中間包冶金技術(shù)發(fā)展趨勢

　　摘 要：中間包是鋼水凝固之前的最后一個耐火材料容器，是由間歇操作轉(zhuǎn)向連續(xù)操作的銜接點，也 是 連 鑄 的 起點，在連鑄過程中起著緩沖、減壓、分流、連澆、凈化和保護鋼液、改善凝固組織、促進鋼液均勻性等作用。伴隨著高品質(zhì)鋼對潔凈度和質(zhì)量要求的提升，中間包冶金的功能越來越重要，中間包冶金技術(shù)的發(fā)展正是圍繞著不斷拓展和完善中間包冶金功能展開的，其核心目標(biāo)是完成對凝固前鋼液的充分凈化，實現(xiàn)連鑄的恒溫、低過熱度澆注。綜述總結(jié)了中間包冶金功能實現(xiàn)的技術(shù)途徑和發(fā)展趨勢。

　　包燕平;王敏;， 連鑄 發(fā)表時間：2021-10-15

　　關(guān)鍵詞：中間包冶金;控流裝置;鋼液凈化;低過熱度;中間包加熱;氣幕擋墻;電磁凈化

　　0 引言

　　中間包是鋼水凝固之前的最后一個耐火材料容器，是煉 鋼 流 程 間 歇 操 作 轉(zhuǎn) 向 連 續(xù) 操 作 的 銜 點，在鋼包和結(jié) 晶 器 之 間 起 到 緩 沖、穩(wěn) 流、連 澆 和 分 流的作用。同 時，中間包作為重要的冶金反應(yīng)器，對連鑄順行、鋼液凈化、鋼質(zhì)量提升也起到重要作用。總得來說，中間包冶金功能和作用見表1。

　　隨著鋼質(zhì)量要求的不斷提高，中間包冶金已經(jīng)成為潔凈鋼生產(chǎn)的重要一環(huán)[1-2]。潔凈鋼生產(chǎn)中，不僅要關(guān)注中間包的分流、連澆、減壓、保護鋼液的基本功能，更需注重其凈化鋼液、改善凝固組織、促進鋼液均勻 等 作 用。合理的控流裝置組合可以起到改善鋼液混 勻 效 果、延長中間包平均停留時間、降低死區(qū)比例、增 加 夾 雜 物 去 除 效 果、縮 小 各 流 之 間流動和溫度 的 差 異、避 免 澆 注 過 程 的 液 面 裸 漏(紅眼)二次氧化等作用。圖1 所示為中間包內(nèi)不同控流裝置的示意圖，同一個中間包不會同時使用上述控流裝置，實際生產(chǎn)中，需要綜合其內(nèi)型結(jié)構(gòu)、澆注工藝和鋼種特點選擇合適的控流裝置組合來達到最佳的中間包冶金效果，各企業(yè)的情況不能一概而論，不能完全參考和移植。

　　中間包冶 金 技 術(shù) 的 發(fā) 展 正 是 圍 繞 著 不 斷 拓 展和完善中間包冶金功能展開的。諸如：采用控流裝置組合延長停留時間[3]，提升混勻效果[4]、采用氣幕代替耐材擋墻氣泡去除夾雜物[5]、設(shè)置多孔陶瓷過濾器擋墻吸附夾雜物[6]、通過碳基陶瓷材料產(chǎn)生氣泡去除夾雜物[7]、澆注區(qū)增加旋轉(zhuǎn)流裝置改善鋼液流動形式[8]、中間包澆注區(qū)施加旋轉(zhuǎn)磁場提升夾雜物碰撞長大和上浮去除能力[9]、中間包保溫和加熱技術(shù)維持低過熱度澆注等。

　　1 中間包冶金效果的影響因素

　　中間包冶 金 效 果 受 其 容 量、工 作 液 位、內(nèi) 型 結(jié)構(gòu)、控流裝置(穩(wěn)流器、堰、壩、擋墻、塞棒)等的綜合影響。中間包容量一般為鋼包容量的20%～40%，小容量鋼包取大值，大容量鋼包取小值，圖2所示為部分企業(yè)的容量比。容量太小則開澆、換包等非穩(wěn)態(tài)過程在整個澆注周期中占比較長，影響鋼液潔凈度;容量大有助于降低換包等非穩(wěn)態(tài)過程液面的波動、延長中間包內(nèi)鋼液停留時 間、提 升 夾 雜 物 去 除率，但需綜合考慮澆注過程中間包內(nèi)鋼液的更新速率、鋼液 的 溫 度 分 層 和 澆 次 成 本 (鑄 余 量、耐 材 耗量)等因素。目前，國內(nèi)最大的中間包80t(首鋼京唐)，約占鋼 包 容 量 的27%。中 間 包 的 工 作 液 位 一般在800～1100mm，深熔池有助于延長夾雜物去除路徑、減少非穩(wěn)態(tài)過程的液面波動和卷渣。中間包大容量、深熔池是潔凈鋼發(fā)展的趨勢之一。

　　根據(jù)與鑄機的匹配性，中間包按斷面形狀主要分為：矩型、三角型、V 型、T 型、H 型等(圖3)，其中以矩形和 T 型 居 多。單流或雙流的大型板坯連鑄機多為矩型 中 間 包，其 各 流 的 對 稱 性 容 易 控 制。T型和 V 型多應(yīng)用于多流澆注，沖擊區(qū)和澆注區(qū)有明顯的區(qū)域劃分，澆注區(qū)流出的鋼液經(jīng)過擋墻和導(dǎo)流孔分配到各流，以保證其各流之間的均勻性[10-11]。

　　中 間 包 中 不 同 控 流 裝 置 有 其 特 定 的 作 用：(1)穩(wěn) 流器安裝在澆注流股下方，起到降低湍流，減小沖擊區(qū)液面 裸 漏 和 卷 渣 的 作 用;(2)U 型 擋 墻 配合導(dǎo)流孔常被用來將沖擊區(qū)和澆注區(qū)相對分離，起到導(dǎo)流和平均分配流股的作用，也避免了沖擊區(qū)液面裸漏和 卷 渣 對 澆 注 區(qū) 鋼 液 的 影 響;(3)擋 壩 主 要安裝在中間包底部起到提升流股的作用，避免底部流股直接形成短路流，也能起到延長鋼液的流動軌跡，增加停 留 時 間 的 作 用;(4)堰 又 稱 上 擋 墻，安 裝在中間包的上部，促使上部鋼水由水平流動或向上流動轉(zhuǎn)為向下流動，也起到阻隔沖擊區(qū)氧化性下渣流向澆注區(qū)，通過堰上添加導(dǎo)孔和堰高度設(shè)計可以進一步對流股導(dǎo)流。

　　表2所示為國內(nèi)外部分企業(yè)中間包的結(jié)構(gòu)及控流裝置。通過優(yōu)化設(shè)計內(nèi)型結(jié)構(gòu)及合理匹配控流裝置，各企業(yè)的中間包在各流均勻性、整體溫差、平均停留 時 間、死 區(qū) 比 例 等 指 標(biāo) 均 有 一 定 程 度 的 改善。如：新冶鋼[12-13]60t6流 T 型中間包在優(yōu)化擋墻、流鋼通道 和 擋 渣 板 的 位 置 和 結(jié) 構(gòu) 后，各 流 響 應(yīng)時間標(biāo)準(zhǔn)偏差 由27.59減 至13.16，出 口 最 大 溫 差由5K 變?yōu)?.5K;首鋼[14]80t2流矩型中間包通過改變擋墻位置和高度設(shè)計，將死區(qū)比例由原有的37.3%降至18.5%，活塞區(qū)與死區(qū)比值由0.35增大至0.65;天鋼聯(lián)合特鋼[15]45t7流 T 型中間包通過增大中間包 容 量，增 加 鋼 水 在 中 間 包 的 停 留 時 間，各流水口之間鋼水的最大溫度差由 4.11 ℃ 減 到1.44 ℃，各流出口處最大溫度差由2.42 ℃減少到了0.78 ℃;河北永洋特 鋼[16]30t6流 異 型 中 間 包通過改變沖擊杯和擋墻結(jié)構(gòu)，將 中 間 包 死 區(qū) 比 例由22.05%減 至 7.52%，顯著改善了中間包的流場和溫度場;日照 鋼 鐵[17]21.3t6流 T 型 中 間 包通過改變穩(wěn)流器 導(dǎo) 流 孔 夾 角、擋 壩 位 置，將 死 區(qū) 比例由17.89% 減 小 到 9.67%，并 顯 著 改 善 了 各 流一致性。

　　2 中間包加熱及保溫技術(shù)

　　中間包是個連續(xù)反應(yīng)器，在多爐次連續(xù)澆注過程中，中間包的包襯、包壁、鋼液(渣)表面均會持續(xù)向外界傳熱[32](表3)，這造成了在澆注過程中，中間包內(nèi)鋼液溫度持續(xù)下降以及在換包過程溫度的劇烈波動[33](圖4)。為保證連鑄的順行，中間包內(nèi)鋼液需要維持合理的過熱度，過熱度太低則澆注后期容易出現(xiàn)冷鋼結(jié)瘤而斷澆，過熱度太高則對鋼液潔凈度和凝 固 組 織 控 制 不 利。低 過 熱 度 澆 注 可 以 提高鑄坯中心 等 軸 晶 比 例、降 低 中 心 偏 析，從 而 改 善鑄坯凝固 組 織、提 高 鑄 坯 質(zhì) 量。因 此，中 間 包 的 恒溫、低過 熱 度 澆 注 是 中 間 包 冶 金 技 術(shù) 發(fā) 展 趨 勢 之一。中間包恒溫、低過熱度的控制主要可以從兩個方面實現(xiàn)：(1)強化反應(yīng)容器保溫效果，降低中間包和鋼包的散熱速率，如：納米絕熱層保溫技術(shù)[30]、保溫真空層[31]、多層覆蓋劑等;(2)外部溫度補償中間包熱損失，如：等 離 子 加 熱 技 術(shù)、感 應(yīng) 加 熱 技 術(shù)、電極加熱技術(shù)、電阻加熱、石墨電極電弧加熱、高溫氮氣流加熱等。

　　2.1 中間包等離子加熱技術(shù)

　　中間包等離子加熱技術(shù) (Tundish PlasmaHeating，縮寫 TPH)于20世紀(jì)80年代首先由英國TRD公司開發(fā)，其工作原理是以等離子槍和被加熱的鋼液作為 電 流 的 兩 極，通 電 后，等離子槍通過電極放電使氣體(Ar、N2、N2 +Ar)處 于 電 離 狀 態(tài)，產(chǎn)生高能量的電弧，通過電子輻射和離子化氣體運動產(chǎn)生的 對 流，將 熱 量 傳 入 中 間 包 鋼 水 從 而 加 熱 鋼液。等離子體加熱主要有兩種類型：直流(DC)型和交流(AC)型，兩者都采用轉(zhuǎn)移弧方式將電能轉(zhuǎn)換成熱能，即：流經(jīng)等離子體弧柱的電流必須經(jīng)外部對象物如鋼 水 構(gòu) 成 回 路。從 實 際 應(yīng) 用 效 果 看，DC 型等離子體加熱技術(shù)比較適合中間包鋼水加熱，圖5所示為新日鐵的 DC型 TPH 的全景圖[34]。非轉(zhuǎn)移弧型的等離子體電弧槍生產(chǎn)費用較高，在冶金上應(yīng)用較少，目前，應(yīng)用于冶金加熱的等離子體電弧槍主要為轉(zhuǎn)移型。英國 TRD 公司的等離子槍為轉(zhuǎn)移弧熱電極 型，美 國 PEC 等離子槍為轉(zhuǎn)移弧冷電極型。表4所示為兩種等離子槍技術(shù)比較[5]。

　　中間包等 離 子 加 熱 技 術(shù) 最 早 在 日 本 廣 新 日 鐵廣畑廠和美國查帕拉爾鋼廠應(yīng)用，隨后被推廣應(yīng)用到國內(nèi)外眾多企業(yè)[35-36]。中國在20世紀(jì)80年代末至90年代初，衡陽鋼管、唐鋼、武鋼、寶鋼等先后從英國 TRD和美國PEC引進了等離子中間包鋼液加熱技術(shù)，國內(nèi)冶金學(xué)者和企業(yè)界也對等離子加熱技術(shù)有過大量研究，但是該技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用并不理想。應(yīng)該 肯 定 的 是，等 離 子 加 熱 技 術(shù) 本 身 是 成 熟的，這已經(jīng)在國外很多企業(yè)得到證明，NKK 京浜鋼鐵廠采用14 MW 直 流 轉(zhuǎn) 移 型 等 離 子 弧 加 熱，可 將換包期間中間包內(nèi)鋼水溫降控制在5 ℃之內(nèi)，通過精確地控制中間包內(nèi)鋼水溫度，鑄坯中心偏析得以改善;美國紐柯鋼鐵公司3流方坯連鑄機在使用中間包等離子加熱后，鋼水過熱降低了12℃。作者認為，限制 其 應(yīng) 用 效 果 的 關(guān) 鍵 因 素 是 與 之 匹 配 的 工藝、技術(shù)條件 以 及 環(huán) 境 等，即 中 間 包 等 離 子 加 熱 技術(shù)的良好 應(yīng) 用 效 果 是 有 工 藝 前 提 的。中 間 包 等 離子加熱的目的是通過溫度補償?shù)姆绞骄S持中間包內(nèi) 鋼 液 的 恒 溫、低 過 熱 度 澆 注，其 起 到 的 作用是對鋼水溫度的一種“微調(diào)”，其本質(zhì)是對澆注過程溫降損失的補償和對中間包恒溫、低 過 熱 度 的維持，而不應(yīng)該是對溫度遠低目 標(biāo)區(qū)間鋼液的再加熱。因此，合理調(diào)控整個 澆注周期鋼水溫度的穩(wěn)定性，強化澆注過程鋼包、中 間 包 的 保 溫 效 果，降低澆注 過 程 的 溫 度 損 失，是 發(fā) 揮 中 間 包 等 離 子加熱技術(shù)應(yīng)用效 果 的 重 要 前 提。只有在澆次中各爐澆注鋼液溫度 波 動 區(qū) 間 小、澆 注 過 程 溫 降 可 控、鋼包和中間包溫度損失少的條件下，中 間 包 外 部溫度“微調(diào)”補 償 才 能 發(fā) 揮 其 應(yīng) 有 的 作 用，這 對 于其他中 間 包 溫 度 補 償 技 術(shù) 也 同 樣 適 用。因 為，等離子加熱過程對 于 加 熱 室 耐 材 壽 命、電 極 壽 命、熔池內(nèi)溫度均勻性都會產(chǎn)生影響，這 將 間 接 影 響 其最終的冶金效果。

　　2.2 中間包感應(yīng)加熱技術(shù)

　　與等離子加熱技術(shù)相比，中間包感應(yīng)加熱具有投資小、加熱均勻、工作環(huán)境安全系數(shù)高的優(yōu)點，在國內(nèi)外均 有 成 功 的 應(yīng) 用 案 例。中間包感應(yīng)加熱的原理可以用圖6(a)表示，當(dāng)加熱器線圈中接單相交流電后，口字型鐵芯內(nèi)會產(chǎn)生交變的磁通Φ，使其附近通道內(nèi)的鋼水產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 E，從而使通道內(nèi)的鋼水中產(chǎn)生感應(yīng)電流J，進而產(chǎn)生的焦耳熱 Q 對通道內(nèi)鋼水進行加熱[19]。目前，通道式感應(yīng)加熱方式應(yīng)用較多，圖6(b)為某廠通道式感應(yīng)加熱中間包耐材實際砌筑結(jié)構(gòu)圖，感應(yīng)加熱中間包中增加了感應(yīng)線圈和通 道 的 設(shè) 計，因 此，中 間 包 內(nèi) 有 效 容 積 會降低，在中間包改造設(shè)計中需要考慮。

　　圖7所示為采用30tH 型雙通道感應(yīng)加熱中間包澆注 GCr15軸承鋼，開啟感應(yīng)加熱和未開啟感應(yīng)加熱時，中間包內(nèi)鋼液的溫度對比[37]。通過每爐鋼水實際過熱度 ΔT1 與工藝目標(biāo)過熱度 ΔT2 的差值 ΔT 來衡量過熱度控制 的 穩(wěn) 定 性。可 以 看 出，中間包感 應(yīng) 加 熱 投 入 使 用 后，過 熱 度 波 動 由 原 來 ±6 ℃ 降到±3 ℃以內(nèi)，最低過熱度由原來17 ℃降到8 ℃。

　　中間包感應(yīng)加熱的應(yīng)用可以很好地穩(wěn)定澆注過程過熱度，正 如 前 述 所 說，中間包外部溫度的補償是有限 度 的，起 一 個“微 調(diào)”和“穩(wěn) 定”的 作 用，在溫差波動較大時單純依靠調(diào)節(jié)感應(yīng)電流去補充溫度損失會 帶 來 一 系 列 負 面 效 應(yīng)。當(dāng)鋼水溫降變大時，需要根據(jù)溫降調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱檔位以平衡溫度損失，但檔位太高升溫速度太快會對鋼液潔凈度造成不利影響：(1)鋼液在箍縮效應(yīng)作下，流鋼通道截面產(chǎn)生體積收縮，迫使通道內(nèi)鋼水的感應(yīng)電流產(chǎn)生脈動，導(dǎo)致中間 包 內(nèi) 部 流 場 不 穩(wěn) 定，檔位越高則擾動越強;(2)高檔位后，澆注區(qū)的鋼水噴射流進一步加強，鋼水流速 加 快，加重了流鋼通道出鋼口和中間包包壁 的 沖 刷 程 度，耐 材 的 侵 蝕 會 影 響 鋼 液 潔 凈度，嚴(yán)重時甚至可能造成生產(chǎn)事故。如圖8所示，當(dāng)感應(yīng)加熱 檔 位 超 過 6 擋 后，鑄 坯 中 夾 雜 物 會 顯 著增加。

　　2.3 中間包保溫技術(shù)

　　前述討 論 中，中間包鋼液的熱補償是起一個 “微調(diào)”和“穩(wěn)定”過熱度的作用，鋼液溫差較大時單圖8 感應(yīng)加熱檔位對夾雜物指數(shù)的影響Fig.8 Influenceofinductionheatingintensityoninclusionindex純依靠外 部 溫 度 補 償 會 帶 來 一 系 列 負 面 效 應(yīng)。因此，強化澆注 過 程 中 間 包 的 保 溫 效 果，降 低 澆 注 過程的溫度損 失 對 于 實 現(xiàn) 恒 溫、低 過 熱 度 至 關(guān) 重 要。在滿足耐火材料耐高溫性能的基礎(chǔ)上，采用低導(dǎo)熱系數(shù)內(nèi)襯砌筑材料、降低耐材與包壁直接的熱傳條件是減少包壁熱損失的可行辦法。

　　寶鋼[38]通過將磚砌型中間包改為由納米微孔絕熱板、輕質(zhì)保溫磚以及低水泥半輕質(zhì)莫來石澆注料整體澆注 的 中 間 包，顯 著 降 低 了 包 殼 溫 度，減 少了中間包澆注過程鋼水溫降和溫度波動(表5)中間包鋼殼溫 度 由 原 砌 筑 包 的 平 均 74 ℃ (第 1 爐)和166.8 ℃(第6爐)分別降低到57.1 ℃(第1爐)和83.8 ℃(第6爐)，極大地降低了包殼的熱量損失，對于維持中間包低過熱度澆注，提高鑄坯質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。

　　ZHOUJ等[31]在 中 間 包 鋼 殼 與 保 溫 層 之 間 增加一層環(huán) 狀 內(nèi) 腔，其 厚 度 一 般 為 80～120 mm(圖9)，采用真空泵將內(nèi)腔內(nèi)中的空氣抽出，控 制 內(nèi) 腔內(nèi)真空度來降低導(dǎo)熱系數(shù)，隨著真空層內(nèi)絕對壓力的降低，包壁 熱 損 失 量 大 幅 度 降 低，中 間 包 內(nèi) 鋼 液的溫降、溫度梯度、均勻性都得到了極大改善。

　　3 中間包冶金的鋼液凈化技術(shù)

　　3.1 中間包氣幕擋墻去除夾雜物

　　中間包凈 化 鋼 液 的 冶 金 效 果 與 其 控 流 裝 置 組合密不可 分，一 般 的 常 規(guī) 控 流 裝 置 如：穩(wěn) 流 器、擋墻、擋壩、堰、導(dǎo) 孔 等，對 大 顆 粒 夾 雜 物 的 去 除 效 果較為明顯，但對小顆粒夾雜物的去除仍有不足。中間包氣幕擋墻技術(shù)應(yīng)用是借鑒鋼包吹 Ar攪拌的原理[39]，在中間包包底安裝長條形的透氣元件代替擋墻，利用透氣元件向中間包內(nèi)吹入 Ar氣，形成垂直于鋼液流動方向的微氣泡氣幕，小氣泡上浮過程中吸附小顆粒夾雜物一起進入渣中去除，從而起到凈化鋼液 的 目 的。同 時，氣 幕 可 以 改 變 鋼 液 流 動 方向，消除短路 流 以 及 傳 統(tǒng) 擋 墻 背 后 的 死 區(qū)，延 長 鋼液平均停留 時 間，進 一 步 增 加 了 細 小 夾 雜 物 碰 撞、長大、上 浮 去 除 的 空 間 和 時 間。研 究 表 明[40-42]，中間包氣幕擋墻可以減少70%以上50μm 夾雜，可以降低40%以上25～50μm 夾 雜 物。中 間 包 氣 幕 擋墻水模型試驗流場指標(biāo)見表6[43]。

　　中間包內(nèi)氣泡運動是在特定區(qū)域內(nèi)的一個十分復(fù)雜的 過 程，基 于 促 進 夾 雜 物“碰 撞-聚 合-長 大-上浮-去除”的原 理，氣幕擋墻是去除夾雜物的一種行之有效的方法，但是要達到去除小顆粒夾雜物的目的，還需要綜合考慮吹氣量的大小、吹氣位置、透氣磚內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(圖10)，以及氣幕擋墻與其他控流裝置的配 合。苑 品 等[44]為降低中間包澆注結(jié)束時的殘鋼量，在 擋 壩 底 部 開 通 鋼 孔，使 鋼 液 低 于 擋壩上檐時仍 能 流 入 澆 注 區(qū)，同時降低擋壩后死區(qū)，但擋壩開中 間 孔 會 形 成 部 分 短 路 流;為 此，在 中 間包內(nèi)吹氣，形 成 具 有 一 定 強 度 的 氣 幕 擋 墻，與 開 孔擋壩配合，既消除了擋壩開孔造成的短路流，也 進一步優(yōu)化中間包鋼液流動狀態(tài)，均勻鋼液成分和溫度，促進夾雜物最大限度的上浮去除。

　　采用中間包氣幕擋墻能夠延長中間包鋼液停留時間和峰 值 時 間，減 低 死 區(qū) 比 例，有 關(guān) 氣 幕 擋 墻促進中間包流場相關(guān)的實驗室研究工作較多，但工業(yè)應(yīng)用需 要 克 服 兩 個 難 點[45-46]：(1)氣 幕 吹 氣 量 太小起不到對流股提升的作用，達不到延長鋼液平均停留時間的 目 的，而氣量太大容易導(dǎo)致液面裸漏，引起卷渣 和 二 次 氧 化;(2)透 氣 磚 壽 命 和 透 氣 性 的維持與中間包壽命不同步，維護成本高。

　　總的來說，氣幕擋墻完全代替中間包內(nèi)其他控流裝置達到對流場有效改善和凈化鋼液的效果實現(xiàn)難度較大，主要由于氣幕流量太大會造成鋼液的二次氧化和 卷 渣，加 重 耐 材 的 侵 蝕，太 小 起 不 到 提升流股的作用。另外考慮到經(jīng)濟性和安全因素，氣幕擋墻更多的可以作為中間包冶金中一種附加的凈化鋼液 的 手 段。開 發(fā) 長 壽 命、安 全、便 捷 的 中 間包氣幕技術(shù)是促進其工業(yè)化應(yīng)用的保障。

　　3.2 中間包旋轉(zhuǎn)磁場凈化鋼液

　　中間包冶金的重要功能之一是凈化鋼液，通過控流裝 置 的 優(yōu) 化 可 以 起 到 改 善 流 場、延 長 停 留 時間，促進夾 雜 物 碰 撞、聚 合、上 浮、去 除 的 目 的。但是現(xiàn)有 技 術(shù) 中，對 于 中 間 包 中 小 尺 寸，尤 其 10μm以下 夾 雜 物 的 快 速 去 除 仍 然 比 較 困 難。REN Z 等[47]提出中間包電磁凈化技術(shù)，在中間包澆注區(qū)施加旋轉(zhuǎn)磁場，利用鋼液旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使夾雜物向中心聚集，增加夾雜物相互碰撞長大和上浮去除的能力，其原理如圖11所示。施加旋轉(zhuǎn)磁場帶動鋼液形成大環(huán)流，延長了鋼液流動軌跡。在18t中間包的試驗中，施加旋轉(zhuǎn)磁場后中間包平均停留時間較未施加的 增 加 了21%，起到有效降低死區(qū)比例、去除非金 屬 夾 雜 物 的 效 果。中 間 包 中 施 加 旋 轉(zhuǎn) 速度對流場結(jié)構(gòu)有明顯影響，一定范圍內(nèi)電磁強度增加會改善鋼液混勻效果，但當(dāng)電磁強度超過某一限度時，其活塞 區(qū) 和 死 區(qū) 的 比 值 反 而 降 低，控 制 旋 轉(zhuǎn)速度在30r/min較為合理[48](圖12)。

　　4 中間包冶金的智能化控制

　　中間包冶 金 的 效 果 直 接 影 響 和 決 定 著 鑄 坯 的質(zhì)量，中間包中鋼液及工藝操作的信息是連鑄坯質(zhì)量評定的重要判據(jù)，也是連鑄工藝調(diào)整的依據(jù)。因此，中間包冶金的智能化是重要發(fā)展方向。

　　SUZ等[49]通過多位置的激光監(jiān)測技術(shù)識別中間包鋼液液位、鋼渣厚度，從而對其進行實時監(jiān)測，如圖 13 所 示，中間包穩(wěn)態(tài)澆注時測量 誤差為 ±2.5mm，澆注末期測量誤差±3.2mm，而現(xiàn)有方法主要通過重量反算推測，其 誤 差 在±30mm。隨著下游客戶小品種多規(guī)格的發(fā)展，同澆次異鋼種連澆也較為普遍，中間包內(nèi)鋼液的流動和混勻行為直接影響著混鋼區(qū)的長度 和混鋼澆注過程的 卷 渣。鋼種切換時，中間包液位太高則混鋼區(qū)太長，中 間切廢坯太多不利于成本控制;液位太低則卷渣和二次氧化現(xiàn)象 明 顯，不利于鋼質(zhì)量的控制，異 鋼 種 連澆的中間包混鋼模型是中間包冶金發(fā)展的一個重要需求[24]。中間包工作層耐材、涂抹料、引流砂等潮濕或者環(huán)境潮濕會導(dǎo)致澆注過程中間包增氫，對于氫含量有特殊要求的鋼種，如：重軌鋼，新中間包澆注的第1爐 和 第 2 爐 必 須 進 行 定 氫，當(dāng) 氫 質(zhì) 量 分 數(shù) 高 于0.0002% 時，必須進行緩冷，中間包快速在線定氫及鋼中氫含量預(yù)測模型是對氫有特殊要求高品質(zhì)鋼的重要需求之一[50]。另外，中間包的下渣監(jiān)測[51]、耐材熔損狀態(tài)監(jiān)測和識別[52]、中間包澆注過程溫度歷程的預(yù)測等都直接關(guān)系著生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量。

　　中間包冶金技術(shù)的智能化發(fā)展趨勢主要概括為以下幾個 方 面：(1)中 間 包 成 分、溫 度、氣 體 含 量的實時在線監(jiān)/檢測技術(shù);(2)中間包鋼液潔凈度指數(shù)的動態(tài)監(jiān) 測 技 術(shù);(3)中間包長壽技術(shù);(4)中 間包全生命 周 期 的 安 全 性 評 估 技 術(shù);(5)中 間 包 下 渣和渣厚的 實 時 動 態(tài) 監(jiān) 測 技 術(shù);(6)中 間 包 智 能 澆 注(烘烤、開澆、換包、保護澆注)技術(shù);(7)基于智能判斷的混鋼模型和鑄坯判級系統(tǒng)。

　　5 中間包冶金技術(shù)展望

　　隨著人們對中間包冶金認識的不斷深入，中間包冶金的作用也不斷豐富，在現(xiàn)代化鋼鐵生產(chǎn)過程中，中間包冶金應(yīng)該起到以下幾方面的作用：(1)鋼液凈化器的 作 用;(2)溫 度 控 制 器 的 作 用;(3)質(zhì) 量穩(wěn)定器的作用;(4)智能澆注和控制的作用;其發(fā)展方向也是圍 繞 上 述 功 能 的 不 斷 完 善，諸 如：氣 泡 誘導(dǎo)去除夾雜 物 技 術(shù)、鋼 液 過 濾 技 術(shù)、電 磁 凈 化 技 術(shù)等在凈化鋼 液 方 面 的 作 用;中 間 包 加 熱、中 間 包 真空保溫技術(shù)等在溫度控制方面的作用;非穩(wěn)態(tài)澆注技術(shù)、低鑄余控制技術(shù)等在穩(wěn)定連鑄坯質(zhì)量方面的作用;成 分、溫 度、氣 體 含 量 的 實 時 在 線 監(jiān)/檢 測 技術(shù)以及中間包全生命周期的安全性評估在智能澆注和控制方面的作用。

　　6 結(jié)語

　　中間包冶金是潔凈鋼生產(chǎn)的重要一環(huán)，其冶金效果直接 影 響 和 決 定 著 鑄 坯 的 質(zhì) 量。中 間 包 冶 金的核心目標(biāo)是完成對凝固前鋼液的充分凈化，實現(xiàn)連鑄的恒 溫、低 過 熱 度 澆 注。中 間 包 的 大 容 量、深熔池澆注，中 間 包 電 磁 凈 化 技 術(shù)，中 間 包 氣 幕 擋 墻及控流裝置組合優(yōu)化都是凈化鋼液的有效手段;需要指出的是，中間包加熱技術(shù)應(yīng)該是對澆注過程溫降損失補償?shù)囊环N“微調(diào)”，而不應(yīng)該是對溫度遠低目標(biāo)區(qū)間鋼 液 的 再 加 熱，中 間 包 的 恒 溫、低 過 熱 度澆注是以強化反應(yīng)容器保溫效果、降低澆注過程溫度損失為前提的。未來，中間冶金的智能化也將是發(fā)展趨勢。