摘  要：介绍了宣钢炼钢厂通过对LF钢包精炼炉，连铸机中间包流场、结晶器、二冷配水等重要工序进行技术改造和工艺优化，提高了铸坯质量，为开发生产品种钢提供了保证。

关键词：LF精炼炉；连铸机；中间包流场；二冷配水；结晶器电磁搅拌；品种钢

0前言

    宣钢炼钢厂两座公称容量为80t的顶底复吹转炉、一座90tLF钢包精炼炉、两台R8m的方坯连铸机于2002年5月投产，以生产普碳钢和低合金钢为主。2004年调整产品结构，全面优化工艺及装备，12月建成单喷颗粒镁铁水脱硫站一座，以满足新开发钢种硫含量的需要。2006年为了提高产能，同时进一步提高钢坯质量，将转炉进行了扩容改造，对LF炉进行技术改造及工艺优化；将两台六机六流连铸机扩容为国内第一家一个中包配置八流连铸机，同时对中包流场和二冷配水进行了优化，将普通结晶器改为电磁搅拌结晶器。炼钢连铸系统经过一系列的工艺优化及设备改造，现已经能够生产焊丝钢、高牌号优质碳素结构钢、合金结构钢、预应力钢、冷镦钢等50多个钢种，为宣钢市场定位从产品单一向多元化方向发展奠定了基础。

1 LF炉技术改造

    LF精炼炉通过吹氩搅拌钢水、电弧加热技术、造白渣精炼、双线喂丝、合金加料等手段，强化热力学和动力学条件，使钢水在短时间内达到脱氧、脱硫、合金微调、升温等综合精炼效果，确保达到钢水成分精确、温度均匀、夹杂物充分上浮、净化钢水的目的，同时很

好地协调炼钢和连铸工序，保证多炉连浇的顺利进行。

    90tLF精炼炉于2002年9月30日投入使用。投产初期，设备遗留问题较多，给操作带来了一定困难。表现比较突出的是电极频繁发生高位折断事故，经检察发现是新接电极冶炼调节中与中心盖碰撞而发生折断，由此开展了一系列设备改造和操作优化，彻底解决了该问题，保证了生产连贯。我们还对钢包底吹系统、加料系统、独立机架系统进行了设备改造。钢包底吹系统的改造借鉴转炉底吹供气方式，采用分级调压、切断阀开闭系统，流量控制技术，微机操作及监控，保障了系统使用上的调氩响应时间，保证了底吹效果；加料系统的改造采用悬挂式传感器，减小了系统干扰，提高了灵敏度，实现了微机自动加料，使布料速度、精度得到了保证，布料量可达到800Kg／min，满足了精炼炉冶炼要求；独立机架及电液调节系统的改造是对独立机架进行了机械部分改造，加固了机架，延伸了导向轮间隙，保证了对立柱的夹持，提高了稳定性。

    设备系统改造完成后，针对一段时期的铁水硫高问题，我们适时地制定了铁水脱硫站一复吹转炉一连铸机和复吹转炉一LF炉一连铸机两条生产工艺路线，保证了高硫铁水时期的生产顺行。根据现场具体情况，重新修订了90tLF炉的岗位操作规程，进一步对供电制度、吹氩制度、造渣制度、温度制度等细化，使工艺得到了优化，目前90tIJF炉作业率达到92％，脱硫效率达到63％，成为冷镦钢、优碳钢等品种冶炼的重要工艺环节。

2中间包优化改造

    中间包内研究的现象主要是内部的钢液流动、平均停留时间、注流湍流动能的研究、夹杂物上浮、成分的混合和组分的转变、钢液的传热和涡旋的产生等。通过对这些现象的研究，可以优化中间包的结构和连铸过程的操作参数。中间包的参数优化包括：中间包的尺寸和墙壁的倾斜度，不同的控流装置的安排，中间包注流区抑湍器的设计。

    本次研究以宣钢5号小方坯连铸机8流中间包为研究对象，建立中间包钢液流动的数学物理模型，通过对多流中间包内钢液的数学物理模拟，优化中间包的内部结构，改善控流装置，以减少钢液中的夹杂物含量，改善铸坯质量。多流中间包各流出口温度及所含夹杂物的大小和数量有很大的差异，给操作和铸坯质量控制带来很大的困难。因此，通过对中间包的数学物理模拟，来寻找合理的中问包控流装置的设置参数，均匀各个出口的钢液分布和温度，以期得到更佳的铸坯质量。

2．1建立数学模型

2．1．1  中间包流场计算模拟方案

    根据宣钢5号连铸机多流中间包现状，研究了从6流改为8流中间包后，中间包内钢液的流动情况，研究合理控流装置方案：(1)注流区抑湍器的设计：高度、位置等；(2)坝和挡墙的设计：坝和挡墙的高度、间距及合理组合；(3)大包长水口的浸入深度等。

    通过以上控流装置的合理匹配，可以改变中间包中流体流动分布、延长流动距离、增加滞止时间及平均停留时间，有效去除夹杂物。通过本实验，可得到最优的挡墙设置，并有效减少流体中的非金属夹杂物。

2．1．2中间包流场计算的基本理论

    (1)中间包内流体流动模型的基本假设

    a)中间包内钢水流动是湍流流动．b)中间包内钢水流动为稳定态；c)忽略表面渣层的影响；d)中间包内钢水液面为自由液面。

    (2)基本方程

    流体在中间包内的流动是一个复杂的湍流流动过程，描述流体在中间包内流动的方程有连续性方程、动量方程(Naviel-一Stokes方程)、以及描述湍流的K—e方程。假设中间包内的流体的流动是稳态的并且密度p为常数，各方程表示如下：

  连续性方程

  在壁面附近的粘性支层中的流体计算，采用壁面函数法。根据中间包人口流量与中间包出口流量相等，也与结晶器底部流出的流量相等，从而推算出中间包的入口速度W₀(m／s)，即W₀=V_castL_aL_b/S_w 式中：

V_cast一铸坯拉速，m／s；

 S_w一中间包出口截面面积，m²；

   L_a一铸坯断面宽度，m；

 L_b一铸坯断面高度，m。

2．2  中间包流场计算模拟结果

    通过计算，我们对比了改造前后六流与八流中问包的流场情况。图1～3分别是水口中央截面、内弧侧和外弧侧的数值模拟结果。通过优化的中间包设计，我们看到：在六流改八流的过程中，虽然中间包每端加长了近2m，但中间包内钢水流动更加平稳，端部没有出现死角和冻钢现象，钢水在中间包内的平均停留时间有所延长，更加有利于钢水中非金属夹杂物的上浮，使进入结晶器的钢水更加纯净。

3  二冷配水优化

    连铸过程实质是一个传热和相变的过程。冷却水量大，铸坯断面温度梯度大，有利于柱状晶的生长，柱状晶区就宽，这使得铸坯表面组织中成分偏析严重，表层和次表层温差较大，产生很大的组织应力和热应力，易产生表面和内部裂纹。降低水量可使柱状区宽度减少，等轴晶区增宽。因此，二冷水量的多少和合理分配是影响铸坯质量的关键因素之一。通过专家指点，我们了解到连铸坯二冷区配水应遵循的原则是：(1)尽量减少热应力和组织应力；(2)由强冷变弱冷来控制柱状晶的生长(小的冷速有助于减小偏析)。

    为满足以上二冷配水的基本要求，我们建立了科学的数学模型，计算了连铸坯在凝固过程中温度场的变化情况，制定出科学合理的二冷配水。

3．1建立数学模型

3．1．1  二冷区温度场模拟计算基本假设与简化

   根据目前二冷配水现状及计算的需要，我们制定的方案主要考虑以下三个方面：(1)在模型的模拟计算中主要考虑连铸坯在凝固过程中内部存在固相区、液相区和固液糊状区三个区域；(2)计算中不考虑偏析的影响；(3)忽略沿浇铸方向的传热。

3．1．2二冷区温度场模拟计算的基本方程

    温度场的计算可以在铸坯的横截面的二维平面上进行。连铸坯传热为二维非稳态传热，传热方程为：

  式中：T=T₁(x,y,t)一边界上的S₁上的温度分布；

  h一热交换系数；

  S₂一具有热交换的边界；

  q一热传导引起的边界上的热量散逸；

  n_x和n_y一边界外法线方向与X，Y轴的夹角余弦；

  h(T-T₀)一由于物体与温度为T₀的周围介质的热交换所损失的热量。

    式中：λ一钢的导热系数；

   h一连铸坯喷水侧的换热系数；

    ε一连铸坯的黑度系数；

    σ一波尔兹曼常数。

3．1．3对20号钢计算结果

    利用上述数学模型对20号钢在不同的拉速和不同配水条件下温度场的变化情况及坯壳的生长情况进行了计算，并且与原配水进行了对比，从而确定了20号钢最佳的二冷配水方案，即20号钢的拉速2．2～3．Om／min为最佳拉速范围，最大拉速不宜超过3．2m／min。以下为20号钢拉速为2．6m／min时连铸坯在原配水和新配水下温度场、坯壳生长及液芯长度的变化情况，如图4所示。

 从图4和上表中可以看出，液芯长度由原来的13．56m变为16．46m。在足辊区，新旧水量虽然相差5．8倍，但坯壳厚度仅相差1．3mm，二冷区末端表面中央温度却相差110．3℃，在整个二冷区，新的配水制度下铸坯表面温度的波动上下100c左右，而原配水波动在300℃左右。

    连铸坯二冷段参数对比，见表1(拉速为2．6m／min，20号钢)。

 3．2工业试验试样检验结果

    4号连铸机取试样29块，其中对比流12块。从验热酸检验评级结果上看：

    (1)原配水中间裂纹评级(对比流)：Q215，≥2级比例为100％；Q235，≥2级比例为100％；20MnSi，≥2级比例为25％；Q195，≥2级比例为0％。

    (2)新配水中间裂纹评级(试验流)：Q215，≥2级比例为25％；Q235，0、1级比例为50％，2级比例为50％；20MnSi，≥2级的比例为0％；Q195，≥2级比例为0％。

    (3)原配水与新配水生产的连铸坯评级的对比：原配水生产的连铸坯，Q235优质坯约为30％左右，20MnSi优质坯约为25％左右；新配水生产的连铸坯，0235优质坯约为50％左右(其余50％为2级)，20一MnSi优质坯为100％(Q235和20MnSi取样数较多，数据的数量符合统计规律要求)。

4  电磁搅拌新技术及其应用

    电磁搅拌技术是利用不同形式的装置，通过电磁力来控制连铸过程中钢水的流动、传热和凝固，进而提高钢的清洁度，扩大等轴晶区，减少成分偏析，减轻或消除中心疏松和中心缩孔，并可提高过热度等，从而满足生产优质、高等级钢坯的要求。

    随着电磁搅拌技术在生产实践中的应用，进一步提高搅拌效率、节省能源是我们改造的重点。在实际应用中的结晶器电磁搅拌器多为三相六极和两相四极两种形式。我们结合原有的结晶器尺寸，应用有限元分析软件，建立模型分别对三相电磁搅拌器与两相电磁搅拌器进行了磁场计算，得到搅拌内部磁场随工艺参数的变化规律。

4．1建立数学模型

4．1．1基本假设与简化

    两种不同形式的电磁搅拌器在进行磁场和流场计算时，做以下假设和简化：(1)不考虑钢液流速对磁场的影响，(2)钢液在结晶内形成用层薄的的坯壳，不考虑坯壳对磁场及流场的影响，(3)结晶器的锥度不考虑。

4．1．2基本方程

    (1)钢液流场

    电磁搅拌过程中由感应线圈中的交变电流产生的电磁场为近场源的感应场，满足准稳条件，在忽略位移电流的条件下Maxwell方程组有如下形式：

    (2)磁场

    对于两相结晶器电磁搅拌器，两相电流的相位差为90℃，相对的两个线圈断面上加同相位的电流密度，电流密度：J₂=J₀sin(wt+π/2)

对于三相结晶器电磁搅拌器，三相电流之间相位差为120℃，相对的两个线圈断面上加同相位的电流密度，电流密度J₂=J₀sin(wt+2π/3) 

  式中：w一角速度(w=2π/f, f一电流频率)；

    t一时间；

    J₀一线圈电流密度的幅值。

4．1．3电磁搅拌磁场数值模拟的物理参数

    电磁搅拌磁场数值模拟的物理参数，如表2。

图5为不同相位下，位于电磁搅拌器中心钢液横断面上磁感应强度的分布。从图中可以看出，在两相电磁搅拌的作用下，搅拌区域中心断面上，最大磁场强度为0．070925T，钢液中心的磁感应强度为0．0467T。在三相电磁搅拌的作用下，搅拌区域中心断面上，最大磁场强度为0．063796T，钢液中心的磁感应强度为0．01947T。从上面数据可以看出，两相的电磁搅拌器产生的磁场穿透钢液的能力要比三相电磁搅拌器要强。

4．1．5宣钢两相结晶器电磁搅拌器电磁场分布的模拟

    针对宣钢5号连铸机具体情况，对电磁搅拌进行了磁场和流场耦合数值计算如图6和图7所示。

    结晶器电磁搅拌磁场下磁感应强度的分布在搅拌区内不同位置的磁场强度不同，纵向上的磁场强度分布也有差别，磁感应强度在有效搅拌区内达到600Gs以上。

4．2工业试验结果

    宣钢炼钢厂首批150×150端面结晶器电磁搅拌器投入使用后，委托包钢国家铸坯质量检验中心对宣钢加电磁搅拌后生产的45号钢进行检验，检验低倍和硫印结果表明增加电磁搅拌后的铸坯中间等轴晶区明显增加，铸坯达到优级铸坯标准。经过实测，吨钢耗电只有0．75度，这达到了改造之初节能的目标，也为宣钢节约了大量的电能。