更新时间：2023-01-02 19:47
自18世纪50年代以来，随着贝赛麦转炉和平炉的出现以及大规模的钢铁制造业的兴起，人类社会的文明进步明显加快。尤其是20世纪以来，钢铁行业的蓬勃发展，成为全球经济和社会文明进步的重要物质基础。在可以预见的时间范围内，钢铁仍然是世界上非常重要的材料，钢铁材料的综合优异性能使其在主要基础工业和基础设施中仍是不可替代的材料。钢铁以其成本的竞争力和原料的高储备量、易开采、易加工以及良好的再生利用性，仍将作为全球性的主要基础原材料。
在钢铁工业的发展进程中，其基本原理并没有出现根本性的变化，但钢铁生产工艺流程中各工序的技术形成以及工程的组成内涵则发生了巨大的变化，从而使钢厂结构模式及制造流程发生了深刻变化。
20世纪50年代，作为钢铁工业革命标志的连铸技术发展起来，其特点是过程速度快，投资集中，技术日趋完善。1970年全世界连铸比仅为5.6%，而到1990年全世界连铸比已达到62.4%，一些工业发达国家的连铸比超过了95%。近年来世界上许多炼钢厂相继以全连铸生产取代了模铸生产，到1994年实现全连铸的国家已达24个。
通传统的模铸相比，连铸具有提高金属收得率和降低能量消耗的优越性，而减少金属资源和能量的消耗是符合可持续发展要求的。全连铸的实现使炼钢生产工序简化，流程缩短，生产效率显著提高。中间包是炼钢生产流程的中间环节，而且是由间歇操作转向连续操作的衔接点。中间包作为冶金反应器是提高钢产量和质量的重要一环。无论对于连铸操作的顺利进行，还是对于保证钢液品质符合需要，中间包的作用是不可忽视的。通常认为中间包起以下作用：
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、清除杂质作用。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。
中间包冶金研究应该发挥的作用有：
1、改善钢液流动条件，最大可能去除钢中非金属夹杂物；亦即防止短路流，减少死区，改进流线方向，增加钢液的停留时间。
2、控制好钢液温度，必要时增加加热措施，使钢液过热度保持稳定。
3、选择合适的包衬耐火材料和熔池覆盖剂，既减轻热损失又有利于吸收分离和上浮的夹杂物。
计算流体力学对各种流场的研究是非常有效的方法。中间包冶金的特点是在钢液流动中进行各种冶金过程，所以可以用计算流体力学方法求解中间包流场。由于中间包结构复杂，除早期曾用二维流场计算求解外，基本上都用三维流场计算。贺友多较早开展了三维流场计算的研究工作，并利用其计算程序计算了多种中间包内钢液流动特征及影响因素。萧泽强等运用了他们对盛钢桶内吹氩钢液流动的长期研究的成就，也计算了多种中间包内的流场，并较早注意到非等温状态中间包流场的研究，指出了自然对流的影响不可忽视，并用水模型进行了实验验证。计算流体力学方法现已成为中间包冶金分析的主要手段，随着计算机硬件和软件的迅速进步，计算流体力学将会在冶金科学技术中得到更广泛的应用。
中间包耐火衬主要包括绝热层、永久层和工作层。
(1)绝热层(保温层)(10～30mm)。该层紧挨着中间包钢壳，主要作用是对钢水进行保温，减少浇注过程中钢水的温降，通常采用石棉板、保温砖或轻质浇注料。效果最好的为硅酸铝纤维毡，热导率低，也易砌筑。
(2)永久层(100～200mm)，该层与保温层相接触，主要起到安全保温的作用。20世纪70年代中期永久层主要用黏土砖砌筑，后来使用高铝砖砌筑，到80年代末期开始使用浇注料整体浇注，浇注料一般为高铝质或莫来石质自流浇注料。
(3)工作层(20～50mm)。该层与钢水接触，是关键部位。该层材料在使用过程和施工过程中应力求设备简单，施工方便，能够降低劳动强度，提高劳动生产率，并要具有良好的烘烤适应性，要求烘包时工作衬材料硬化快、不爆裂、强度好，可以快速烘烤或无需烘烤而可以直接投人使用，减少烤包能耗的同时能够增加中间包的利用率，延长中问包的使用周期，减少备用包的数量。工作衬材料在施工时应能够同永久层有良好的黏附性，不回落、不坍塌。在高温使用条件下应具有良好的高温性能，不但要求有较高的耐火度和一定的高温强度，还必须有良好的化学稳定性，保证高温条件下不会对钢液产生二次氧化，不会对钢液造成污染，不降低钢坯的质量。使用过程中应具有良好的抗熔渣侵蚀和渗透的性能，以及耐钢水和渣液冲刷的能力，有利于提高中问包工作衬的使用寿命、减少中间包
耐火材料的消耗、减少耐火材料对钢液的污染。工作衬应具有一定的冶金功能，可以同钢液中的夹杂物反应，吸收钢液中的N、S、P以及非金属氧化物夹杂，提高钢液质量。工作衬应具有良好的抗热震性和良好的体积稳定性，与钢水接触时不炸裂，保证中间包具有良好的整体性。中间包工作衬还应具有较低的热导率，较好的保温性能，能够减少中问包的热损失，保持中间包钢液温度的稳定。使用后的工作衬应便于拆包，工作层和永久层易脱离，能够减小工作衬耐火材料对中间包永久衬的损坏，有助于延长中问包的使用寿命。
工作层早期的时候使用铝质的耐火砖，后来为了保持钢液在浇注时中间包内钢液温度变化不超过15℃，工作层开始采用绝热板工作衬，后来绝热板被具有同样功能的耐火涂抹料和耐火喷涂料所代替，随着多炉连浇技术和水口快速更换技术的发展，最新的干式振动料以显著的优势开始代替耐火喷涂料。中间包工作层用耐火材料经历了耐火黏土砖(永久层即工作层)、绝热板、喷涂料(涂抹料)及最新的干式振动料(即干性工作衬)的发展历程。绝热板材质一般为硅质、镁质、镁橄榄石质；其他形式的耐火材料多为镁质、镁铬质、镁钙质。
(4)包底材质基本与工作层相当。中间包包底工作层受钢水冲击部位极易损坏，要求抗侵蚀耐磨损。钢水冲击部位多采用预制块增强，材质为刚玉质和镁质浇注料，也有的企业在浇注料中使用废弃滑板砖和镁炭砖进行增强。
中间包绝热板一般有硅质、镁质和镁橄榄石质三种。
(1)各种绝热板的应用特点如下：
1)硅质绝热板一般应用于浇注普碳钢、碳结构钢和普通低合金钢。它在使用过程中存在石英的相变，产生体积膨胀使之与熔渣接触的反应层致密化，从而阻止熔渣的渗入，并在表面形成高黏度玻璃相，起到进一步阻止熔渣渗透的作用。
2)镁质绝热板可用于浇注铝镇静钢、低合金钢、碳素结构钢等优质钢种。在使用过程中高温性能稳定，抗碱性熔渣侵蚀性好，并且能够通过吸收熔渣中的FeO形成镁浮氏体产生体积膨胀，在绝热板表面形成致密结构，减少熔渣的进一步渗透。另外，无机结合剂的镁质绝热板中的磷酸盐在高温下和其中的杂质CaO生成高温稳定相，具有很好的抗钢液冲刷性能。
3)镁橄榄石质绝热板主要应用于高质量的合金钢钢种。在使用过程中高温性能良好，浇注过程中温度变化较小，因为使用的是无机结合剂，消除了钢液“增硅增氢”的现象。
(2)使用中间包绝热板的优点如下：
1)中间包可不预热烘烤，实现冷包开浇，节约烘烤燃料；
2)保温性能良好，可使炼钢炉出钢温度降低5~10℃，中间包不易结冷钢；
3)中间包永久层寿命延长，大大降低耐火材料消耗；
4)绝热板内衬拆、砌方便，比耐火黏土砖砌筑节约人工70%，同时改善了劳动条件；
5)和耐火砖包衬相比．铸坯中大于50μm的夹杂物含量明显减少。
(3)中间包绝热板的缺点如下：
1)当硅质绝热板应用于铝镇静钢和低铝镇静钢时，钢液中的AI、Mn等合金元素会和耐火材料中的反应生成，，导致铸坯中氧化夹杂物含量增加，影响钢的质量；
2)在多炉连铸中镁质绝热板的强度不够理想，使用有机结合剂的镁质绝热板时，其中的有机结合剂会在使用的过程中分解出氢，进入钢水中，使钢产生“氢脆”；
3)由于镁质绝热板的热导率比较大，使中间包内钢液温度变化较大，还必须额外在中间包边壁添加其他绝热材料，增加了施工的复杂性；
4)镁质绝热板在高温作用下，形成的结合相容易和熔渣中的反应生成低熔物，会加快熔渣的渗透，降低使用寿命；
5)镁橄榄石绝热板中的主晶相为镁橄榄石，在使用过程中极易和熔渣中的反应生成钙镁橄榄石(CMS)等低熔物，导致绝热板结构被损坏，降低使用寿命。
堰，又称挡渣堰或上挡墙。横跨整个中间包宽度，从钢液面上部延伸至距中间包底部一定距离，钢水可从其下方流过。其在中间包的作用是：
1）可以控制钢包注流冲击区的大小，控制钢包注流对中间包钢水的搅拌强度，促进夹杂物碰撞和粘结成大颗粒上浮去除。
2）可以将随钢包注流进入中间包的炉渣挡在注流冲击区内，减少钢水因钢包卷渣造成的二次污染。
3）可以将大包注流冲击引起的中间包钢水表面波动限制在堰的上游，稳定堰的下游中间包钢水液面，减少因表面卷渣、二次氧化和机械冲刷所产生的夹杂量。
坝，又称导流坝或下挡墙。横跨整个中间包宽度，从中间包底部向上延伸至距钢液面之下一定距离，钢水从其上流过。它具有以下的作用：
1）可以防止中间包短路流的形成，延长钢水在中间包内的流动距离，增加钢水在中间包的停留时间。
2）可以将钢包注流的冲击限制在冲击区内，降低钢水的水平流动速度。
3）使流过坝的钢水产生指向钢液表面的流动，缩短夹杂物的上浮距离，有利于夹杂物上浮去除和顶渣捕获夹杂物。
在中间包中，坝和堰常常是一起使用，以获得理想的中间包钢水的流动和冶金效果。