去除钢水中非金属夹杂物方法研究

李世珺 周静程树森

(1.安阳钢铁集团有限责任公司；2.北京科技大学)

去除钢水中非金属夹杂物方法研究

李世珺1，2周静1程树森2

(1.安阳钢铁集团有限责任公司；2.北京科技大学)

介绍了一种去除钢水中非金属夹杂物的方法，探讨了它对中间包内腔结构改进的作用。经过计算，本方法能够满足10μm以上非金属夹杂物的上浮时间要求。实验证明，通过整流的作用，降低了钢水流动速度，流动更加平稳，可降低注流区的湍流强度，同时使钢液流动路线延长，钢液平均停留时间增加，夹杂物上浮增多，利于提高钢液洁净度。钢水均匀慢速流动减轻了钢水短路流动造成的耐火材料熔损，由耐火材料熔损造成的夹杂物减少。

夹杂物 去除 方法

0 前言

使用铝碳质侵入式水口浇注铝镇静钢时，非金属夹杂物的堆积使水口堵塞，从而也减少了钢中非金属夹杂物(堵塞的主因是非金属夹杂物的附聚倾向)。这一现象提示：水口这个特定结构具有强大的吸附夹杂能力，如果在理论的指导下能够把这个特点强化，势必能够极大的提高钢水的纯净度，对纯净钢的生产能起到事半功倍的效果。笔者在分析了脱除夹杂的原因之后，发现能够利用分离技术基础理论 (质点群动态分布律、分散物质分层沉淀理论)、斜管沉淀、离心分离等原理去强化钢水与夹杂物的分离，与传统去除非金属夹杂物方法相结合后，能大大的提高去除非金属夹杂物的能力。

中间包内去除非金属夹杂物在现代连铸中占据重要地位，中间包内钢水流场如果没有适当的控制和操作，之前过程所达到的钢水清洁度都会失去[1-3〗，所以该方法针对中间包内非金属夹杂物的去除，兼顾中间包内钢水流场控制，在中间包内部结构、钢水在中间包内的流场控制、促进非金属夹杂物的上浮和被吸附等方面对非金属夹杂物去除新方法展开系统的可行性研究，这对提高钢水的纯净度有着重要的理论意义[4-5]。

1 简介

该方法是从分离技术基础理论 (质点群动态分布律、分散物质分层沉淀理论)、斜管沉淀、离心分离等原理以及流体力学相关内容入手，在中间包内设置促进非金属夹杂物的上浮和吸附的装置，在钢水进入结晶器之前建立一道高效去除夹杂的防线。在这些装置中一部分非金属夹杂物完成聚集上浮的过程，一部分吸附在装置的耐火材料壁上。新方法应用于中间包改造的设计图形如图1所示。

1)钢包下的浸入式水口壁上开有斜孔，钢水以离心旋转的方式从水口流入离心分离装置内。钢水旋转时，由于非金属夹杂物和液体的质量不同，所受的离心力也不相同，质量小的非金属夹杂物被抛向内侧并被水口壁捕捉，质量大的液体被推向外层，这样大颗粒的非金属夹杂物和钢水各自分离。

2)经过离心分离过程的钢水流向粗粒化装置，这是个布满斜管空腔的挡墙。在这里，斜管的水力半径较大，斜管起到吸附较大非金属夹杂物和粗粒化装置的作用。斜管的空腔上部设置了类似铸造浇注系统中的集渣包的结构，这种结构在铸造生产过程中对滞留非金属夹杂物一直起着决定性作用。较大的非金属夹杂物颗粒被吸附在类似集渣包的结构中，其余较难吸附的微小非金属夹杂物颗粒在这里聚结成大颗粒，达到一定尺寸后，在浮力和钢水流体剪力的作用下，脱离斜管表面，形成大颗粒的聚合体浮升到钢水表面或跟随钢水继续向前流动。

图1 新方法应用于中间包改造的设计图形

3)流过起到粗粒化装置作用的挡墙，钢水流向斜管沉淀池形式的挡墙。途中经过底吹氩形成的气幕坝，底吹氩形成的气泡带动非金属夹杂物加速上浮到钢水顶层。钢水经过气幕坝以后进入斜管沉淀池形式的挡墙，在这里，斜管的水力半径较小，非金属夹杂物上浮距离变小，上浮时间变长，对上浮特别有利。斜管的空腔也有集渣包的结构，能够把细小的非金属夹杂物滞留在这里。当钢水与挡墙充分接触后，绝大部分的非金属夹杂物被挡墙吸附。

4)钢水流过斜管分离形式的挡墙，进入中间包的最后一个装置，叫做水口过滤吸附器，这个过滤吸附器在中间包水口正上方，顶部是封闭的，减少了钢水氧化、吸入渣滴的可能性。在这里没有进行底吹氩，以尽量保证钢水流动的平稳。为了去除细小夹杂和拦截被冲刷掉的耐火材料，这里的斜管水力半径更小，斜管的空腔也有集渣包的结构。经过前面两道装置处理后的钢水到这里已经比较干净了，这个装置是用于精细处理过程。水口过滤吸附器上开设的斜孔是非中心对称的，这样可以使钢水多流一段距离后进入浇口，这样可以多吸附一些夹杂物。

5)因为我们利用渣和覆盖剂吸附夹杂的能力是有限的，所以上浮到钢水顶层的非金属夹杂物会因其附着的气泡的破裂或被钢水的流动带动而重新卷入到钢水里。对于上浮到顶面的夹杂物，在本方法里要利用具有一定过冷度的装置，在钢水表面对上浮到表面层的夹杂物进行吸附。这种装置吸收夹杂的原理和铝碳质水口是一样的，它具有铝碳质水口相同的特点。

2 数学模型

非金属夹杂物、气泡颗粒在流体中主要受到三个力的作用：重力、浮力、流体作用于颗粒上的阻力。其表达式如下：

浮力计算公式为：

重力计算公式为：

阻力计算公式为[6]：

其与颗粒雷诺数 Rep的一般关系式如下：

颗粒雷诺数 Rep的表达式为：

式中：CD——为颗粒曳力系数，

u和 up——分别为流体和颗粒的运动速度，m/s；

ρ和ρp——分别为流体和颗粒的密度，kg/m3；

μ——流体的粘度，kg/(m·s)；

g——重力加速度，m/s2；

dp——颗粒直径，m。

非金属夹杂物、气泡颗粒在运动的过程中，当其受力达到平衡时，就会在钢液中做匀速运动，其最终的上浮速度决定了颗粒在钢液中的运动状态。使用计算机程序对平衡状态下的颗粒运动速度进行了计算，当颗粒的运动速度为正值时，表示其能够在钢液中上浮；当上浮速度为负值时，则表示颗粒无法上浮。

3 计算、实验结果及分析

3.1 离心分离装置分离

在钢液中，非金属夹杂物会因自身浮力的作用而上浮。其中渣滴的密度为2700 kg/m3，A l2O3夹杂的密度为4000 kg/m3。

离心分离主要目的是去除钢液中混入的尺寸在2mm以上的渣滴和的A l2O3颗粒。钢水旋转时，密度小于钢水的悬浮颗粒被“浮上”在离心设备最里面。根据颗粒随水旋转时所受的向心力与水的反向阻力平衡原理，可导出粒径为 d的颗粒在圆周上的分离速度为[7]：

式中：uc——颗粒在圆周上的分离速度，m/s；

ρ、ρ0——分别为颗粒和钢水的密度，kg/m3；

μ——钢水的动力粘度，0.005 Pa·s。

经过计算，在离心分离装置中，直径为2mm的渣滴的分离速度为0.279 m/s，直径为2mm的A l2O3的分离速度为0.195 m/s。从计算结果看，该离心分离装置能进行离心分离操作。

3.2 粗粒化装置

粗粒化装置上布满斜孔，由于不希望角度过大导致更换中间包时残余钢水过多，斜孔的角度取25°，斜孔断面尺寸取50mm×80mm。斜孔共11层，每层10个孔。考虑到流动的不均匀性，我们考虑按 8层计算。

由于个别形状不利于上浮的非金属夹杂物上浮到斜孔顶面的时间需比理论放大3～4倍，通过计算，在本粗粒化装置中，夹杂物上浮到斜孔顶面所需的最小速度为0.00921 m/s。

从计算结果来看，10μm渣滴或 A l2O3夹杂在这里的上浮速度能达到0.009123 m/s和0.009116 m/s，说明大于10μm的渣滴或 A l2O3夹杂都能上浮到斜孔顶面。该装置能够起拦截、吸附和粗粒化的作用。

3.3 斜管沉淀池形式挡墙

挡墙上布满斜孔，由于不希望角度过大导致更换中间包时残余钢水过多，斜孔的角度取25°，斜孔断面尺寸取40mm×80mm。斜孔共13层，每层10个孔。考虑到流动的不均匀性，我们考虑按9层计算。

对于个别形状不利于上浮的非金属夹杂物，上浮到斜孔顶面的时间需放大3～4倍，通过计算，夹杂物上浮到斜孔顶面所需的最小速度0.00635 m/s。

从计算结果来看，10μm A l2O3夹杂或渣滴在这里的上浮速度能达到0.01 m/s，说明大10μm的A l2O3夹杂或渣滴都能上浮到斜孔顶面，该装置能够起到拦截并吸附夹杂物的作用。

3.4 水口过滤吸附器

水口过滤吸附器，在钢水流出中间包前对钢水进行最后一次净化。厚壁管上斜孔的开设是不对称的，正对流过来钢水的面上，斜孔的开设较少。斜孔的角度取25°，斜孔断面尺寸取30mm×50mm。斜孔共22层，每层 8个孔。考虑到流动的不均匀性，我们考虑按18层计算。

对于个别形状不利于上浮的非金属夹杂物，上浮到斜孔顶面的时间需放大3～4倍，通过计算，夹杂物上浮到斜孔顶面所需的最小速度为0.0114 m/s。

从计算结果来看，10μm A l2O3夹杂或渣滴在这里的上浮速度能达到0.0134 m/s，说明大于10 μm的A l2O3夹杂或渣滴都能上浮到斜孔顶面，该装置能够起到拦截并吸附夹杂物的作用。

3.5 实验结果

水力学模拟实验研究方法的理论依据是相似原理。在连铸中间包内由大包长水口引入的注流特征为有限空间内的湍流射流，控制中间包内运动状态的主要因素是惯性力和重力，因此原型与模型的相似可用弗鲁德准数值相等来表示，此时几何相似选取任意比例。实验按半个中间包的尺寸，按1∶6比例用有机玻璃制作模型。根据此模型，分别测量在普通挡墙、新方法条件下，中间包内夹杂物流入结晶器的量。水力模拟实验模型如图2所示。

图2 水力模拟实验模型

其中工况1为普通挡墙模型，模型内只设置一道挡墙。工况2为新方法模型，因受条件限制，新方法模型内部没有设置离心分离装置和夹杂物吸附装置，只设置了粗粒化装置、斜管沉淀池形式挡墙和水口过滤吸附器。在实验过程中，采用聚苯乙烯塑料粒子和少量油混合在一起分别代表大型非金属夹杂物和小型非金属夹杂物。计量流出水口的聚苯乙烯塑料粒子和油占总量的百分比，可以知道两个实验模型去除非金属夹杂物的效果。

实验结果：工况1截留的大型非金属夹杂物占总量的 85％，截留的小型非金属夹杂物占总量的20％；工况2截留的大型非金属夹杂物占总量的90％，截留的小型非金属夹杂物占总量的 80％。采用新方法模型的工况2更有利于提高钢液洁净度。

根据实验结果，工况1(普通挡墙模型)这种流动模式显然不利于钢液中非金属夹杂物碰撞、长大和上浮。对于工况2(新方法的模型)来说，粗粒化装置可以明显降低注流区的湍流强度及表面卷渣，并消除短路流，改善了中间包内钢水的流动状态；斜管沉淀池形式挡墙的作用使钢液向上流动，有利于非金属夹杂物上浮，而且由于用于上浮的面积加大、上浮的距离缩短，特别有利于非金属夹杂物的聚集上浮；水口过滤吸附器相当于缩小的斜管沉淀池形式挡墙，用于细小颗粒的非金属夹杂物上浮。相对于工况1来说，工况2优化组合了粗粒化装置、斜管沉淀池形式挡墙和水口过滤吸附器，使得平均停留时间显著增长，有利于去除非金属夹杂物。所以说，工况2的组合控流，可以显著改善中间包内钢液的流动状况，延长平均停留时间，减小死区体积，改善非金属夹杂物的去除效果。

4 结论

通过计算和模拟实验，证实了新方法有较好的去除非金属夹杂物的作用，并得出以下结论：

1)非金属夹杂物的去除分粗、中、细三个阶段，既可以有效地防止中间包内的各种装置堵塞，又可以提高细小夹杂物的去除率。挡墙中的斜管采用熔模制造，可大大降低制造成本。

2)中间包内的离心分离设备能进行离心分离操作。悬浮颗粒的粒径 d越大，密度ρ同钢水的密度ρ0差越大，钢水的动力粘度μ越小，则颗粒的分离速度 uc越大，越易分离。

3)通过计算，证实本文提出的中间包内的粗粒化装置、斜管沉淀池形式挡墙、水口过滤吸附器能够满足10μm以上各种形状非金属夹杂物上浮的时间要求。

4)通过实验，证明通过整流的作用，钢水的流动速度降低了，流动更加平稳均匀，可以降低注流区的湍流强度，同时使钢液流动路线延长，钢液平均停留时间增大，非金属夹杂物上浮增多，防止产生涡旋而卷渣有利于提高钢液洁净度。

5)中间包内各种装置的应用使钢水均匀慢速流动，会大大减轻钢水短路流动造成的耐火材料熔损，由耐火材料熔损造成的夹杂物会减少。

6)由于计算不包含吸附所能起到的作用，所以整个方法的综合作用还要等到将来的工业试验才能完成。

7)本方法不止适用于中间包，研究其在中间包内的应用是为了不改变连铸机结构，利用本方法可以制作各种样式的去除夹杂物的装置。

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THE STUDY OF A TECHN IQUE FOR REM OV ING INCLUSI ONS INM OLTEN STEEL

L i Shijun1，2Zhou Jing1Ch eng Shusen2(1.Anyang Iron and Steel Group Co.，L td；2.University of Science and Techno logy Beijing)

This paper introduced a technique on removing non-m etallic inc lusions in mo lten steel，discussed the effect of structural imp rovem ent for tundish cavity.The calculation results p roved that the new technique can fulfill the requirem ent of floating t im e of non-m etallic inc lusionswhich size are larger than10μm.Experim ents verified that the steel flow velocity reduced and more stable and unifo rmflow can reduce the tu rbulen t intensity in the pouring region through the rectification of the steel flow，at the sam e tim e that the steel flow route were p ro longed and the average residual tim e were increased asw ell as the num ber of floating inclusion were increased which were beneficial to imp rove cleanness of liquid steel.The unifo rm and slow steel flow can reduce the lossof refracto ry caused by sho rt-cu t flow and the inc lusion from refractory loss reduces.

inc lusion remove technique

2009—12—28