中间包结构设计与流场分析.doc

1、 燕山大学 课 程 设 计 说 明 书 题目： 中间包 学院（系）： 机械学院 年级专业： 07级机械装备 1班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 教授 目 录 燕山大学课程设计（论文）任务书 院（系）： 机械工程学院 基层教学单位： 学 号 学生姓名 专业（班级） 设计题目 中间包 设 计 技 术 参 数 设 计 要 求 工 作 量 工 作 计 划 参 考 资 料 指导教师签字 基层教学单位主任签字 说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。 年 月 日 燕山大学 课程设计评审意见表 指导教师评语： 成绩： 指导教师： 年 月 日 答辩小组评语： 成绩： 评阅

2、人： 年 月 日 课程设计总成绩： 答辩小组成员签字： 年 月 日 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 页 第 页 摘 要 为了精炼后的钢液由钢包运送到连铸机的结晶器中，在钢包与结晶器 之间采用了一个被称为中间包的中间容器，中间包是上大下小，耐火材料做内衬的矩形容器，其顶部也有一个用耐火材料做内衬的盖。中间包底部有一个或几个水口，并装有控制钢流量的滑板或塞棒。中间包通常被划分为两个区域：入口区，常常有一注流箱，钢包中的钢液流入到此区域；出口区，将钢液注入到结晶器。坝、堰（挡渣墙）和带孔的夹板等各种控流装置安置在中间包的长度方向。 从中间包入口到出口的的路径越长越有利于延长钢液在中间

3、包内停留的时间，促进宏观夹杂的上浮。采用中间包的目的是将钢液以设计的流量和温度、无夹杂引发的污染、平稳的运输给结 晶器。通过维持中间包内钢液的深度来保持注入结晶器内钢流量的恒定。通过安装在中间包出口位置的滑板或塞棒增加对流量的控制。在换包和钢包注流断流期间，中间包充当了贮钢池的角色，可以连续向结晶器提供钢液，这样使多炉连浇成为可能。本文主要从中间包的结构，材料，温度场对中间包做了一些分析。以使其更能满足生产要求，把好钢液进入结晶器之前的最后一关。 关键词 ： 中间包 结构设计 耐火材料 温度场分析 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 页 第 页 前言 在连续铸钢技术发展的初期，中间

4、包只是作为钢液的储存和分配器来使用。随着连铸技术的发展，钢 液质量对连铸工艺的重要意义渐渐为人们所认识。为了保证连铸顺行，为了保证多炉连浇，钢液必须有足够的纯净度，钢液成分范围要尽可能精确地控制，钢液温度和过热度要在足够长的时间保持 稳定。因此作为钢的冶炼过程中的最后一个耐火材料容器，中间包的 作用受到了更多的注意。 “ 中间包冶金 ” 的概念是在 20 世纪 80 年代初期被提出的，多伦多大学教授麦克莱恩 (A McLean)是首倡者。近 20 年来，国内外关于中间包冶金的学术研究，开始只有不多的几篇论文，后逐渐成为热门论题，并且研究成果已转化为生产中实际应用的技术措施，如中间包 结构设计、

5、流动控制技术、抑制二次氧化、耐火材料和覆盖渣控制、更换钢包操作时温度和成分控制、吹氩清洗、过滤、加热钢液、热中间包重复应用等。这说明冶金界已经接受了中间包冶金的概念，并且成为实际操作中的工艺技术。 中间包冶金有独特的理论和研究方法。作为一种连续操作的反应器，它与转炉、电炉及钢包等间歇操作反应器的概念是不同的。在中间包冶金技术中，反应工程学的原理得到更多更深入的运用。中间包内的流体流动并非是均相流体的理想流动，而是钢和渣两相的复杂的流动，而且有数量巨大的弥散相颗粒的碰撞和运动。中间包内钢 液的温度场既不是等温的也不是绝热的，而在非等温条件下传热和流动相互促进互为因果。因此对中间包冶金过程的研究，

6、也进一步丰富了冶金反应工程学的内容。 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 页 第 页 1、中间包作用 及要求 中间包是钢液流入连铸结晶器凝固之前最后需要经过的冶金容器。钢液在经过中间包的过程中与耐火材料、渣和空气接触。因此中间包的合理设计与操作对其内的钢液成分、质量和温度产生重要影响。在洁净钢生产中中间包技术不可以被低估。采用中间包的目的是将钢液以设计的流量和温度、无夹杂引发的污染、平稳的运输给结晶器。通过维持中间包内钢 液的深度来保持注入结晶器内钢流量的恒定。通过安装在中间包出口位置的滑板或塞棒增加对流量的控制。在换包和钢包注流断流期间，中间包充当了贮钢池的角色，可以连续向结晶器

7、提供钢液，这样使多炉连浇成为可能。夹杂物的形成和钢液被污染的主要原因包括：空气和夹带的钢包氧化性渣对钢液的二次氧化；中间包内钢包渣的卷入与氧化。钢液经过中间包进入结晶器前，这些夹杂物必须在中间包中上浮排除。 综上所述中间包的主要作用有： 1、分流作用。对于多流连铸机，由多水口中间包对钢液进行分流。 2、连浇作用。在多炉连浇时，中间包存储的 钢液在换盛钢桶时起到衔接的作用。 3、减压作用。盛钢桶内液面高度有 5-6m，冲击力很大，在浇铸过程中变化幅度也很大。中间包液面高度比盛钢桶低，变化幅度也小得多，因此可用来稳定钢液浇铸过程，减小钢流对结晶器凝固坯壳的冲刷。 4、保护作用。通过中间包液面的覆盖

8、剂，长水口以及其他保护装置，减少中间包中的钢液受外界的污染。 5、清楚杂质作用。中间包作为钢液凝固之前所经过的最后一个耐火材料容器，对钢的质量有着重要的影响，应该尽可能使钢中非金属夹杂物的颗粒在处于液体状态时排除掉。 2、 中间包结构 中 间包一般由包体、包盖、水口和控流装置组成。中间包容量一般取钢包容量的 2040，小容量钢包取大值，大容量钢包小值。为了保证多炉连浇时的铸坯质量，其储存的钢液，应大于换包所需的时间。钢液在中间包内的停留时间和中间包容量及铸速有关，为使钢液在中间包内有必要的停留时间，应根据铸速来核算中间包的容量。停留时间缩短，对排除非金属夹杂物不利。 2.1 包体 中间包的结构

9、、形状应保持最小的散热面积良好的保温性能。一般常用的中间包有矩形、 T 形等，其目的主要考虑钢水注入时尽量不产生涡流，同时使砌包、清渣、吊挂等操作方便。多 流连铸机通常采用长条形中间包，矩形中间包仅适用于单流连铸机。中间包外壳是 12 20mm 的铸钢焊接而成，要求具有足够的刚性，在长期高温环境下浇铸、燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 页 第 页 运输、清渣、翻包等确保结构不变形，为此壳体外部都焊有加固筋板，且形状要便于工作衬砖的拆除。中间包内衬砌有耐火材料，根据需要还砌有挡墙、坝、导流板等。包的两侧有吊钢和耳轴，便于调运，耳轴下面还有坐垫，以便稳定的坐在中间包小车上。 2.2

10、挡墙与冲击区 连铸中间包内控流挡墙的参数设计，对中间包内非金属夹杂物的上浮以及均匀钢水温度起着非常重要的作用。中间包内设置挡渣墙可优 化中间包流场，减少死区，使大包注流基本同时到达中间包的各水口延长钢水在中间包内的停留时间，促进夹杂物上浮，净化钢水。挡渣墙导流孔的位置和开度对挡渣墙的使用效果影响至关重要，合适的位置和开度设计是设计挡渣墙的关键。钢水液面高度为 700mm，所以挡墙的高度应 冲击区增加稳流器，由于冲击区附近中包涂抹层受钢水冲刷侵蚀过快，在中间包钢水冲击区增加稳流器，以减缓钢水对冲击区附近中包涂抹层的冲刷。应用表明，冲击区附近涂抹层厚度平均比使用前侵蚀量每炉可减少 0.5mm 2.

11、3 塞棒 塞棒是控制钢水注流的装置。塞棒中心有钢管棒 芯，外套为锆碳质或铝碳质耐火材料经等静压整体成型。整体塞棒没有砌缝，可避免在高温钢水中浸泡造成砌缝的软化变形、断裂事故，利于实现多炉连浇。对整体塞棒的基本要求有： （ 1） 耐钢水和熔渣的侵蚀、冲刷。 （ 2） 具有良好的抗剥落能力，使用中不掉片，不崩裂。 （ 3） 具有良好的抗震性。 （ 4） 具有足够的热机械强度，便于安装和操作。 2.4 水口 中间包注流控制装置有：定径水口、塞棒系统、滑板系统、塞棒 +滑板组合系统。采用塞棒或滑动水口的注流可实施自动控制，结晶器内钢水液面保持稳定。 2.5 包盖 中间包包盖的要求 ： 保证盖 板原来的

12、外形最大尺寸及孔的直径和相对位置； 制造和使用时抗变形能力强，且能减轻重量； 制造生产可行。普通盖板的重量为 11t，复合盖板金属壳体重量为 5t7 。 复合盖板结构和尺寸如下说明： （ 1） 盖板主断面设计成拱形，减少铸造时的变形能力；拱形结构上设置加强筋，进燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 页 第 页 一步提高抗变形能力，上表面用筋补平，便于盖板的保存和堆放。 （ 2） 将盖板的浇钢孔与一预热孔连通，方便浇钢时长水口移动下表面设置锚固钉。 （ 3） 盖板上的浇注孔、预热孔和塞棒孔上下都设计出外圆台，增加强度，易于孔内缘安装锚固钉。 （ 4） 盖板下端面及盖板之间的结合面为加工

13、面，利 于密封，提高保温性能。 3、计算 3.1 中间包容量 已知大包（转炉钢水 -大包 -中间包）钢水量为 100 t，热铸坯密度 7.6 t/3m， 铸坯宽度 mmB 150 ，铸坯厚度 mmD 150 ，关闭水口等空钢包撤离所需的时间1 3mint ， 满载钢包回转到浇钢位置所需时间 2 3mint ， 在通常浇注条件下，钢 水在中间包内应停留 8 10min 才能起到上浮夹杂物和稳定注流的作用，所以开浇器接滑动水口液压管，打开水口所需时间 min103 t ， 拉坯速度 c =0.43.2m/min，根据马钢技术研究，四流中间包的小方坯拉坯速度为 min/8.2 mvc 时拉坯时间缩短

14、且不影响铸坯质量。 根据以上材料中描述，中间包容量为大包容量的 30% 40%得： ttGG 4030%40%30100%40%30 ）（）（大中 。 又根据公式（ 1）得： tvtttBDG c 64.308.2)1033(15.015.06.744 321 ）（中 。 所以取中间包容量 tG 30中 。 3.2 中间包主体尺寸 钢水在中间包内最佳停留时间是 8 10min，小方坯连铸用中间包可浇注液面深度不小于 200mm，当中间包液面低于可浇液面高度时，钢水在水口上方会形成涡流，可能卷渣进入结晶器，影响钢坯质量。 浇注深度不小于 400mm，一般在确定深度时再加 100mm。因此最大液面

15、深度不小于 200+400+100=700mm。 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 页 第 页 中间包的宽度需考虑以下因素：（ 1）钢包注流落点与水口的间距应有利于钢水分配，钢水在中间包内不致形成死角；（ 2）注流的落点到最近水口中心距离应大于 500mm；（ 3）水口中心距端墙应在 400-600mm，以免卷渣和对端面过分的冲蚀；然后根据中间包容量、高度和长度确定宽度。中间包过宽会增加散热，降低保温性能，还会影响中间包小车的轨距等。中间包长度是以结晶器的中心距为基准定的水口距包壁端部 200mm 以上。当水口各部位尺寸确定以后，中间包的长度就定了。为防止运输作业过程中中间包内钢

16、水溅出造成生产事故，中间包高度应高于钢水液面 200mm 。 中间包端墙有倾角，其内壁是上大下小。倾角的大小应考虑其下因素：耐火材料砌筑的稳定性；便于清除残钢、残渣；便于操作人员观察结晶器液面。倾角在 9 13为宜。取中间包端墙倾角为 13。 3.3 中间包包底宽度 因为中间包容量 tG 30中 。 所以 395.36.7/30/ mGV 中钢水 （ 3/.7 mt热钢水 ）。 根据公式 lwhV ，得 211 64.57.0/95.3/ mhVwl 液面钢水 。 因为中间包的宽度需考虑以下因素：（ 1）钢包注流落点与水口的间距应有利于钢水分配，钢水在中间包内不致形成死角；（ 2）注流的落点到最近水口中心距离应大于 500mm；（ 3）水口中心距端墙应在 400-600mm，以免卷渣和对端面过分的冲蚀；然后根据中间包容量、高度和长度确定宽度。中间包过宽会增加散热，降低保温性能，还会影响中间包小车的轨距等。中间包长度是以结晶器的中心距为基准定的水口距包壁端部 200mm 以上。 所以取中间包的宽度为 mmw 10001 。 3.4 中间包包体高度 因为小方坯连铸用中间包可浇注液面深度不小于 200mm，当中间包液面低于可浇液面高度时，钢水在水口上方会形成涡流，可能卷渣进入结晶器，影响钢坯质量。浇注深度不小于 400mm，一般在确定深度时再加 100mm。因此最大液面深度不小于