中间包冶金技术发展趋势

　　摘 要：中间包是钢水凝固之前的最后一个耐火材料容器，是由间歇操作转向连续操作的衔接点，也 是 连 铸 的 起点，在连铸过程中起着缓冲、减压、分流、连浇、净化和保护钢液、改善凝固组织、促进钢液均匀性等作用。伴随着高品质钢对洁净度和质量要求的提升，中间包冶金的功能越来越重要，中间包冶金技术的发展正是围绕着不断拓展和完善中间包冶金功能展开的，其核心目标是完成对凝固前钢液的充分净化，实现连铸的恒温、低过热度浇注。综述总结了中间包冶金功能实现的技术途径和发展趋势。

　　包燕平;王敏;， 连铸 发表时间：2021-10-15

　　关键词：中间包冶金;控流装置;钢液净化;低过热度;中间包加热;气幕挡墙;电磁净化

　　0 引言

　　中间包是钢水凝固之前的最后一个耐火材料容器，是炼 钢 流 程 间 歇 操 作 转 向 连 续 操 作 的 衔 点，在钢包和结 晶 器 之 间 起 到 缓 冲、稳 流、连 浇 和 分 流的作用。同 时，中间包作为重要的冶金反应器，对连铸顺行、钢液净化、钢质量提升也起到重要作用。总得来说，中间包冶金功能和作用见表1。

　　随着钢质量要求的不断提高，中间包冶金已经成为洁净钢生产的重要一环[1-2]。洁净钢生产中，不仅要关注中间包的分流、连浇、减压、保护钢液的基本功能，更需注重其净化钢液、改善凝固组织、促进钢液均匀 等 作 用。合理的控流装置组合可以起到改善钢液混 匀 效 果、延长中间包平均停留时间、降低死区比例、增 加 夹 杂 物 去 除 效 果、缩 小 各 流 之 间流动和温度 的 差 异、避 免 浇 注 过 程 的 液 面 裸 漏(红眼)二次氧化等作用。图1 所示为中间包内不同控流装置的示意图，同一个中间包不会同时使用上述控流装置，实际生产中，需要综合其内型结构、浇注工艺和钢种特点选择合适的控流装置组合来达到最佳的中间包冶金效果，各企业的情况不能一概而论，不能完全参考和移植。

　　中间包冶 金 技 术 的 发 展 正 是 围 绕 着 不 断 拓 展和完善中间包冶金功能展开的。诸如：采用控流装置组合延长停留时间[3]，提升混匀效果[4]、采用气幕代替耐材挡墙气泡去除夹杂物[5]、设置多孔陶瓷过滤器挡墙吸附夹杂物[6]、通过碳基陶瓷材料产生气泡去除夹杂物[7]、浇注区增加旋转流装置改善钢液流动形式[8]、中间包浇注区施加旋转磁场提升夹杂物碰撞长大和上浮去除能力[9]、中间包保温和加热技术维持低过热度浇注等。

　　1 中间包冶金效果的影响因素

　　中间包冶 金 效 果 受 其 容 量、工 作 液 位、内 型 结构、控流装置(稳流器、堰、坝、挡墙、塞棒)等的综合影响。中间包容量一般为钢包容量的20%～40%，小容量钢包取大值，大容量钢包取小值，图2所示为部分企业的容量比。容量太小则开浇、换包等非稳态过程在整个浇注周期中占比较长，影响钢液洁净度;容量大有助于降低换包等非稳态过程液面的波动、延长中间包内钢液停留时 间、提 升 夹 杂 物 去 除率，但需综合考虑浇注过程中间包内钢液的更新速率、钢液 的 温 度 分 层 和 浇 次 成 本 (铸 余 量、耐 材 耗量)等因素。目前，国内最大的中间包80t(首钢京唐)，约占钢 包 容 量 的27%。中 间 包 的 工 作 液 位 一般在800～1100mm，深熔池有助于延长夹杂物去除路径、减少非稳态过程的液面波动和卷渣。中间包大容量、深熔池是洁净钢发展的趋势之一。

　　根据与铸机的匹配性，中间包按断面形状主要分为：矩型、三角型、V 型、T 型、H 型等(图3)，其中以矩形和 T 型 居 多。单流或双流的大型板坯连铸机多为矩型 中 间 包，其 各 流 的 对 称 性 容 易 控 制。T型和 V 型多应用于多流浇注，冲击区和浇注区有明显的区域划分，浇注区流出的钢液经过挡墙和导流孔分配到各流，以保证其各流之间的均匀性[10-11]。

　　中 间 包 中 不 同 控 流 装 置 有 其 特 定 的 作 用：(1)稳 流器安装在浇注流股下方，起到降低湍流，减小冲击区液面 裸 漏 和 卷 渣 的 作 用;(2)U 型 挡 墙 配合导流孔常被用来将冲击区和浇注区相对分离，起到导流和平均分配流股的作用，也避免了冲击区液面裸漏和 卷 渣 对 浇 注 区 钢 液 的 影 响;(3)挡 坝 主 要安装在中间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，也能起到延长钢液的流动轨迹，增加停 留 时 间 的 作 用;(4)堰 又 称 上 挡 墙，安 装在中间包的上部，促使上部钢水由水平流动或向上流动转为向下流动，也起到阻隔冲击区氧化性下渣流向浇注区，通过堰上添加导孔和堰高度设计可以进一步对流股导流。

　　表2所示为国内外部分企业中间包的结构及控流装置。通过优化设计内型结构及合理匹配控流装置，各企业的中间包在各流均匀性、整体温差、平均停留 时 间、死 区 比 例 等 指 标 均 有 一 定 程 度 的 改善。如：新冶钢[12-13]60t6流 T 型中间包在优化挡墙、流钢通道 和 挡 渣 板 的 位 置 和 结 构 后，各 流 响 应时间标准偏差 由27.59减 至13.16，出 口 最 大 温 差由5K 变为2.5K;首钢[14]80t2流矩型中间包通过改变挡墙位置和高度设计，将死区比例由原有的37.3%降至18.5%，活塞区与死区比值由0.35增大至0.65;天钢联合特钢[15]45t7流 T 型中间包通过增大中间包 容 量，增 加 钢 水 在 中 间 包 的 停 留 时 间，各流水口之间钢水的最大温度差由 4.11 ℃ 减 到1.44 ℃，各流出口处最大温度差由2.42 ℃减少到了0.78 ℃;河北永洋特 钢[16]30t6流 异 型 中 间 包通过改变冲击杯和挡墙结构，将 中 间 包 死 区 比 例由22.05%减 至 7.52%，显著改善了中间包的流场和温度场;日照 钢 铁[17]21.3t6流 T 型 中 间 包通过改变稳流器 导 流 孔 夹 角、挡 坝 位 置，将 死 区 比例由17.89% 减 小 到 9.67%，并 显 著 改 善 了 各 流一致性。

　　2 中间包加热及保温技术

　　中间包是个连续反应器，在多炉次连续浇注过程中，中间包的包衬、包壁、钢液(渣)表面均会持续向外界传热[32](表3)，这造成了在浇注过程中，中间包内钢液温度持续下降以及在换包过程温度的剧烈波动[33](图4)。为保证连铸的顺行，中间包内钢液需要维持合理的过热度，过热度太低则浇注后期容易出现冷钢结瘤而断浇，过热度太高则对钢液洁净度和凝 固 组 织 控 制 不 利。低 过 热 度 浇 注 可 以 提高铸坯中心 等 轴 晶 比 例、降 低 中 心 偏 析，从 而 改 善铸坯凝固 组 织、提 高 铸 坯 质 量。因 此，中 间 包 的 恒温、低过 热 度 浇 注 是 中 间 包 冶 金 技 术 发 展 趋 势 之一。中间包恒温、低过热度的控制主要可以从两个方面实现：(1)强化反应容器保温效果，降低中间包和钢包的散热速率，如：纳米绝热层保温技术[30]、保温真空层[31]、多层覆盖剂等;(2)外部温度补偿中间包热损失，如：等 离 子 加 热 技 术、感 应 加 热 技 术、电极加热技术、电阻加热、石墨电极电弧加热、高温氮气流加热等。

　　2.1 中间包等离子加热技术

　　中间包等离子加热技术 (Tundish PlasmaHeating，缩写 TPH)于20世纪80年代首先由英国TRD公司开发，其工作原理是以等离子枪和被加热的钢液作为 电 流 的 两 极，通 电 后，等离子枪通过电极放电使气体(Ar、N2、N2 +Ar)处 于 电 离 状 态，产生高能量的电弧，通过电子辐射和离子化气体运动产生的 对 流，将 热 量 传 入 中 间 包 钢 水 从 而 加 热 钢液。等离子体加热主要有两种类型：直流(DC)型和交流(AC)型，两者都采用转移弧方式将电能转换成热能，即：流经等离子体弧柱的电流必须经外部对象物如钢 水 构 成 回 路。从 实 际 应 用 效 果 看，DC 型等离子体加热技术比较适合中间包钢水加热，图5所示为新日铁的 DC型 TPH 的全景图[34]。非转移弧型的等离子体电弧枪生产费用较高，在冶金上应用较少，目前，应用于冶金加热的等离子体电弧枪主要为转移型。英国 TRD 公司的等离子枪为转移弧热电极 型，美 国 PEC 等离子枪为转移弧冷电极型。表4所示为两种等离子枪技术比较[5]。

　　中间包等 离 子 加 热 技 术 最 早 在 日 本 广 新 日 铁广畑厂和美国查帕拉尔钢厂应用，随后被推广应用到国内外众多企业[35-36]。中国在20世纪80年代末至90年代初，衡阳钢管、唐钢、武钢、宝钢等先后从英国 TRD和美国PEC引进了等离子中间包钢液加热技术，国内冶金学者和企业界也对等离子加热技术有过大量研究，但是该技术在国内的应用并不理想。应该 肯 定 的 是，等 离 子 加 热 技 术 本 身 是 成 熟的，这已经在国外很多企业得到证明，NKK 京浜钢铁厂采用14 MW 直 流 转 移 型 等 离 子 弧 加 热，可 将换包期间中间包内钢水温降控制在5 ℃之内，通过精确地控制中间包内钢水温度，铸坯中心偏析得以改善;美国纽柯钢铁公司3流方坯连铸机在使用中间包等离子加热后，钢水过热降低了12℃。作者认为，限制 其 应 用 效 果 的 关 键 因 素 是 与 之 匹 配 的 工艺、技术条件 以 及 环 境 等，即 中 间 包 等 离 子 加 热 技术的良好 应 用 效 果 是 有 工 艺 前 提 的。中 间 包 等 离子加热的目的是通过温度补偿的方式维持中间包内 钢 液 的 恒 温、低 过 热 度 浇 注，其 起 到 的 作用是对钢水温度的一种“微调”，其本质是对浇注过程温降损失的补偿和对中间包恒温、低 过 热 度 的维持，而不应该是对温度远低目 标区间钢液的再加热。因此，合理调控整个 浇注周期钢水温度的稳定性，强化浇注过程钢包、中 间 包 的 保 温 效 果，降低浇注 过 程 的 温 度 损 失，是 发 挥 中 间 包 等 离 子加热技术应用效 果 的 重 要 前 提。只有在浇次中各炉浇注钢液温度 波 动 区 间 小、浇 注 过 程 温 降 可 控、钢包和中间包温度损失少的条件下，中 间 包 外 部温度“微调”补 偿 才 能 发 挥 其 应 有 的 作 用，这 对 于其他中 间 包 温 度 补 偿 技 术 也 同 样 适 用。因 为，等离子加热过程对 于 加 热 室 耐 材 寿 命、电 极 寿 命、熔池内温度均匀性都会产生影响，这 将 间 接 影 响 其最终的冶金效果。

　　2.2 中间包感应加热技术

　　与等离子加热技术相比，中间包感应加热具有投资小、加热均匀、工作环境安全系数高的优点，在国内外均 有 成 功 的 应 用 案 例。中间包感应加热的原理可以用图6(a)表示，当加热器线圈中接单相交流电后，口字型铁芯内会产生交变的磁通Φ，使其附近通道内的钢水产生感应电动势 E，从而使通道内的钢水中产生感应电流J，进而产生的焦耳热 Q 对通道内钢水进行加热[19]。目前，通道式感应加热方式应用较多，图6(b)为某厂通道式感应加热中间包耐材实际砌筑结构图，感应加热中间包中增加了感应线圈和通 道 的 设 计，因 此，中 间 包 内 有 效 容 积 会降低，在中间包改造设计中需要考虑。

　　图7所示为采用30tH 型双通道感应加热中间包浇注 GCr15轴承钢，开启感应加热和未开启感应加热时，中间包内钢液的温度对比[37]。通过每炉钢水实际过热度 ΔT1 与工艺目标过热度 ΔT2 的差值 ΔT 来衡量过热度控制 的 稳 定 性。可 以 看 出，中间包感 应 加 热 投 入 使 用 后，过 热 度 波 动 由 原 来 ±6 ℃ 降到±3 ℃以内，最低过热度由原来17 ℃降到8 ℃。

　　中间包感应加热的应用可以很好地稳定浇注过程过热度，正 如 前 述 所 说，中间包外部温度的补偿是有限 度 的，起 一 个“微 调”和“稳 定”的 作 用，在温差波动较大时单纯依靠调节感应电流去补充温度损失会 带 来 一 系 列 负 面 效 应。当钢水温降变大时，需要根据温降调节感应加热档位以平衡温度损失，但档位太高升温速度太快会对钢液洁净度造成不利影响：(1)钢液在箍缩效应作下，流钢通道截面产生体积收缩，迫使通道内钢水的感应电流产生脉动，导致中间 包 内 部 流 场 不 稳 定，档位越高则扰动越强;(2)高档位后，浇注区的钢水喷射流进一步加强，钢水流速 加 快，加重了流钢通道出钢口和中间包包壁 的 冲 刷 程 度，耐 材 的 侵 蚀 会 影 响 钢 液 洁 净度，严重时甚至可能造成生产事故。如图8所示，当感应加热 档 位 超 过 6 挡 后，铸 坯 中 夹 杂 物 会 显 著增加。

　　2.3 中间包保温技术

　　前述讨 论 中，中间包钢液的热补偿是起一个 “微调”和“稳定”过热度的作用，钢液温差较大时单图8 感应加热档位对夹杂物指数的影响Fig.8 Influenceofinductionheatingintensityoninclusionindex纯依靠外 部 温 度 补 偿 会 带 来 一 系 列 负 面 效 应。因此，强化浇注 过 程 中 间 包 的 保 温 效 果，降 低 浇 注 过程的温度损 失 对 于 实 现 恒 温、低 过 热 度 至 关 重 要。在满足耐火材料耐高温性能的基础上，采用低导热系数内衬砌筑材料、降低耐材与包壁直接的热传条件是减少包壁热损失的可行办法。

　　宝钢[38]通过将砖砌型中间包改为由纳米微孔绝热板、轻质保温砖以及低水泥半轻质莫来石浇注料整体浇注 的 中 间 包，显 著 降 低 了 包 壳 温 度，减 少了中间包浇注过程钢水温降和温度波动(表5)中间包钢壳温 度 由 原 砌 筑 包 的 平 均 74 ℃ (第 1 炉)和166.8 ℃(第6炉)分别降低到57.1 ℃(第1炉)和83.8 ℃(第6炉)，极大地降低了包壳的热量损失，对于维持中间包低过热度浇注，提高铸坯质量起到关键作用。

　　ZHOUJ等[31]在 中 间 包 钢 壳 与 保 温 层 之 间 增加一层环 状 内 腔，其 厚 度 一 般 为 80～120 mm(图9)，采用真空泵将内腔内中的空气抽出，控 制 内 腔内真空度来降低导热系数，随着真空层内绝对压力的降低，包壁 热 损 失 量 大 幅 度 降 低，中 间 包 内 钢 液的温降、温度梯度、均匀性都得到了极大改善。

　　3 中间包冶金的钢液净化技术

　　3.1 中间包气幕挡墙去除夹杂物

　　中间包净 化 钢 液 的 冶 金 效 果 与 其 控 流 装 置 组合密不可 分，一 般 的 常 规 控 流 装 置 如：稳 流 器、挡墙、挡坝、堰、导 孔 等，对 大 颗 粒 夹 杂 物 的 去 除 效 果较为明显，但对小颗粒夹杂物的去除仍有不足。中间包气幕挡墙技术应用是借鉴钢包吹 Ar搅拌的原理[39]，在中间包包底安装长条形的透气元件代替挡墙，利用透气元件向中间包内吹入 Ar气，形成垂直于钢液流动方向的微气泡气幕，小气泡上浮过程中吸附小颗粒夹杂物一起进入渣中去除，从而起到净化钢液 的 目 的。同 时，气 幕 可 以 改 变 钢 液 流 动 方向，消除短路 流 以 及 传 统 挡 墙 背 后 的 死 区，延 长 钢液平均停留 时 间，进 一 步 增 加 了 细 小 夹 杂 物 碰 撞、长大、上 浮 去 除 的 空 间 和 时 间。研 究 表 明[40-42]，中间包气幕挡墙可以减少70%以上50μm 夹杂，可以降低40%以上25～50μm 夹 杂 物。中 间 包 气 幕 挡墙水模型试验流场指标见表6[43]。

　　中间包内气泡运动是在特定区域内的一个十分复杂的 过 程，基 于 促 进 夹 杂 物“碰 撞-聚 合-长 大-上浮-去除”的原 理，气幕挡墙是去除夹杂物的一种行之有效的方法，但是要达到去除小颗粒夹杂物的目的，还需要综合考虑吹气量的大小、吹气位置、透气砖内部结构设计(图10)，以及气幕挡墙与其他控流装置的配 合。苑 品 等[44]为降低中间包浇注结束时的残钢量，在 挡 坝 底 部 开 通 钢 孔，使 钢 液 低 于 挡坝上檐时仍 能 流 入 浇 注 区，同时降低挡坝后死区，但挡坝开中 间 孔 会 形 成 部 分 短 路 流;为 此，在 中 间包内吹气，形 成 具 有 一 定 强 度 的 气 幕 挡 墙，与 开 孔挡坝配合，既消除了挡坝开孔造成的短路流，也 进一步优化中间包钢液流动状态，均匀钢液成分和温度，促进夹杂物最大限度的上浮去除。

　　采用中间包气幕挡墙能够延长中间包钢液停留时间和峰 值 时 间，减 低 死 区 比 例，有 关 气 幕 挡 墙促进中间包流场相关的实验室研究工作较多，但工业应用需 要 克 服 两 个 难 点[45-46]：(1)气 幕 吹 气 量 太小起不到对流股提升的作用，达不到延长钢液平均停留时间的 目 的，而气量太大容易导致液面裸漏，引起卷渣 和 二 次 氧 化;(2)透 气 砖 寿 命 和 透 气 性 的维持与中间包寿命不同步，维护成本高。

　　总的来说，气幕挡墙完全代替中间包内其他控流装置达到对流场有效改善和净化钢液的效果实现难度较大，主要由于气幕流量太大会造成钢液的二次氧化和 卷 渣，加 重 耐 材 的 侵 蚀，太 小 起 不 到 提升流股的作用。另外考虑到经济性和安全因素，气幕挡墙更多的可以作为中间包冶金中一种附加的净化钢液 的 手 段。开 发 长 寿 命、安 全、便 捷 的 中 间包气幕技术是促进其工业化应用的保障。

　　3.2 中间包旋转磁场净化钢液

　　中间包冶金的重要功能之一是净化钢液，通过控流装 置 的 优 化 可 以 起 到 改 善 流 场、延 长 停 留 时间，促进夹 杂 物 碰 撞、聚 合、上 浮、去 除 的 目 的。但是现有 技 术 中，对 于 中 间 包 中 小 尺 寸，尤 其 10μm以下 夹 杂 物 的 快 速 去 除 仍 然 比 较 困 难。REN Z 等[47]提出中间包电磁净化技术，在中间包浇注区施加旋转磁场，利用钢液旋转产生的离心力使夹杂物向中心聚集，增加夹杂物相互碰撞长大和上浮去除的能力，其原理如图11所示。施加旋转磁场带动钢液形成大环流，延长了钢液流动轨迹。在18t中间包的试验中，施加旋转磁场后中间包平均停留时间较未施加的 增 加 了21%，起到有效降低死区比例、去除非金 属 夹 杂 物 的 效 果。中 间 包 中 施 加 旋 转 速度对流场结构有明显影响，一定范围内电磁强度增加会改善钢液混匀效果，但当电磁强度超过某一限度时，其活塞 区 和 死 区 的 比 值 反 而 降 低，控 制 旋 转速度在30r/min较为合理[48](图12)。

　　4 中间包冶金的智能化控制

　　中间包冶 金 的 效 果 直 接 影 响 和 决 定 着 铸 坯 的质量，中间包中钢液及工艺操作的信息是连铸坯质量评定的重要判据，也是连铸工艺调整的依据。因此，中间包冶金的智能化是重要发展方向。

　　SUZ等[49]通过多位置的激光监测技术识别中间包钢液液位、钢渣厚度，从而对其进行实时监测，如图 13 所 示，中间包稳态浇注时测量 误差为 ±2.5mm，浇注末期测量误差±3.2mm，而现有方法主要通过重量反算推测，其 误 差 在±30mm。随着下游客户小品种多规格的发展，同浇次异钢种连浇也较为普遍，中间包内钢液的流动和混匀行为直接影响着混钢区的长度 和混钢浇注过程的 卷 渣。钢种切换时，中间包液位太高则混钢区太长，中 间切废坯太多不利于成本控制;液位太低则卷渣和二次氧化现象 明 显，不利于钢质量的控制，异 钢 种 连浇的中间包混钢模型是中间包冶金发展的一个重要需求[24]。中间包工作层耐材、涂抹料、引流砂等潮湿或者环境潮湿会导致浇注过程中间包增氢，对于氢含量有特殊要求的钢种，如：重轨钢，新中间包浇注的第1炉 和 第 2 炉 必 须 进 行 定 氢，当 氢 质 量 分 数 高 于0.0002% 时，必须进行缓冷，中间包快速在线定氢及钢中氢含量预测模型是对氢有特殊要求高品质钢的重要需求之一[50]。另外，中间包的下渣监测[51]、耐材熔损状态监测和识别[52]、中间包浇注过程温度历程的预测等都直接关系着生产安全和产品质量。

　　中间包冶金技术的智能化发展趋势主要概括为以下几个 方 面：(1)中 间 包 成 分、温 度、气 体 含 量的实时在线监/检测技术;(2)中间包钢液洁净度指数的动态监 测 技 术;(3)中间包长寿技术;(4)中 间包全生命 周 期 的 安 全 性 评 估 技 术;(5)中 间 包 下 渣和渣厚的 实 时 动 态 监 测 技 术;(6)中 间 包 智 能 浇 注(烘烤、开浇、换包、保护浇注)技术;(7)基于智能判断的混钢模型和铸坯判级系统。

　　5 中间包冶金技术展望

　　随着人们对中间包冶金认识的不断深入，中间包冶金的作用也不断丰富，在现代化钢铁生产过程中，中间包冶金应该起到以下几方面的作用：(1)钢液净化器的 作 用;(2)温 度 控 制 器 的 作 用;(3)质 量稳定器的作用;(4)智能浇注和控制的作用;其发展方向也是围 绕 上 述 功 能 的 不 断 完 善，诸 如：气 泡 诱导去除夹杂 物 技 术、钢 液 过 滤 技 术、电 磁 净 化 技 术等在净化钢 液 方 面 的 作 用;中 间 包 加 热、中 间 包 真空保温技术等在温度控制方面的作用;非稳态浇注技术、低铸余控制技术等在稳定连铸坯质量方面的作用;成 分、温 度、气 体 含 量 的 实 时 在 线 监/检 测 技术以及中间包全生命周期的安全性评估在智能浇注和控制方面的作用。

　　6 结语

　　中间包冶金是洁净钢生产的重要一环，其冶金效果直接 影 响 和 决 定 着 铸 坯 的 质 量。中 间 包 冶 金的核心目标是完成对凝固前钢液的充分净化，实现连铸的恒 温、低 过 热 度 浇 注。中 间 包 的 大 容 量、深熔池浇注，中 间 包 电 磁 净 化 技 术，中 间 包 气 幕 挡 墙及控流装置组合优化都是净化钢液的有效手段;需要指出的是，中间包加热技术应该是对浇注过程温降损失补偿的一种“微调”，而不应该是对温度远低目标区间钢 液 的 再 加 热，中 间 包 的 恒 温、低 过 热 度浇注是以强化反应容器保温效果、降低浇注过程温度损失为前提的。未来，中间冶金的智能化也将是发展趋势。