CN102296156A - 一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置 - Google Patents

Abstract

一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置，属于钢铁冶炼技术领域，由缝隙式喷粉元件I和旋风蓄气室II组成，缝隙式喷粉元件I内部填充耐火材料，耐火材料中均匀布置若干缝隙，经缝隙近轴心端部的中轴面与缝隙所在的垂直平面之间呈γ夹角，旋风蓄气室底端连接旋风加速室，旋风加速室下端安装有旋风气流输送管，旋风气流输送管位于粉气流输送管两侧，分别与粉气流输送管呈β角；本装置能明显减少粉气流脉动程度，减少回落粉剂的堆积，减小粉气流进入缝隙阻力；能明显提高缝隙内粉气流均匀流输送几率，喷吹稳定，脉动小，耐火材料磨蚀少，安全可靠，能实现连续稳定喷吹，耐火材料使用寿命长。

Description

一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置

技术领域

本发明属于钢铁冶炼技术领域，特别涉及一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置。

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喷粉装置，该装置由喷粉元件和蓄气室两部分组成，缝隙式喷粉元件与蓄气室通过法兰连接螺栓相连接。蓄气室下部设计成锥形，粉气流输送管连接在蓄气室下部，缝隙式喷粉元件采用直线缝隙，均匀对称布置，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)撞击在蓄气室壁或喷粉元件上的粉剂回落在蓄气室内堆积，当粉剂量堆积达到一定程度时，容易堵塞粉气流输送管，影响正常喷吹；

(2)堆积粉剂被粉气流主上升流股卷扬起，造成蓄气室内粉气流分布不均，以疏密流方式脉动喷吹，严重时会堵塞耐火材料缝隙，影响喷粉冶炼的连续稳定进行；

(3)蓄气室设计不甚合理，压力损失大，喷入钢包熔池内的粉气流动能衰减明显。

发明内容

针对现有装置存在的不足，本发明提出一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置，通过在粉气流输送管两侧安装旋风气流输送管，实现粉剂连续、稳定、无脉动、无堵塞、高效率喷吹。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置，由缝隙式喷粉元件I和旋风蓄气室II组成，缝隙式喷粉元件I底端连接旋风蓄气室II；缝隙式喷粉元件呈圆台状，包括金属壳和耐火材料，其外部包有金属壳，其内部填充耐火材料，所述耐火材料中均匀布置若干缝隙，经过缝隙近轴心端部的中轴面与缝隙所在的垂直平面之间呈γ夹角，所述的中轴面是指中轴线所在的垂直平面；旋风蓄气室包括旋风加速室、粉气流输送管和旋风气流输送管，其连接关系如下：旋风蓄气室底端连接旋风加速室，旋风加速室下端安装有旋风气流输送管，旋风气流输送管位于粉气流输送管两侧，并分别与粉气流输送管呈β角，耐火材料轴下端向外延伸出锥形突起，该突起位于旋风蓄气室内；

所述的旋风加速室，由插入蓄气室腔内粉气流输送管壁和蓄气室壁围绕而形成的宽度为b的环形空间，其中，粉气流输送管插入蓄气室腔内高度为H₂，旋风加速室高度为H₃；粉气流输送管插入蓄气室腔内高度H₂大于旋风加速室高度H₃；

所述的旋风气流输送管，其偏心率为e，即旋风气流输送管轴线与粉气流输送管轴线之间的距离为e；

所述的缝隙近轴心端与缝隙所在平面之间的夹角γ的取值范围为：γ＝0～90°；

所述的旋风气流输送管位于粉气流输送管两侧，并分别与粉气流输送管呈β角，β的取值范围为：β＝0～90°；

所述的旋风加速室高度的取值范围为：H₃＝10～120mm；

所述的旋风加速室宽度的取值范围为：b＝2～100mm；

所述的锥形突起其底部的导流锥角的取值范围为：θ＝2～160°；

所述的旋风气流输送管偏心率的取值范围为：e＝5～100mm；

所述的旋风蓄气室的高度取值范围为：H₁＝60～600mm；

本发明一种旋风护流蓄气室钢包底喷粉装置，其工作原理为：喷粉精练时，粉气流由粉气流输送管进入旋风加速室，形成粉气流流股，气体由旋风气流输送管进入旋风加速室，在旋风加速室内加速形成旋风，这样，形成以粉气流流股为中心，周围护有旋转气体的上升流股，上升流股经缝隙式喷粉元件的外锥形导流设计引导进入缝隙式喷粉元件缝隙，部分未能一次性进入缝隙的粉剂撞击到内壁回落，并与旋风气流相遇而被卷扬起，随主流股带动而进入缝隙，粉气流通过缝隙被喷入钢包熔池；

本发明的优点：包括以下几方面：(1)本发明采用旋风护流蓄气室配合耐火材料缝隙倾斜旋转式布置，该设计方式能明显减少粉气流脉动程度，减少回落粉剂的堆积，减小粉气流进入缝隙阻力；(2)本发明采用的旋风护流蓄气室设计主要有三个作用：第一，保护输送管喷入蓄气室的核心粉气流流股，减少其扩展引起的压力损失，提高一次性进入缝隙的粉剂量；第二，卷扬回落粉剂，使其均匀弥散在蓄气室内，避免堆积堵塞输送管，同时也能减少蓄气室内疏密流的出现，防止粉剂堵塞缝隙入口；第三，对于高浓度粉剂喷吹，旋风气流对粉气流具有一定稀释作用，并且补充上升过程粉气流的压力降；采用本发明可实现连续、稳定、无脉动、无堵塞、高效率喷吹；(3)本发明能明显改善喷粉元件缝隙内粉气流流型，喷粉过程喷粉元件缝隙内气固两相流可出现均匀流、疏密流、栓状流、板状流四种流型；均匀流输送时，粉剂在气流中飞翔跳跃、悬浮输送，压力损失小，而且在缝隙的所有截面上均匀分布，输送性能好，耐火材料受粉气流磨蚀程度低，由于蓄气室内粉剂分布均匀，主流股带动粉剂均匀进入缝隙，因此，本发明能明显提高缝隙内粉气流均匀流输送几率，喷吹稳定，脉动小，耐火材料磨蚀少，安全可靠，能实现连续稳定喷吹，耐火材料使用寿命长。

附图说明

图1为一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置结构示意图；

图2(a)为一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置直线缝隙式喷粉元件主视图；

图2(b)为一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置直线缝隙式喷粉元件俯视图；

图2(c)为一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置直线缝隙式喷粉元件单条缝隙放大图；

图3(a)为一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置环形缝隙式喷粉元件主视图；

图3(b)为一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置环形缝隙式喷粉元件俯视图；

图4(a)为一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置旋风蓄气室主视图；

图4(b)为一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置旋风蓄气室结构示意图；

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、旋风加速室；10、旋风气流输送管；11、气体压力表；12、螺孔；I、缝隙式喷粉元件；II、旋风蓄气室。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置如图1所示，由缝隙式喷粉元件I和旋风蓄气室II组成，缝隙式喷粉元件I底端连接旋风蓄气室II；缝隙式喷粉元件I呈圆台状，包括金属壳4和耐火材料2，其外部包有金属壳4，其内部填充耐火材料2，所述耐火材料2中均匀布置若干缝隙3，经过缝隙3近轴心端部的中轴面与缝隙所在的垂直平面之间呈γ夹角，所述的中轴面是指中轴线所在的垂直平面；旋风蓄气室II包括旋风加速室9、粉气流输送管8和旋风气流输送管10，其连接关系如下：旋风蓄气室II底端连接旋风加速室9，旋风加速室9下端安装有旋风气流输送管10，旋风气流输送管10位于粉气流输送管8两侧，并分别与粉气流输送管8呈β角；耐火材料轴1下端向外延伸出锥形突起，该突起位于旋风蓄气室II内；

所述的旋风加速室9：由插入蓄气室腔7内粉气流输送管壁和蓄气室壁围绕而形成的宽度为b的环形空间，粉气流输送管8插入蓄气室腔7内高度H₂，旋风加速室高度为H₃。

实施例1：

本实施例中的耐火材料取透气砖，其参数设计如下：直线缝隙式喷粉元件I结构如图2(a)所示，主要参数包括透气砖砖芯内径Φ₁，透气砖外径Φ₂，透气砖高度H₀，外锥形导流设计锥角θ，缝隙尺寸(缝隙长度B和缝隙宽度δ)，缝隙数目n及缝隙布置方式：

(1)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，降低了射流穿透力，透气砖砖心内径的取值范围为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取值，本实施例中取Φ₂＝66mm；

(3)透气砖高度H₀：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；喷粉对缝隙宽度影响较大，但对缝隙高度的影响较小，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)锥形突起设计及导流锥角θ：设计原则为：缝隙式喷粉元件I下部设有锥形突起，由粉气流输送管8喷入的气固两相流在轴线方向上具有最高动能，采用锥形突起可引导粉气流平缓进入缝隙，这不仅能避免粉气流直接撞击喷粉元件底部而造成动能损失和减小粉气流对喷粉元件的冲击，同时还可以提高一次性进入缝隙的粉剂量，能明显提高喷粉冶金冶炼效率，导流锥角θ设计根据喷粉元件砖芯部直径Φ₁和粉气流输送管8内径来确定，本实施例中外锥角取值为：θ＝20°；

(5)缝隙参数：缝隙参数包括缝隙宽度、缝隙长度和缝隙数；

如图2(c)所示，缝隙为矩形，表面平整，钢液形成圆柱形曲面，由Young-Laplace方程计算缝隙宽度δ：

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

式中，δ为缝隙宽度；σ为钢液表面张力；ρ为钢液密度；g为重力加速度；h为熔池中钢液深度；η为钢液与耐材的接触角；

熔池内钢液深度大于2m的钢包，理论上缝隙厚度必须小于0.15mm才不会发生漏钢，实际上供气元件缝隙厚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，为避免漏钢事故的发生和达到最佳喷吹效果，透气砖缝隙宽度的取值范围δ＝0.05～1.00mm，本实施例中取δ＝0.15mm；

缝隙长度B：为消除缝隙两端边界的影响，设计时B/δ＞10；同时，狭缝长度过小，透气量难以满足冶金要求，流量损失较大；缝隙长度设计时，应根据冶金要求的具体透气量进行计算，本实施例中缝隙的长度取值为B＝14mm；

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，缝隙围绕透气砖砖芯均匀布置，如图2(b)，通常缝隙条数的取值范围为n＝8～60条，本实施例取n＝16；

耐火材料缝隙的数目是有限的，从输送管进入蓄气室的粉剂，一部分随气流进入缝隙，另一部分触到耐火材料壁后速度迅速衰减回落，粉剂回落对喷吹效果产生三个影响：第一，回落粉剂堆积在蓄气室内，当堆积量过高时会造成粉剂输送管堵塞，影响正常喷吹冶炼；第二，回落粉剂被卷扬起，在蓄气室内形成脉动流，喷吹不稳定，容易堵塞缝隙入口；第三，蓄气室内粉剂浓度分布直接关系到缝隙内流型，当浓度分布不均时，缝隙内粉气流多以疏密流方式前进，喷吹不稳定，容易堵塞缝隙，冶炼效果差；另外，从提高一次喷吹进入缝隙的粉剂量和减少回落粉剂在蓄气室内的堆积等方面着手，传统方法是把蓄气室做成锥形，这样一旦粉粒碰到耐火材料壁回落的部分粉剂又能被上升的气流带动，锥形室的锥角α与粉剂的静止角φ之间的关系必须满足：

a＜180°-2φ

这种结构在一定程度上解决了粉剂在蓄气室内的堆积的问题，但未进入缝隙的粉剂在输送管口堆积，然后随连续喷吹的粉气流再次被扬起，造成蓄气室内粉气流浓度分布不均，浓相再次进入缝隙时容易发生缝隙堵塞，高浓度粉剂喷吹时，粉剂在输送管口累积量增加，发生堵塞几率也会增加；

因此本实施例采用旋风蓄气室，其结构如图4(a)、图4(b)所示，粉气流输送管8两侧各加一旋风气流输送管10，旋风气流输送管与粉气流输送管8成角度β，并与气体压力表11连接，根据粉气流输送量调节气流大小，气流在垂直旋风加速室9内旋转加速上升，与未进入缝隙沉降的粉剂相遇，进而将粉剂卷扬起均匀弥散在输送管主流股的两侧，上升主流股具有较高动能，产生负压带动弥散粉气流进入缝隙；

本实施例中，旋风蓄气室II各项参数设计如下：

旋风蓄气室高度H₁取值为：H₁＝100mm；

粉气流输送管插入旋风蓄气室高度H₂取值为：H₂＝40mm；

旋转气流加速高度H₃取值为H₃＝30mm；

旋转气流加速空间环形宽度b取值为b＝10mm：

旋风蓄气室锥角α取值为α＜60°；

旋风气流输送管仰角β取值为β＝45°；

气流输送管偏心率e根据输送管外径和b的大小来确定具体参数，e＝15mm。

实施例2：

本实施例中的耐火材料取透气砖，其参数设计如下：缝隙式喷粉元件I结构如图3所示，主要参数包括透气砖砖芯内径Φ₁，透气砖外径Φ₂，相邻缝隙间距离Δd，透气砖高度H₀，外锥形导流设计锥角θ，缝隙宽度δ，缝隙数目n及缝隙布置方式：

其具体参数设计如下：

(1)所述的耐火材料其内径Φ₁取值为：避免砖心内径过小导致粉气流在钢包熔池内聚合形成大气泡布袋，又要避免砖心内径过大，降低射流穿透力，综上，本实施例取砖心内径Φ₁＝20mm；

(2)所述的耐火材料其外径Φ₂取值为：在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取值，本实施例中取Φ₂＝80mm；

(3)所述的环形缝隙彼此之间的间距设计为：在保证透气砖强度，避免热应力集中，考虑加工难度和射流衰减，Δd＝3～7mm；

(4)所述的环形缝隙，其缝隙宽度的取值为：为避免漏钢事故的发生和达到最佳喷吹效果，本实施例中透气砖的宽度取值为δ＝0.15mm；

(5)锥形突起设计及导流锥角θ，本实施例中外锥角取值为：θ＝20°；

(6)所述的环形缝隙式喷粉元件高度的取值为：本实施例中缝隙式喷粉元件高度取值为H₀＝200mm；

(7)所述的环形缝隙条数为n＝2～10条，本实施例中环形缝隙条数为n＝3。

本实施例采用旋风蓄气室，其结构如图4(a)、图4(b)所示，粉气流输送管8两侧各加一旋风气流输送管10，旋风气流输送管10与粉气流输送管8成角度β，并与气体压力表11连接，根据粉气流输送量调节气流大小，气流在垂直旋风加速室9内旋转加速上升，与未进入缝隙沉降的粉剂相遇，进而将粉剂卷扬起均匀弥散在输送管主流股的两侧，上升主流股具有较高动能，产生负压带动弥散粉气流进入缝隙；

本实施例中，旋风蓄气室II各项参数设计如下：

旋风蓄气室高度H₁取值为：H₁＝100mm；

粉气流输送管插入旋风蓄气室高度H₂取值为：H₂＝40mm；

旋转气流加速高度H₃取值为H₃＝30mm；

旋转气流加速空间环形宽度b取值为b＝10mm：

旋风蓄气室锥角α取值为α＜60°；

旋风气流输送管仰角β取值为β＝45°；

气流输送管偏心率e根据输送管外径和b的大小来确定具体参数，本实施例中e＝15mm。

Claims (9)

1.一种旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置，由缝隙式喷粉元件和旋风蓄气室组成，缝隙式喷粉元件底端连接旋风蓄气室；缝隙式喷粉元件呈圆台状，包括金属壳和耐火材料，其外部包有金属壳，其内部填充耐火材料，其特征在于：所述耐火材料中均匀布置若干缝隙，经过缝隙近轴心端部的中轴面与缝隙所在的垂直平面之间呈γ夹角；旋风蓄气室包括旋风加速室、粉气流输送管和旋风气流输送管，其连接关系如下：旋风蓄气室底端连接旋风加速室，旋风加速室下端安装有旋风气流输送管，旋风气流输送管位于粉气流输送管两侧，并分别与粉气流输送管呈β角，耐火材料轴下端向外延伸出锥形突起，该突起位于旋风蓄气室内。

2.根据权利要求1所述的旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置，其特征在于：所述的旋风加速室，由插入蓄气室腔内粉气流输送管壁和蓄气室壁围绕而形成的宽度为b的环形空间，其中，粉气流输送管插入蓄气室腔内高度为H₂，旋风加速室高度为H₃；粉气流输送管插入蓄气室腔内高度H₂大于旋风加速室高度H₃。

3.根据权利要求1所述的旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置，其特征在于：所述的旋风气流输送管，其偏心率为e，即旋风气流输送管轴线与粉气流输送管轴线之间的距离为e，且其取值范围为e＝5～100mm。

4.根据权利要求1所述的旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置，其特征在于：所述的缝隙近轴心端与缝隙所在平面之间的夹角γ，其取值范围为：γ＝0～90°。

5.根据权利要求1所述的旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置，其特征在于：所述的旋风气流输送管位于粉气流输送管两侧，并分别与粉气流输送管呈β角，β的取值范围为：β＝0～90°。

6.根据权利要求1所述的旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置，其特征在于：所述的旋风加速室高度的取值范围为：H₃＝10～120mm。

7.根据权利要求1所述的旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置，其特征在于：所述的旋风加速室宽度的取值范围为：b＝2～100mm。

8.根据权利要求1所述的旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置，其特征在于：所述的旋风蓄气室的高度取值范围为：H₁＝60～600mm。

9.根据权利要求1所述的旋风护流蓄气室钢包底吹喷粉装置，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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