中间包短距射流长水口结构及吹氩冶炼方法转让专利
申请号 : CN202011063212.6
文献号 : CN112247136B
文献日 : 2021-08-03
发明人 : 常胜 , 黄文信 , 邹宗树 , 邵磊 , 曲迎霞
申请人 : 东北大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种中间包短距射流长水口结构,其特征在于,其包括:上管段和下管段,所述下管段的直径大于上管段,所述上管段的下端有部分区段凸伸到所述下管段的内部但不超过所述下管段的下端面;
所述上管段为两端开口的管状体,内部为空心管孔;所述下管段的下端为开口,内部为空心管孔;所述上管段内部的管孔与下管段内部的管孔同轴;所述下管段的上端设有气道;
所述气道连通所述下管段内部的管孔与外部空间。
2.根据权利要求1所述的中间包短距射流长水口结构,其特征在于,所述上管段的下端开口高于中间包钢液液面一定距离,且该距离不超过2cm。
3.根据权利要求1所述的中间包短距射流长水口结构,其特征在于,所述下管段的管孔内径是上管段的管孔内径的2‑4倍。
4.根据权利要求1‑3任一项所述的中间包短距射流长水口结构,其特征在于,所述上管段的下端的外周壁与所述下管段的内周壁之间以耐火材料梁连接;所述耐火材料梁为板体梁,该板体梁的一侧端连接所述下管段的内周壁,另一侧端连接所述上管段的外周壁。
5.根据权利要求4所述的中间包短距射流长水口结构,其特征在于,所述板体梁的下端面与所述上管段的下端面平齐,所述板体梁的上端面与所述下管段的上端面平齐。
6.根据权利要求4所述的中间包短距射流长水口结构,其特征在于,所述上管段的下端面所在的水平面、中间包钢液液面及所述下管段内腔三者限定出一个自由注流区;所述下管段的上端为开口,所述下管段的上端开口被所述耐火材料梁区隔成若干个分区,每个分区构成连通所述自由注流区与外部空间的所述气道。
7.根据权利要求4所述的中间包短距射流长水口结构,其特征在于,所述上管段、所述耐火材料梁、所述下管段三者为一体浇筑成型。
8.一种中间包钢液吹氩冶炼方法,其特征在于,所述方法为:采用权利要求1‑7任一项所述的中间包短距射流长水口结构进行吹氩冶炼,所述下管段的一部分被浸没在钢液中,所述上管段的上端从所述中间包上盖穿出至外部;所述下管段的上端高出钢液液面一定距离,所述上管段的下端开口也高出钢液液面一定距离,使所述上管段的下端面所在的水平面、中间包钢液液面及所述下管段内腔三者限定出一个自由注流区;
在精炼过程中,向所述中间包内充入氩气,在所述中间包上盖与钢液之间充满氩气,且氩气被所述中间包上盖封闭在所述中间包内;
当通过所述长水口向所述中间包注流钢液时,钢液从管孔较细的上管段流出后陡然进入管孔较粗的下管段时,钢液失去上管段的管壁束缚、在重力作用下形成自由注流,自由注流的钢液将所述自由注流区内的氩气卷吸到钢液中,同时在该自由注流区内形成负压,该负压促使中间包内的氩气通过所述下管段的上端开口自行补充到所述自由注流区内,而被卷吸到钢液内的氩气气泡从钢液中浮出,通过吸附作用将小颗粒夹杂物上浮至中间包表面,浮出钢液的氩气泡返回到气相中,平衡中间包内外压力,使得氩气在所述中间包内实现循环利用。
9.根据权利要求8所述的中间包钢液吹氩冶炼方法,其特征在于,所述中间包浇铸过程中采用加盖氩气密封,中间包上盖内氩气的质量分数保持在99%以上。
10.根据权利要求8所述的中间包钢液吹氩冶炼方法,其特征在于,所述中间包底部设有至少一个突出于中间包底面的挡坝,所述挡坝设在所述下管段在所述中间包底面的投影的外部,起到抑制短路流、延长钢液的停留时间的作用;所述中间包底部设有至少一个浸入式水口;所述上管段的下端开口高出稳定浇铸钢液液面的距离为≤
2cm;所述挡坝的高度为25‑35cm;
在所述下管段外部的钢液表面铺设中间包覆盖剂以吸收随气泡一同上浮的夹杂物,同时抑制钢液的二次氧化和温度损失。
说明书 :
中间包短距射流长水口结构及吹氩冶炼方法
技术领域
背景技术
最后一个耐火材料容器,中间包因其提供了充足钢液停留时间和稳定的动力学条件,被视
为夹杂物去除的理想场所。采用常规控流装置的组合优化中间包流场,仅能有效地去除钢
中尺寸在50μm以上的大颗粒夹杂物,但是对尺寸在50μm以下的夹杂物去除效果不佳。而采
用吹氩技术,可通过气泡表面的吸附效应及尾流的捕捉效应促进小颗粒夹杂物上浮至中间
包表面,进而被渣层吸附去除。因此,吹氩技术作为一种深度净化钢液的有效方法受到人们
的广泛关注。
止开浇喷溅、提高开浇安全性等方面、较少从提高钢液洁净度方面来设计;而吹氩冶炼的过
程需要不断向钢液提供具有一定压力的氩气源,由于吹氩气孔易被钢液堵塞,难以保证吹
氩操作的稳定性,此外,附加的吹氩部件还将产生较高能耗和维护费用。
上管段和扩径的下管段,该下管段中央具有连接孔,该上管段的下端位于该连接孔并相互
烧结固定,下管段的顶端面设有3个吸气孔。其工作原理为:下管段的下端插入中间包的钢
液中,下管段的上端高出液面一定距离,使在下管段内部形成一个与周围钢液相隔离的自
由注流区,钢液从上管段出来突然进入下管段内,使钢液瞬间失去管壁束缚形成自由注流,
自由注流冲击注流区液面形成强烈湍流运动,将下管段外部充填的氩气(中间包上盖内的
氩气)自动通过吸气孔吸入到自由注流区内的钢液中并在钢液冲击下形成大量小氩气气
泡,以去除钢液中的小尺寸夹杂物。然而,在实际的应用过程中该方案仍存在一些问题。由
于下管段表面的进气口距离钢液液面距离较近,在中间包连续操作过程中,钢液表面渣层
的厚度会逐渐增加,加之在钢液液面波动较大的情况下,渣层容易会没过/覆盖下管段的顶
端面,堵塞住吸气孔或导致部分中间包渣通过气孔进入自由注流区内,影响钢液的净化效
果。
发明内容
下管段内,进一步缩短钢液的自由注流距离,以生成更小尺寸的气泡,同时避免钢液液面波
动较大导致的渣层堵塞吸气孔或进入自由注流区内的问题。
塞透气砖的问题,设备简单易于维护。
道;所述气道连通所述下管段内部的管孔与外部空间。
接所述下管段的内周壁,另一侧端连接所述上管段的外周壁。
端开口被所述耐火材料梁区隔成若干个分区,每个分区构成连通所述自由注流区与外部空
间的所述气道。
分成4个分区,所述4个分区构成连通所述自由注流区与外部空间的4个气道。
型;优选为一体烧结成型。
形成一定负压,负压促使下管段外部的氩气从气道吸入到自由注流区,并被自由注流的钢
液打散形成更为细小的氩气气泡,氩气气泡在被卷入到钢液以下,并从下管段的下端面往
外以双曲线轨迹扩散到下管段外部的钢液中并将钢液中的小尺寸夹杂物吸附并携带到到
钢液表面,进而被中间包表面渣层吸附,达到深度净化钢液的效果。
的上端高出钢液液面一定距离,上管段的下端开口也高出钢液液面一定距离,使所述上管
段的下端面所在的水平面、中间包钢液液面及所述下管段内腔三者限定出一个自由注流
区;在精炼过程中,向所述中间包内充入氩气,在所述中间包上盖与钢液之间充满氩气,且
氩气被所述中间包上盖封闭在所述中间包内;
由注流的钢液将所述自由注流区内的氩气卷吸到钢液中,同时在该自由注流区内形成负
压,该负压促使中间包内的氩气通过所述下管段的上端开口自行补充到所述自由注流区
内,而被卷吸到钢液内的氩气气泡从钢液中浮出,通过吸附作用将小颗粒夹杂物携带至中
间包表面,上浮的氩气泡返回到气相中,平衡自由注流区内外压力,使得氩气在所述中间包
内实现循环利用。
钢液的停留时间的作用。
的大颗粒渣上浮至钢液表面,而氩气泡亦可携带小颗粒夹杂物自行上浮至中间包表面。
长水口结构,以使上管段的下端开口与钢液液面保持适当的距离。
液进行渣洗操作;在所述下管段外部的钢液表面铺设中间包覆盖剂以吸收随气泡一同上浮
的夹杂物,同时抑制钢液的二次氧化和温度损失。由于中间包内部为氩气气氛,抑制了注流
区钢液的氧化,因而在所述下管段的内部可以没有中间包覆盖剂。
(类似于瀑布),使填充在下管段内部及钢液表面以上(吸氩空间)的氩气被自由注流主动吸
卷到钢液内、打散细化成若干微小氩气泡,氩气上浮净化钢液;氩气的补充过程是依靠自由
注流产生的负压自行补充,不仅能够提高吹氩系统的稳定性,还可省去氩气压缩机等能耗
装置。
气泡以吸附钢液中更小尺寸的杂质;另一方面,钢液注流距离更短,不易引起较大的液面波
动(使钢液液面更稳定),钢液表面渣层不容易被涌到下管段的顶端面,堵塞气道或使渣层
被涌入自由注流区内,影响钢液的净化效果。
管段的外周壁之间采用耐火材料梁连接,该耐火材料梁将下管段和上管段之间的圆环面分
隔成多个分区,这些每个分区构成一个气道,显著增大了连通所述自由注流区与外部空间
的气流通道,有利于维持自由注流区内外间气压平衡。在先技术仅依靠几个离散的点状气
孔吸气,如果卷吸气泡的量一旦过大,下管段内的负压就会增加,导致下管段内的液面上
升。
壁。与在先技术相比,将在先技术的下管段与上管段原有圆环面(圆环面的高度就是下管段
顶面的厚度)的角部连接,变成了竖直方向的多个板体梁侧端面连接,增大连接面积,有效
提高了长水口结构的整体机械强度。由于自由注流的存在,液面具有波动,而下管段悬置浸
没会轻微抖动,这个对整个长水口结构的强度有较高要求,在现有技术的下管段与上管段
存在易部分脱开变形(导致下管段倾斜)、连接不牢固、结构不耐用的问题。通过本发明的改
进可有效增加长水口结构的整体强度。
附图说明
具体实施方式
段112内部分别形成管孔111A和管孔112A,且管孔111A与管孔112A同轴且连通。其中,下管
段112连接在上管段111的下端。其中,下管段的管孔112A的内径大于管孔111A的内径。优选
地,管孔112A的内径是管孔111A内径的2‑4倍,在本实施例中为3倍。
段112的内部的长度占下管段112总长度的1/2‑1/4;优选为1/3。下管段112与上管段111之
间形成一个圆环形柱体空间。其中,下管段112依靠若干个耐火材料梁40连接在上管段111
的下端外部。其中,耐火材料梁40为板体梁,该板体梁的一侧端连接下管段112的内周壁,另
一侧端连接上管段111的外周壁,且该板体梁的下端面与上管段111的下端面平齐,板体梁
的上端面与下管段112的上端面平齐。借此,可将下管段112牢固地结合上管段111的下端外
周。
端开口分成4个分区,这4个分区则构成连通下管段112内部管孔与外部空间的4个气道30。
耐火材料梁40的数量为3块或更多块,如N块,若为3块时则可形成3个气道30,N块则构成N个
气道。本发明优先为3块和4块的情况,因为耐火材料梁40的数量过多时,将严重减少气道的
截面积,影响顺利进气和下管段112内外的气压平衡。
注流区S与外部空间,外部空间的氩气可通过气道30自动吸入到自由注流区S内,并在钢液
自由注流Z的作用下,将吸入的氩气冲击打算并卷到钢液液面以下,被注入的钢液打散形成
亚微米级的气泡。气泡越细,分散越均匀越有利于净化钢液中的细小杂质。
中,而上管段111的上端从中间包20的上盖21穿出至中间包上盖21外部。下管段112的上端
(内部顶面)高出钢液液面L一定距离,而该上管段111的下端面也高出钢液液面L一定距离
H,该距离H为自由注流距离,在该自由注流距离内填充有氩气。优选地,该自由注流距离为
不超过2cm。
111流出后突然进入管孔较粗的下管段112时,钢液失去上管段111的管壁摩擦和约束作用,
在重力作用下加速下坠形成自由注流Z,自由注流Z在下管段112的管孔12A内形成剧烈的湍
流运动,将下管段112内的氩气(具体是自由注流区S内的氩气)以气泡P形式卷吸到钢液中,
同时在该自由注流区S内形成负压,该负压促使该自由注流区S外部的氩气通过下管段112
上端的数个大截面积的气道30自行补充进来。被卷吸到钢液内的氩气气泡,在自由注流的
钢液卷吸作用下,以类似于双曲线的轨迹进入到自由注流区S外部的钢液中,最后从钢液中
浮出,通过吸附作用,将小颗粒夹杂物上浮至自由注流区S外部的中间包钢液表面,浮出到
钢液液面外的氩气在中间包20内循环被使用,可保持纯度。其中,优选地,中间包20内氩气
的纯度保持在质量分数在99%以上。
22设在下管段112在中间包20底面的投影区域外部。优选地,该挡坝22设置一组或一对,对
称地设于下管段112的两侧,且各挡坝22的高度低于下管段112的下端。借此,下管段112管
壁和两侧的挡坝22的配合作用形成合理上升流F1和F2,延长钢液的停留时间,促使小颗粒
夹杂物和部分用于清洗钢液的大颗粒渣上浮至钢液表面。此外,在中间包20的底部设有至
少一个浸入式水口23。
面铺设中间包覆盖剂24以吸收随气泡一同上浮的夹杂物,同时抑制钢液的二次氧化和温度
损失。
(类似于瀑布),使填充在下管段内部及钢液表面以上(吸氩空间)的氩气被自由注流主动吸
卷到钢液内、打散细化成若干微小氩气泡,氩气上浮净化钢液;氩气的补充过程是依靠产生
的负压自行补充,因此可省去氩气压缩机等能耗装置。
于小尺寸夹杂物的去除。同时,由于下管段管壁和挡坝的控流作用,下管段外部的钢液呈现
稳定的上升流运动(近似活塞流),一方面保证夹杂物有稳定上浮的动力学条件,另一方面
维持长水口下管段外部区域液面的稳定。
一方面确保浇铸过程中中间包内部的氩气循环利用,节省气源和能耗。
增大的下管段,钢液失去管壁束缚、在重力作用下做加速运动,同时注流流股发生湍流扰
动,并冲击钢液表面,在此过程中卷吸钢液表面的氩气进入钢液形成气泡实现钢液的净化。
因此,可以通过调整该自由注流段的距离实现不同的功能。例如,缩短自由注流段距离,可
以有效降低气泡的尺寸,提高气泡群的扩散范围,稳定下管段内自由注流区的液面;而增大
自由注流段距离则可以有效提高注流钢液的末速度及湍动能,提高吸气量,从而在钢液中
形成更多的氩气泡,或者强化渣洗效果。
气气泡以吸附钢液中更小尺寸的杂质;另一方面,钢液注流距离更短,不易引起较大的液面
波动(使钢液液面更稳定),钢液表面渣层不易没过到下管段的顶端面,堵塞气道或使渣层
被涌入自由注流区内,影响钢液的净化效果。
上管段的外周壁之间采用耐火材料梁连接,该耐火材料梁将下管段和上管段之间的圆环面
分隔成多个分区,这些每个分区构成一个气道,显著增大了连通所述自由注流区与外部空
间的气流通道,有利于在较大卷吸气量条件下位置自由注流区内外间气压平衡。在先技术
仅依靠几个离散的点状气孔吸气,如果卷吸气泡的量一旦过大,下管段内的负压就会增加,
导致下管段内的液面上升至上管段的下端开口。
周壁。与在先技术相比,将在先技术的下管段与上管段原有圆环侧面(圆环面的高度就是下
管段顶面的厚度)的角部连接,变成了竖直方向的多个板体梁侧端面连接,增大连接面积,
优化了力矩的作用形式,有效提高了长水口结构的整体机械强度。由于自由注流的存在,液
面具有波动,而下管段悬置浸没会轻微抖动,这个对整个长水口结构的强度有较高要求,在
现有技术的下管段与上管段存在易部分脱开变形(导致下管段倾斜)、连接不牢固、结构不
耐用的问题。通过本发明的改进可有效增加长水口结构的整体强度。
发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修
饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。