中间包冶金新技术——离心流动中间包

关键词 离心流动中间包，钢水洁净度，表面质量

中图分类号 T聊77 文献标识码 B

1 研发背景

在连铸过程中，中问包作为钢包和结晶器的中间容器，不仅具有调控钢水的功能，而且也是二次冶金过程特别是钢水净化的重要环节。目前常用的中间包扩容和优化设计、吹氩等技术和措施对促进中间包内夹杂物上浮分离，使钢水得到净化，都起了一定的作用。

然而，高效连铸对钢水净化特别是正常浇注期、钢包交换期等的要求越来越高，这一切都期望开发更有效的夹杂物分离技术，以满足高效连铸对高清洁度钢水的要求。在此背景下，日本川崎钢铁公司于上世纪90年代中研发成功基于电磁搅拌技术的离心流动中问包(Centrifugal Flow Tundish)，简称CF中间包。在线应用取得较好的效果，达到高拉速、高清洁度的效果。

2 CF中间包的结构概述和工作原理

2．1 基本构成

CF中间包的基本构成见图1。它由中间包、电磁搅拌器等组成。中间包又分为圆形的旋转室和长方形的分配室，两室中间有一道堰，在其下端有通道相连通。弧形电磁搅拌器安装在旋转室外面，其作用使旋转室内的钢水作水平旋转。

2．2夹杂物的分离机理

要搞清楚CF中问包的夹杂物去除机理，必须了解其中的钢水流动形态。CF中间包的分离室中的流动形态受下述流动的影响：钢包内钢水受重力作用注入分离室；钢水在电磁力作用下产生旋转流动，改变了钢水的流动方向；净化的钢水由底部的通道流人分配室。由此可见，由于重力和电磁力的双重作用，在分离室中的钢水在电磁力作用下作水平旋转流动，同时又在重力作用下向下流动。这种流动形态与常规中问包中的钢水流动相比较更为激烈和复杂。因此，其夹杂物分离和渣去除的机理可以从两个方面来理解：脱氧能力和夹杂物分离过程。

(1)提高了脱氧能力

由于电磁搅拌，CF中间包的钢水中溶解氧与脱氧剂的反应加快，其脱氧速度增大了，且随电磁搅拌力的增加而增大，与其他二次精炼过程相比较，其脱氧速度更快些。因此，作为中间包内脱氧、夹杂物的分离过程，能够获得非常大的脱氧速度，从而加速了脱氧过程。

(2)夹杂物分离和渣去除的机制

1)由于电磁力产生的离心力的作用，轻的夹杂物和渣向旋转中心区集中，并在集中过程中上浮，从而使夹杂物和渣从钢水中分离出来。

2)由于旋转搅拌，促进夹杂物和渣的碰撞和聚合而大型化，有利于夹杂物和渣的上浮分离。

3)由于旋转搅拌产生的二次流动阻碍了原来重力方向的流动，大大抑制了流动短路的发生；同时也改善了钢水在分离室中的滞留时间分布，有利于夹杂物的上浮分离。

由上述机理可以看出，CF中间包能够大大促进钢水的净化。

2．3 CF中间包内流动的数值模拟

图2表示有和无CF工况的分离室钢水流动形貌的数值模拟的结果。由图2可见：

1)在无CF工况下，从长水口吐出的流股垂直向下冲击包底导致在吐出口下方形成环流且流动剧烈；同时也造成向分配室的流动短路，不利于夹杂物的上浮分离。而在有CF工况下，从长水口吐出的流股由于电磁搅拌而改变流动方向成水平旋转，流动被加速；同时阻断了流路的短路，有利于夹杂物的上浮。

2)在有CF工况下，由于旋转流动，使分离室中的钢水自由表面凹陷，有利于捕获夹杂物。

上述的流动形貌进一步印证CF的分离机制。

3 冶金效果

3．1 脱氧行为

(1)在正常浇注期的脱氧行为

图3表示铝沸腾钢SUS430在有或无钢水旋转的情况下，中间包分配室内钢水样品中的总氧含量[O]随不同铝含量的比较。图中O_free是溶解氧的平衡含量。从总氧含量[O_t]减去溶解的氧含量O_free，可以计算出夹杂物的氧含量。由图3可知，由于电磁搅拌产生的钢水旋转流动，分配室内钢水的夹杂物氧含量约降低一半。

图4表示铝沸腾钢SU$430在中间包分配室内和经VOD处理后钢包中的总氧含量的比较。由图4可见，在不使用CF时夹杂物的氧含量为(10～20)×10^-6，使用CF时为(5～10)×10^-6，夹杂物的氧含量约减少一半。

图5表示在0．45％C、0．03％Al的高碳钢下，在1炉浇注中间加CF时氧含量的推移情况。由于在高碳钢中，[O] _free的含量在1×10^-6以下，全氧含量几乎为夹杂物中的氧含量。由图5可见，使用CF时，氧含量从(9～10)×10^-6降低到(4～5)×10^-6，其夹杂物的氧含量也减少约一半。

(2)非正常浇注期的脱氧行为

为了评价引入CF中间包后的钢包交换期的夹杂物降低效果，检验了板坯的氧含量。

图6表示正常浇注期或钢包交换期沿板坯厚度方向的总氧含量[O_t]的分布。由图6可见，以50rpm的钢水旋转流动比无旋转流动时，[O_t]接近降低一半。即使在钢包交换期，板坯[O_t]达到与正常浇注期的无旋转流动相当的水平。

图7表示从板坯表面至皮下30mm的[O_t]的平均值。由图6可见，[O_t]随旋转速度的增加而减少；在钢包交换期，由于旋转流动，板坯的[O_t]可以达到与正常浇注期无旋转流动时相当的水平。

由上述脱氧行为，可以明显看出在钢包交换期，由于旋转流动使脱氧能力大大增加，从而使夹杂物分离效果也明显增加。

(3)各种二次精炼过程脱氧率的比较

图8表示各种二次精炼过程中搅拌能密度与脱氧速度的比较。由图8可见，CF中间包与其他精炼过程相比较，脱氧能力大，其次在中间包内再氧化也小。

3．2夹杂物的分离

(1)小型夹杂物

图9表示在正常浇注期的中问包内的小型夹杂物分布情况，由图9可见：

1)小型夹杂物几乎是颗粒状的Al₂O₃；

2)使用CF后，2～30μm的小型夹杂物减少，这与氧含量降低相一致。

(2)大型夹杂物

从大型夹杂物的形态分析，球状夹杂物由卷人中间包中的渣和脱氧生成物的Al₂O₃聚集而成；颗粒状或簇状夹杂物因Al₂O₃浓度高，主要是脱氧生成物。

图10表示钢包交换期或正常浇注期中间包浇注侧夹杂物粒径分布的比较。由图10可见：

1)无论是钢包交换期或正常浇注期，夹杂物个数随浇注量的增加而减少；

2)使用CF时，钢包开浇后的夹杂物个数都在

正常浇注期不使用CF的以下。

图11表示从旋转室流出的夹杂物的百分比与夹杂物粒径的关系。由图11可见：由于旋转流动，抑制了流动的短路，300μm以下的夹杂物从旋转室流入到分配室的比例随粒径增加而减少；

3)在采用CF情况下，即使在钢包交换期，也比不使用CF的正常浇注期的夹杂物分离率要低。这个结果充分显示CF的良好效果。

4工业应用的效果

在日本川崎公司千叶厂4号高速板坯连铸机上装备了30t的CF中间包，浇注铝沸腾不锈钢。

实践表明，由于钢水旋转流动，中间包内的总氧含量比钢包内约降低一半，其中的夹杂物也降低约一半。因此，最大拉速可增加到1．6m/min。

图12 CF中问包减少板卷表面缺陷的效果

由于使用了CF，热轧板卷表面缺陷减少；在正常浇注期，气孔消除，条状裂纹减少一半多；在钢包交换期，气孔也消除，条状裂纹大大减少。

综上所述，CF中间包在提高脱氧率从而减少夹杂物上有较明显的效果；与其他二次精炼技术相比，也有较明显的优势。连铸实践表明，CF中间包对提高热轧和冷轧板卷的表面质量有良好的效果。