CN102847923A - 一种低氩耗下稳定提高钢液纯净度的中间包及其冶金方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低氩耗情况下稳定提高钢液纯净度的中间包，该中间包通过设置挡墙、气幕砖和矮坝及其位置点，可以有效提高中间包冶炼钢液的纯净度。同时还提供了该中间包的冶金方法，该方法是在浇注工序中，在中间包钢液重量达到12吨后触发氩气自动调整系统，所述调整目标为：氩气流量的调整范围50～150L/min，氩气压力范围0.05～0.25Mpa。本发明可以在低氩耗情况下稳定提高钢液纯净度，总氧含量低于30ppm，优于现有技术。

Description

一种低氩耗下稳定提高钢液纯净度的中间包及其冶金方法

技术领域

本发明涉及不锈钢连铸领域，具体涉及一种可以在较低氩耗条件下稳定提高不锈钢钢液纯净度的中间包冶金方法和相应装置。

背景技术

目前，不锈钢的产品质量主要是钢的洁净度和表面质量问题，其中突出问题是夹杂物的去除和控制问题。夹杂物的存在不但严重影响了不锈钢的内部和表面质量，而且使不锈钢产品的耐腐蚀能力降低，目前国内不锈钢厂由于夹杂物导致的产品报废率高达20％以上。因此，不锈钢生产过程中以夹杂物控制为中心的洁净化技术越来越引起人们的重视。

近年来，用户对不锈钢产品质量的要求更加严格。不锈钢中的非金属夹杂物种类、组成、形态、尺寸分布和数量对不锈钢钢水的洁净度、可浇性、铸坯表面质量、板卷质量以及不锈钢的加工性能、力学性能、耐腐蚀性能和表面质量有决定性的影响，也是不锈钢产品市场竞争力的重要因素。

连铸中间包作为钢水凝固前的最后反应器，是提高不锈钢产品质量的重要一环。在连铸中间包内应该尽可能使钢中非金属夹杂物上浮去除，并且避免钢水的二次氧化，才能满足纯净钢的质量要求。通过中间包功能优化改变钢水流动状态和延长钢水在中间包内的停留时间，可以达到提高钢水纯净度的目的。许多立足于提高钢液纯净度的中间包冶金技术已经开发或投入使用，例如，中间包采用等离子加热或电磁感应加热技术可稳定铸温、铸速，降低浇注钢水的过热度，有利于稳定拉速；中间包采用挡墙和坝、隔板陶瓷过滤器、气幕砖、覆盖剂、液位自动控制和大容量化等技术措施，从而提高钢的清洁度。

从使用效果看，中间包内使用气幕砖进行氩气处理工艺具有高效去除钢液中夹杂物、快速改变中间包钢流运动轨迹的特点，但由于过程效果不稳定和氩气价格昂贵的原因，该技术的推广存在困难。

利用中间包氩气处理提纯钢液的相关专利信息为：

中国专利申请200910062737.5涉及一种连铸中间包气幕挡墙洁净钢液的方法，利用在中间包内嵌入的气幕砖吹氩气放入方法达到提高钢液纯净度的目的，该方案有利于夹杂物碰撞长大而被排除，可改善钢液流动特性和排除微小非金属夹杂物，有效地提高了钢液纯净度。但该方案中，不涉及具体的吹氩位置对钢液流动形态和夹杂物去除效果的描述，而这一点，对于提高钢液中夹杂物的去除效率是非常关键的；同时，由于浇注过程中间包的状态是不稳定的，该申请也没有关于在浇注状态不稳定的情况下达到稳定去除钢液中夹杂物效果的相关描述。

中国专利申请CN200710121680.2涉及一种连铸中间包气幕挡墙去除非金属夹杂物的方法。该方案仅描述了中间包气幕砖的尺寸和开浇前、浇注过程中的氩气流量和压力，和中国专利申请200910062737.5类似，该方案没有涉及气幕砖和中间包内其它坝堰的配合问题，也不涉及生产中常见的非稳态浇注过程中吹氩参数调整，更没有涉及降低氩气消耗方面的描述。

上述关于中间包利用氩气处理提纯钢液的专利或申请都仅描述了单一中间包气幕砖进行氩气处理的方法，而没有考虑钢铁企业连铸中间包内还存在挡渣墙、坝、堰等其它功能性耐材的事实，这些耐材的种类和气幕砖的不同布置和种类选择都将在很大程度上影响中间包氩气处理工艺提纯钢液的效果；其次，连铸过程是一个非稳态的过程，中间包内钢液高度随生产节奏的匹配会有波动，如果使用相同的压力和流量设置，在中间包高液面的情况下会造成吹氩效果不明显，在中间包低液面的情况下会造成液面大翻，钢液二次氧化严重，反而增加了夹杂物的总量；第三，由于氩气制备的特点，注定了相对于氮气等气体，氩气的价格是昂贵的，中间包开浇前需进行长时间的烘烤(一般3小时以上)，包衬最高温度达到1100℃以上，埋入式的气幕砖连接管在不通气冷却的情况下将很快熔化，其后的浇注过程吹氩效果将不复存在，而烘烤过程全程吹氩冷却将很大程度上影响生产成本，从而导致中间包吹氩工艺的不可行。因此，非常有必要开发一种低氩耗条件下稳定提高不锈钢钢液纯净度的中间包冶金方法，为不锈钢生产企业提升产品的市场占有率做出贡献。

发明内容

为了克服以上缺陷，本发明要解决的技术问题是：提供一种低氩耗条件下稳定提高不锈钢钢液纯净度的中间包冶金方法。

本发明的技术方案是，一种低氩耗情况下稳定提高钢液纯净度的中间包，包括挡墙和气幕砖，所述中间包内腔以挡墙分割为冲击区和浇注区，所述冲击区内钢液冲击点设置有湍流控制器；在所述浇注区包底砌筑有条状气幕砖，气幕砖设置在钢液冲击点后方1800～2500mm；在所述中间包冲击区设置有矮坝，所述矮坝位于钢液冲击点后方450～650mm处。

湍流控制器的作用是避免钢液自钢包水口下降过程集聚的动能在中间包内引起钢流紊乱。挡墙材料优选为镁质挡墙。为实现中间包内的惰性气体对钢液中夹杂物的驱离作用，需要有透气元件，透气元件的材质和透气方式可以有多种选择，也有现成的气幕砖产品。矮坝的作用是和挡渣墙配合引导钢液向上流动，对于中间包氩气处理来说，减弱了钢液到达气幕砖前的动能，为气幕砖发挥冶金效果创造了很好的动力学条件。

进一步地，除透气面外，所述气幕砖本体由镁质涂料覆盖，覆盖后气幕砖两侧面和水平面夹角5°-30°；气幕砖和包内钢液流动方向呈80°-90°夹角。覆盖后气幕砖两侧面和水平面夹角5°-30°，可以使钢液流经气幕砖时可以顺利通过，减少钢液流动时过分冲击气幕砖本体。气幕砖和包内钢液流动方向呈80-90°夹角，可以在浇注过程中产生隔断中间包钢液的弥散、细小氩气泡墙，钢液可以顺利通过气墙，但钢液中夹杂物被氩气泡捕获，并随气泡上浮至中间包渣面，从而达到纯净钢液的目的；同时，由于弥散气泡的向上运动，也带动穿越气墙的钢液向上运动，增加了钢液在中间包内的停留时间，也优化了钢液中及杂物的上浮条件。更优选的是，覆盖后气幕砖两侧面和水平面夹角为15°-30°。

根据本发明所述的低氩耗情况下稳定提高钢液纯净度的中间包，优选的是，挡墙位置在于钢液冲击点后方200～350mm处。

根据本发明所述的低氩耗情况下稳定提高钢液纯净度的中间包，较好的是，所述矮坝高度为150～250mm。

优选的是，所述浇注工位配置有串联的气体切换阀和减压阀。

本发明还提供了采用上述中间包的冶金方法，包括中间包烘烤、浇注工序和吹氩工序，在所述浇注工序中，在中间包钢液重量达到12吨后触发氩气自动调整系统，所述调整目标为：氩气流量的调整范围50～150L/min，氩气压力范围0.05～0.25Mpa。

氩气处理触发的前提条件和工艺参数控制范围是本发明冶金方法的关键。

根据本发明所述的冶金方法，在一个优选的实施方案中，所述中间包烘烤开始前接入氮气；在所述浇注开始前15～20分钟将气幕砖接入气体切换为氩气，氩气流量30～55L/min，压力0.05～0.10Mpa。接入氮气目的在于对烘烤过程中的气幕砖铜质连接气管进行冷却保护，避免高温下铜管熔化，同时，烘烤过程使用氮气可以大幅降低氩气的消耗。提前接入氩气的目的在于在中间包内提供惰性气氛，避免开浇后钢液在中间包内的二次氧化。

优选的是，所述氮气在中间包烘烤开始前2～5分钟接入；所述氮气压力设定0.2～0.5Mpa，氮气流量为30～150L/min。

优选的是，所述自动调整过程中，氩气的中间包钢液高度为45-108cm。

本发明在浇注开始后根据中间包内钢液高度变化自动调节吹氩压力和流量，避免吹氩处理过程中发生吹不开(无效果)或者吹破渣面(二次氧化)的问题发生。吹氩压力控制由减压阀控制，氩气压力、流量设定和中间包钢液高度(重量)连锁。吹氩压力、流量和中间包钢液高度(重量)的连锁控制由一套基础自动化和过程控制计算机系统以及相应数-模信号转换器组成。根据现有技术中的模型调控达到上述调整目标即可(调整目标为：氩气流量的调整范围50～150L/min，氩气压力范围0.05～0.25Mpa)。

本发明的有益效果是，通过在中间包内设置挡墙、湍流控制器等，并通过设定氩气调整目标，可以在低氩气情况下维持稳定的钢液纯净度，提高夹杂去除率，保证最终产品钢质的纯净度。铸坯总氧含量降低50％左右；铸坯中≥10μm的夹杂物被完全去除。使用本发明的技术方案生产304不锈钢，铸坯总氧含量平均为29ppm，采用常规技术方案的铸坯总氧含量平均35～45ppm，大大提高了纯净度。

本发明在中间包预热过程中切换使用氮气冷却，相比其它没有考虑这个因素的方案节约了氩气；氩气流量决定了使用效果，不是流量越低的氩气效果，冶金效果越好；本发明在浇注过程中根据中间包吨位调整氩气参数，也避免了氩气的浪费。

附图说明是

图1是带有气幕挡墙的中间包截面图。

图2是带有气幕挡墙、挡墙、矮坝、湍流控制器的中间包剖面图。

图3是中间包气幕砖安装细节图。

图4是铸坯内部质量情况对比图，A列为本发明，B列为对比。

图中，1-中包工作层，2-气幕砖，3-气路，4-中包外壳，5-中包永久层，6-接头，7-湍流控制器，8-挡墙，9-矮坝，10-镁质涂料，11-包底涂抹料工作层。

具体实施方式

实施例1

生产不锈钢牌号A需要中间包进行氩气处理，通知生产准备作业区后进行如下作业：

在中间包内砌入镁质挡墙8，位置在于钢液冲击点后方300mm，将中间包内腔分割为冲击区和浇注区；在冲击区钢液冲击原点处砌筑湍流控制器7；在钢液冲击点后方550mm处砌筑矮坝9；在浇注区据冲击点2100mm处砌筑气幕砖2。

气幕砖沿包底放置，和钢液流动方向呈90°，放置完成后采用人工方式将镁质涂料覆盖在气幕砖两个侧面，要求镁质涂料覆盖除透气面外的整个气幕砖表面，并使覆盖着涂料的气幕砖两侧和水平面夹角≤30°。

砌包完成后，中间包吊运至浇注工位进行烘烤，烘烤器点火前3分钟，操作工打开切换阀门接入氮气，氮气压力设定0.35Mpa，流量100l/min，烘烤过程中由于受到氮气冷却保护，即使在包衬温度达到1100℃的情况下，气幕砖连接管仍保持室温状态。

A不锈钢在精炼工位完成处理，将钢包吊运至浇注工位，浇注作业区操作工在钢包上回转台前将氮气切换为氩气，氩气流量40l/min，压力0.08Mpa，通过18分钟的吹氩，中间包内氧化性气氛被氩气稀释，此时烘烤继续进行。

烘烤器熄火，钢包内钢液进入中间包，此时氩气流量和压力维持不变。当中间包内钢液重量达到12吨，自动控制模式被触发，设定氩气流量50l/min，压力0.05Mpa，随着中间包内钢液重量上升，氩气流量和压力相应调整，直至标准中间包钢液重量25吨，此时氩气流量135l/min，压力0.225Mpa，中间包液面保持微微翻动状态，没有发生吹不开或者渣面翻腾的现象。

当异常情况出现，中间包内钢液重量下降或上升时，随着钢液重量信息传送至一次、二次仪表，并形成指令发送至减压阀完成氩气压力和流量的调整，保证中间包内正常、稳定的氩气处理，使钢液夹杂物去除的效率保持稳定。最终铸坯总氧含量22ppm。

实施例2

生产不锈钢牌号A需要中间包进行氩气处理，通知生产准备作业区后进行如下作业：

在中间包内砌入镁质挡墙8，位置在于钢液冲击点后方275mm，将中间包内腔分割为冲击区和浇注区；在冲击区钢液冲击原点处砌筑湍流控制器7；在钢液冲击点后方500mm处砌筑矮坝9；在浇注区据冲击点2000mm处砌筑气幕砖2。

气幕砖沿包底放置，和钢液流动方向呈90°，放置完成后采用人工方式将镁质涂料覆盖在气幕砖两个侧面，要求镁质涂料覆盖除透气面外的整个气幕砖表面，并使覆盖着涂料的气幕砖两侧和水平面夹角≤30°。

砌包完成后，中间包吊运至浇注工位进行烘烤，烘烤器点火前4分钟，操作工打开切换阀门接入氮气，氮气压力设定0.40Mpa，流量120L/min，烘烤过程中由于受到氮气冷却保护，即使在包衬温度达到1100℃的情况下，气幕砖连接管仍保持室温状态。

A不锈钢在精炼工位完成处理，将钢包吊运至浇注工位，浇注作业区操作工在钢包上回转台前将氮气切换为氩气，氩气流量50L/min，压力0.07Mpa，通过16分钟的吹氩，中间包内氧化性气氛被氩气稀释，此时烘烤继续进行。

烘烤器熄火，钢包内钢液进入中间包，此时氩气流量和压力维持不变。当中间包内钢液重量达到12吨，自动控制模式被触发，设定氩气流量50L/min，压力0.05Mpa，随着中间包内钢液重量上升，氩气流量和压力相应调整，直至标准中间包钢液重量25吨，此时氩气流量135/min，压力0.225Mpa，中间包液面保持微微翻动状态，没有发生吹不开或者渣面翻腾的现象。

当异常情况出现，中间包内钢液重量下降或上升时，随着钢液重量信息传送至一次、二次仪表，并形成指令发送至减压阀完成氩气压力和流量的调整，保证中间包内正常、稳定的氩气处理，使钢液夹杂物去除的效率保持稳定。最终铸坯总氧含量31ppm。

实施例3

生产不锈钢牌号A需要中间包进行氩气处理，通知生产准备作业区后进行如下作业：

在中间包内砌入镁质挡墙8，位置在于钢液冲击点后方335mm，将中间包内腔分割为冲击区和浇注区；在冲击区钢液冲击原点处砌筑湍流控制器7；在钢液冲击点后方530mm处砌筑矮坝9；在浇注区据冲击点1980mm处砌筑气幕砖2。

气幕砖沿包底放置，和钢液流动方向呈90°，放置完成后采用人工方式将镁质涂料覆盖在气幕砖两个侧面，要求镁质涂料覆盖除透气面外的整个气幕砖表面，并使覆盖着涂料的气幕砖两侧和水平面夹角≤30°。

砌包完成后，中间包吊运至浇注工位进行烘烤，烘烤器点火前4.5分钟，操作工打开切换阀门接入氮气，氮气压力设定0.30Mpa，流量90L/min，烘烤过程中由于受到氮气冷却保护，即使在包衬温度达到1100℃的情况下，气幕砖连接管仍保持室温状态。

A不锈钢在精炼工位完成处理，将钢包吊运至浇注工位，浇注作业区操作工在钢包上回转台前将氮气切换为氩气，氩气流量42L/min，压力0.065Mpa，通过16分钟的吹氩，中间包内氧化性气氛被氩气稀释，此时烘烤继续进行。

烘烤器熄火，钢包内钢液进入中间包，此时氩气流量和压力维持不变。当中间包内钢液重量达到12吨，自动控制模式被触发，设定氩气流量41l/min，压力0.17Mpa，随着中间包内钢液重量上升，氩气流量和压力相应调整，直至标准中间包钢液重量25吨，此时氩气流量135l/min，压力0.225Mpa，中间包液面保持微微翻动状态，没有发生吹不开或者渣面翻腾的现象。

当异常情况出现，中间包内钢液重量下降或上升时，随着钢液重量信息传送至一次、二次仪表，并形成指令发送至减压阀完成氩气压力和流量的调整，保证中间包内正常、稳定的氩气处理，使钢液夹杂物去除的效率保持稳定。最终铸坯总氧含量26ppm。

本发明在中间包预热过程中切换使用氮气冷却，并根据中间包吨位调整氩气参数，避免了氩气的浪费，同时大大提高了钢液的纯净度。

Claims (10)

1.一种低氩耗情况下稳定提高钢液纯净度的中间包，包括挡墙和气幕砖，其特征在于：所述中间包内腔以挡墙分割为冲击区和浇注区，所述冲击区内钢液冲击点设置有湍流控制器；在所述浇注区包底砌筑有条状气幕砖，气幕砖设置在钢液冲击点后方1800～2500mm；在所述中间包冲击区设置有矮坝，所述矮坝位于钢液冲击点后方450～650mm处。

2.根据权利要求1所述的低氩耗情况下稳定提高钢液纯净度的中间包，其特征在于：除透气面外，所述气幕砖本体由镁质涂料覆盖，覆盖后气幕砖两侧面和水平面夹角为5°-30°；气幕砖和包内钢液流动方向呈80°-90°夹角。

3.根据权利要求2所述的低氩耗情况下稳定提高钢液纯净度的中间包，其特征在于：覆盖后气幕砖两侧面和水平面夹角为15°-30°。

4.根据权利要求1所述的低氩耗情况下稳定提高钢液纯净度的中间包，其特征在于：挡墙位置在于钢液冲击点后方200～350mm处。

5.根据权利要求1所述的低氩耗情况下稳定提高钢液纯净度的中间包，其特征在于：所述矮坝高度为150～250mm。

6.根据权利要求1所述的低氩耗情况下稳定提高钢液纯净度的中间包，其特征在于：所述浇注工位配置有串联的气体切换阀和减压阀。

7.一种采用权利要求1所述中间包的冶金方法，包括中间包烘烤、浇注工序和吹氩工序，其特征在于：在所述浇注工序中，在中间包钢液重量达到12吨后触发氩气自动调整系统，所述调整目标为：氩气流量的调整范围50～150L/min，氩气压力范围0.05～0.25Mpa。

8.根据权利要求7所述的冶金方法，其特征在于：所述中间包烘烤开始前接入氮气；在所述浇注开始前15～20分钟将气幕砖接入气体切换为氩气，氩气流量30～55L/min，压力0.05～0.10Mpa。

9.根据权利要求8所述的冶金方法，其特征在于：所述氮气在中间包烘烤开始前2～5分钟接入；所述氮气压力设定0.2～0.5Mpa，氮气流量为30～150L/min。

10.根据权利要求7所述的冶金方法，其特征在于：所述自动调整过程中，氩气的中间包钢液高度为45-108cm。 

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