中间包冶金与耐火材料文档格式.docx
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相对于内生夹杂，外来夹杂物数量较少但尺寸大，成分复杂并呈多相结构，与内生小夹杂物均匀弥散分布不同，外来夹杂物在钢中零星分布，此类夹杂尺寸往往比较大，对钢性能的危害也更大。
外来夹杂物总是与实际操作相关，而且其来源主要就是二次氧化、卷渣和炉衬耐火材料侵蚀。
（1）二次氧化产生的外来夹杂物
空气作为二次氧化的共同来源，在连铸过程中空气以下列方式进入钢液：
（1）在钢包到中间包的钢水注入处强烈的湍流造成钢水表面吸入空气，
（2）中间包流动的钢液表面形成的氧化薄膜重新卷入钢液后形成的外来夹杂物。
在这类二次氧化过程中，脱氧元素如Al、Ca和Si等优先氧化，氧化产物发展成为非金属夹杂物，粒度通常比脱氧夹杂物大1～2个数量级。
二次氧化产物另一来源是炉渣以及包衬耐火材料中的SiO2、FeO和MnO。
钢液靠近炉渣或包衬界面时钢液中的夹杂物通过以下反应而形成夹杂物并得到长大，由此生成的氧化铝夹杂尺寸较大且含有各种成分。
SiO2+[Al]→[Si]+Al2O3
（1）
FeO+[Al]→[Fe]+Al2O3
（2）
MnO+[Al]→[Mn]+Al2O3（3）
这种现象以下列方式进一步影响外来夹杂物的形成：
上述反应侵蚀包衬耐火材料表面并导致其表面凹凸不平，从而改变包衬壁面附近的钢水流场，加速包衬的破损；
包衬破损产生的大型外来夹杂物以及卷入的炉渣可以捕捉小夹杂物，也可以作为异相形核核心产生新的析出物，这就使得外来夹杂物的成分变得复杂起来。
（2）卷渣造成的外来夹杂物
任何冶炼上或钢水传递上的操作，尤其是在钢水从一种容器到另一种容器时，都会引起渣—钢间的剧烈混合，造成炉渣颗粒悬浮在钢液中。
对于连铸工艺，下列因素可能造成钢水卷渣：
（1）钢水从钢包到中间包和从中间包到结晶器时；
（2）钢水上表面出现漩涡时；
（3）钢水上表面乳化作用造成卷渣，尤其当搅拌气体超过临界气体流量时；
（3）包衬耐火材料侵蚀造成的外来夹杂物
耐火材料的侵蚀物，包括包衬上松散的砂粒、破损的材料等，是一类极为常见的典型的固态大型外来夹杂物，与中间包本身材料有关。
它们通常尺寸较大，外形不规则。
包衬侵蚀通常出现在强湍流区域，特别是在二次氧化、浇铸温度较高以及发生化学反应时。
3中间包钢水夹杂物的去除机理
关于在中间包钢水流动过程中夹杂物的去除机理，许多学者从不同角度对其做了大量研究，归纳起来有如下几种机理：
3.1上浮去除
在静止的钢液中，夹杂物上浮速度服Stokes定律，夹杂物以Stokes上浮速度向钢液面运动，中间包钢水中夹杂物上浮并有效排除的必要条件是钢水在中间包内停留时间t大于夹杂物上浮到钢液表面所需时间tf。
即：
t>
tf。
钢水在中间包内的理论平均停留时间t为：
t=W/Q（4）
式中：
W—中间包容量，Kg；
Q—浇注速度，Kg/s。
夹杂物上浮到钢液面所需时间tf为：
tf=H/V（5）
H—中间包内液面深度，mm；
V—夹杂物上浮速度，mm/s。
非金属夹杂物在静止液体中的上浮速度可表示为：
V=2rp2（ρm—ρp）g/9μ（6）
rp一非金属夹杂物质点半径，m；
ρm一钢液密度，Kg/m3；
ρp一非金属夹杂物密度，Kg/m3；
μ—钢液粘度，Pa.s；
g一重力加速度，m/s2。
Stokes上浮公式的正确性是无可非议的，但从本质上讲，它所计算的上浮速度是颗粒在重力场中处于静止状态或层流状态的流体介质内作加速运动的最终速度，其初始速度比该值要小得多，而且，在中间包内流体本身是运动的，流体流速远大于该速度，因此夹杂物在中间包中随钢液流动而一起运动，考虑到各种界面因素，上浮运动去除夹杂物的作用非常有限，特别是小颗粒夹杂物。
3.2聚合去除
在中间包钢液中，夹杂物上浮速度与钢液的粘度、夹杂物的运动路径和粒径密切相关，一般夹杂物颗粒越大，上浮速度越快，越有利于夹杂物去除。
夹杂物的长大依赖于夹杂物相互碰撞聚合，在此过程中，小夹杂物数目减少，大夹杂物数目增加。
两个夹杂物之间的碰撞方式通常有以下四种方式：
（1）Brown碰撞：
即夹杂物在钢液中作无规则热运动，并且在运动中发生接触、碰撞乃至聚合成一个直径大于临界直径的较大颗粒夹杂物，浮出钢液表面。
在中间包内，夹杂物碰撞属于Brown碰撞的类型比较少，已有人论证，这种碰撞方式在夹杂物去除中可以忽略不计。
（2）Stokes碰撞：
即根据Stokes定律，大颗粒夹杂物上浮速度大于小颗粒夹杂物的上浮速度，大颗粒夹杂物追上小颗粒夹杂物发生碰撞生成更大的颗粒，上浮速度将更大，更容易捕获其他颗粒。
Stokes碰撞的频率函数为：
βij=
（7）
颗粒直径越大，上浮速度越快，两颗粒直径相差越大，碰撞机会越多。
在中间包中，Stokes碰撞是夹杂物聚合去除的重要形式之一。
（3）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，只要两个颗粒的距离不超过他们的半径之和，颗粒将发生速度梯度碰撞。
由于速度梯度的存在而导致粒子凝集的碰撞频率函数为：
（8）
在中间包中，当流场速度梯度不够大时，速度梯度碰撞不是主要形式。
（4）湍流碰撞
湍流中由于速度的脉动作用于颗粒，促使它们相互碰撞长大，碰撞的频率函数：
F（di,dj）=CfR3（
）
（9）
C—常数，f—导致稳定聚合的碰撞所占比率，R—发生碰撞半径，ε—湍流动能耗散率，μ—钢液的运动黏度。
湍流碰撞是夹杂物聚合长大的重要形式，湍流动能耗散率ε大的区域，发生湍流碰撞的频率越大。
对于上述的四种碰撞方式，Stokes碰撞是夹杂物聚合去除的重要形式之一，湍流碰撞也是夹杂物聚合长大的一种重要形式，而在流场速度梯度不够大时，速度梯度碰撞不是主要形式，属于Brown碰撞的类型则比较少。
3.3粘附去除
夹杂物在和中间包包壁以及挡墙、挡坝、多孔挡板、钢液过滤器、水口等固体表面接触时，将会粘附在固体表面得以去除。
一般碱性镁质、镁钙质材料对夹杂物的黏附能力较强，有利于夹杂物的去除。
夹杂物到达壁面后，未必完全吸附，吸附的稳定性与VanderWaals力、壁面剪力、颗粒大小及壁面粗糙度有关，其吸附概率可以表示为：
Pa＝exp（－0.287τw/τcrit）（10）
其中τw为壁面剪力，τcrit表示颗粒在壁面滚动的临界流体剪力，τcrit越大，吸附概率越小。
τcrit的大小可由下式确定：
（
－6.46ρ1/2τcrit3/2R3/μ）
＝43.92τcritR3（11）
式中A为Hamaker数，取2.3×
10-20，h为VanderWaals力作用间距，取4nm，壁面表观粗糙度Δ≈R。
张邦文等[4,5]通过数学模拟研究指出，上浮去除是中间包内夹杂物去除的主要方式，壁面吸附对夹杂物去除的贡献占1/6~1/4，碰撞长大的贡献小于5%。
赵连刚[6]也得出相似的结论，认为壁面吸附占夹杂物总去除率的10%左右，上浮去除则占到了90%左右。
4中间包冶金
中间包冶金的目的是尽可能排除内生夹杂物，减少外来夹杂物，进一步净化钢水，并防止钢水二次污染。
根据以上中间包内夹杂物的引入和去除机理，从耐火材料角度可从以下几个方面探讨耐火材料对中间包冶金的贡献。
4.1基于减少外生夹杂物的冶金技术
（1）真空浇注技术
传统浇注中，由于中间包和结晶器存在较大的液位差，钢液高速进入结晶器时，可能引起结晶器液面波动，带来连铸坯质量问题。
为了避免结晶器液面卷渣，生产表面质量良好的连铸坯，英国钢铁联合公司开发了真空中间包浇注技术[7]。
中间包真空浇注技术是将浇注水口上端部分中间包进行密封，建立真空室以减少钢水进入结晶器的驱动压力，中间包进入真空室的钢水流量用塞棒进行控制，通过对塞棒和真空度的控制来稳定中间包和结晶器液位。
此技术不但可以改善铸坯质量，而且能够保持连铸坯产品的一致性、提高浇注工艺的操作水平和适应性。
真空浇注原理图如图1所示，塞棒置于减压室的外壁，钢液进入减压室和结晶器的量可通过调节塞棒和减压室压力来控制。
连铸过程中对中间包进行真空处理的另外一个目的是脱气[8]。
如B.P.克里莫夫利用如图2的装置进行脱气处理，实现了工业化生产。
图1真空中间包系统示意图
图2连续真空处理装置结构示意图
1—钢包；
2—移动托架；
3—真空室；
4—液压缸；
5—真空室浸入式水口；
6—中间包；
7—结晶器
（2）长水口及长水口吹氩保护浇注
提高连铸坯清洁度的主要任务就是去除钢中内生夹杂物和防止钢水污染，二次氧化和钢液卷渣是污染钢液的两个重要原因，其中钢水从钢包流到中间包时产生的注入流、液—液射流是引起钢水吸氧和卷渣的主要原因。
防止卷吸空气和渣的重要措施是实行保护浇铸，通常采用长水口及惰性气体屏蔽等方法，同时，通过注流保护浇铸，既可防止注流的二次氧化，又可避免浇注冲击液面使钢液裸露而造成的二次氧化，生产高清洁度钢时则可综合采用上述方法。
对于长水口保护浇注进行了很多研究，蔡开科[1]在中间包渣中加入Ce2O3示踪剂，第一炉采用长水口保护浇注，结晶器渣中没有Ce2O3；
在换钢包时改用敞开浇注，结晶器渣中Ce2O3含量突然升高，随着第二炉又采用长水口保护浇注，结晶器渣中Ce2O3含量逐渐减少，结果如图3所示。
注流卷吸空气是钢水二次氧化的主要来源，生产高洁净度钢时通常采用长水口吹氩保护浇注，该技术成熟，在国内外已经取得了相当广泛的应用。
图4为台湾中钢生产IF钢使用的钢包长水口密封浇注示意图。
图3中间包渣示踪剂试验结果图4长水口吹氩保护浇注示意图
（3）中间包涡旋控制技术
中间包中存在着一个重要的流动现象，就是在水口处钢液流出时产生的汇流旋涡。
由经验可知，液体由垂直出口向下流动时，当液面低于某一临界高度时，在水口上方会形成漏斗形旋涡，这就是汇流旋涡。
中间包钢液流出时形成的汇流旋涡，能把液面上的渣卷入钢液内部，甚至卷入空气，增加二次氧化，严重恶化钢的质量。
在连铸更换钢包时，经常发生前后钢包连接区的钢坯中的夹杂物指标上升，这和汇流旋涡渣卷入钢液及二次氧化有密切关系。
英国钢铁联合公司于1988年研制成功一种叫做旋转阀（RotaryValve）中间包钢流控制系统[9,10]，如图5所示，它由两个耐火材料构件和一套操纵机构组成，其特点是下部圆形水口固定，而通过旋转塞棒控制钢液流量大小，出钢口开在旋转塞棒的侧面。
德国Didier公司也在1993年前后开发出一种叫旋转管阀（RevolvingTubeValve）的中间包钢水流动控制装置[11]，其安装与工作原理如图6所示。
该系统由两个均开有水平侧孔的同心耐火材料管组成，下管固定在中间包包底上，上管通过操纵机构做升降运动与下管连接或分离，在浇钢过程中通过旋转上管完成钢液流量的调控。
因为水平出流不形成汇流涡旋，可有效地消除涡旋，减少卷渣危害，提高钢水洁净度和收得率。
实验证明，使用中间包旋转阀技术后，不但提高了钢水收得率，而且铸坯氧化物含量相对于定径水口降低了45％，钢中非金属夹夹物含量指数由90减少到38，减少了水口堵塞，改善了浇注稳定性，冶金效果非常明显。
开启位置关闭位置
图5RotaryValve示意图图6RevolvingTubeValve示意图
4.2基于吸附夹杂物的冶金技术
（1）工作衬耐火材料与覆盖剂
中间包工作衬耐火材料与覆盖剂对钢水质量有着比较大的影响。
硅质耐火材料和覆盖剂不但不能吸附钢中夹杂物，而且在浇注锰含量高的钢种（如16Mn）和铝镇静钢时，耐火材料和覆盖剂中的SiO2还能分解，产生二次氧化作用，成为钢水的污染源之一。
随着对钢质量的要求不但提高，中间包工作衬耐火材料逐渐向碱性的镁质、镁钙质喷涂料、干式料方向发展，中间包覆盖剂也逐渐由酸性向高碱度方向发展。
文献[12]分别采用镁质喷涂料（MgO≥85%）和镁钙质喷涂料（CaO：
30～45%，MgO＋CaO≥85%），低碱度覆盖剂（CaO/SiO2约1.2～1.5）和高钙质覆盖剂（CaO≥55%，CaO/SiO2≥4.5），研究了中间包工作衬耐火材料与覆盖剂对钢水质量的影响，试验结果分别如图7、图8和表1所示。
试验结果表明，使用高钙覆盖剂和镁钙质喷涂料时可降低钢水全[O]含量8～14%，可降低钢水全[N]含量8～19%，钢中电解夹杂物总量去除率提高了约6%。
图7工作衬和覆盖剂对钢水全[O]的影响图8工作衬和覆盖剂对钢水全[N]的影响
表1工作衬和覆盖剂对钢水夹杂物的影响
项目
总量
SiO2
Al2O3
MgO
CaO
MnO
FeO
镁质涂料
低碱度覆盖剂
钢包
291
154
113
14.4
3.2
3.4
2.2
铸坯
53
12
35.2
0.6
2.1
0.2
2.3
去除率
81.79
92.2
68.85
95.83
34.38
94.1
--
镁钙质涂料
高钙覆盖剂
270
62.5
164
20.8
3.8
14.2
4.4
33.6
15.2
14.7
0.4
1.5
0.9
87.56
75.8
91.04
98.08
60.53
97.2
79.5
注：
去除率＝（[夹杂物]（钢包）－[夹杂物]（铸坯））/[夹杂物]（钢包）×
100
（2）钢水过滤装置
过滤是将悬浮在液体中的固体颗粒有效地加以分离的常用方法。
目前在中间包中取得实际应用的钢水过滤装置是直通孔式CaO质、ZrO2质、锆刚玉质陶瓷过滤器，安装在中间包挡墙上。
希拉克（S.Hiraki）等人[13~15]对中间包过滤器进行了广泛的实验室和现场研究。
新日铁公司[16,17]的研究工作比较系统和细致，认为可能使夹杂物颗粒吸附在过滤器上的力有六种：
浮力、拦截、惯性、表面张力、扩散和流体力学效应，但主要是前三种，过滤器对夹杂物的吸附与液体流速有关，在钢水流速2~8cm/s时去除夹杂物效率比较低，当钢水流速大于10cm/s时可达到理论过滤效果。
4.3基于促进夹杂物碰撞、聚合、上浮的冶金技术
4.3.1中间包控流装置
中间包控流装置通常包括挡墙、挡坝、防湍流控制器等，材质可以是高铝质、刚玉质、镁质等，从提高钢水洁净度的角度考虑，镁质材料比较好。
中间包挡墙、挡坝、防湍流控制器要求产品强度高，抗冲刷能力强，抗爆裂性能良好。
作者应邯郸钢铁公司要求，对该厂薄板坯中间包挡墙、挡坝的安装位置及防湍流控制器设计进行了数学模拟研究，结果如下：
（1）挡墙—挡坝对流场的影响
挡墙—挡坝对流场的影响如图9所示。
冲击区由于钢包注流的冲击，形成了速度高、卷吸严重的区域，钢液从长水口下落直冲包底，在包底受到阻挡，液流迅速沿包底呈放射状散开，散开的钢液碰到侧墙、挡墙、挡坝后转而向上流动，形成回流。
一部分钢水受挡坝的影响沿挡墙—挡坝之间的空隙向上、向侧上方向流动，部分回流钢水冲击着挡墙外侧。
在挡墙外侧相对平静的流场区域，钢液流速较低，并在渣－钢界面流过较长的距离，有利于钢液中夹杂物上浮。
在中间包水口附近，钢液的流速也较大。
图9挡渣墙—挡渣坝结构对中间包流场的影响
（2）含防湍流控制器的中间包流场
设计了三种防湍流控制器，分别如图10所示。
防湍流控制器对中间包钢水流场的影响分别如图11、12、13所示。
防湍流控制器1防湍流控制器2防湍流控制器3
图10防湍流控制器示意图
在挡墙—挡坝基础上添加防湍流控制器，改变了流场特点：
冲击区钢液从长水口下落到防湍流控制器后，液流迅速向上、向侧上方向回流，并在防湍流控制器上方形成大的回流旋涡。
由于防湍流控制器的缓冲作用，从挡墙和挡坝之间流出的钢液速度大大降低，没有出现钢液冲击着挡渣墙外侧现象。
防湍流控制器形状和大小对流场有较大影响：
防湍流控制器1由于缩口作用，钢液从长水口达到防湍流控制器后，大部分钢流沿水平侧上方向四周散开，形成比较大的回流，减轻了冲击区的涡流强度，增长了钢水在中间包内的行程长度，有利于夹杂物上浮。
防湍流控制器3的高度相对较低，减少了防湍流控制器与侧墙之间的死区体积，提高了中间包的有效容积，同时钢液从挡墙和挡坝之间流出的钢液速度有所增大，有利于钢液到达渣－钢界面，促进夹杂物上浮，钢液上升到自由表面的速度降低，有利于减少冲击区卷渣。
图11防湍流控制器1
图12防湍流控制器2
图13防湍流控制器3
（3）墙—坝结构与含防湍流控制器结构的中间包钢液停留时间分布曲线对比
墙—坝结构与含防湍流控制器结构的中间包钢液停留时间分布曲线如图13所示，可见，使用防湍流控制器后，峰值出现时间往后推迟，峰值高度较大幅度提高，这些均有利于夹杂物上浮。
图13钢液在中间包内停留时间分布曲线
4.3.2中间包气幕墙技术
基于促进夹杂物“碰撞——聚合——长大——上浮——去除”原理，钢水吹氩气搅拌是一种行之有效的方法，并在钢包中取得了广泛应用。
关于中间包吹氩气搅拌钢水，国内外学者做了很多理论、实验室和现场试验研究，并在国外发达国家，如日本、德国等，取得了一些实际应用。
中间包吹氩技术是通过埋设在中间包底部的吹气装置或旋转喷嘴向中间包钢水中吹入氩气，其最初目的是在中间包内进一步脱氢，但实验结果表明中间包吹氩最明显的效果是去除夹杂物，其机理主要体现在以下三个方面[2]：
（1）排列成列的吹气孔垂直于液流布置，类似于在包底设置了挡坝，促使钢液向上流动，其作用甚至比挡坝的效果更强烈；
（2）氩气泡的浮力产生气泡泵现象，促使局部湍流动能耗散率显著增大，有利于夹杂物碰撞长大而排除；
（3）上浮的气泡可以捕捉夹杂物颗粒，并携带夹杂物颗粒一同上浮去除，这样就使微细夹杂物颗粒上浮速度增大到气泡的上浮速度，因而可以在更大程度上净化钢水。
研究表明[18]，中间包钢水吹氩产生的夹杂物去除速率等于气泡产生率和每个气泡和颗粒碰撞数的乘积：
（12）
式中右边第一项为每个气泡的清洗体积，第二项为单位体积内的颗粒数量，第三项为气泡捕捉夹杂物的概率，第四项为吹气生成气泡数量，第五项为温度变化引起的气泡体积膨胀。
由上式可知，吹氩量越大，气泡直径越小，气泡深度越深，夹杂物的去除率越高。
因而，中间包吹氩适宜于数量多、体积小的微小气泡，这和钢包吹氩起搅拌作用的目的不同。
莫若菲克（RMoravec）[19]报道了捷克NOVAHUTa.s.钢厂中间包吹氩试验结果。
该试验在24吨六流方坯中间包上进行，透气砖安装在冲击板的右侧，分别试验了氩气流量和钢包浇注时间对夹杂物去除效果的影响，文章认为低的吹氩强度有利于提高钢水洁净度（夹杂物平均含量降低了9~26%），相反高的吹氩强度反而危害了钢水洁净度，中间包吹氩有利于降低钢水夹杂物含量的波动范围，有利于降低更换钢包对钢水质量的损害。
日本新日铁钢厂[20]中间包吹
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