中间包冶金过程模拟与结构优化

田 源

中国第一重型机械有限集团公司

中间包冶金过程模拟与结构优化

田 源

中国第一重型机械有限集团公司

近些年来，我国的经济飞速发展，钢铁冶金业也得到了长足的进步，社会对于钢铁冶金的要求也越来越高。随着钢铁产业中连铸比的不断提高，中间包内钢液流态会发生变化，中间包熔池液面波动、熔池温度分布、各流出口温度差异更加难以控制，直接影响着铸坯的质量。采用数学物理模拟方法能够很好的设计或优化中间包结构和控流挡墙结构，提高中间包冶金效果。

中间包、冶金过程模拟、结构优化

1 中间包冶金技术综述

中间包是钢水罐与结晶器之间的过渡容器，传统的中间包由包体、包盖、水口和控流装置组成，本公司所用中间包是水桶式中间包和椭圆带挡墙式中间包。包体的外壳一般用厚度为12～20mm的钢板焊成，要求具有足够的刚性，长期在高温环境下承受浇铸，搬运，清渣和翻包等操作时结构不变形。中间包内衬有耐火材料。中间包内设有挡墙结构，用于隔离钢水罐注流对中间包钢液的扰动，使中间包内钢液的流动更合理，有利于夹杂物的分离和上浮。随着连铸技术的发展，对中间包内衬、滑动水口和浸入式水口的耐火材料的质量要求越来越高，以避免侵蚀后进入钢液。中间包盖主要用于保温，减少钢液的散热损失。一般小容量为整体形，大容量可由几部分组成。包盖用钢板焊成，内衬耐火材料，包盖上设有钢流注孔、塞棒孔和加热孔。

中间包的一个重要参数就是中间包容量，一般情况下，我们取钢水罐容量的20%-40%，小容量钢水罐取最大值，大钢水罐取最小值。为了保证多炉连浇时的铸坯质量，其储存的钢液，应大于换包所需的时间。钢液在中间包内的停留时间和中间包容量及铸速有关，为了使钢液在中间包内有必要的停留时间，应根据铸速来核算中间包的容量。

2 中间包挡墙技术和中间包冶金的作用

在一个上下有完全隔开的耐火材料上，设置若干个不同尺寸和倾角的孔洞。钢液根据需要的方向流过孔洞，其通过导流挡板后的流速和方向由孔的大小和方向决定，这就是控流挡墙。英国钢铁厂的实践表明，在六流中间包中采用不对称、能承受7小时以上浇铸的陶瓷质导流挡板后，与不设控流装置的中间包冶金效果相比，内、外侧水口的钢液温度差降低了7℃，拉漏现象发生率降低40%，拉坯成型率提高8%，并且无水口堵塞现象。实验的中间包有两种形式。一种是设上、下挡渣墙，而另一种在第一种基础之上又加了多孔导流挡板。大量实验证明：带有导流挡板的中间包中流向各水口的钢液成分和温度更加均匀，从内侧水口流出的钢液的平均停留时间比前者延长了35%，但对于从外侧水口流出的钢液来说，平均停留时间却略缩短。

生产实践中总结出中间包主要有以下作用：浇铸作用：换钢水罐时需要通过中间包存储的钢液来起到衔接的作用；分流作用：多流连铸机的多水口必须通过中间包对钢液进行分流；保护作用：通过保护装置(例如液面的覆盖剂、长水口以及其他保护措施)，可以减少中间包中的钢液受到外界环境带入的各类污染。减压作用：钢水罐内液面高度落差一般在5-6m，有很大冲击力，可以用于稳定在钢液浇注的过程中，钢液对结晶器凝固坯壳的冲刷，另外在浇注过程中钢液的液面变化幅度也很大。由于中间包液面高度比钢水罐液面低得多，也使得液面的变化幅度小得很多。

作为钢液凝固之前所经过的最后一个耐火材料容器，必须尽可能地防止钢液吸收空气以及耐火材料的氧，防止造成二次氧化，必须使钢液中的非金属夹杂物上浮并及时排除掉，这样才能使钢液满足纯净钢的技术要求。另外，要想保持炼钢生产线能够连续运转，必须使所有的钢液能顺利通过中间包。在整个生产线中，中间包寿命是关键一环。当转炉溅渣护炉技术推广应用后，转炉寿命大幅度增加，这时只要中间包不损毁，整个生产线就能维持运转，所以中间包的运转成为炼钢厂的限制环节。提高中间包耐火材料寿命，以及在线更换易损毁的原件，也是对中间包的要求之一。

3 中间包冶金过程模拟方法

3.1 冶金过程物理模拟

冶金工作者们对于冶金反应器内的液体运动行为和温度分布已经开展了相当广泛的研究工作，尽管从理论上的研究较多，但是针对不同工艺参数条件，研究内容依然存在较多不同。研究者们大多采用建立数学模型的方法对此类行为进行研究，然而，数学模型的准确性直接影响了计算结果的可信度。而对于物理模拟方面，如何模拟中间包内的温度场分布依旧是困扰实验室研究工作的难题。为此，依据数学物理模拟中间包内钢液流动行为和数学模拟温度分布来判断研究结果的准确性，为中间包结构设计提供理论依据。

冶金系统中，流体的流动、传热、传质和冶金反应同时发生，而且在高温下进行，很难对这些现象完全加以模拟。只能进行局部、冷态或者单元过程的模型实验。在针对冶金过程的物理模拟中，因为钢液的流动对传热、传质、混合和返混等有较为重大的影响，所以对流动现象的模拟最为广泛。

物理模拟有两种类型。一种是完全模拟，它以精确的物理模型，严格地按照相似原理构造模型，可以直接对实验结果进行比例放大。另一种是部分模型，也就是以半精确模型，对冶金过程只能做到部分模拟，研究其中的较为关键的物理现象，实验结果可借助数学模型应用于实际系统。

3.2 冶金过程水力学模拟

根据水力学物理模拟的实验特点，为更加节省人力、物力，水力学模拟实验针对中间包结构设计思路而制定了控流挡墙主次因素实验方案和不同设计间对比实验方案，以达到与数值模拟结论相互验证的目的。如果控流挡墙正交试验测定影响中间包控流挡墙各因素主次顺序的水力学模拟与数模实验结论吻合，即可证明中间包控流挡墙设计思路的正确性。如果针对数值模拟设计方案而进行的水力学模拟实验得出了与数值模拟相同或相近的结论，即可证明中间包结构设计的准确性。

[1]董水秀.中间包冶金过程模拟与结构优化[D].辽宁科技大学，2012.

[2]杨小容.连铸中间包内钢中夹杂物运动行为模拟研究[D].武汉科技大学，2004.

[3]许长军，胡小东，胡林，汪琦，轩宗宇，王欣，陈兴伟.中间包导流挡板设计与冶金效果[J].炼钢，2013，01：69-73.