钢中夹杂物得去除与控制

钢中夹杂物去除与控制

刘金刚 刘浏

（钢铁研究总院冶金工艺研究所，北京100081）

摘要：通过对钢包—中间包—结晶器中不同环节中的去除夹杂物的不同手段进行综合分析，得到各环节中间包均应保护浇注和防止卷渣卷气，中间包应具有合理的结构（上下挡墙、湍流抑制器、旋涡抑制器）以得到合理的流场；利用钢包注流的剪切破碎作用在中间包中生成的小气泡、中间包气幕挡墙和电磁搅拌离心流动可以有效去除钢水中夹杂物；电磁制动技术日趋成熟但其能耗较大，因此可以发展低能耗的中间包真空浇注对结晶器液面波动进行抑制。电磁搅拌和电磁连铸有利于改善铸坯的内部质量和防止振痕的产生。

关键词：中间包夹杂物去除控制

Inclusions Removal and Control in the Steel Melt

Liu Jingang Liu Liu

(CISRI, Beijing 100081)

Abstract: Through synthetic analysis of various methods to remove inclusions during ladle-tundish-mold processes, it was found that using protective casting, avoiding gas and slag wrapping are important measures for clean steel production. The structure of the tundish should be reasonable, (dam, weir; turbulence inhibitor; vertex inhibitor) in order to get a preferred flow pattern. It could also utilize the shear flow from ladle to tundish to form small gas bubbles, utilize gas bubble curtain and electromagnetic stirring caused centrifugal flow to remove inclusions from steel melt. Electromagnetic braking technology is gradually raped but it was very energy consumed, thus it could develop low energy consumption vacuum tundish casting technology to control the fluctuation of melt surface in mold. Electromagnetic stirring is good for improving inner quality of slab and preventing the oscillation marks formation.

Keywords: tundish, inclusion, remove, control

二○○三年我国钢产量已达到2.7亿吨，但由于质量问题一些高品质钢材仍需进口，这已经成为我国钢铁工业发展的障碍，影响我国钢铁产品走向世界。钢质量问题也已经成为我国由钢铁大国转变为钢铁强国的限制性环节，因此提高钢质量以增强国内钢铁企业的竞争力十分重要。提高钢质量重点是提高钢的洁净度、对钢中夹杂物进行严格控制。

1钢水脱氧与保护浇注

钢中夹杂物可分为内生和外来夹杂物，内生夹杂物主要是脱氧和合金化元素与溶解在钢液中的氧以及硫、氮的反应产物所形成的夹杂物。外来夹杂物是钢液与空气、耐火材料、炉渣及保护渣相互作用的产物以及机械卷入钢中的各种氧化物[1]。因此提高钢质量必须通过控制内生夹杂物和减小外来夹杂物两个方面进行控制。

1.1钢水脱氧

钢中内生夹杂物大部分可以（约90%）去除，而没有来得及去除的夹杂物被滞留在钢坯中[2]；而钢中内生夹杂物量与钢液中的全氧含量成正比关系，因此对钢水进行深脱氧可以有效减小钢中夹杂物。

在对钢水进行脱氧时仅采用一种脱氧剂或仅采用弱复合脱氧剂无法达到要求，如锰、硅复合脱氧可将钢水中的T[O]降到30ppm~50ppm，而铝具有很强的脱氧能力，因此一般采用锰、硅预脱氧然后进行铝强化脱氧，这样可将氧含量降到10ppm以下[3]，但采用铝脱氧后容易形成簇状氧化铝夹杂，因此应该采取措施对其进行去除和控制，如利用钙、钙合金及其他合金脱氧[4~6]改善脱氧效果并实现夹杂物变性处理，尽量减小脱氧产物的危害。

1.2保护浇注与防止卷渣

通过保护浇注防止钢液二次氧化、钢水卷渣等措施可以减小钢中外来夹杂物，尤其是可以减少对钢质量有严重危害的大型夹杂物。

1.2.1无氧化烘烤与电磁感应加热

为降低中间包耐火材料损耗，改进钢质量，国外有些钢厂已采用热中间包交换技术。采用陶瓷蓄热体换热器，向中间包喷入加热至1500℃的氮气流，使中间包经过很长时间仍保持高温。结果表明：与使用密封气体等待较长时间的情况相比，降低了总氧量，提高了钢水的清洁度，有研究证明对T [O]<10ppm的高洁净钢增加高频感应加热的功率仍能降低钢中夹杂物，同时中间包加热有利于防止浸入水口堵塞[7，8]。

1.2.2保护浇注与防止卷渣

二次氧化是污染钢液的重要原因。钢水精炼后到连铸过程中的钢水裸露和卷渣均会造成二次氧化，形成夹杂物。钢液经过精炼后由于[O]、[N]含量比空气中的O2、N2的平衡值低得多，且钢中的[O]、[S]等都是强表面活性元素，因此钢液很容易发生二次氧化。渣中的易还原氧化物FeO和MnO也易造成钢液的二次氧化。因此必须采取进行保护浇注防止钢水的二次氧化。

由于钢包—中间包—结晶器各阶段卷渣所形成的大型夹杂物对钢质量有严重危害，因此必须防止卷渣。二次氧化和卷渣形成夹杂原因与防止措施如表1所示。

表1钢液二次氧化与卷渣形成夹杂原因与防止措施

Table1 Reasons for slag wrapping, secondary oxidation and prevention methods

夹杂来源夹杂形成原因防止措施

下渣检测

钢包出流水口旋涡卷渣

防止钢包汇流旋涡

注流冲击中间包液面造成钢渣界面的剪切力和表面波动

注流引起的液—液射流中间包流场控制如使用湍流抑制器[9, 10] 中间包大型化

长水口或套管保护浇注

卷渣

中间包水口卷渣防止中间包汇流旋涡

钢包到中间包注流二次氧化钢包注流保护浇注

中间包到结晶器注流二次氧化中间包注流保护浇注

中间包裸露钢液面二次氧化中间包覆盖剂（上层为炭化稻壳下层为液体渣如铝酸钙渣系）

钢包注流吸气中间包流场控制如使用湍流抑制器

二次氧化

中间包水口吸气防止中间包汇流旋涡

2中间包内夹杂物去除与控制

2.1中间包结构对夹杂物去除的控制

中间包控流元件（如上下挡墙、湍流抑制器等）的设置对包内非金属夹杂物上浮及均匀钢水温度、成分起着至关重要的作用。国内外许多冶金工作者[11-15]为强化中间包冶金作用建立了许多中间包流场模型，但其对于满足当前生产高质量钢种要求是否具有实际意义尚无定论，因此本研究在对湍流抑制器的作用进行了深入研究的同时，对比了四组条件下测得的RTD曲线和中间包去夹杂量综合评价中间包内流体的流动特性[16，17]，实验结果如表2所示。

表2 不同中间包结构停留时间及去除夹杂物实验结果对比分析

Table 2 Experimental results comparison for the effect of structures of tundish on staying time and inclusion

removing

中间包结构T min T peak T e C peakτT aθav V p R p/d R pm/d夹杂比例，%无控流方式12 50 340627.6740.210.090.110.27 6.0 单独使用湍流抑制器19 51 5337630.8900.260.100.140.37 5.3 单独使用上、下挡墙56 100 6804613.21580.460.230.420.84 1.3

挡墙与湍流抑制器组合43 120 616458.41350.390.240.400.66 2.5 由表2对比分析可知：

1）无控流条件下，参数τ、R p/d和R pm/d在各条件中均最小分别为7.63、0.11和0.27，夹杂比例为6%，是所测结果中最大值之一，因此无控流结构中间包是不合理的结构。

2）单独使用湍流抑制器时，参数τ、R p/d和R pm/d分别为30.8、0.15和0.37，夹杂比例为5.3%，与无控流条件相比R p/d增大，R pm/d也增大，这说明使用湍流抑制器对改变流场有一定的作用，但作用较小。

3）单独使用上、下挡墙时，参数τ、R p/d和R pm/d分别为13.2、0.42和0.84，夹杂比例为1.3%，与单独使用湍流抑制器相比效果分别改善了233.3%、300%、227%和408%，R p/d和R pm/d都有很大改善，因此使用上、下挡墙对改善中间包流场有很好的作用。

4）当湍流抑制器与挡墙组合使用时，参数τ、R p/d和R pm/d分别为8.4、0.40和0.66，夹杂比例为2.5%，与单独使用湍流抑制器相比分别改善了367%、286%、178%和461%，与单独使用上、下挡墙相比参数τ有较大改善，而R pm/d有所减小，夹杂比例有所增大，因此在有挡墙的中间包中使用湍流抑制器对流场的整体改善效果不显著。

2.2中间包内钢液卷渣及其控制

在开浇、换包和异钢种连浇等非稳态浇注下的中间包来说钢液卷渣仍然是一个影响钢液质量的严重问题，因此必须对其加以抑制[18]，影响中间包钢液卷渣及主要控制措施如表1所示。在卷渣中对钢液质量构成直接危害的是中间包出口汇流旋涡所造成的卷渣影响[19]，钢铁研究总院研究得到通过减小中间包水口直径、使用塞棒和适当减小拉速等对中间包的结构参数和操作工艺参数进行优化可以在一定程度上减轻汇流旋涡的影响，同时研制成功了汇流旋涡抑制器，在全无控流条件中间包中和某钢厂现行条件中间包（具有上、下挡墙与塞棒）中其抑制汇流旋涡效果如图1所示[20]。

图1 汇流旋涡抑制器抑制效果

Fig. 1 Effect of vertex inhibitor for converging flow

其中：旋涡产生高度、开始卷渣高度和旋涡全通高度分别为在中间包中产生旋涡、旋涡开始贯通和旋涡全部贯通时对应的中间包临界液面深度。

由图1可知采用汇流旋涡抑制器可使现在普遍使用的具有上、下挡墙结构的中间包中旋涡特征高度减小一倍以上，这样既提高了钢液质量，又增大了钢水的收得率。

2.3去除夹杂物的工艺技术

2.3.1过滤器

20世纪80年代，日本开发了过滤技术在炼钢中的应用，并在普碳钢连铸中进行半工业试验。国内近年来也开展了陶瓷过滤器的开发，已研制成功多孔泡沫陶瓷过滤器，并在高温合金和连铸钢液中试用，取得一定的效果[21]。

2.3.2中间包吹气

中间包吹气是用惰性的气泡（氩气）清洗钢液，增强搅拌。中间包吹氩的主要方式是在中间包底部某个位置通过多孔砖或多孔氩管吹入微小气泡。中间包吹氩有三个作用：（1）氩气泡的浮力产生气泡泵现象，促使局部的湍动能耗散率显著增大，有利于夹杂物碰撞长大而排除；

（2）气泡可以捕获夹杂物并一同上浮，使微细夹杂物上浮速度增大到气泡上浮的速度。

（3）防止水口结瘤，将氩气直接吹入中间包水口，氩气随钢液进入结晶器后上浮逸出。

中间包内利用小气泡有利于去除夹杂物，而一般在钢包长水口吹氩得到的气泡个数较少，直径较大，如图2（a）所示。钢铁研究总院通过控制吹气量和吹气位置利用钢包注流对气泡的剪切和冲击破碎作用得到极细密的气泡如图2（b）所示，其大部分直径均小于1mm，这种气泡对夹杂物的去除有很好的作用。

（a ）一般小气泡 （b ）细密小气泡

图2所得气泡大小对比

Fig. 2 Comparison of size of gas bubble

不同直径气泡对夹杂物去除的数值模拟效果如图3所示，由图可知气泡直径越小夹杂物去除效果越好。

时间/s 夹杂物数量浓度1010n .m

-3

图3气泡直径对中间包出口处夹杂物（10μm 级）浓度的影响

Fig. 3 Effect of diameter of gas bubble on the inclusion concentration (10μm level) at the outlet of tundish

同时通过研究在中间包的注流冲击区进行底吹气也可以使吹入的大气泡冲击破碎为小

气泡。

2.3.3中间包气幕挡墙

中间包“气幕”挡墙是通过垂直于沿包底流动的液流布置的排列成列的吹氩孔口，向中间包内吹氩，吹入的氩气泡在中间包内钢液中产生一道“气幕”[22]。气幕使中间包内死区体积分率显著减少，使活塞流体积显著增大。有研究证明将实际生产中使用气幕挡墙和原有渣堰的效果进行对比分析得到使用气幕挡墙后可使大颗粒非金属夹杂物的数量明显减少[23]

，同时由于气幕挡墙本身对钢液的污染少因此该技术在生产洁净钢时有很大的应用潜力。

2.3.4中间包离心流动

Y . Miki [24]等人开发了电磁驱动离心流动中间包以去除钢中非金属夹杂物。该中间包分为圆筒形旋转室和矩形室，钢水由钢包长水口进入旋转室，在旋转区内受电磁力驱动进行离心流动，然后从旋转区底部出口进入矩形室进行浇铸。

稳态浇铸时电磁离心搅拌后全氧含量由8ppm~15ppm 降到7ppm 以下[25，

26]。

2.3.5电磁过滤

电磁过滤原理是根据非金属夹杂物与熔体导电性的差异，在电磁场作用下非金属夹杂物

与熔体的运动规律不同，使用非金属夹杂物与熔体分离。分析得出，采用电磁过滤法可有效去除粒径小于10μm的非金属夹杂物，比普通过滤方法可更有效去除钢液中小于10μm的非金属夹杂物[27，28]。

3结晶器内夹杂物上浮与卷渣的控制

浇注过程中结晶器是影响钢水清洁度的重要环节。结晶器内液面波动加剧和钢水的表面流速增大均会对钢水卷渣、保护渣对夹杂物的捕捉、铸坯表面裂纹产生不利影响。注流对结晶器的冲击、浸入式水口的结构和位置以及高拉速下形成的铸坯鼓肚被支撑辊压挤[29]均会造成结晶器内钢水的液面波动。围绕减少结晶器内的液面波动和减小结晶器表面流速，冶金工作者做了大量研发工作，目前对结晶器内钢水流动进行有效控制技术大致分为传统浇注系统的流场[30，31]、电磁技术[32，33]、浸入式水口结构优化[34，36]和中间包真空浇注技术等[37]。

3.1连铸机型选择

连铸机的机型对铸坯内夹杂物的数量和分布有着重要影响[38，39]。不同的连铸机机型，其铸坯内夹杂物的分布有很大差别；弧形结晶器中上浮的夹杂物容易被内弧侧液固界面所捕捉。直结晶器中液相穴夹杂物的上浮比较容易，夹杂物分布较均匀。同时，连铸机的机型也影响着夹杂物的数量。综合考虑投资和钢质量要求可选择立弯式连铸机。

3.2电磁制动（EMBR）

利用电磁制动技术控制结晶器内的流场，去除非金属夹杂物已经引起了国内外学者的重视并取得了初步的进展[33，40~44]：

1)电磁制动作用于浸入式水口可以减小钢液偏流；

2)电磁制动作用于结晶器中浸入式水口出口流股上可以减缓其速率，扩大非金属夹杂物的上浮区；

3)电磁制动作用于弯月面区域对钢液的运动起抑制作用，磁感应强度越大，这种趋势越强；拉速提高，电磁场对弯月面区域钢液运动的抑制作用更好。

3.3电磁搅拌（EMS）

交变电磁场可在液体金属中产生电磁驱动力，根据此原理开发的连铸电磁搅拌技术使钢液产生强制流动，使铸坯的高温区与低温区充分混合，加快过热度的导出，并折断树枝晶，增加结晶核心及等轴晶数量，从而改善凝固组织，加快钢中夹杂物的去除，提高铸坯质量，能够使显微夹杂和宏观夹杂都得到明显改善[45-47]。按搅拌位置，电磁搅拌可分为结晶器电磁搅拌（M-EMS）、二冷区电磁搅拌（S-EMS）和凝固末端电磁搅拌（F-EMS），各搅拌方法适用范围如表3所示[48]。

表3 不同EMS方法的适用范围

Table 3 Scope of application of different EMS methods

适用范围M-EMS S-EMS F-EMS

表面结渣√

针孔√

皮下夹杂√

气孔√

漏钢√

柱状晶组织√√

内裂√√

中心偏析√√√

中心疏松√√√

V型偏析√

3.4电磁连铸（EMC）

采用电磁连铸时作用于铸坯壳上的电磁力可使坯壳与结晶器钢板不接触从而降低铸坯壳与铜板之间的传热，即冷却降低。这样防止了振痕的产生也能防止夹杂物和气泡的富集。由于没有振痕且可以防止纵裂纹的产生[50~53]。电磁连铸的原理如图4所示。

图4电磁连铸原理图5旋流型水口示意图Fig. 4 Principle of electromagnetic casting Fig. 5 Schematic diagram of the vertex nozzle 3.5水口结构优化

Yuichi Tsukaguchi等人[34，35]开发了旋流型浸入式水口，他们分别在小方坯用单孔水口和板坯用双侧孔水口中嵌入了螺旋型曲面板（如图5所示）。对于小方坯连铸使用旋流型水口后，在水口出口端很短距离内即可获得均衡的速度分布，与传统水口相比在弯月面附近热量和质量传输大大增强。对于板坯连铸中使用旋流型水口后使结晶器内的周期高幅波动得到大大抑制，使钢水流动平静而均衡，提高了铸坯质量[54]。

3.6中间包真空浇注技术

连铸过程中对中间包进行真空处理，以前的研究主要集中于脱气和去除夹杂两个目的，如B. P. 克里莫夫[55]利用如图6的装置进行脱气处理。而通过控制钢液向下的浇注速度来控制结晶器窄面液面波动、减小钢液的表面流速，进而避免或减少结晶器液面波动和卷渣的中间真空包浇注[56，57]（如图7所示）技术在钢铁研究总院工艺所进行了水模试验。

钢包

进水阀门

浸入式水口

真空计

6

54123真空泵

1—钢包；2—移动托架；3—真空室；4—液压缸；5

—SEN ；6—中间包；7—结晶器 1、2、3—电容式液位传感器（波高传感器） 4、5、

6—为压力传感器 图6连续真空处理装置结构示意图 图7中间包真空浇注技术示意图

1-ladle; 2-movable support; 3-vacuum chamber; 4-hydraulic cylinder 5-SEN; 6-tundish; 7-mold 1, 2, 3, Capacitive liquid level sensors (wave height

sensor), 4, 5, 6, pressure sensor

Fig. 6 Schematic diagram of continuous vacuum

treatment equipment

Fig.7 Schematic diagram of tundish vacuum casting

technology

他们采用液位和压力随时间变化的标准差（Standard Deviation ）[58]值作为参量描述结晶器液面波动和结晶器侧壁压力变化的剧烈程度。所得真空室压力对结晶器液面波动和窄面压力变化的影响如图8所示。

0.04

0.050.060.07

0.08

真空室压力 kPa 液面波动标准差

0.002

0.003

0.004

压力波动标准差

真空室压力 kPa

（a ）液面波动 （b ）压力变化

图8真空度对液面波动和压力变化标准差的影响

Fig. 8 Effect of vacuum degree on the standard deviation of liquid surface and pressure fluctuation

由图8（a ）和图8（b ）可以看出液面波动和压力变化标准差均随真空度减小而增加，

且各电极间规律一致，说明真空度增大使进入结晶器流体的流速降低，从而使结晶器流场稳定性增强，可以明显抑制液面波动和窄面压力变化。

振幅(m m )

时间 (s)

图9真空对液面波动的抑制效果

Fig.9 Effect of vacuum on inhabitation of liquid surface fluctuation

由图8可知真空可使某点液面波动标准差由非真空时的0.08降低到真空时的0.04，对

应该点液位随时间的变化关系如图9所示，由图9可看出非真空下液面波动较剧烈，在真空下液面波动很小。

4结论

综上所述可得以下结论：

1）钢水在钢包中应尽可能脱氧以减少钢中夹杂物；

2）钢包到中间包、中间包钢液面和中间包到结晶器应进行全保护浇注，同时在钢包到中间包和中间包到结晶器间要防止吸气卷渣；

3）合理的中间包结构（上下挡墙、湍流抑制器、旋涡抑制器）不仅可以最大程度防止吸气卷渣而且可使钢水混合均匀更好的去除夹杂物；

4）利用钢包注流生成的小气泡和中间包气幕挡墙可以有效去除中间包内钢水中夹杂物，在实际生产中有很大的发展空间；过滤器去除夹杂物的过滤效率尚不够高，但比仅仅采用坝和挡墙等控流装置优越；电磁搅拌离心流动也可以去除中间包内夹杂物；

5）立弯式连铸机比弧形连铸机更有利于夹杂物上浮，因此为较好选择； 6）电磁制动技术和新型旋流型浸入式水口可以减小液面波动、降低注流对结晶器冲击，改善结晶器流场；电磁搅拌可改善铸坯的内部质量；电磁连铸技术可以防止振痕的产生；

7）中间包真空浇注对结晶器液面波动和压力变化有明显抑制作用，真空度越高，液面波动和压力变化越小；

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表2符号意义 物理量 物理意义 物理量物理意义 物理量物理意义 T min 开始响应时间，s T peak 出现最大波峰时间，s

T e 浓度衰减到10%的时间，s T a

平均停留时间，

)

()(t C t tC ∑∑，s

V p

活塞区体积分数

2

min peak

θθ+

τ

浓度衰减与增大所需时间之比，

min

T T T T k pea peak e ??，s

C peak

最大浓度，量纲为1 θav

非滞留区体积分数，Ts Ta

R p/d

活塞区体积分数与滞

流区体积分数比，

d

p

V

R pm/d

活跃区体积分数与滞流区

体积分数之比，

d

pm V V

夹杂比例

夹杂量与加入粒子总量之比，夹杂比例越大钢纯净度越低