鄭淑國(guó)，劉煜，王玉峰，陸安糧，朱苗勇
（東北大學(xué)冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819）
摘要： 連鑄生產(chǎn)中，鋼包澆注末期及一個(gè)澆次結(jié)束中間包澆注末期均會(huì)發(fā)生下渣，對(duì)鑄坯質(zhì)量及生產(chǎn)順行產(chǎn)生不利影響，因此嚴(yán)格控制連鑄過(guò)程下渣非常重要。介紹了連鑄過(guò)程中下渣的機(jī)理并闡述了匯流漩渦及排流沉坑的形成機(jī)理，分析了控制下渣的主要方法，并針對(duì)連鑄鋼包及中間包澆注過(guò)程分別闡述了典型的控制下渣技術(shù)，為連鑄過(guò)程下渣控制提供理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞： 連鑄；鋼包澆注；中間包澆注；下渣控制
隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)的發(fā)展， 對(duì)鋼的質(zhì)量要求越來(lái)越高。連鑄過(guò)程中，鋼包澆注末期及一個(gè)澆次結(jié)束中間包澆注末期皆可發(fā)生下渣， 下渣控制一直是困擾經(jīng)濟(jì)潔凈鋼生產(chǎn)的難題之一。連鑄過(guò)程下渣會(huì)有很多危害， 主要有： 惡化鋼水的可澆性，使水口堵塞，致使?jié)沧⒉荒苷＿M(jìn)行；當(dāng)鋼包中含氧化鐵、氧化錳和氧化硅的爐渣流入中間包以后， 會(huì)造成鋼水中鋁和鈦等易氧化合金元素的燒損，降低合金元素收得率，且會(huì)產(chǎn)生夾雜物影響鋼水潔凈度； 鑄坯中溶解鋁含量下降， 中間包及大包長(zhǎng)水口侵蝕嚴(yán)重， 降低包襯壽命； 鋼包渣進(jìn)入中間包導(dǎo)致中間包內(nèi)熔渣聚積， 給連鑄過(guò)程造成不良影響； 中間包渣進(jìn)入結(jié)晶器， 不僅降低了鑄坯潔凈度，且易誘發(fā)漏鋼。因此，為了提高鑄坯質(zhì)量及保證生產(chǎn)順行，必須控制連鑄過(guò)程下渣。
目前， 在高品質(zhì)鋼的連鑄生產(chǎn)中， 為控制下渣，鋼包及中間包中常采用留鋼操作，這樣雖滿(mǎn)足了質(zhì)量要求，但鋼水的收得率低，例如某300 t 鋼包利用此方法時(shí)的余鋼量約9 t （ 約占鋼水的3%）［1］。因此，如何在避免下渣的前提下最大限度地減少反應(yīng)器內(nèi)的余鋼量， 是實(shí)現(xiàn)連鑄澆注過(guò)程高效、經(jīng)濟(jì)控制下渣的關(guān)鍵。這需要對(duì)下渣機(jī)理及控制方法有全面、深入的認(rèn)識(shí)。本文對(duì)連鑄澆注過(guò)程的下渣機(jī)理、控制下渣方法及典型控制下渣工藝進(jìn)行闡述，為連鑄過(guò)程下渣控制提供理論基礎(chǔ)。
1 下渣機(jī)理
冶金反應(yīng)器排流過(guò)程中下渣有匯流漩渦下渣和排流沉坑下渣兩種機(jī)制［2-5］。
1.1 匯流漩渦
鋼包澆注過(guò)程中形成匯流漩渦的臨界高度較高，有研究表明［5-6］，鋼包澆注過(guò)程發(fā)生匯流漩渦下渣的臨界高度在150 mm 以上，鋼包在較高液位下存在匯流漩渦下渣致使其澆注結(jié)束時(shí)余鋼量往往比較大。目前，如何提高鋼包澆注過(guò)程鋼水的收得率是困擾許多煉鋼廠的一個(gè)難題， 如何減弱甚至消除匯流漩渦是控制鋼包下渣并提高鋼水收得率的關(guān)鍵所在， 而這需要對(duì)鋼包澆注過(guò)程的匯流漩渦形成機(jī)理有更加清晰的認(rèn)識(shí)。
匯流漩渦是在鋼包澆注過(guò)程液面下降到一定高度（一般稱(chēng)為臨界高度）時(shí)才發(fā)生，此時(shí)，原本向出流口中心線(xiàn)匯流的質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始疊加累積角速度，使移動(dòng)軌跡越來(lái)越偏離直徑方向， 逐漸演變成圍繞水口做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 直到最后發(fā)展成為具有強(qiáng)烈抽吸作用的貫通出流口的漏斗狀漩渦， 鋼渣隨漩渦而下。一般認(rèn)為，形成匯流漩渦的能量來(lái)源有3個(gè)［7-8］：① 地球自轉(zhuǎn)引起的科氏力；② 流場(chǎng)不均勻性誘發(fā)的環(huán)流；③ 流體流出過(guò)程中自身的位能。圖1 為匯流漩渦形成示意圖。由圖1 可以看出， 澆注過(guò)程中當(dāng)鋼包內(nèi)的鋼液面下降到一定高度時(shí)，首先在自由表面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng),見(jiàn)圖1（a）;然后轉(zhuǎn)速逐漸加快、下凹并形成漩渦,見(jiàn)圖1（b）;漩渦向下發(fā)展,見(jiàn)圖1（c）;直至貫通水口,見(jiàn)圖1（d）。一般將剛產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)時(shí)的液面高度稱(chēng)為匯流漩渦形成的臨界高度。
對(duì)于煉鋼連鑄而言， 匯流漩渦造成的下渣危害最大，是鋼包下渣的最主要原因［9-11］。匯流漩渦看似一個(gè)簡(jiǎn)單的自然現(xiàn)象， 卻是一個(gè)十分復(fù)雜的湍流力學(xué)問(wèn)題， 國(guó)內(nèi)外已對(duì)匯流漩渦進(jìn)行了大量研究，但目前尚沒(méi)有成熟的理論模型對(duì)其成因、運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行精確的定量分析， 只能在某種理想假設(shè)下或結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，得到其有限的局部特征［11］。
1.2 排流沉坑
國(guó)內(nèi)外同時(shí)考慮冶金反應(yīng)器排流過(guò)程中的匯流漩渦及排流沉坑下渣行為的研究不多，1992 年，Sankaranarayanan 和Guthrie［12］首次明確區(qū)分了冶金反應(yīng)器排流過(guò)程中匯流漩渦下渣和排流沉坑下渣的概念， 并指出匯流漩渦下渣的臨界高度遠(yuǎn)大于排流水口內(nèi)徑， 而排流沉坑下渣的臨界高度近似等于排流水口內(nèi)徑。顯然，排流沉坑下渣的臨界高度遠(yuǎn)小于匯流漩渦下渣的臨界高度，故其危害相對(duì)較小，但考慮到下渣有諸多危害，因此同樣需要想辦法控制該下渣方式。排流沉坑是在反應(yīng)器排流至末期時(shí)流體的體積流量小于排流水口的流通流量時(shí)產(chǎn)生的， 熔池表面的渣層會(huì)隨排流沉坑進(jìn)入排流水口而產(chǎn)生下渣。排流沉坑示意圖如圖2。
國(guó)內(nèi)外對(duì)排流沉坑下渣行為的研究并不多。有研究表明［13］，通過(guò)減小出水口內(nèi)徑和使包底帶有一定坡度能夠有效地減弱排流沉坑所引起的帶渣。
2 控制下渣方法
澆注過(guò)程控制下渣的方法主要有3 種［9］：上躲法、下藏法、抑制法。
上躲法是指鋼包停止?jié)沧r(shí)鋼包中剩余的鋼液高度大于臨界高度， 從上部躲避匯流漩渦的發(fā)生，又稱(chēng)為過(guò)量余鋼法。這種方法的缺點(diǎn)是以犧牲鋼水收得率為代價(jià)。傳統(tǒng)的此類(lèi)方法是人工目測(cè)法；現(xiàn)在各種自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)已取代人工法，主要有電磁法、激光法、重力檢測(cè)法、振動(dòng)檢測(cè)法等［14-20］。
一旦檢測(cè)到下渣就關(guān)閉鋼包滑動(dòng)水口， 這樣既避免下渣又能最大限度提高鋼水收得率。但下渣檢測(cè)技術(shù)側(cè)重檢測(cè)而不是控制下渣。
下藏法是局部性降低水口附近包底位置，使臨界高度部位藏入該降低位置， 從下部避免匯流漩渦的生成，從而達(dá)到減少下渣、提高鋼液收得率的目的。此技術(shù)效果好，投資省，且使用壽命長(zhǎng)。在此基礎(chǔ)上對(duì)冶金容器底部進(jìn)行設(shè)計(jì)并改造， 可取得比較好的效果。但該方法需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造。
抑制法是采取措施從根本上降低產(chǎn)生匯流漩渦的臨界高度， 推遲漩渦的發(fā)生或阻止貫通式漏斗狀漩渦的形成， 從而減少以至消除匯流漩渦下渣并提高鋼水收得率。此類(lèi)方法主要有：抑制鋼包渣進(jìn)入中間包的浮游閥法， 抑制中間包渣進(jìn)入結(jié)晶器的防渦器法、旋轉(zhuǎn)閥法、精確控制閥法、旋轉(zhuǎn)管閥法、雙功能塞棒法等。
3 連鑄鋼包澆注過(guò)程典型控制下渣方法
3.1 傾斜包底法
具體方法就是采用非水平的包底， 使包底向水口方向傾斜一定的角度［10］，圖3 為傾斜包底法示意圖。在鋼包澆注末期，隨著液面的不斷降低，由于包底的限制，液面的面積會(huì)不斷縮小，雖然不能降低漩渦的臨界高度， 但是鋼包內(nèi)的余鋼量會(huì)有所減少，達(dá)到提高鋼水收得率的目的。采用傾斜包底法也存在著弊端： ① 包底向水口方向傾斜，在遠(yuǎn)離水口方向上包底的耐火磚厚度要明顯大于水口位置的耐火磚厚度，這使得鋼包容積變小；② 采用傾斜的包底， 加大了鋼包內(nèi)襯的砌筑難度；③ 由于包底是傾斜的，鋼包在精煉過(guò)程吹氬比較困難， 比如不同位置的吹氣元件的尺寸要求不同，安裝角度和吹氣效果有待研究；④ 包底傾斜雖然可以減少下渣，但是浪費(fèi)鋼包容積，降低了鋼包利用率。
3.2 浮游閥法
目前，控制鋼包下渣的方法主要是浮游閥法［21］，即將閥體比重介于鋼水與熔渣之間的圓盤(pán)狀或圓錐形的浮游閥在鋼包澆注結(jié)束10 min 前投入到出鋼口正上方，并以一定的張力予以調(diào)整，使之追隨液位的降低而下降直至閥體塞頭接觸水口，進(jìn)而防止了鋼包澆注末期匯流漩渦的發(fā)生。浮游閥有多種形式，常見(jiàn)的有圓盤(pán)狀、圓錐狀和棱錐狀， 其共同特征為浮游閥體的密度都是介于鋼水與熔渣之間，配合滑動(dòng)水口使用。新日鐵開(kāi)發(fā)的浮游閥法示意圖如圖4 所示。
圓盤(pán)狀浮游閥直徑為420 mm（是水口直徑的4 倍），材質(zhì)為氧化鋁質(zhì)（ 可注入鐵芯）， 密度為4×103 kg/m3。在澆注完畢的10 min 前投入到水口的正上方，并進(jìn)行一定的調(diào)整，使其隨著液位的降低而下降，直到閥體下部的塞頭接觸水口。這樣就防止鋼包澆注末期匯流漩渦的發(fā)生， 減少了流入中間包的渣量。浮游閥法存在兩個(gè)問(wèn)題： ① 鋼包澆注過(guò)程中，隨著鋼包液面的下降，鋼包渣層的表面開(kāi)始凝固結(jié)殼，要想把浮游閥投入到鋼包內(nèi)，需要專(zhuān)門(mén)的破渣殼裝置；② 浮游閥是消耗品，價(jià)格昂貴。
4 連鑄中間包澆注過(guò)程典型控制下渣方法
4.1 下藏法
中間包下藏法示意圖如圖5 所示。
通過(guò)降低局部浸入式水口區(qū)域的高度， 以使?jié)沧⒛┢跁r(shí)， 在相等的漩渦高度條件下中間包內(nèi)殘余的鋼水減少，達(dá)到提高鋼水收得率的目的。目前很多新設(shè)計(jì)的中間包（尤其是板坯中間包）普遍采用此方法來(lái)抑制中間包澆注過(guò)程的下渣。
4.2 防渦器法
中間包防渦器法是在中間包出口上方放置一個(gè)防渦器。該防渦器將流向中間包出口的鋼水流動(dòng)變?yōu)橹毙辛?，從而穩(wěn)定渣金界面，并抑制漩渦流的產(chǎn)生。防渦器如圖6 所示［22］，圖6（b）為12 t 中間包現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中采用的防渦器,試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有較好的控制下渣效果。
但該方法有兩點(diǎn)不足：① 該防渦器裝置會(huì)影響塞棒的使用，不適用于通過(guò)塞棒控流的中間包；② 該裝置容易粘附夾雜物而被堵塞，影響連鑄生產(chǎn)的順行。
其它的中間包澆注過(guò)程控制下渣方法，如：旋轉(zhuǎn)閥法、精確控制閥法、旋轉(zhuǎn)管閥法、雙功能塞棒法等， 文獻(xiàn)［9］中已做過(guò)詳細(xì)闡述， 此文中不再贅述。
5 結(jié)論
在鋼鐵生產(chǎn)連鑄過(guò)程中， 鋼包及中間包澆注過(guò)程的下渣控制一直是困擾潔凈鋼生產(chǎn)的難題。為提高鋼水收得率， 連鑄反應(yīng)器內(nèi)的鋼水液面要盡量低，很容易發(fā)生下渣,一旦下渣會(huì)顯著惡化鋼水質(zhì)量并影響現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的順行。要想高效、經(jīng)濟(jì)地控制高品質(zhì)鋼連鑄過(guò)程下渣， 需要對(duì)下渣機(jī)理及控制方法進(jìn)行全面、深入的認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)連鑄澆注過(guò)程的下渣機(jī)理及控制下渣方法的深入分析，闡述了鋼包及中間包澆注過(guò)程典型的控制下渣工藝，為連鑄過(guò)程的下渣控制提供理論基礎(chǔ)。
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