中间包及其在钢连铸中的作用

中间包及其在钢连铸中的作用

钢的连铸是一种应用广泛的工艺，是钢生产中的重要一步。自 1950 年代引入连铸工艺以来，全球连铸钢的份额显着增加。目前，这一份额约为 97%。然而，随着工艺使用量的增加，随着连铸机产量的不断提高和铸件尺寸的增大，严格的质量要求变得至关重要。

在连铸过程中，为了将钢水从钢包浇注转移到结晶器，需要使用称为中间包的中间容器。中间包位于模具上方，用于接收来自钢包的钢水并以规定的速率将其送入模具。需要以设计的生产速率和温度将钢水均匀地输送到模具中，而不会引起夹杂物的污染。钢水从钢包流出进入中间包，中间包将不连续的二次冶金过程与连铸过程联系起来。

中间包平滑流动，调节模具钢进料和清洁金属。留在中间包内的金属残留物被称为中间包头骨，需要清除，通常采用机械方式（刮削、切割）。以这种方式回收的废钢通常在炼钢过程中进行回收。

中间包在分批钢包工艺和连铸工艺之间起着缓冲容器的重要作用。它也是连铸前的最后一个冶金容器，因此，它在输送具有正确成分、温度和质量的钢材方面起着至关重要的作用。在过去的几十年里，随着对钢材质量的要求越来越严格，这一功能变得越来越重要。

中间包在连铸过程中的作用是（i）使进入铸模的钢水流稳定，进而实现恒定的铸造速度，（ii）铸造一系列炉次，（ iii) 在不中断模具中钢水流动的情况下将空钢浇包更换为满钢浇包， (iv) 如果需要，用两种不同钢号的两种不同炉次的钢制成混合钢种，( v) 提供防止夹杂物和熔渣进入中间包从而滑入模具的可能性， (vi) 加强氧化物夹杂物的分离， (vii) 保持模具喷嘴上方稳定的钢水高度，从而保持钢流恒定因此浇注速度也保持恒定，并且 (viii) 为模具提供更稳定的流型。

中间包的主要功能是作为钢包和结晶器之间的钢水库，在多股连铸机的情况下，将钢水分配到不同的结晶器中。中间包保证钢包更换过程中钢水向连铸机的进料，起到钢水缓冲的作用。由于中间包在更换钢包期间起到钢水储存器的作用，并且在进钢水因更换钢包而停止时继续向结晶器供应钢水，因此它可以通过多个钢包进行顺序浇注。可行。

中间包是一种内衬耐火材料的容器，具有多种可能的几何形状。它是一个长方形大端向上的耐火内衬开口容器，顶部可以有一个耐火内衬盖。中间包有几种类型和形状。中间包通常是细长的和几何简单的形状。中间包的形状通常为矩形，但有时也使用三角形和“T”形。多流方坯和大方坯连铸机的一种常见中间包设计是槽形，浇注箱在中点偏移。对于板坯连铸机，中间包通常为短箱形或盆形。

中间包设计用于以设计的输出速率输送钢水，而流量不会发生重大波动。流速主要由熔体的深度控制。可以通过塞棒或滑动门进一步控制出口流量。出口的数量取决于所进行的铸造类型。中间包注入钢水的结晶器数量一般为板坯连铸机1～2个，大方坯连铸机2～6个，方坯连铸机2～8个。

中间包底部有一个或多个带有滑动门或塞棒的孔，用于控制金属流动。它用于将钢水送入连铸机的模具中，以避免飞溅，并使流动更顺畅。通过保持中间包内钢水深度不变，钢水进入模具的速度保持不变。

中间包通常分为两个部分。第一个部分称为入口部分，通常有一个浇注箱，钢水从钢包中进料。第二个部分称为出口部分，钢水从这里进入模具。来自钢包的浇注流向下引导至中间包底部的位置，该位置由耐磨冲击垫保护。该位置通常尽可能远离中间包喷嘴，以尽量减少湍流。在其他地方，中间包内衬耐火衬里。

中间包提供连续的钢水流，并充当二次精炼装置。连铸中间包中的流动行为决定了钢铁生产的质量和清洁度。中间包钢水的精炼是通过浮选在其停留期间上表面的非金属夹杂物进行的。这些漂浮的夹杂物从表面上移除。中间包流体流动在控制夹杂物去除和停留时间计算中起着至关重要的作用。为实现中间包的最佳流动特性，配置了流量控制装置。

不同的流量控制装置，例如水坝、堰、带孔的挡板等，通常沿中间包的长度布置。优选钢水路径较长，以延长钢水在中间包中的停留时间，以促进宏观夹杂物的上浮。流动控制装置还减少了湍流对钢水表面、进入模具的钢水流和死区的不利影响。

对于尺寸、形状、磨损和挡板以及混合时间的预测，中间包流量优化是必要的。中间包流动优化的好处是 (i) 改善混合和均化时间，(ii) 识别非活动流动区域（死水），(iii) 延长耐火材料磨损的区域，(iv) 分离非金属夹杂物， (v) 温度分层控制。

如今，几乎所有连铸机都使用了用于保护浇注料流在钢包和中间包之间以及中间包和结晶器之间防止再氧化的喷嘴，至少在铸造高等级钢时是这样。它们位于其底部，用于将钢水分配到模具中。各种设计的塞子控制喷嘴和滑动浇口都用于控制钢水从钢包到中间包和从中间包到模具的流动。中间包钢水的自由表面通常覆盖有中间包熔剂，以避免钢水再氧化和热量损失。

钢水的排放速率由喷嘴的孔径和喷嘴上方的铁静压力（中间包中钢水的高度）控制。根据被铸造的截面尺寸和所需的铸造速度选择不同的孔。当生产铝镇静钢时，塞杆控制喷嘴用于铸造板坯和大截面。在此应用中，通过喷嘴的钢水排放速率可通过设置与喷嘴开口相关的塞头来手动或自动控制。早期的超大喷嘴用于铸造铝镇静钢，因为氧化铝会堆积，因此可以升高塞头以补偿流量的降低。

脱氧实践的最新发展以及通过塞头和喷嘴单元使用氩气鼓泡使氧化铝堆积问题最小化。控制来自中间包的钢水流量的另一个发展是应用类似于钢包上使用的滑动浇口系统。中间包的滑动浇口系统通常由三板式组成，还可以提供在浇注过程中更换水口以及改变水口尺寸的能力。图 1 显示了连铸机中的中间包及其组件。

图1连铸中间包及其组件

中间包通常在铸造前预热，以尽量减少铸造初始阶段钢水的热损失，从而避免金属凝固，特别是在关键喷嘴区域。中间包盖也用于减少整个铸造过程中的辐射热损失。

中间包车用于转移中间包。它是一种运输中间包的自行式运输车。每个中间包由处于备用位置的加热装置加热到高温，并在即将开始浇注前由中间包车运送到浇注站。中间包车除行走功能外，还包括将每个中间包底部的浸入式水口插入模具的升降功能、调整浸入式水口位置的定心功能和钢水液位自动控制功能。用于使钢水保持在恒定水平以通过浮选分离杂质。中间包车的尺寸通常随着钢绞线数量的增加而增加，并且与相邻设备的干扰变得更紧密。因此，需要有一种结构动力学上精益的机制。

中间包车一般为半悬挂式设计，安装在主操作平台上。它通常是液压驱动的，用于支撑和输送中间包以进行浇注或加热。钢水液位自动控制的重要装置之一是称重装置，它需要在重量不时变化的情况下，高精度地测量每个中间包中钢水的重量。中间包车采用称重机构进行称重，可以连续监测钢水的重量。

从稳态和非稳态的角度来看，中间包需要提供 (i) 足够的容积来桥接钢包更换，(ii) 适当的操作深度，(iii) 均匀的流向所有铸流分布，(iv)夹杂物浮选的最佳停留时间，(v) 安静的表面，(vi) 隔热和化学绝缘，包括适当的耐火材料，以及 (vii) 低排水重量以优化产量。

作为冶金反应容器的中间包

对具有改进性能的钢的需求不断增加，例如提高强度、延展性、耐用性和耐腐蚀性，这是各种应用所必需的。人们还希望提高炼钢过程的能源和成本效率，并解决环境问题。这些问题促进了中间包向冶金反应器的发展，其功能是在浇铸前对熔体的性能进行最终控制，以获得具有所需机械性能的最终钢材。

由于中间包是铸造前炼钢过程的最后阶段，它也为钢水的成分控制提供了最后机会。中间包成分控制的主要形式是在浇注时限制钢液中非金属夹杂物的数量和大小。

在钢水通过中间包输送过程中，钢水与耐火材料、炉渣和大气相互作用。随着对钢材质量的持续重视，现在越来越清楚的是，中间包作为连续冶金反应器的功能比最初设想的要重要得多。因此，中间包的正确设计和操作对于交付具有严格成分和质量的钢材非常重要。现代中间包的设计旨在为进行各种冶金操作提供最大的机会，例如夹杂物分离、浮选、合金化、钙处理夹杂物改性、过热控制、热和成分均匀化，从而开发出一个单独的二次精炼领域。钢，简称“中间包冶金”。

多年来，连铸中间包发生了翻天覆地的变化。从单纯的储罐和分配容器，今天的中间包被视为炼钢容器。今天的中间包还实现了某些冶金功能，例如以受控速率将钢水送入模具，以及热和化学均质化等。它还专注于不断改进许多与质量相关的参数，例如流体动力学、隔热、夹杂物浮选脱除、取氢等。

连铸中间包具有多种作用，包括 (i) 炼钢质量链中的关键环节，(ii) 连续精炼机和 (iii) 冶金信号的发送器。该过程的关键仍然是不受控制的中间包变成了污染物而不是精炼机。不可否认，中间包与之前的钢包和之后的模具一样，都是清洁钢实践的一部分。如果初级和次级炼钢过程中钢的质量在中间包中丢失，则生产满足预期应用的优质产品的能力完全取决于模具中的回收率。这是一项艰巨的任务，考虑到钢在模具中停留的时间有限，这提供了在完全凝固之前的最后阶段清洁钢的有限能力。

中间包的上表面需要与大气隔绝。在大多数连铸机中，这是通过添加中间包助熔剂层来实现的。中间包助熔剂层产生表面熔渣。除了需要吸收夹杂物外，中间包渣层的主要功能是保温、化学绝缘和钢包渣的缓冲。中间包渣覆盖物可以是复杂的工程化多组分化学混合物，例如基本熔剂（石灰/二氧化硅比大于 2），也可以是简单的纯化学绝缘酸渣，例如烧焦的稻壳灰或硅藻土，两者本质上都是由二氧化硅组成。

中间包被视为钢水的污染物。钢水夹杂物形成和污染的主要原因包括脱氧产物、钢包内衬侵蚀产物、从钢包中夹带的钢包渣夹带、过度波动夹带中间包渣，特别是在入口区、钢包的再氧化。钢在中间包中被空气、低温夹杂物如TiO2夹杂物的析出、中间包内衬的侵蚀以及各种熔渣乳化到钢液中。明显的污染通常发生在连续浇注的过渡时期，即在两炉过渡的钢包更换期间。

在钢水被送入铸造机的结晶器之前，在钢水流过中间包的过程中，污染物或夹杂物需要从钢水中浮出。夹杂物可以通过以下机制去除，包括 (i) 浮力上升和顶部渣的吸收，(ii) 流体流动输送，(iii) 氩气气泡浮选，(iv) 夹杂物通过碰撞和“Ostwald-Ripening 和浮选”增长'和 (v) 内衬耐火材料的夹杂物吸收。最终夹杂物的目的地包括顶渣、内衬（安全去除）和模具（如果在模具中不去除，铸件可能存在缺陷）。

通过防止中间包中夹杂物的形成和生长，以及去除从钢包带入中间包的夹杂物，可以减少流出中间包的熔体中夹杂物的数量和尺寸。因此，在钢包操作过程中遵循正确的做法以降低输送到中间包的钢水中的夹杂物也很重要。

中间包的另一个重要功能是控制输送到连铸过程的钢水温度。由于从钢包中倾倒钢水可能需要一个小时，因此入口流的温度会随时间而变化。再加上中间包本身的热损失，因此可以预期正在铸造的液态钢的温度在铸造过程中会发生波动。然而，钢水温度会影响产品的质量和性能、铸机的运行以及耐火材料的磨损。因此希望限制波动并保持温度尽可能接近最佳值。由于中间包起到缓冲罐的作用，如果中间包中的混合充分，输送到连铸机的钢水温度波动可以大大降低。

已经对中间包进行了几项研究，以最大限度地利用可用于浮选和同化反应产物从钢水进入渣相的停留时间。反应产物可以是脱氧、再氧化、沉淀、乳化和/或将耐火组分夹带到钢水中的产物，因此包括固有夹杂物和外生夹杂物。基于中间包设计的合理选择，中间包的操作需要适应 (i) 通过最大化停留时间来促进夹杂物浮选，(ii) 确保被俘获且无腐蚀性的炉渣同化夹杂物，(iii)减少钢水的热和化学损失，(iv) 最大限度地减少短路和死区，以及 (v) 为操作员提供质量和产量的最佳设计。

通过中间包的流动是一种流体动力学现象。它包括单相湍流流动、从钢包长水口注入气体时的多相流体流动、停留时间分布、夹杂物的生长及其运动和去除、混合和品位转变、热能传输和开始时的涡流形成和铸造的结束。中间包内流体流动优化的目的是为了达到去除钢水夹杂物的最佳流动模式。中间包中的流动优化可以通过中间包的形状和流动控制装置来实现，例如湍流抑制剂、冲击垫、挡板、堰和坝。中间包的设计方式应通过提供 (i) 高平均停留时间，(ii) 小严重湍流、死区和短路体积，(iii) 大量层流来实现最佳流动和更高的清洁度区域，（iv）在合适的湍流区强制凝结和夹杂物的漂浮，被覆盖渣同化，（v）避免“睁眼（红眼）”造成钢水表面裸露，防止空气吸收。

找到解决中间包冶金挑战的基础，有一些基本要求。这些要求包括 (i) 使用适合车间调速和过渡要求的中间包尺寸，(ii) 用适当温度的钢​​水按时送出并适当清洁，(iii) 最大限度地提高无钢包开口性能, (iv) 打开浸没式和完全覆盖的炉膛, (v) 利用钢包渣自动检测和关闭来避免渣、炉衬和耐火材料中的易还原氧化物, (vi) 渣的设计以满足应用要求，(vii) 确保输送系统不会泄漏或吸入空气，(viii) 设计中间包流量控制装置（包括冲击垫）以最大限度地提高浮选和减少过渡，(ix) 以最大程度运行中间包稳态运行期间的体积，(x) 使用惰性气体吹扫等技术以最大限度地减少瞬态影响，(xi) 如果可能，连续监测温度，(xii) 避免高温重新摆动以保持稳定的中间包流量，(xiii) 了解并解决堵塞问题的根本原因，以及 (xiv) 在不危及人员和模具安全的情况下最大限度地提高产量和生产率。

中间包耐火内衬

中间包内衬是冶金系统的另一个重要组成部分。衬里应该是惰性的并且不会导致钢中的外源夹杂物。中间包耐火材料可分为（i）衬里耐火材料和（ii）流量控制装置两大类。

与中间包相关的不同耐火材料包括中间包内衬材料（永久内衬和工作内衬）、水坝和堰、冲击垫、流量控制系统（单块塞子或滑动浇口）、中间包和模具之间的浇注流保护（罩或浸入式水口） )、中间包水口和阀座。水坝和堰由菱镁板或铝砖制成。从中间包到模具的钢水由浸入模具中钢水的喷嘴送入。浸入式水口应能抗腐蚀和抗剥落。喷嘴堵塞也很重要。常用的等静压浸入式水口采用氧化铝石墨-熔融石英。

中间包中的耐火材料对于在铸造过程中不间断、安全、当然还有盈利的高质量生产是必要的。耐火材料具有牺牲性质，对钢铁生产过程具有可衡量的成本和质量影响，因此应加以控制。在利用中间包中钢的流动和能量时，耐火材料通过其物理存在和受控的化学反应，有助于将中间包变成一个连续的精炼容器。

中间包内衬材料对钢水质量有直接影响，因为它接近凝固阶段。中间包工作衬里与钢保持接触，随着中间包中钢水液位的波动，在钢水-空气界面处开始侵蚀。钢水中存在的不同金属氧化物是中间包耐火衬里的主要腐蚀剂。

中间包耐火内衬的使用寿命取决于内衬的质量和中间包渣的类型。耐火工作衬层与中间包渣之间的化学反应非常重要，特别是在高序号连铸的情况下。

希望中间包耐火材料具有多种不同的功能，包括耐钢水（高固相线温度）、耐中间包夹渣、低导热率（良好的隔热性能）、良好的稳定性（浇注过程中耐火材料不腐蚀） ，高抗热震性，化学惰性，使用后需一次性使用，价格合理。进一步的中间包耐火材料应具有低氧势、良好的机械抗性、易去壳、钢的吸氢率低等特点。

无论中间包中的耐火材料是否直接接触钢材，这些材料的错误选择或应用都会产生灾难性的后果，并可能影响操作人员的安全。防止钢渗透和最终中间包漏水的可能性最重要的是，不仅要选择具有适当绝缘、热强度和耐腐蚀性能的材料，还要避免直通接头。耐火材料中的台阶为钢提供了冻结的机会，以防它渗入，而结壳钢提供了一定程度的保持上覆液体的措施。

中间包使用的耐火材料要求具有高稳定性和特殊性能。中间包是耐火材料最重要的应用领域之一，也是连铸过程中最大的“成本控制中心”之一。与中间包相关的各种耐火材料有中间包内衬材料（永久性和工作内衬）、水坝和堰、冲击垫、流量控制系统（单块塞子或中间包滑动门）、中间包和模具之间的浇注流保护（护罩或浸入式水口） 、中间包水口和阀座。对于中间包内衬，有许多不同的内衬做法。图2显示了一个典型的中间包及其耐火材料。

图 2 典型的中间包及其耐火材料

不同的中间包耐火衬里做法可分为五种主要类型，即（i）砖衬里，（ii）可喷衬里，（iii）中间包板衬里，（iv）可喷涂衬里和（v）干法衬里。

砖衬 – 耐火砖衬里的概念最初是在 1950 年代引入连铸时用于中间包衬里的。这些衬里是高铝砖，本质上是钢包耐火工艺对中间包的延伸。这种类型的衬里存在许多困难，这导致了替代衬里实践的发展。

可炮衬 – 可喷衬里已经在日本开始商业化，以克服与砖衬里相关的一些问题。最初这些是基于铝硅酸盐的，后来转化为基于菱镁矿的或碱性类型以协助冶金实践。这种衬里提供了一个整体的无接缝结构和相对改进的去毛刺，但由于喷补衬里的密度相对较高，因此在预热时间或热损失方面几乎没有收获。在快速预热过程中，衬里仍有开裂和剥落的趋势。这也排除了在冷启动实践中使用喷枪衬里。

中间包内衬 – 1970 年代中期引入了一种新型中间包耐磨衬里。这种衬里由板系统组成，包括低密度、高绝缘、一次性、预成型和预固化的耐火板。易于去皮、无需设备投资以及二氧化硅品种的低成本也使其在许多钢铁制造商中大受欢迎。最初使用二氧化硅基板，仅允许“冷启动”实践。 1980 年代中期引入了菱镁板，以满足预热性的要求，即在制造高质量合金钢时考虑低氢的“热启动”实践。然而，劳动强度大、接缝和砂背的存在以及破损等仍然是板衬系统的固有障碍。但在劳动力成本低、应用技术不成熟的地方，板衬系统很受欢迎。

可喷涂衬里 – 可喷涂衬里的开发是为了克服与其他衬里做法相关的困难，并推动中间包衬里系统的自动化。在这种可喷涂的内衬系统中，浓浆经过混合后可以输送，最后用压缩空气“雾化”后沉积在中间包上。第一个机器人应用系统于 1982 年投入使用，该系统从 1980 年代后半期开始被广泛使用，因为与喷枪内衬相比，它具有较低的放置密度和更好地控制内衬厚度的显着优势。流化后不再需要转移干粉（根据喷补要求）。这使得将纤维和其他化学物质添加到质量和均匀混合和沉积成为现实。衬里可以预热，铸件进入“热启动”模式，或冷却至室温并作为“冷启动”中间包。在固化过程中，需要控制可喷涂内衬以确保内衬完整性，这要求中间包永久内衬的理想温度低于 100 摄氏度，以便令人满意地放置。湿法工艺（例如可喷涂衬里按重量计加水量高达 30%）以及软管和溢出物的存在可能会导致钢铁厂的运营健康和安全问题。即便如此，这种喷涂衬里系统还是成功地结合了板料和喷枪的许多优点，同时消除了接头、砂背、回弹损失、粉尘问题和绝缘差等缺点。

干式衬里 – 中间包干式内衬大概于 1986 年在欧洲推出。该系统与以前所有工艺的不同之处在于它以干粉形式应用，并且不需要添加水来形成中间包工作内衬。通常，它利用树脂键（粘合剂/催化剂反应），通过相对较低的热量（约 160 摄氏度）激活。根据所使用的产品，可能需要也可能不需要振动，但必须使用成型器，并且干粉被送入中间包永久衬里和成型器之间的间隙。大约 400 摄氏度的热空气被引入，加热周期大约需要 45 分钟，另外需要 30 分钟进行冷却。这样可以节省很多时间。不利的一面是，由于密度较高，干式系统的绝缘性较低。