中間包冶金技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

　　摘 要：中間包是鋼水凝固之前的最后一個(gè)耐火材料容器，是由間歇操作轉(zhuǎn)向連續(xù)操作的銜接點(diǎn)，也 是 連 鑄 的 起點(diǎn)，在連鑄過(guò)程中起著緩沖、減壓、分流、連澆、凈化和保護(hù)鋼液、改善凝固組織、促進(jìn)鋼液均勻性等作用。伴隨著高品質(zhì)鋼對(duì)潔凈度和質(zhì)量要求的提升，中間包冶金的功能越來(lái)越重要，中間包冶金技術(shù)的發(fā)展正是圍繞著不斷拓展和完善中間包冶金功能展開的，其核心目標(biāo)是完成對(duì)凝固前鋼液的充分凈化，實(shí)現(xiàn)連鑄的恒溫、低過(guò)熱度澆注。綜述總結(jié)了中間包冶金功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑和發(fā)展趨勢(shì)。

　　包燕平;王敏;， 連鑄 發(fā)表時(shí)間：2021-10-15

　　關(guān)鍵詞：中間包冶金;控流裝置;鋼液凈化;低過(guò)熱度;中間包加熱;氣幕擋墻;電磁凈化

　　0 引言

　　中間包是鋼水凝固之前的最后一個(gè)耐火材料容器，是煉 鋼 流 程 間 歇 操 作 轉(zhuǎn) 向 連 續(xù) 操 作 的 銜 點(diǎn)，在鋼包和結(jié) 晶 器 之 間 起 到 緩 沖、穩(wěn) 流、連 澆 和 分 流的作用。同 時(shí)，中間包作為重要的冶金反應(yīng)器，對(duì)連鑄順行、鋼液凈化、鋼質(zhì)量提升也起到重要作用?？偟脕?lái)說(shuō)，中間包冶金功能和作用見表1。

　　隨著鋼質(zhì)量要求的不斷提高，中間包冶金已經(jīng)成為潔凈鋼生產(chǎn)的重要一環(huán)[1-2]。潔凈鋼生產(chǎn)中，不僅要關(guān)注中間包的分流、連澆、減壓、保護(hù)鋼液的基本功能，更需注重其凈化鋼液、改善凝固組織、促進(jìn)鋼液均勻 等 作 用。合理的控流裝置組合可以起到改善鋼液混 勻 效 果、延長(zhǎng)中間包平均停留時(shí)間、降低死區(qū)比例、增 加 夾 雜 物 去 除 效 果、縮 小 各 流 之 間流動(dòng)和溫度 的 差 異、避 免 澆 注 過(guò) 程 的 液 面 裸 漏(紅眼)二次氧化等作用。圖1 所示為中間包內(nèi)不同控流裝置的示意圖，同一個(gè)中間包不會(huì)同時(shí)使用上述控流裝置，實(shí)際生產(chǎn)中，需要綜合其內(nèi)型結(jié)構(gòu)、澆注工藝和鋼種特點(diǎn)選擇合適的控流裝置組合來(lái)達(dá)到最佳的中間包冶金效果，各企業(yè)的情況不能一概而論，不能完全參考和移植。

　　中間包冶 金 技 術(shù) 的 發(fā) 展 正 是 圍 繞 著 不 斷 拓 展和完善中間包冶金功能展開的。諸如：采用控流裝置組合延長(zhǎng)停留時(shí)間[3]，提升混勻效果[4]、采用氣幕代替耐材擋墻氣泡去除夾雜物[5]、設(shè)置多孔陶瓷過(guò)濾器擋墻吸附夾雜物[6]、通過(guò)碳基陶瓷材料產(chǎn)生氣泡去除夾雜物[7]、澆注區(qū)增加旋轉(zhuǎn)流裝置改善鋼液流動(dòng)形式[8]、中間包澆注區(qū)施加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)提升夾雜物碰撞長(zhǎng)大和上浮去除能力[9]、中間包保溫和加熱技術(shù)維持低過(guò)熱度澆注等。

　　1 中間包冶金效果的影響因素

　　中間包冶 金 效 果 受 其 容 量、工 作 液 位、內(nèi) 型 結(jié)構(gòu)、控流裝置(穩(wěn)流器、堰、壩、擋墻、塞棒)等的綜合影響。中間包容量一般為鋼包容量的20%～40%，小容量鋼包取大值，大容量鋼包取小值，圖2所示為部分企業(yè)的容量比。容量太小則開澆、換包等非穩(wěn)態(tài)過(guò)程在整個(gè)澆注周期中占比較長(zhǎng)，影響鋼液潔凈度;容量大有助于降低換包等非穩(wěn)態(tài)過(guò)程液面的波動(dòng)、延長(zhǎng)中間包內(nèi)鋼液停留時(shí) 間、提 升 夾 雜 物 去 除率，但需綜合考慮澆注過(guò)程中間包內(nèi)鋼液的更新速率、鋼液 的 溫 度 分 層 和 澆 次 成 本 (鑄 余 量、耐 材 耗量)等因素。目前，國(guó)內(nèi)最大的中間包80t(首鋼京唐)，約占鋼 包 容 量 的27%。中 間 包 的 工 作 液 位 一般在800～1100mm，深熔池有助于延長(zhǎng)夾雜物去除路徑、減少非穩(wěn)態(tài)過(guò)程的液面波動(dòng)和卷渣。中間包大容量、深熔池是潔凈鋼發(fā)展的趨勢(shì)之一。

　　根據(jù)與鑄機(jī)的匹配性，中間包按斷面形狀主要分為：矩型、三角型、V 型、T 型、H 型等(圖3)，其中以矩形和 T 型 居 多。單流或雙流的大型板坯連鑄機(jī)多為矩型 中 間 包，其 各 流 的 對(duì) 稱 性 容 易 控 制。T型和 V 型多應(yīng)用于多流澆注，沖擊區(qū)和澆注區(qū)有明顯的區(qū)域劃分，澆注區(qū)流出的鋼液經(jīng)過(guò)擋墻和導(dǎo)流孔分配到各流，以保證其各流之間的均勻性[10-11]。

　　中 間 包 中 不 同 控 流 裝 置 有 其 特 定 的 作 用：(1)穩(wěn) 流器安裝在澆注流股下方，起到降低湍流，減小沖擊區(qū)液面 裸 漏 和 卷 渣 的 作 用;(2)U 型 擋 墻 配合導(dǎo)流孔常被用來(lái)將沖擊區(qū)和澆注區(qū)相對(duì)分離，起到導(dǎo)流和平均分配流股的作用，也避免了沖擊區(qū)液面裸漏和 卷 渣 對(duì) 澆 注 區(qū) 鋼 液 的 影 響;(3)擋 壩 主 要安裝在中間包底部起到提升流股的作用，避免底部流股直接形成短路流，也能起到延長(zhǎng)鋼液的流動(dòng)軌跡，增加停 留 時(shí) 間 的 作 用;(4)堰 又 稱 上 擋 墻，安 裝在中間包的上部，促使上部鋼水由水平流動(dòng)或向上流動(dòng)轉(zhuǎn)為向下流動(dòng)，也起到阻隔沖擊區(qū)氧化性下渣流向澆注區(qū)，通過(guò)堰上添加導(dǎo)孔和堰高度設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步對(duì)流股導(dǎo)流。

　　表2所示為國(guó)內(nèi)外部分企業(yè)中間包的結(jié)構(gòu)及控流裝置。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)型結(jié)構(gòu)及合理匹配控流裝置，各企業(yè)的中間包在各流均勻性、整體溫差、平均停留 時(shí) 間、死 區(qū) 比 例 等 指 標(biāo) 均 有 一 定 程 度 的 改善。如：新冶鋼[12-13]60t6流 T 型中間包在優(yōu)化擋墻、流鋼通道 和 擋 渣 板 的 位 置 和 結(jié) 構(gòu) 后，各 流 響 應(yīng)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)偏差 由27.59減 至13.16，出 口 最 大 溫 差由5K 變?yōu)?.5K;首鋼[14]80t2流矩型中間包通過(guò)改變擋墻位置和高度設(shè)計(jì)，將死區(qū)比例由原有的37.3%降至18.5%，活塞區(qū)與死區(qū)比值由0.35增大至0.65;天鋼聯(lián)合特鋼[15]45t7流 T 型中間包通過(guò)增大中間包 容 量，增 加 鋼 水 在 中 間 包 的 停 留 時(shí) 間，各流水口之間鋼水的最大溫度差由 4.11 ℃ 減 到1.44 ℃，各流出口處最大溫度差由2.42 ℃減少到了0.78 ℃;河北永洋特 鋼[16]30t6流 異 型 中 間 包通過(guò)改變沖擊杯和擋墻結(jié)構(gòu)，將 中 間 包 死 區(qū) 比 例由22.05%減 至 7.52%，顯著改善了中間包的流場(chǎng)和溫度場(chǎng);日照 鋼 鐵[17]21.3t6流 T 型 中 間 包通過(guò)改變穩(wěn)流器 導(dǎo) 流 孔 夾 角、擋 壩 位 置，將 死 區(qū) 比例由17.89% 減 小 到 9.67%，并 顯 著 改 善 了 各 流一致性。

　　2 中間包加熱及保溫技術(shù)

　　中間包是個(gè)連續(xù)反應(yīng)器，在多爐次連續(xù)澆注過(guò)程中，中間包的包襯、包壁、鋼液(渣)表面均會(huì)持續(xù)向外界傳熱[32](表3)，這造成了在澆注過(guò)程中，中間包內(nèi)鋼液溫度持續(xù)下降以及在換包過(guò)程溫度的劇烈波動(dòng)[33](圖4)。為保證連鑄的順行，中間包內(nèi)鋼液需要維持合理的過(guò)熱度，過(guò)熱度太低則澆注后期容易出現(xiàn)冷鋼結(jié)瘤而斷澆，過(guò)熱度太高則對(duì)鋼液潔凈度和凝 固 組 織 控 制 不 利。低 過(guò) 熱 度 澆 注 可 以 提高鑄坯中心 等 軸 晶 比 例、降 低 中 心 偏 析，從 而 改 善鑄坯凝固 組 織、提 高 鑄 坯 質(zhì) 量。因 此，中 間 包 的 恒溫、低過(guò) 熱 度 澆 注 是 中 間 包 冶 金 技 術(shù) 發(fā) 展 趨 勢(shì) 之一。中間包恒溫、低過(guò)熱度的控制主要可以從兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：(1)強(qiáng)化反應(yīng)容器保溫效果，降低中間包和鋼包的散熱速率，如：納米絕熱層保溫技術(shù)[30]、保溫真空層[31]、多層覆蓋劑等;(2)外部溫度補(bǔ)償中間包熱損失，如：等 離 子 加 熱 技 術(shù)、感 應(yīng) 加 熱 技 術(shù)、電極加熱技術(shù)、電阻加熱、石墨電極電弧加熱、高溫氮?dú)饬骷訜岬取?/p>

　　2.1 中間包等離子加熱技術(shù)

　　中間包等離子加熱技術(shù) (Tundish PlasmaHeating，縮寫 TPH)于20世紀(jì)80年代首先由英國(guó)TRD公司開發(fā)，其工作原理是以等離子槍和被加熱的鋼液作為 電 流 的 兩 極，通 電 后，等離子槍通過(guò)電極放電使氣體(Ar、N2、N2 +Ar)處 于 電 離 狀 態(tài)，產(chǎn)生高能量的電弧，通過(guò)電子輻射和離子化氣體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的 對(duì) 流，將 熱 量 傳 入 中 間 包 鋼 水 從 而 加 熱 鋼液。等離子體加熱主要有兩種類型：直流(DC)型和交流(AC)型，兩者都采用轉(zhuǎn)移弧方式將電能轉(zhuǎn)換成熱能，即：流經(jīng)等離子體弧柱的電流必須經(jīng)外部對(duì)象物如鋼 水 構(gòu) 成 回 路。從 實(shí) 際 應(yīng) 用 效 果 看，DC 型等離子體加熱技術(shù)比較適合中間包鋼水加熱，圖5所示為新日鐵的 DC型 TPH 的全景圖[34]。非轉(zhuǎn)移弧型的等離子體電弧槍生產(chǎn)費(fèi)用較高，在冶金上應(yīng)用較少，目前，應(yīng)用于冶金加熱的等離子體電弧槍主要為轉(zhuǎn)移型。英國(guó) TRD 公司的等離子槍為轉(zhuǎn)移弧熱電極 型，美 國(guó) PEC 等離子槍為轉(zhuǎn)移弧冷電極型。表4所示為兩種等離子槍技術(shù)比較[5]。

　　中間包等 離 子 加 熱 技 術(shù) 最 早 在 日 本 廣 新 日 鐵廣畑廠和美國(guó)查帕拉爾鋼廠應(yīng)用，隨后被推廣應(yīng)用到國(guó)內(nèi)外眾多企業(yè)[35-36]。中國(guó)在20世紀(jì)80年代末至90年代初，衡陽(yáng)鋼管、唐鋼、武鋼、寶鋼等先后從英國(guó) TRD和美國(guó)PEC引進(jìn)了等離子中間包鋼液加熱技術(shù)，國(guó)內(nèi)冶金學(xué)者和企業(yè)界也對(duì)等離子加熱技術(shù)有過(guò)大量研究，但是該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用并不理想。應(yīng)該 肯 定 的 是，等 離 子 加 熱 技 術(shù) 本 身 是 成 熟的，這已經(jīng)在國(guó)外很多企業(yè)得到證明，NKK 京浜鋼鐵廠采用14 MW 直 流 轉(zhuǎn) 移 型 等 離 子 弧 加 熱，可 將換包期間中間包內(nèi)鋼水溫降控制在5 ℃之內(nèi)，通過(guò)精確地控制中間包內(nèi)鋼水溫度，鑄坯中心偏析得以改善;美國(guó)紐柯鋼鐵公司3流方坯連鑄機(jī)在使用中間包等離子加熱后，鋼水過(guò)熱降低了12℃。作者認(rèn)為，限制 其 應(yīng) 用 效 果 的 關(guān) 鍵 因 素 是 與 之 匹 配 的 工藝、技術(shù)條件 以 及 環(huán) 境 等，即 中 間 包 等 離 子 加 熱 技術(shù)的良好 應(yīng) 用 效 果 是 有 工 藝 前 提 的。中 間 包 等 離子加熱的目的是通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆绞骄S持中間包內(nèi) 鋼 液 的 恒 溫、低 過(guò) 熱 度 澆 注，其 起 到 的 作用是對(duì)鋼水溫度的一種“微調(diào)”，其本質(zhì)是對(duì)澆注過(guò)程溫降損失的補(bǔ)償和對(duì)中間包恒溫、低 過(guò) 熱 度 的維持，而不應(yīng)該是對(duì)溫度遠(yuǎn)低目 標(biāo)區(qū)間鋼液的再加熱。因此，合理調(diào)控整個(gè) 澆注周期鋼水溫度的穩(wěn)定性，強(qiáng)化澆注過(guò)程鋼包、中 間 包 的 保 溫 效 果，降低澆注 過(guò) 程 的 溫 度 損 失，是 發(fā) 揮 中 間 包 等 離 子加熱技術(shù)應(yīng)用效 果 的 重 要 前 提。只有在澆次中各爐澆注鋼液溫度 波 動(dòng) 區(qū) 間 小、澆 注 過(guò) 程 溫 降 可 控、鋼包和中間包溫度損失少的條件下，中 間 包 外 部溫度“微調(diào)”補(bǔ) 償 才 能 發(fā) 揮 其 應(yīng) 有 的 作 用，這 對(duì) 于其他中 間 包 溫 度 補(bǔ) 償 技 術(shù) 也 同 樣 適 用。因 為，等離子加熱過(guò)程對(duì) 于 加 熱 室 耐 材 壽 命、電 極 壽 命、熔池內(nèi)溫度均勻性都會(huì)產(chǎn)生影響，這 將 間 接 影 響 其最終的冶金效果。

　　2.2 中間包感應(yīng)加熱技術(shù)

　　與等離子加熱技術(shù)相比，中間包感應(yīng)加熱具有投資小、加熱均勻、工作環(huán)境安全系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外均 有 成 功 的 應(yīng) 用 案 例。中間包感應(yīng)加熱的原理可以用圖6(a)表示，當(dāng)加熱器線圈中接單相交流電后，口字型鐵芯內(nèi)會(huì)產(chǎn)生交變的磁通Φ，使其附近通道內(nèi)的鋼水產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E，從而使通道內(nèi)的鋼水中產(chǎn)生感應(yīng)電流J，進(jìn)而產(chǎn)生的焦耳熱 Q 對(duì)通道內(nèi)鋼水進(jìn)行加熱[19]。目前，通道式感應(yīng)加熱方式應(yīng)用較多，圖6(b)為某廠通道式感應(yīng)加熱中間包耐材實(shí)際砌筑結(jié)構(gòu)圖，感應(yīng)加熱中間包中增加了感應(yīng)線圈和通 道 的 設(shè) 計(jì)，因 此，中 間 包 內(nèi) 有 效 容 積 會(huì)降低，在中間包改造設(shè)計(jì)中需要考慮。

　　圖7所示為采用30tH 型雙通道感應(yīng)加熱中間包澆注 GCr15軸承鋼，開啟感應(yīng)加熱和未開啟感應(yīng)加熱時(shí)，中間包內(nèi)鋼液的溫度對(duì)比[37]。通過(guò)每爐鋼水實(shí)際過(guò)熱度 ΔT1 與工藝目標(biāo)過(guò)熱度 ΔT2 的差值 ΔT 來(lái)衡量過(guò)熱度控制 的 穩(wěn) 定 性?？?以 看 出，中間包感 應(yīng) 加 熱 投 入 使 用 后，過(guò) 熱 度 波 動(dòng) 由 原 來(lái) ±6 ℃ 降到±3 ℃以內(nèi)，最低過(guò)熱度由原來(lái)17 ℃降到8 ℃。

　　中間包感應(yīng)加熱的應(yīng)用可以很好地穩(wěn)定澆注過(guò)程過(guò)熱度，正 如 前 述 所 說(shuō)，中間包外部溫度的補(bǔ)償是有限 度 的，起 一 個(gè)“微 調(diào)”和“穩(wěn) 定”的 作 用，在溫差波動(dòng)較大時(shí)單純依靠調(diào)節(jié)感應(yīng)電流去補(bǔ)充溫度損失會(huì) 帶 來(lái) 一 系 列 負(fù) 面 效 應(yīng)。當(dāng)鋼水溫降變大時(shí)，需要根據(jù)溫降調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱檔位以平衡溫度損失，但檔位太高升溫速度太快會(huì)對(duì)鋼液潔凈度造成不利影響：(1)鋼液在箍縮效應(yīng)作下，流鋼通道截面產(chǎn)生體積收縮，迫使通道內(nèi)鋼水的感應(yīng)電流產(chǎn)生脈動(dòng)，導(dǎo)致中間 包 內(nèi) 部 流 場(chǎng) 不 穩(wěn) 定，檔位越高則擾動(dòng)越強(qiáng);(2)高檔位后，澆注區(qū)的鋼水噴射流進(jìn)一步加強(qiáng)，鋼水流速 加 快，加重了流鋼通道出鋼口和中間包包壁 的 沖 刷 程 度，耐 材 的 侵 蝕 會(huì) 影 響 鋼 液 潔 凈度，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成生產(chǎn)事故。如圖8所示，當(dāng)感應(yīng)加熱 檔 位 超 過(guò) 6 擋 后，鑄 坯 中 夾 雜 物 會(huì) 顯 著增加。

　　2.3 中間包保溫技術(shù)

　　前述討 論 中，中間包鋼液的熱補(bǔ)償是起一個(gè) “微調(diào)”和“穩(wěn)定”過(guò)熱度的作用，鋼液溫差較大時(shí)單圖8 感應(yīng)加熱檔位對(duì)夾雜物指數(shù)的影響Fig.8 Influenceofinductionheatingintensityoninclusionindex純依靠外 部 溫 度 補(bǔ) 償 會(huì) 帶 來(lái) 一 系 列 負(fù) 面 效 應(yīng)。因此，強(qiáng)化澆注 過(guò) 程 中 間 包 的 保 溫 效 果，降 低 澆 注 過(guò)程的溫度損 失 對(duì) 于 實(shí) 現(xiàn) 恒 溫、低 過(guò) 熱 度 至 關(guān) 重 要。在滿足耐火材料耐高溫性能的基礎(chǔ)上，采用低導(dǎo)熱系數(shù)內(nèi)襯砌筑材料、降低耐材與包壁直接的熱傳條件是減少包壁熱損失的可行辦法。

　　寶鋼[38]通過(guò)將磚砌型中間包改為由納米微孔絕熱板、輕質(zhì)保溫磚以及低水泥半輕質(zhì)莫來(lái)石澆注料整體澆注 的 中 間 包，顯 著 降 低 了 包 殼 溫 度，減 少了中間包澆注過(guò)程鋼水溫降和溫度波動(dòng)(表5)中間包鋼殼溫 度 由 原 砌 筑 包 的 平 均 74 ℃ (第 1 爐)和166.8 ℃(第6爐)分別降低到57.1 ℃(第1爐)和83.8 ℃(第6爐)，極大地降低了包殼的熱量損失，對(duì)于維持中間包低過(guò)熱度澆注，提高鑄坯質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。

　　ZHOUJ等[31]在 中 間 包 鋼 殼 與 保 溫 層 之 間 增加一層環(huán) 狀 內(nèi) 腔，其 厚 度 一 般 為 80～120 mm(圖9)，采用真空泵將內(nèi)腔內(nèi)中的空氣抽出，控 制 內(nèi) 腔內(nèi)真空度來(lái)降低導(dǎo)熱系數(shù)，隨著真空層內(nèi)絕對(duì)壓力的降低，包壁 熱 損 失 量 大 幅 度 降 低，中 間 包 內(nèi) 鋼 液的溫降、溫度梯度、均勻性都得到了極大改善。

　　3 中間包冶金的鋼液凈化技術(shù)

　　3.1 中間包氣幕擋墻去除夾雜物

　　中間包凈 化 鋼 液 的 冶 金 效 果 與 其 控 流 裝 置 組合密不可 分，一 般 的 常 規(guī) 控 流 裝 置 如：穩(wěn) 流 器、擋墻、擋壩、堰、導(dǎo) 孔 等，對(duì) 大 顆 粒 夾 雜 物 的 去 除 效 果較為明顯，但對(duì)小顆粒夾雜物的去除仍有不足。中間包氣幕擋墻技術(shù)應(yīng)用是借鑒鋼包吹 Ar攪拌的原理[39]，在中間包包底安裝長(zhǎng)條形的透氣元件代替擋墻，利用透氣元件向中間包內(nèi)吹入 Ar氣，形成垂直于鋼液流動(dòng)方向的微氣泡氣幕，小氣泡上浮過(guò)程中吸附小顆粒夾雜物一起進(jìn)入渣中去除，從而起到凈化鋼液 的 目 的。同 時(shí)，氣 幕 可 以 改 變 鋼 液 流 動(dòng) 方向，消除短路 流 以 及 傳 統(tǒng) 擋 墻 背 后 的 死 區(qū)，延 長(zhǎng) 鋼液平均停留 時(shí) 間，進(jìn) 一 步 增 加 了 細(xì) 小 夾 雜 物 碰 撞、長(zhǎng)大、上 浮 去 除 的 空 間 和 時(shí) 間。研 究 表 明[40-42]，中間包氣幕擋墻可以減少70%以上50μm 夾雜，可以降低40%以上25～50μm 夾 雜 物。中 間 包 氣 幕 擋墻水模型試驗(yàn)流場(chǎng)指標(biāo)見表6[43]。

　　中間包內(nèi)氣泡運(yùn)動(dòng)是在特定區(qū)域內(nèi)的一個(gè)十分復(fù)雜的 過(guò) 程，基 于 促 進(jìn) 夾 雜 物“碰 撞-聚 合-長(zhǎng) 大-上浮-去除”的原 理，氣幕擋墻是去除夾雜物的一種行之有效的方法，但是要達(dá)到去除小顆粒夾雜物的目的，還需要綜合考慮吹氣量的大小、吹氣位置、透氣磚內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(圖10)，以及氣幕擋墻與其他控流裝置的配 合。苑 品 等[44]為降低中間包澆注結(jié)束時(shí)的殘鋼量，在 擋 壩 底 部 開 通 鋼 孔，使 鋼 液 低 于 擋壩上檐時(shí)仍 能 流 入 澆 注 區(qū)，同時(shí)降低擋壩后死區(qū)，但擋壩開中 間 孔 會(huì) 形 成 部 分 短 路 流;為 此，在 中 間包內(nèi)吹氣，形 成 具 有 一 定 強(qiáng) 度 的 氣 幕 擋 墻，與 開 孔擋壩配合，既消除了擋壩開孔造成的短路流，也 進(jìn)一步優(yōu)化中間包鋼液流動(dòng)狀態(tài)，均勻鋼液成分和溫度，促進(jìn)夾雜物最大限度的上浮去除。

　　采用中間包氣幕擋墻能夠延長(zhǎng)中間包鋼液停留時(shí)間和峰 值 時(shí) 間，減 低 死 區(qū) 比 例，有 關(guān) 氣 幕 擋 墻促進(jìn)中間包流場(chǎng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室研究工作較多，但工業(yè)應(yīng)用需 要 克 服 兩 個(gè) 難 點(diǎn)[45-46]：(1)氣 幕 吹 氣 量 太小起不到對(duì)流股提升的作用，達(dá)不到延長(zhǎng)鋼液平均停留時(shí)間的 目 的，而氣量太大容易導(dǎo)致液面裸漏，引起卷渣 和 二 次 氧 化;(2)透 氣 磚 壽 命 和 透 氣 性 的維持與中間包壽命不同步，維護(hù)成本高。

　　總的來(lái)說(shuō)，氣幕擋墻完全代替中間包內(nèi)其他控流裝置達(dá)到對(duì)流場(chǎng)有效改善和凈化鋼液的效果實(shí)現(xiàn)難度較大，主要由于氣幕流量太大會(huì)造成鋼液的二次氧化和 卷 渣，加 重 耐 材 的 侵 蝕，太 小 起 不 到 提升流股的作用。另外考慮到經(jīng)濟(jì)性和安全因素，氣幕擋墻更多的可以作為中間包冶金中一種附加的凈化鋼液 的 手 段。開 發(fā) 長(zhǎng) 壽 命、安 全、便 捷 的 中 間包氣幕技術(shù)是促進(jìn)其工業(yè)化應(yīng)用的保障。

　　3.2 中間包旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)凈化鋼液

　　中間包冶金的重要功能之一是凈化鋼液，通過(guò)控流裝 置 的 優(yōu) 化 可 以 起 到 改 善 流 場(chǎng)、延 長(zhǎng) 停 留 時(shí)間，促進(jìn)夾 雜 物 碰 撞、聚 合、上 浮、去 除 的 目 的。但是現(xiàn)有 技 術(shù) 中，對(duì) 于 中 間 包 中 小 尺 寸，尤 其 10μm以下 夾 雜 物 的 快 速 去 除 仍 然 比 較 困 難。REN Z 等[47]提出中間包電磁凈化技術(shù)，在中間包澆注區(qū)施加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，利用鋼液旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使夾雜物向中心聚集，增加夾雜物相互碰撞長(zhǎng)大和上浮去除的能力，其原理如圖11所示。施加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)鋼液形成大環(huán)流，延長(zhǎng)了鋼液流動(dòng)軌跡。在18t中間包的試驗(yàn)中，施加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)后中間包平均停留時(shí)間較未施加的 增 加 了21%，起到有效降低死區(qū)比例、去除非金 屬 夾 雜 物 的 效 果。中 間 包 中 施 加 旋 轉(zhuǎn) 速度對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有明顯影響，一定范圍內(nèi)電磁強(qiáng)度增加會(huì)改善鋼液混勻效果，但當(dāng)電磁強(qiáng)度超過(guò)某一限度時(shí)，其活塞 區(qū) 和 死 區(qū) 的 比 值 反 而 降 低，控 制 旋 轉(zhuǎn)速度在30r/min較為合理[48](圖12)。

　　4 中間包冶金的智能化控制

　　中間包冶 金 的 效 果 直 接 影 響 和 決 定 著 鑄 坯 的質(zhì)量，中間包中鋼液及工藝操作的信息是連鑄坯質(zhì)量評(píng)定的重要判據(jù)，也是連鑄工藝調(diào)整的依據(jù)。因此，中間包冶金的智能化是重要發(fā)展方向。

　　SUZ等[49]通過(guò)多位置的激光監(jiān)測(cè)技術(shù)識(shí)別中間包鋼液液位、鋼渣厚度，從而對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖 13 所 示，中間包穩(wěn)態(tài)澆注時(shí)測(cè)量 誤差為 ±2.5mm，澆注末期測(cè)量誤差±3.2mm，而現(xiàn)有方法主要通過(guò)重量反算推測(cè)，其 誤 差 在±30mm。隨著下游客戶小品種多規(guī)格的發(fā)展，同澆次異鋼種連澆也較為普遍，中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)和混勻行為直接影響著混鋼區(qū)的長(zhǎng)度 和混鋼澆注過(guò)程的 卷 渣。鋼種切換時(shí)，中間包液位太高則混鋼區(qū)太長(zhǎng)，中 間切廢坯太多不利于成本控制;液位太低則卷渣和二次氧化現(xiàn)象 明 顯，不利于鋼質(zhì)量的控制，異 鋼 種 連澆的中間包混鋼模型是中間包冶金發(fā)展的一個(gè)重要需求[24]。中間包工作層耐材、涂抹料、引流砂等潮濕或者環(huán)境潮濕會(huì)導(dǎo)致澆注過(guò)程中間包增氫，對(duì)于氫含量有特殊要求的鋼種，如：重軌鋼，新中間包澆注的第1爐 和 第 2 爐 必 須 進(jìn) 行 定 氫，當(dāng) 氫 質(zhì) 量 分 數(shù) 高 于0.0002% 時(shí)，必須進(jìn)行緩冷，中間包快速在線定氫及鋼中氫含量預(yù)測(cè)模型是對(duì)氫有特殊要求高品質(zhì)鋼的重要需求之一[50]。另外，中間包的下渣監(jiān)測(cè)[51]、耐材熔損狀態(tài)監(jiān)測(cè)和識(shí)別[52]、中間包澆注過(guò)程溫度歷程的預(yù)測(cè)等都直接關(guān)系著生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量。

　　中間包冶金技術(shù)的智能化發(fā)展趨勢(shì)主要概括為以下幾個(gè) 方 面：(1)中 間 包 成 分、溫 度、氣 體 含 量的實(shí)時(shí)在線監(jiān)/檢測(cè)技術(shù);(2)中間包鋼液潔凈度指數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān) 測(cè) 技 術(shù);(3)中間包長(zhǎng)壽技術(shù);(4)中 間包全生命 周 期 的 安 全 性 評(píng) 估 技 術(shù);(5)中 間 包 下 渣和渣厚的 實(shí) 時(shí) 動(dòng) 態(tài) 監(jiān) 測(cè) 技 術(shù);(6)中 間 包 智 能 澆 注(烘烤、開澆、換包、保護(hù)澆注)技術(shù);(7)基于智能判斷的混鋼模型和鑄坯判級(jí)系統(tǒng)。

　　5 中間包冶金技術(shù)展望

　　隨著人們對(duì)中間包冶金認(rèn)識(shí)的不斷深入，中間包冶金的作用也不斷豐富，在現(xiàn)代化鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，中間包冶金應(yīng)該起到以下幾方面的作用：(1)鋼液凈化器的 作 用;(2)溫 度 控 制 器 的 作 用;(3)質(zhì) 量穩(wěn)定器的作用;(4)智能澆注和控制的作用;其發(fā)展方向也是圍 繞 上 述 功 能 的 不 斷 完 善，諸 如：氣 泡 誘導(dǎo)去除夾雜 物 技 術(shù)、鋼 液 過(guò) 濾 技 術(shù)、電 磁 凈 化 技 術(shù)等在凈化鋼 液 方 面 的 作 用;中 間 包 加 熱、中 間 包 真空保溫技術(shù)等在溫度控制方面的作用;非穩(wěn)態(tài)澆注技術(shù)、低鑄余控制技術(shù)等在穩(wěn)定連鑄坯質(zhì)量方面的作用;成 分、溫 度、氣 體 含 量 的 實(shí) 時(shí) 在 線 監(jiān)/檢 測(cè) 技術(shù)以及中間包全生命周期的安全性評(píng)估在智能澆注和控制方面的作用。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　中間包冶金是潔凈鋼生產(chǎn)的重要一環(huán)，其冶金效果直接 影 響 和 決 定 著 鑄 坯 的 質(zhì) 量。中 間 包 冶 金的核心目標(biāo)是完成對(duì)凝固前鋼液的充分凈化，實(shí)現(xiàn)連鑄的恒 溫、低 過(guò) 熱 度 澆 注。中 間 包 的 大 容 量、深熔池澆注，中 間 包 電 磁 凈 化 技 術(shù)，中 間 包 氣 幕 擋 墻及控流裝置組合優(yōu)化都是凈化鋼液的有效手段;需要指出的是，中間包加熱技術(shù)應(yīng)該是對(duì)澆注過(guò)程溫降損失補(bǔ)償?shù)囊环N“微調(diào)”，而不應(yīng)該是對(duì)溫度遠(yuǎn)低目標(biāo)區(qū)間鋼 液 的 再 加 熱，中 間 包 的 恒 溫、低 過(guò) 熱 度澆注是以強(qiáng)化反應(yīng)容器保溫效果、降低澆注過(guò)程溫度損失為前提的。未來(lái)，中間冶金的智能化也將是發(fā)展趨勢(shì)。