洁净钢技术与工艺简介(二)
时间：2014-10-14 06:09 来源：未知 作者：admin 点击：次
5 洁净钢生产中的炉渣乳化
经常能在钢材表面附近和内部缺陷中观察到渣滴，这表明降低冶金容器内炉渣乳化程度是洁净钢生产的先决条件。在炼钢和连铸工艺上，发生炉渣乳化的机理有几种，如出钢流股冲入渣层、溢出气泡对渣金界面的冲击、出口涡流和钢水流对渣金界面形成剪切力作用等。各工厂发生炉渣乳化的主要机理不尽相同，但对于钢的缺陷，连铸结晶器内炉渣乳化极可能是决定性的。中间包夹杂或转炉渣夹带是涡流动造成的，虽然这个阶段的炉渣乳化没有结晶器内严重，但却削弱了冶金反应，降低了生产效率。
大部分关于结晶器内炉渣乳化的研究都采用冷模型法，现提出了6种乳化类型，即：
·由结晶器窄面回流的钢水引起；
·由不稳定逆向流动引发高剪切应力造成；
·由浸入式水口后面有规律地产生漩涡分离引起；
·由浸入式水口出口处巨大的氩气泡运动到界面处引起；
·由浸入式水口出口处不均匀的钢水流动引起；
乳化过程与液—液界面处剪切力的发展有关。这个界面在临界速度下变得不稳定。认为由剪切力引发的炉渣乳化可能有三种不稳定机制，即Kelvin—Helmholtz不稳定性、Tylor-Saffman不稳定性和Fluid流动不稳定性。为建立对乳化行为的定量描述而进行了理论与实验分析。炉渣乳化的临界速度和渣滴尺寸随工艺参数和渣金的物理化学性质而变化，这些包括浸入式水口深度、拉坯速度、吹氩量、结晶器尺寸、出口形状、流动控制机理与堵塞程度、粘度、表面张力与密度等。
利用结晶器内钢水流动控制可以防止卷渣。完整的流动控制系统要仔细考虑钢渣的理化性质和系统的几何条件。已知提高保护渣粘度可降低炉渣乳化和表面缺陷，但这导致保护渣消耗减少，带来了润滑问题。作为这个问题的解决方案，建议使用粘度高、结晶温度低的保护渣。保护渣的密度和表面张力影响炉渣的乳化行为，但在实际操作中，即使渣化学成分变化，这些性质也不会有太大的改变。
漩涡的卷渣机理可分为两种不同的模式，即有初始涡量时最先出现的“vortex-sink”和在没有初始涡量时发生的造成浇铸后期卷渣的“draiH—sink”。虽然经常说vortex-sink可以忽略而drain-sink才是炉渣乳化的主因，但仍有些人主张，至少在部分程度上，卷渣要归因于vortex-sink。这里有两种不同的情况，(1)低流速时，漩涡在浅水发展，随着排出速度的增加而增大；(2)在高速时，临界深度随着排出的增加略有下降。人们熟知，对钢铁生产有影响的是后一种情况。漩涡现象的特征可归纳如下：
·容器直径几乎没有影响；
·随着出流口直径的增加，漩涡在更浅的水深发展；
·随着容器内初始环流的增加，临界深度增大；
·偏心水口减轻了漩涡；
·炉渣相使漩涡扩大。
为防止炉渣携带进行了许多努力，这包括炉渣侦测系统和破涡器的开发。对抑制漩涡提出如下建议：
·修改出流口、使用固定或漂浮的碟或球效果不明显；
·水口附近的流动隔板能有效阻止漩涡的形成；
·临时关闭水口似乎不能有效地抑制漩涡；
·喷吹气体可延迟漩涡的形成。
为理解炉渣乳化后进人钢水的行为，并在洁净钢生产中杜绝这种现象，借助文献对流体乳化进入不相容的更重的流体进行了研究。这包含了由漩涡引发的炉渣在结晶器内的乳化。大部分的文献在处理这一现象时采用的是数学冷模型法和量纲分析，而不是直接观测钢渣体系。观察得到的各种机理与模拟容器有关。利用理论和实验分析对定量描述进行了研究，但主要是针对冷模型，还需要在生产应用方面和对前期工作的提炼等方面进行深入研究。
6 钢水二次氧化与连铸水口堵塞
在洁净钢的生产中必须控制各生产环节的二次氧化。长期以来，洁净度对钢性能的影响已被人们熟知，主要是长材和HIC钢。今天，许多研究表明了钢中总氧量或炉渣成分与成材的表面缺陷发生率之间有着直接的关系。这部分文字综合研究了为解决钢水二次氧化和水口堵塞所付出的努力，这些对实现所要求的洁净度是至关重要的：二次氧化的量化，对渣、空气和耐火材料造成的二次氧化控制，吹氩控制，连铸水口堵塞的机理和缓解。
二次氧化的量化 在今天有几个辅助技术是可用的：渣中FeO含量和粘度测量，用镧示踪铝镇静钢中的脱氧产物来标定二次氧化夹杂物，使用BaO、SrO或结合使用镧示踪与SIMS评定来追踪可能的二次氧化源。
炉渣二次氧化控制 当氧化渣与脱氧钢水接触时，就会形成明显的氧和脱氧剂浓度梯度。反应区位于渣金界面附近的钢水一侧，溶解氧和脱氧成分反应生成沉淀物。在冶金容器即将排空时，由于漩涡漏斗和draining漏斗的出现，渣被卷入。开发了许多防止炉渣带入钢包的技术，最常见的是转炉和EBT电炉使用的挡渣镖。目前在推广的红外相机侦测系统提高了挡渣效率。通常合并使用电磁AMEPA炉渣侦测系统与钢包滑动水口自动关闭系统来解决钢包到中间包的带渣问题。钟形钢包长水口是防止钢渣乳化、卷渣的有效方法。
通过撇渣可避免钢水在钢包内被炉渣二次氧化，对于大部分用RH生产的铝镇静钢，进行炉渣脱氧可将二次氧化降到一定程度。炉渣脱氧主要使用铝基制品，可能还配加CaC2，主要是在转炉出钢时进行，也有时在二次精炼结束后进行。其目的是使FeO小于5％，甚至2％。为避免中间包内的二次氧化，使用密实的不会造成二次氧化的覆盖熔剂，如液态的富含CaO的碱性熔剂，添加15％MgO来制约与中间包衬发生反应。
大气二次氧化的控制 必须控制钢包内的搅拌强度，以防羽毛状气柱破坏覆盖层，确保容器的气密性和惰性。在向中间包注入用镧示踪的钢水时，第一个水口上能看到沉积物，这是强烈二次氧化的证据。中间包无氧化预热能避免氧化预热产生的渣壳。中间包盖和最大0.1％—0.5％的预钝化能有效避免开浇阶段的包内二次氧化。对长水口、塞棒和浸入式水口的压力测量、计算表明是负压，尤其是靠近滑动水口和塞棒处。因此，要求耐火砖、耐火衬保持密实是非常重要的，必要时可吹氩进行钝化保护。
耐材二次氧化的控制 生产洁净钢的钢包衬通常使用优质耐火材料，如低硅高铝砖。对于白云石质钢包和MgO-C渣线，由于侵蚀的原因，Mg向钢水迁移，有可能生成尖晶石或CaO—Al2O3—MgO夹杂。中间包喷涂的MgO衬可能是二次氧化夹杂的源头，钢水与MgO夹杂和水反应。氧化铝石墨质耐火砖是复杂反应的发生地，因此使用无碳衬能有效地抑制这些反应。
水口堵塞控制 镧示踪了脱氧夹杂，因此钢水中夹杂与堵塞之间的关系清楚了：堵塞是二次精炼产生的非金属固体夹杂在耐火材料上沉积。这些夹杂物，对于碳钢是氧化铝和铝酸盐，对于Ti稳定不锈钢是氧化钛和TiN。
浇铸时的后期二次氧化和吸氮 夹杂物随着温度的下降而析出，这是排在第二位的特征。钙处理是一种解决铝镇静钢水口堵塞的方法。无氩浇铸是可能的。添的加钙合金在浇铸温度下可生成液态铝酸钙。合金添加量与钢水成分和总氧量有关。固态铝酸钙会造成水口堵塞。钙处理不合格是一个原因。另一个是渣金反应，尤其是优质长材，如帘线钢。
为得到优质长材，必须吹氩。湍流的钢水促进了夹杂物与耐材壁的接触。使用叉形水口和塞棒及流量调节可减轻这种现象。经常需要5L／min的最小氩气流量。应该参照流出量以避免结晶器液面剧烈波动。流量控制器和压力计是需要的，并要进行校准。耐火材料的质量与性质决定了氩气的标准流量。氩气管路中可能会留有吸入的空气。对耐火件的组装必须格外小心。唯一能用的高效耐火材料方案是所谓的氧化铝水口和无碳衬。耐材中氧化性气体少、绝热好、粗糙度低，这就提高了它的效率。对这些耐材的预热必须小心控制。
7 中间包冶金
多年来，中间包功能不断增强，从单一的钢水分配器的角色向着与质量相关的多功能角色发展。如果分配角色对于保证生产效率和生产成本仍是重要的，则其它技术是为实现更好的质量而服务的。
即使在钢水温度和化学成分控制方面取得重大进步，提高钢的洁净度无疑仍是最主要的目的。如果大部分洁净度问题与宏观夹杂物有关，则更严格的要求和出于防止水口堵塞的需要就要控制、减少细小夹杂物的数量。现代钢包处理是相当可靠的，钢水中夹杂物含量非常低。
中间包有两重作用，即避免钢水被污染和促进夹杂物分离。稳定浇铸期与开浇过渡期或更换钢包时是有明显区别的，后者更容易造成钢质量变差。在过去的10—15年里所取得的进步主要是针对改善钢的洁净度的。由于延长存留时间利于夹杂物上浮，中间包的容量逐渐增大。尤其是为获得更高的安全性，防止顶渣卷入，中间包钢水深度也达到了最大。这些手段使得稳定浇铸期内氧化性宏观夹杂物问题得到明显改善。中间包的设计和形状是人们所关注的，几种配置都有各自的拓展，这表明实际情况造成最终的选择，钢洁净度仅是其中的一个方面。
对钢包冶金站送来的钢水进行完善保护是绝对必要的，尤其是在过渡期会产生各种夹杂物源，无保护浇铸带来的空气、钢包带渣、中间包漩涡和炉渣乳化等都是需要重点控制的方面。为防止钢水被污染而采取了各种措施：使用长耐火材料管或水口接在钢包底上、使用中间包盖板、将炉渣侦测系统连接到炉渣切断系统上、在水口附近使用堤坝或隔板等。为研究中间包内的流体流动，人们付出了相当的努力，使用堤坝、堰坝和挡板及其它装置来强化夹杂物分离。我们看到，大量使用这些流场改变器的是大方坯和小方坯连铸机。尽管传统的酸性保护渣(稻壳)对钢水的绝热保温效果好，但却不再被洁净钢的生产认可，这就要求用碱性材料来取缔它们，并使用双熔剂法生产。
总之，可以说，要实现极高的洁净度(这意味着结晶器内的总氧不超过15或20ppm)，中间包的设计是重中之重。当权衡投资费用与超大型中间包的操作，以及与次品有关的成本时，建议采用有充足容量的中间包，它要有最低的钢水高度或者入口与出口间有足够的距离。从经济性与冶金的角度看，堤坝或堰坝似乎只在小型或多流中间包上是可取的。
无论使用何种中间包，都需要采取如下二类措施，尤其是在过渡期的时候：
* 使用吹气水口，在开浇前密封中间包；
* 应用钢包渣侦测法和钢包渣截断技术；
* 浸入式长水口和钢包流影响最小化；
* 仔细选择耐火材料衬和顶渣熔剂；
* 最后是采用中间包底吹氩。
其它技术，如中间包加热技术或电磁技术等的收益低，但投资成本、生产成本高。
