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（一般稱為臨界高度）時(shí)才發(fā)生，此時(shí)，原本向出流口中心線匯流的質(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)，需要專門的破渣殼裝置；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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