CN100333865C

CN100333865C - 一种钢水自旋式连铸中间包

Info

Publication number: CN100333865C
Application number: CNB2005100469941A
Authority: CN
Inventors: 邹宗树; 罗志国; 侯勤福; 王晓鸣; 王焕洋; 李环
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Wuxi Dongda Industry Research Institute Co Ltd
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2025-08-03
Also published as: CN1718328A

Abstract

一种钢水自旋式连铸中间包，包括中间包本体、长水口、挡墙、挡坝、浸入式水口，还包括漩流室和圆形钢水切线入口，在中间包底面大包注流位置下方设置圆柱形或圆台形漩流室，漩流室主体通过长水口和大包相连，漩流室底部沿圆周切线方向开有圆形钢水切线入口。圆形钢水切线入口直径和长水口直径相同，并且圆滑过渡。采用该中间包用于炼钢连铸生产，在流量15～35m³/h的条件下，得到钢水旋转速度为5～60rpm，可以对非金属夹杂进行有效的分离，可以防止大包注流的二次氧化和卷渣，采用本发明的设备进行炼钢连铸生产工艺简单，改造现有工艺成本低，易于工业化生产，具有广阔的应用前景，尤其适合于生产质量要求较高的钢种。

Description

一种钢水自旋式连铸中间包

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及炼钢连铸生产中的一种中间设备。

背景技术

中间包是炼钢连铸生产流程中所需要的一种中间设备，是炼钢生产中由间歇操作到连续操作的衔接点。是提高钢产量、质量和生产效率的重要设备之一。

20世纪50年代，连铸技术作为钢铁工业标志性成果发展起来，其特点是工艺过程速度快，投资集中。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％。1994年全世界的连铸比为72.4％，近年来世界上许多炼钢厂相继以全连铸取代了模铸生产。截止1994年，实现全连铸的国家已经达到24个。连铸技术在我国起步并不晚，但发展缓慢，和发达国家有了相当的差距，80年代后期，在“以连铸为中心，炼钢为基础，设备为保证”的方针指导下，我国的连铸技术有了迅猛的发展。为我国钢铁的高效、连续快速可持续发展奠定了基础。

中间包作为冶金反应器无论对于连铸的顺利进行还是对于保证钢液品质，其作用都是不可忽略的。通常认为中间包起到以下三种作用：

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，更换盛钢桶时中间包存储的钢液可起到衔接的作用。

3、减压作用。盛钢桶内钢液液面高度有5～6m，钢液势能产生的冲击力很大，在浇铸过程中变化的幅度也比较大。中间包液面比盛钢桶低且变化的幅度小，因此可以稳定钢液浇铸过程，减小钢流对结晶器凝固坯壳的冲刷。

中间包是钢水铸坯之前最后一个大的盛装设备，为了提高钢水质量，减少钢中夹杂，人们采用了一项新的技术，即在中间包处设置控流装置并外加电磁场，使钢液在中间包内的停留时间增加或者产生速度为40～50rpm之间的旋转运动，促使钢液中的非金属夹杂得到聚合、粘附和上浮，保证进入到结晶器内的钢液具有较高的纯净度，从而获得成份均一的高质量铸坯。

实践证明，利用外加电磁场促使中间包内的钢水获得旋转流场，对于钢水质量提高的确可以发挥明显作用，但明显增加了设备投资和运行成本，不利于在钢厂连铸生产中普遍使用。

发明内容

针对现有中间包的不足之处，本发明提供一种钢水自旋式连铸中间包，以降低炼钢连铸生产的设备投资和运行费用。

本发明对现有炼钢连铸生产用的中间包做了改进，在中间包内设计出底部带有钢水切线入口的圆柱或者圆台形漩流室结构，将漩流室设在中间包内底面大包注流位置，使从钢包注入中间包内的钢液从漩流室底部沿切线方向进入漩流室时利用自身势能在漩流室内产生旋转流动，在实际浇铸过程中钢水流动会在漩流室内产生5～60rpm的旋转流场，从而达到利用向心力去除夹杂和控制湍流的目的。

利用大包内钢液的自身势能，引导钢液通过长水口后沿着与之连接的漩流室钢水切线入口进入漩流室主体内部，依靠钢水的势能及流动动能，可以使钢水产生旋转流动。这是因为首先由于漩流室主体壁面的限制，使钢液的动能大部分在漩流室内部耗散，在漩流室的上沿处具有较小的动能和湍流度，对于平缓挡墙和挡坝后面的流动产生有利的影响。其次，由于旋转运动产生的离心力对于密度不同的钢液和非金属夹杂产生不同的效果，密度较小的非金属夹杂被“挤向”漩流室的中心，从而利于非金属夹杂的聚合长大和上浮。向心力场中颗粒受力分析如下。

当颗粒处于斯托克斯(Stokes)区时，颗粒受曳力为3πμdu_r，其中u_r为径向运动速度，ω为旋转角速度，ρ为流体密度，ρ_s为颗粒密度，d为颗粒直径。

颗粒受力方程：

\frac{π}{6} d^{3} ρ_{s} \frac{{du}_{r}}{dt} = \frac{π}{6} d^{3} (ρ - ρ_{s}) ω^{2} (R_{0} - r) - 3 πμ {du}_{r} .

令

\frac{{du}_{r}}{dt} = \frac{d^{2} r}{{dt}^{2}},

u_{r} = \frac{dr}{dt},

求解此方程可以得到颗粒的向心运动位移和时间关系为：

r = R_{0} + \frac{R_{0}}{r_{1} - r_{2}} (r_{2} e^{r_{1} t} - r_{1} e^{r_{2} t}) .

其中r₁和r₂是受力方程的两个特征根。

本发明的钢水自旋式连铸中间包漩流室设计参数如下：

1.实验研究用钢水自旋式连铸中间包漩流室设计参数

(1)优化的漩流室设计参数

圆柱形漩流室：内直径：100～400mm，高径比范围0.48～4.0，最佳比例为2左右：

圆台形漩流室：下底内径100～400mm，上底内径/下底内径0.5～1.0，高100～400mm；

漩流室底部切线方向入口直径和长水口直径相同，并且圆滑过渡。

(2)操作参数及使用效果

将漩流室安放在中间包注流区，在大包液面高度为2～3m和中间包注入流量为1.5～3.5m³/h的条件下，可获得钢液在漩流室内10～100rpm的旋转速度。

2.工业生产用钢水自旋式连铸中间包漩流室设计参数

(1)优化的漩流室设计参数

对不同容量和形状的中间包，漩流室的设计参数如下。

圆柱形漩流室：内直径250～1000mm，高径比范围0.48～4.0，最佳比例为2左右；

圆台形漩流室：下底内径250～1000mm，上底内径与下底内径之比为0.5～1.0，高250～1000mm；

(2)操作参数及使用效果

将漩流室安放在中间包注流区，在大包液面高度为4～6m和钢水注入流量为15～35m3/h的条件下，可获得钢液在漩流室内5～60rpm的旋转速度。

漩流室内直径大小和高度之比的选择根据中间包的容量和要求生产能力(注入流量)来确定，对于容积大，注入速度快的中间包，原则选用较大直径的漩流室。

本发明的钢水自旋式连铸中间包，采用独有的漩流室控流装置设计，可以有效降低流体的湍流动能，使中间包内的流动接近于层流稳定流动的状态；漩流室内旋转速度达到5～60rpm，可以对非金属夹杂进行有效的分离，可以防止大包注流的二次氧化和卷渣；采用本发明的设备进行炼钢连铸生产工艺简单，改造现有工艺成本低，易于工业化生产，具有广阔的应用前景，尤其适合于生产质量要求较高的钢种。

附图说明

图1为钢水自旋式连铸中间包的前视剖面图，其中(a)为圆柱形漩流室的钢水自旋式连铸中间包的前视剖面图，(b)为圆台形漩流室的钢水自旋式连铸中间包的前视剖面图。

图2为钢水自旋式连铸中间包的俯视图。

图3为漩流室入口结构剖视放大图。

图中：1为中间包本体，2长水口，3漩流室主体，4钢水切线入口，5挡墙，6挡坝，7浸入式水口，D₁、D₂、H、H₁、L₁、L₂、W₁、W₂、L₃、L₄、L₅、X₁和Y₁为中间包的设计参数，D₁圆柱形漩流室的内直径，H₁漩流室的高度，D₂长水口和浸入式水口直径，L₁中间包上端口长度，L₂中间包底面长度，W₁中间包底面宽度，W₂中间包上端口宽度，L₃挡墙的X向定位尺寸，L₄挡坝的X向定位尺寸，L₅浸入式水口的X向定位尺寸，X₁和Y₁为漩流室中心距离下底壁面的定位尺寸，X坐标系的X轴，Y坐标系的Y轴。

具体实施方式

实施例1

如附图所示，本实施例的供试验研究用的钢水自旋式连铸中间包与目前普遍使用的中间包相比，其共同之处在于中间包设有中间包本体1、长水口2、挡墙5、挡坝6、浸入式水口7等部分。不同之处是在中间包底面大包注流位置下方设有一个圆柱形漩流室，该漩流室主体3通过长水口2和大包相连，漩流室底部沿圆周切线方向开有圆形钢水切线入口4。设计参数可按如下数据予以确定：

关键尺寸	X₁	Y₁	L₁	L₂	W₁	W₂	H	L₃	L₄	L₅	D₁	H₁	D₂
关键尺寸	X₁	Y₁	L₁	L₂	W₁	W₂	H	L₃	L₄	L₅	D₁	H₁	D₂	数值，mm	435	390	1980	1680	830	470	485	650	950	95	200	260	30

采用该中间包用于试验研究，在流量1.5～3.5m³/h的条件下，得到钢水旋转速度为10～100rpm。通过数值模拟和实验测定，可以判断该中间包具有良好的控流和去除夹杂功能。

实施例2

如附图所示，本实施例的供工业生产用的钢水自旋式连铸中间包与目前普遍使用的中间包相比，其共同之处在于中间包设有中间包本体1、长水口2、挡墙5、挡坝6、浸入式水口7等部分。不同之处是在中间包底面大包注流位置下方设有一个圆柱形漩流室，该漩流室主体3通过长水口2和大包相连，漩流室底部沿圆周切线方向开有圆形钢水切线入口4。设计参数可按如下数据予以确定：

关键尺寸	X₁	Y₁	L₁	L₂	W₁	W₂	H	L₃	L₄	L₅	D₁	H₁	D₂
关键尺寸	X₁	Y₁	L₁	L₂	W₁	W₂	H	L₃	L₄	L₅	D₁	H₁	D₂	数值，mm	1088	975	4950	4200	2080	1175	1212	1625	2380	238	500	650	75

采用该中间包用于炼钢连铸生产，在流量15～35m³/h的条件下，得到旋转速度为5～60rpm。使用本中间包预期可降低夹杂10％，从而起到了良好的去除夹杂功能。

实施例3

如附图所示，本实施例的供试验研究用的钢水自旋式连铸中间包与目前普遍使用的中间包相比，其共同之处在于中间包设有中间包本体1、长水口2、挡墙5、挡坝6、浸入式水口7等部分。不同之处是在中间包底面大包注流位置下方设有一个圆台形漩流室，该漩流室主体3通过长水口2和大包相连，漩流室底部沿圆周切线方向开有圆形钢水切线入口4。设计参数可按如下数据予以确定：

关键尺寸	X₁	Y₁	L₁	L₂	W₁	W₂	H	L₃	L₄	L₅	D₁	H₁	D₂	上底
关键尺寸	X₁	Y₁	L₁	L₂	W₁	W₂	H	L₃	L₄	L₅	D₁	H₁	D₂	上底	数值，mm	435	390	1980	1680	830	470	485	650	950	95	200	260	30	100

采用本实施例的钢水自旋式连铸中间包，在流量1.5～3.5m³/h的条件下，得到钢水旋转速度为10～100rpm。通过数值模拟和实验测定，可以判断该中间包具有良好的控流和去除夹杂功能。

实施例4

如附图所示，本实施例的供工业生产用的钢水自旋式连铸中间包与目前普遍使用的中间包相比，其共同之处在于中间包设有中间包本体1、长水口2、挡墙5、挡坝6、浸入式水口7等部分。不同之处是在中间包底面大包注流位置下方设有一个圆台形漩流室，该漩流室主体3通过长水口2和大包相连，漩流室底部沿圆周切线方向开有圆形钢水切线入口4。设计参数可按如下数据予以确定：

关键尺寸	X₁	Y₁	L₁	L₂	W₁	W₂	H	L₃	L₄	L₅	D₁	H₁	D₂	上底
关键尺寸	X₁	Y₁	L₁	L₂	W₁	W₂	H	L₃	L₄	L₅	D₁	H₁	D₂	上底	数值，(mm)	1088	975	4950	4200	2080	1175	1212	1625	2380	238	500	650	75	250

采用本实施例的钢水自旋式连铸中间包，在流量15～35m³/h的条件下，得到钢水旋转速度为5～60rpm。使用本中间包预期可降低夹杂13％，从而起到了良好的去除夹杂功能。

Claims

1、一种钢水自旋式连铸中间包，包括中间包本体、长水口、挡墙、挡坝、浸入式水口、漩流室和圆形钢水切线入口，其特征在于漩流室设置在中间包底面大包注流位置下方，漩流室底部沿圆周切线方向的圆形钢水切线入口直径和长水口直径相同，并且圆滑过渡，漩流室主体通过长水口和大包相连，漩流室为圆柱形或圆台形，漩流室的设计参数如下：

圆柱形漩流室，内直径250～1000mm，高径比范围0.48～4.0；

圆台形漩流室，下底内径250～1000mm，上底内径与下底内径之比范围为0.5～1.0，高250～1000mm。