CN102274958A - 棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置 - Google Patents

Abstract

一种棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置，属于钢铁精炼技术领域，本发明棱台缝隙式喷粉元件内部填充耐火材料，且在耐火材料中均匀对称布置四棱台状缝隙，本发明实现了高效、连续、稳定喷吹，且吹成率高，脉动几率小，能明显提高缝隙内粉气流均匀流输送几率，喷吹稳定，透气砖磨蚀小，安全可靠。

Description

棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置

技术领域

本发明属于钢铁精炼技术领域，特别涉及一种棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置。

背景技术

钢包底吹喷粉精炼是新兴的一项具有创造性和广阔应用前景的新技术，但由于钢包底喷粉工作环境比钢包底吹氩搅拌环境恶劣，钢包底喷粉工艺提出后面临着诸多技术问题待解决。喷粉冶炼过程当中，粉剂需经喷粉元件送入熔池内部，喷粉元件设计既要解决粉剂连续稳定喷入不发生堵塞，又要保证安全可靠避免发生漏钢事故，既要保证粉剂喷入量范围可调可控，又要求耐火材料耐磨耐蚀使用寿命长，它是钢包底喷粉工艺的核心元件。喷粉元件处在高温和强烈粉气流磨蚀环境当中，其设计和使用性能直接关系到喷粉成败，决定着钢包底喷粉工艺能否进行和推广应用。

目前钢包底喷粉精炼工艺中，有技术提出了采用狭缝式耐火材料进行钢包底喷粉精炼的工艺，该技术采用了如下描述的一种喷粉元件，喷粉元件耐火材料中分布着沿高度方向截面形状相同的狭缝，喷粉元件底部采用平底设计，冶炼开始时，粉剂由蓄气室进入喷粉元件缝隙，透过缝隙进入钢包熔池，该工艺将反应物的固体粉粒直接喷射到钢包熔池深处，避免了粉剂与空气或熔渣的接触，扩大了放映界面积，增加了局部浓度梯度，加强了搅拌，从而加速了传质过程，与传统方式相比，其优点包括以下几方面：

(1)提高钢的质量：它能降低钢中氧和硫的含量，控制钢中氧化物和硫化物夹杂物形态，改善钢的切削性能，减小钢的各个方向异性和氢致裂纹敏感性等。而且也有利于夹杂物的聚合和上浮；(2)提高精炼效果：载气将反应物料吹入熔池深处，可以加快物料的熔化和溶解，而且也大大增强了反应面积，同时还强烈的搅拌了熔池，从而加快了传输和反应过程，使熔池获得了较好的动力学条件；(3)粉剂直接喷入熔池深处，避免了与空气和熔渣的接触，防止了它们的氧化，因而提高了合金的收得率，另外，喷粉能更好的解决微量合金元素、炼钢温度下蒸汽压很高的元素和放散有毒的气体元素的加入问题；(4)能精确的调整钢水成分，使钢的质量更加稳定；(5)设备简单，投资少，操作费用少，灵活性大，工作环境好；(6)提高熔炼炉的生产能力。

虽然该喷粉元件在钢包底吹喷粉领域取得一定成效，但存在明显的缺点：

(1)为防止钢液深入狭缝形成结冷钢，而发生喷吹堵塞，该喷粉元件缝隙狭小，蓄气室内粉气流进入狭缝时，阻力过大，高浓度喷粉冶炼时，容易堵塞狭缝入口，喷吹过程不稳定，粉气流脉动严重；

(2)由粉气流输送管喷入的气固两相流在轴线方向上具有最高动能，上升粉气流与喷粉元件平底直接撞击造成动能损失，大量粉剂回落，同时粉气流对喷粉元件冲击严重，造成喷粉元件震动和破坏，喷吹稳定性差，喷粉元件使用寿命短。

发明内容

针对现有装置的不足，本发明提出一种棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置，以实现无脉动、无堵塞、连续稳定喷吹。

本发明的技术方案是这样实现的：一种棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置，包括棱台缝隙式喷粉元件和蓄气室，棱台缝隙式喷粉元件与蓄气室连接，棱台缝隙式喷粉元件呈圆台状，包括金属壳、耐火材料，其外部包着金属壳，其内部填充耐火材料，所述耐火材料中均匀对称布置若干缝隙，所述缝隙呈四棱台状，四棱台由第一侧面、第二侧面、第三侧面、第四侧面、上底面和下底面组成，其中，第一侧面与第二侧面相对，第三侧面与第四侧面相对，第二侧面、第三侧面和第四侧面分别与耐火材料连接，第一侧面与耐火材料轴连接，所述四棱柱上底面的长度大于下底面长度，上底面宽度小于下底面宽度，且上底面和下底面敞口；耐火材料轴下端向外延伸出锥形突起，该突起位于蓄气室内；

所述的四棱柱的上底面宽度计算公式如下：

$\mathrm{\δ}=-\frac{2\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\ρgh}}$

式中，δ为上底面宽度；σ为液表面张力；ρ为钢液密度；g为重力加速度；h为熔池中钢液深度；θ为钢液与耐材的接触角；

所述的缝隙，其上底面积与下底面积之比的取值在30％～100％；

所述的锥形突起，其底部的导流锥角的取值范围为：θ＝2～160°；

本发明的优点包括以下几方面：(1)率先采用外锥形突起，避免了粉气流核心区与耐火材料的直接撞击，减少了粉气流动能损失，与耐火材料相比，该设计缝隙内粉气流连续稳定，脉动小，同时又降低了耐火材料的震荡和受冲击破损的几率，耐火材料使用寿命长，利于实现高效、连续、稳定喷吹；(2)采用棱台缝隙式防堵设计，吹成率高，脉动几率小，能明显提高缝隙内粉气流均匀流输送几率，喷吹稳定，耐火材料磨蚀小，安全可靠；(3)容安全和可靠性为一体：上表面缝隙宽度狭小，设计满足安全性条件，能防止钢水渗入狭小缝隙，从而避免了漏钢事故发生，也避免了钢水渗入缝隙凝固导致喷吹堵塞；下表面缝隙宽度大于上表面缝隙宽度，又提高了粉气流进入缝隙的量，并且减小了压力损失；(4)气量可调节范围大，根据冶金喷粉强度设计缝隙总长度和缝隙条数，缝隙设计大大改善了粉气流动力学条件，使钢包喷粉工艺成为可能，粉气量可调范围大，可满足各种条件下的钢包底喷粉要求。

附图说明

图1为本发明棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置结构示意图；

图2(a)为本发明棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置棱台缝隙式喷粉元件俯视图；

图2(b)为本发明棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置棱台缝隙式喷粉元件主视图；

图3(a)为本发明棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置单条棱台缝隙立体示意图；

图3(b)为本发明棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置单条棱台缝隙主视图；

图3(c)为本发明棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置单条棱台缝隙侧视图；

图3(d)为本发明棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置单条棱台缝隙俯视图；

图中，1、耐火材料轴；2、耐火材料；3、缝隙；4、金属壳；5、锥形突起；6、法兰连接螺栓；7、蓄气室腔；8、粉气流输送管；9、螺孔；I、棱台缝隙式喷粉元件；II、蓄气室。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置，如图1所示，包括棱台缝隙式喷粉元件I和蓄气室II，棱台缝隙式喷粉元件I通过法兰连接螺栓6与蓄气室II连接，直棱台缝隙式喷粉元件I呈圆台状，由金属壳4和耐火材料2组成，其外部包着金属壳4，其内部填充耐火材料2，所述耐火材料2中均匀对称布置若干缝隙3，所述缝隙3呈四棱台状，四棱台由第一侧面、第二侧面、第三侧面、第四侧面、上底面和下底面组成，其中，第一侧面与第二侧面相对，第三侧面与第四侧面相对，第二侧面、第三侧面和第四侧面分别与耐火材料连接，第一侧面与耐火材料轴连接，所述四棱柱上底面的长度大于下底面长度，上底面宽度小于下底面宽度，且上底面和下底面敞口；耐火材料轴1下端向外延伸出锥形突起5，该突起位于蓄气室内；所述的锥形突起5，其底部的导流锥角的取值范围为：θ＝2～160°；

实施例：

本实施例一种棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置，如图2(a)和图2(b)所示，其实施例的主要参数如下：

(1)耐火材料采用透气砖，透气砖砖芯内径Φ₁：设计原则为：既要避免砖芯内径过小导致粉气流在钢包熔池内聚合形成大气泡布袋，又要避免砖芯内径过大，降低射流穿透力；透气砖砖芯内径Φ₁的取值范围为：Φ₁＝6～300mm，本实施例中取Φ₁＝15mm；

(2)透气砖外径Φ₂：设计原则为：保证透气砖强度的前提下，按照透气砖砖芯内径和缝隙布置方式，其取值范围为：Φ₂＝30～400mm，本实施例中取Φ₂＝66mm；

(3)透气砖高度H₀：高度的取值范围为：H₀＝60～800mm；设计原则为：透气砖高度由钢包底部厚度、粉剂在缝隙内加速长度、侵蚀速度等因素决定，在保证安全可行的喷吹条件下，应尽量缩短喷粉元件高度，以减少沿程压力损失；喷粉精炼所用粉剂一般在300目以下，粉剂加速度段不超过100mm，喷粉对缝隙厚度影响较大，但对缝隙长度的影响较小，可沿用吹氩搅拌用透气砖侵蚀速度来判定，透气砖的侵蚀速度平均为5mm/次，本实施例取H₀＝200mm；

(4)锥形突起锥角θ：设计原则为：应根据喷粉元件砖芯部直径Φ₁和输送管内径来确定，锥角不应过大，导流柱锥角的取值范围为：θ＝2～160°，本实施例取θ＝20°；

(5)棱台缝隙参数，如图3(a)～图3(d)所示，本实施例所述四棱台状缝隙，四棱台由第一直角侧面、第二侧面、第三侧面、第四侧面、上底面和下底面组成，其中，第一直角侧面与第二侧面相对，第三侧面与第四侧面相对，第一直角侧面与直线缝隙式喷粉元件的中轴线平行，第二侧面、第三侧面和第四侧面分别与耐火材料连接，第一侧面与耐火材料轴连接，所述四棱柱上底面的长度大于下底面长度，上底面宽度小于下底面宽度，且上底面和下底面敞口；具体参数取值如下：

棱台缝隙上顶面长度为B₂，宽度为δ₂，下底端长度为B₁，宽度为δ₁，其中，所述的缝隙顶端宽度范围为：δ₁＝0.05～5.00mm；所述的缝隙顶端长度范围为：B₁＝0.1～300mm；所述的缝隙底端宽度范围为：δ₂＝0.05～1.00mm；所述的缝隙底端长度范围为：B₂＝0.1～300mm；

对单条缝隙来说：

下表面粉气流通过面积：B₁δ₁；上表面粉气流通过面积：B₂δ₂，设计时取

$\frac{B_2{\mathrm{\δ}}_2}{B_1{\mathrm{\δ}}_1}=80\%~90\%$

钢液深度大于2m的钢包，理论上缝隙宽度必须小于0.15mm才不会发生漏钢，实际上供气元件缝隙宽度为几百微米时也不能发生漏钢，这是由于耐火材料在高温钢液的作用下产生一种胶状液膜阻止了钢液渗入缝隙，耐火材料表面的粗糙程度也会影响钢液渗入缝隙，为了避免发生漏钢事故和达到最佳喷吹效果，本实施例中，取δ₂＝0.14mm，δ₁＝0.20mm，若上表面长度B₂＝16mm，则B₁＝12.44mm≈12.50mm；

缝隙数目n及缝隙布置方式：根据喷粉冶炼强度计算粉气流通过总界面积，确定缝隙长度B和缝隙数目n，缝隙围绕耐火材料轴均匀布置，缝隙条数取值为n＝4～60条，本实施例中n＝16。

Claims (4)

1.一种棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置，包括棱台缝隙式喷粉元件和蓄气室，棱台缝隙式喷粉元件与蓄气室连接，棱台缝隙式喷粉元件呈圆台状，包括金属壳、耐火材料，其外部包着金属壳，其内部填充耐火材料，其特征在于：所述耐火材料中均匀对称布置若干缝隙，所述缝隙呈四棱台状，四棱台由第一侧面、第二侧面、第三侧面、第四侧面、上底面和下底面组成，其中，第一侧面与第二侧面相对，第三侧面与第四侧面相对，第二侧面、第三侧面和第四侧面分别与耐火材料连接，第一侧面与耐火材料轴连接，所述四棱柱上底面的长度大于下底面长度，上底面宽度小于下底面宽度，且上底面和下底面敞口；耐火材料轴下端向外延伸出锥形突起，该突起位于蓄气室内。

2.根据权利要求1所述的棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置，其特征在于：所述的四棱柱的上底面，其宽度计算公式如下：

$\mathrm{\δ}=-\frac{2\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\ρgh}}$

式中，δ为上底面宽度；σ为液表面张力；ρ为钢液密度；g为重力加速度；h为熔池中钢液深度；θ为钢液与耐材的接触角。

3.根据权利要求1所述的棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置，其特征在于：所述的缝隙，其上底面积与下底面积之比的取值在30％～100％。

4.根据权利要求1所述的棱台缝隙式防堵钢包底吹喷粉装置，其特征在于：所述的锥形突起，其底部的导流锥角的取值范围为：θ＝2～160°。

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