促進鋼水中的夾雜物上浮，進一步提高進入結晶器鋼水質量和鑄坯的質量。

3）通過加合金和加熱技術對鋼水的成分和溫度進行微調。

2 中間包渣和夾雜物的來源

中間包渣量影響連鑄終澆時中包注余重量，降低了金屬收得率，特別是對一些經濟附加值高的鋼種來說，影響了經濟效益；中包渣過多，在換包時中包液面控制得過低，夾雜物上浮不充分，也影響了鑄坯的質量。其主要來源：

1）鋼包澆注完下渣。

2）中包覆蓋劑吸收非金屬夾雜物。

作過程中加強判渣的水平和減少鋼水非金屬夾雜物對減少中間包渣量具有重要的作用。

中間包的夾雜物根據其來源可分為外來夾雜物和內生夾雜物。外來夾雜物是指從煉鋼到澆注的全過程中，鋼液與空氣、耐火材料、爐渣相互作用的產物以及機械卷入鋼中的各種氧化物，包括氧化產物、二次氧化產物、出鋼時卷入的冶金爐渣、鋼流沖刷而卷入的耐火材料等；內生夾雜物主要是指脫氧和合金化元素與溶解在鋼液中的氧以及硫、氮的反應產物。

2.1 中間包的控流裝置

隨著連鑄技術的不斷發展，對連鑄坯軋材的要求也越來越高，而影響連鑄坯及軋材質量的主要因素之一就是非金屬夾雜物。大量的實踐表明，連鑄坯中大型夾雜物來源于中間包。因此，在中間包內如何采取有效措施控制非金屬夾雜物，使其不隨鋼液進入結晶器非常重要。中間包作為鋼液凝固前所經過的最后一個耐火材料容器，要求其最大可能使鋼中非金屬夾雜物在鋼水處于液態時排除徹底，同時要防止非穩態澆注時鋼水的二次氧化和耐火材料的熔損、沖刷所產生的新的二次夾雜物，因此，系統研究中間包控流裝置對于提高鋼水潔凈度具有重要意義，中間包控流裝置的作用是增加鋼水的停留時間，并保證鋼水中的非金屬夾雜物有充分的時間上浮、排除。常用的控流裝置有湍流控制器、堰、壩等。中間包安裝湍流控制器流場示意圖見圖1。中間包安裝擋墻和擋壩后流場示意圖見圖2

圖1 中間包安裝湍流控制器流場示意圖

圖2 中間包安裝擋墻和擋壩后流場示意圖

2.1.1 湍流控制器的作用

1）改善流體流動軌跡。注流下來后正好沖擊在安裝在大包長水口正下方的湍流控制器，注流產生的湍流不僅受到約束，而且會以大的傾角逆向朝著液體表面流動,然后流向上擋墻,流體流動曲折迂回，并且最大程度地靠近中間包液體表面緩慢流動。這樣一來，不僅消除了流體“短路流”，更重要的是，靠近液體表面的流動可為夾雜物上浮創造有利的條件。

2）減少開澆時鋼水噴濺。

3）減輕長水口卷吸空氣。

2.1.2 堰的作用

堰，又稱擋渣堰或上擋墻。橫跨整個中間包寬度，從鋼液面上部延伸至距中間包底部一定距離，鋼水可從其下方流過。堰的主要作用：

1）控制鋼包注流沖擊區的大小和鋼包注流對中包鋼水攪拌強度，促使夾雜物碰撞和聚集成大尺寸夾雜物上浮并去除。

2）把隨鋼包注流進入中間包的爐渣擋在沖擊區內，減少鋼水因鋼包卷渣造成的二次污染。

3）把鋼包注流沖擊引起的中間包鋼水表面波動限制在堰的上游，穩定堰的下游中間包鋼水液面，減少表面卷渣、二次氧化和機械沖刷所產生夾雜物數量。

2.1.3 壩的作用

壩，又稱導流壩或下擋墻。橫跨整個中間包寬度，從中間包底部向上延伸至距鋼液面之下一定距離，鋼水從其上流過。壩的主要作用：

1）過壩的鋼水產生指向鋼液表面的流動軌跡，縮短夾雜物的上浮距離，有利于夾雜物上浮去除和頂渣捕獲夾雜物。

2）可以將鋼包注流沖擊限制在沖擊區內，降低鋼水水平流動速度。

3）防止中間包短路流的形成，延長鋼水在中間包內的流動距離，增加鋼水在中間包內的平均停留時間。

2.2 不繡鋼中間包控流裝置配置的優化設計

由于不銹鋼對鋼水純凈度要求較高，選擇合適的中包工作層耐火材料，對于去除中間包鋼液中的非金屬夾雜物、降低耐火材料對鋼水的二次污染極其重要，選擇合適的耐火材料不僅能在一定程度上能夠吸附鋼水中的雜質元素及其化合物，并在使用壽命上也能滿足生產的要求，除此之外合理布置中間包的各種控流裝置并對其優化，增加鋼水平均停留時間，促進夾雜物充分上浮，減小死區，對提高鑄坯質量，增加經濟效益有重要的作用。下面是某不銹鋼廠對中間包控流元件配置實驗。

2.2.1 不銹鋼中包控流裝置配置的方案

根據碳鋼中間包使用情況和文獻資料設計四種不銹鋼中包控流裝置配置方案。

1）方案一。在不銹鋼中間包沖擊區迎鋼面上設置一個湍流控制器，在其右邊設置一塊擋渣墻和擋渣壩，如圖3 所示。

圖3 設置擋墻、擋壩、湍流控制器的方案

2）方案二。將方案一中的擋渣墻取消，其目的是驗證湍流控制器、擋渣壩對中包流場的影響，如圖4所示。

圖4 設置湍流控制器和擋壩的實驗方案

3）方案三。僅設置一個紊流器，是將方案二中的擋渣壩取消，其目的是比較本方案與方案二的流場特性，如圖5 所示。

圖5 設置湍流控制器的實驗方案

4）方案四。本方案與方案三不同，是將方案三中的湍流控制器取消，換成一塊正方形沖擊板，其目的是不設控流裝置，驗證僅沖擊板對中包流場的影響，如圖6 所示。

圖6 設置沖擊板的實驗方案

將中間包內鋼液的流動看作三維穩態湍流流動，采用連續性方程、動量方程、示蹤劑湍流傳質方程及其差分方程，用計算機求解中間包內鋼液的流場及示蹤劑的濃度分布，并繪制RTD 曲線。得出流場計算結果：

1）方案一。如圖7 所示，中間包內鋼液的流動以擋渣墻為界被分割成兩大區域：在紊流器附近區域，由于鋼包鋼液的射流作用，流股直達紊流器內底面，迅速向四周鋪開，碰到側壁后轉而向上和向主射流相反方向也即向上流動，在長水口入口處鋼液形成卷吸循環區，由于該區遠離鋼液面，因此降低了鋼液卷渣、卷入氣體的概率和鋼液的二次氧化；而在紊流器內底部外環區域，由于紊流器的縮口作用，這種循環對鋼液的混勻作用更加突出，有利于均勻鋼液成分和鋼液溫度，同時減緩了鋼液的沖擊、飛濺和由沖擊而造成的波動及向上流動的速度，也減緩了對耐火材料的沖刷；在紊流器的主流股外部上方由于主流股向上的卷吸作用，出現向心回流，形成外循環區，該循環區流速相對緩慢，有利于夾雜物的聚合和上浮；而在中間包擋渣墻水口一側，鋼液流動相對穩定（也即穩定區），流速緩慢，有利于夾雜物的上浮和去除。在豎直截面還可以看到，鋼液由擋渣墻的底部向澆注區流動，經過第一個擋渣壩改變了鋼液的流動方向，迫使鋼液上揚流動，延長了流動路徑，可以延長其在中間包內的停留時間。朝向中包水口方向流動的主流股集中在液面附近，碰撞聚集生成的夾雜物距離渣液面較近，也就是說夾雜物上升距離較短，很容易被渣液面上的渣吸附，從而達到去除鋼液中的夾雜物之目的。而在中間包底部兩個擋壩之間，由于主流股的卷吸作用，出現朝向中包注流區方向的回流，形成循環區，該循環區流速緩慢，有利于夾雜物的聚集生成，但卻容易形成死區。另外，從豎直截面和水平截面可以看出，無論是水平中心區域，還是遠離水平中心區域，流股流速都比較均勻且流動方向一致，因此，該方案的流場比較理想。

圖7 中間包內不同鋼液截面流場

2）方案二。如圖8 所示，鋼液的流動以湍流控制器為界被分割成兩大區域：湍流強度較強的注流區和流動相對平穩的澆注區，在澆注區鋼液的流動與方案一相同，這里不在重述，而在澆注區由湍流控制器留出的鋼液，其主流股主要集中在液面附近，但是隨著朝向水口方向的流動，有一部分流股逐漸下降，在接近或到達包底后，繼續前行，當遇到擋渣壩后，鋼液開始上揚流動，這在一定程度上消除了短路流，但是這種流場使得夾雜物的上浮距離增加，不利于夾雜物的去除。從豎直截面和水平截面可以看出，在液面附近，無論是水平中心區域，還是遠離水平中心區域，流股流速與方案一相比，其大小都有些不均勻，因此，該方案的流場效果稍次于方案一。

圖8 中間包內不同鋼液截面流場

3）方案三。如圖9 所示，由上述流場圖可以看出，本方案與方案二的流場效果基本上相同，不再重述。唯有不同的是本方案將方案二中的擋壩去掉了，從而失去了因擋壩引起的上揚流動。因此，該方案的流場效果相對方案二較弱。

圖9 中間包內不同鋼液截面流場

4）方案四。如圖10 所示，與控流元件配置方案三比較，本方案取消了紊流器，而改成了沖擊板，很顯然。沖擊板的作用明顯不如紊流器（湍流控制器）的作用突出，而鋼液的主流股也不是主要集中在鋼液面附近，不利于夾雜物的去除，該方案與方案三相比，較差。

圖10 中間包內不同鋼液截面流場

2.2.2 結論

采用湍流控制器、擋渣墻、擋壩時，鋼液的瞬態響應及停留時間均有所延長，有利于夾雜物的上浮去除，死區體積降低，有利于提高中間包的利用率；方案四由于沒有設置控流元件，鋼液的瞬態響應及停留時間均為最短，也即流場效果最差。綜合前面的流場和溫度場分析，認為方案一是所有方案中較好的，方案二也可以使用，方案四建議不采用。

目前中間包采用的控流裝置是湍流控制器、擋渣墻、擋壩，能夠較好的滿足生產的工藝要求

2.3 各種不同擋墻設置方案對流場的影響

煉鋼分廠引進VAI 連鑄機，中間包結構及內腔尺寸圖紙也一同引進，其結構設計結構是否合理，將影響鋼坯內在質量，在保證中間包控流裝置不變的情況下，通過改變擋墻位置和高度進行實驗。

2.3.1 增加上擋墻距包底的高度

圖11 中間包縱向流場截面局

圖12 中間包流場示意圖

如圖11 所示，隨著上擋墻距離底面的高度增大，上擋墻后方（右邊）的低速區域范圍縮小，鋼水通過上擋墻下部后越過下擋墻，直接沖擊到頂面的渣層,然后環形流向出口，該流動對液面的波動影響大。

如圖12 鋼液流線圖，從圖12 中可看出，隨著上擋墻距包底距離的不同，包內流動狀態有明顯的不同。兩擋墻間形成回流，可以增加鋼水在包內的停留時間，利于夾雜物上浮。隨高度的增加。兩擋墻間的循環流強度降低，鋼流對下水口頂部的鋼水及渣層沖擊加強，卷渣幾率增加。故上擋墻離包底距離不宜增加。

2.3.2 增加下擋墻的高度

如圖13 所示，隨著下擋墻距離底面的高度增大，鋼水對頂面渣層的影響略有增加。在下擋墻右側即出口區域上方，低速區域增大，鋼水流動變得均勻。如圖14 所示，隨下擋墻高度增加，鋼水對頂面的鋼水及渣層沖擊加強。

圖13 中間包縱向流場截面局

圖14 中間包流場示意圖

2.3.3 上擋墻向右偏移100 mm

如圖15 所示，上擋墻向右平移后，在其下方的速度略有降低，但整個區域來說，高速區的流體范圍擴大，流動更加合理。下頁圖16 所示，比較圖16-1，16-2，上擋墻向中心平移后，鋼水在包內的流動趨勢發生了很大變化，出口上方分層流向出口的現象得到緩解，圖16-2 完全避免了該種流動的存在,因此,流動更加優化，利于夾雜物的去除。

圖15 中間包縱向流場截面局

2.3.4 結論

通過對酒鋼不銹鋼煉鋼中間包流場數值模擬分析及查找相關的資料文獻，并和其他單位的中間包進行對比得出如下結論，酒鋼的中間包流場基本合理，湍流控制器、上擋墻、下擋墻均能有效的發揮作用；適當的把上擋墻右移和適當的增加下擋墻的高度會使流場更加均勻合理。

圖16 中間包流場示意圖

3 結語

通過合理的設置設計中間包控流裝置和相對位置，改善中間包內鋼流的流動軌跡，適當的增加鋼水的平均停留時間，充分利用中間包容積，促進鋼液中夾雜物充分上浮，可以提高鋼水的潔凈度，進而提高鑄坯的質量。

通過嚴格的工藝制度，前道工序為連鑄機提供質量合格的鋼水，澆注過程中采用全保護澆注，操作過程中注意判渣，可以防止中間包過早下渣和卷渣，減少中間包注余，提高金屬收得率，增加經濟效益。