CN102560004A - 钢水包气体搅拌的方法及搅拌气体控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢水包气体搅拌方法，进入钢水包的搅拌气体为脉宽和占空比均可调的断续气体。还公开了一种搅拌气体控制装置，包括电气控制系统和与每路搅拌气体一一对应设置并与钢水包相连的主管路，所述主管路上设有稳压气罐、减压阀、用于检测搅拌气体压力的压力变送器、用于测量搅拌气体流量的流量变送器和用于调制搅拌气体脉宽或占空比的快速切断阀，所述流量变送器和所述快速切断阀分别与所述电气控制系统电连接。本发明的钢水包气体搅拌方法能够不仅能够采用大流量的搅拌气体对钢水包进行底吹搅拌，取得较好的搅拌效果，而且还能够防止钢渣飞溅，提高安全性能，减少钢水包内衬的侵蚀，提高钢水包的使用寿命。

Description

钢水包气体搅拌的方法及搅拌气体控制装置

技术领域

本发明属于炼钢技术领域，具体的涉及一种钢水包气体搅拌方法和适用于该钢水包气体搅拌方法的搅拌气体控制装置，本发明的钢水包气体搅拌方法主要适应于钢水二次精炼各种工艺过程中所采用的钢包气体底吹搅拌。

背景技术

现代炼钢技术，炼钢工艺被分成一次冶炼和炉外精炼，一次冶炼是基本的冶炼生产。在电炉或转炉中将碳和磷氧化后，钢水直接倒入钢水包进行炉外精炼，这样使得炼钢更加经济。仅在钢水包中进行的二次冶金便包括了生产优质钢需要的所有工艺措施，这些措施所涉及的设备包括CAS炉、LF炉、RH炉、VD炉、VOD炉等，均是在钢水包容器中对钢水进行精炼处理的设备。

钢包吹气搅拌具有均匀钢液温度和成分，强化渣-金界面反应和促使非金属夹杂物上浮并去除杂质等作用。通常的吹气搅拌方法有两种：其一是插入式，即从钢液表面插入耐材包裹的中空钢管，惰性气体通过钢管出口到达指定液位后吹出；其二是底吹式，即惰性气体通过安装在钢包底部的透气砖吹出。无论采用何种形式，当吹气强度增加后，现有生产中均有发生钢渣被气体吹出钢包的现象，进而限制了气体吹入流量，使得搅拌功不能按需要提高，限制了钢水包搅拌的效果。吹入钢水包的搅拌气体有多种，其中最常用的惰性气体是氩气。

为了防止钢渣被气体吹出钢包，在现有的一些VD(Vacuum Degassing)、VOD（Vacuum Oxygen Decarburization）真空精炼设备中，在钢水包的上方一般有一个防溅盖，也被称作防热屏，用于挡住钢水液面的热辐射和底吹氩时带出的飞溅渣，保护真空罐盖。

现有的钢水包中底吹氩的透气砖一般在布置钢包底部离包底中心约1/2~2/3倍钢包半径处。专利号为CN201020535020.6的中国专利公开了一种侧底复吹精炼钢水包，该侧底复吹精炼钢水包提出一种透气砖布置在钢包侧面的钢水包，与大钢处理量相适应实现大搅拌功，并相对减小惰性气体流量，使其具有较好的经济性，使用时能够防止钢渣飞溅较高。

上述两种现有技术均为从设备结构出发解决气体底吹搅拌带来的钢渣飞溅问题，但是搅拌气体仍然采用连续气流，并通过流量孔板组合变化来控制搅拌气体的气体流量大小，从设备结构出发虽然在一定程度上能够解决气体底吹搅拌带来的钢渣飞溅问题，但是还存在投资大，成本高的缺点，并不能被大量推广应用。

关于现有的钢水包气体底吹搅拌的连续气体的控制系统，其主要设备如图1所示，它由控制器8、不同开口面积的四个流量孔板10、气动切断阀9和管路组成。另外，文献《钢包底吹氩自动控制系统》（赵彦伟等，自动化应用，2011，（04））公开了节流孔板控制原理及应用，在文献《精炼炉底吹氩智能控制系统的研究》（张浩，西安理工大学学位论文）中，甚至还公开了一种采用高速电磁阀用PWM技术和PCM技术获得稳定的连续气流的技术方案。

综上可知，由于钢水包一般深度较大，直径较小，在钢水包中采用连续气流底吹搅拌带来的问题是明显的：采用大流量的搅拌气体底吹时搅拌效果好但会产生钢渣飞溅，采用小流量的搅拌气体底吹时不发生飞溅但会导致搅拌效果达不到要求的缺陷。

鉴于此，本发明旨在探索一种钢水包气体搅拌方法及搅拌气体控制装置，该钢水包气体搅拌方法能够不仅能够采用大流量的搅拌气体对钢水包进行底吹搅拌，取得较好的搅拌效果，而且还能够防止钢渣飞溅，提高安全性能，减少钢水包内衬的侵蚀，提高钢水包的使用寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种钢水包气体搅拌方法及搅拌气体控制装置，该钢水包气体搅拌方法能够不仅能够采用大流量的搅拌气体对钢水包进行底吹搅拌，取得较好的搅拌效果，而且还能够防止钢渣飞溅，提高安全性能，减少钢水包内衬的侵蚀，提高钢水包的使用寿命。

要实现上述技术目的，本发明首先提出了一种钢水包气体搅拌方法，该方法为：进入钢水包的搅拌气体为脉宽和占空比均可调的断续气体。

进一步，所述搅拌气体为惰性气体；

进一步，所述搅拌气体为氩气；

进一步，进入钢水包的所述搅拌气体为至少一路。

本发明还提出了一种用于上述钢水包气体搅拌方法的搅拌气体控制装置，包括电气控制系统和与每路搅拌气体一一对应设置并与钢水包相连的主管路，所述主管路上设有稳压气罐、减压阀、常开手动阀、用于检测搅拌气体压力的压力变送器、用于测量搅拌气体流量的流量变送器和用于调制搅拌气体脉宽或占空比的快速切断阀，所述流量变送器和所述快速切断阀分别与所述电气控制系统电连接。

进一步，还包括与所述快速切断阀和常开手动阀并联的常闭手动阀；

进一步，所述快速切断阀为膜片阀；

进一步，所述膜片阀为先导式电磁膜片阀；

进一步，所述快速切断阀设置在靠近钢水包的主管路上。

本发明的有益效果为：

本发明的钢水包气体搅拌方法采用断续气体代替现有的连续气体对钢水包进行搅拌，在搅拌过程中，钢水包内的钢液不会由于搅拌气体流量过大而产生气柱，使得搅拌效果更好，且搅拌气体采用断续气体后，钢水包内的钢液表面流速明显减小，可以有效减少钢液飞溅和翻滚及钢液对钢包内衬的侵蚀。因此，本发明的该钢水包气体搅拌方法能够不仅能够采用大流量的搅拌气体对钢水包进行底吹搅拌，取得较好的搅拌效果，而且还能够防止钢渣飞溅，提高安全性能，减少钢水包内衬的侵蚀，提高钢水包的使用寿命。

本发明的搅拌气体控制装置通过设置稳压气罐和减压阀控制搅拌气体的压力，通过设置在主管路上的快速切断阀控制搅拌气体的脉宽和占空比，使得搅拌气体达到要求，且每路搅拌气体上分别由不同的搅拌气体控制装置控制，互相之间不干涉。

附图说明

图1为现有采用连续搅拌气体搅拌钢水包的搅拌气体控制装置结构示意图；

图2为本发明搅拌气体控制装置实施例的结构示意图；

图3是为搅拌气体搅拌钢水包的仿真示意图；

图4a为断续气体在钢液中垂直断面的相分布云图；

图4b为与图4a不同时刻的断续气体在钢液中垂直断面的相分布云图；

图5a为采用断续底吹的垂直断面钢液速度分布云图；

图5b为与图5a不同时刻的断续底吹垂直断面钢液速度分布云图；

图6a为断续底吹表面钢液速度分布云图；

图6b为与于6a不同时刻的断续底吹表面钢液速度分布云图；

图7a为断续底吹靠近钢水包液面钢液速度分布云图；

图7b为连续底吹靠近钢水包液面钢液速度分布云图；

图8a为钢水包内断续底吹钢液流速分布仿真图；

图8b为钢水包内连续底吹钢液流速分布仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1所示，为本发明搅拌气体控制装置实施例的结构示意图。本实施例的搅拌气体控制装置，包括电气控制系统8和与每路搅拌气体一一对应设置并与钢水包相连的主管路，所述主管路上设有稳压气罐7、减压阀6、用于检测搅拌气体压力的压力变送器5、用于测量搅拌气体流量的流量变送器4和用于调制搅拌气体脉宽或占空比的快速切断阀1，所述流量变送器4和所述快速切断阀1分别与所述电气控制系统8电连接。如图所示，本实施例的稳压气罐7、减压阀6、压力变送器5、流量变送器4和快速切断阀1沿气体流向方向上依次设置在主管路上，主管路上还设有其他一些阀门用于控制主管路的开闭。优选的，所述主管路上还设有常开手动阀2，用于控制搅拌气体的流量，保证搅拌气体的畅通并在需要时用于关闭主管路。

本实施例的搅拌气体控制装置通过设置稳压气罐和减压阀6控制搅拌气体的压力，通过设置在主管路上的快速切断阀1控制搅拌气体的脉宽和占空比，使得搅拌气体达到要求，且每路搅拌气体上分别由不同的搅拌气体控制装置控制，互相之间不干涉。

优选的，还包括与所述快速切断阀1和常开手动阀2并联的常闭手动阀3，当需要对钢水包充入连续的搅拌气体时，可关闭常开手动阀2并打开常闭手动阀3。

优选的，所述快速切断阀1为膜片阀，所述膜片阀为先导式电磁膜片阀，采用电磁膜片阀不仅可实现快速开闭功能，而且便于控制。

先导式电磁膜片阀的使用温度在-10℃~55℃，使用寿命2年或100万次，响应时间小于0.03秒，可以实现快速开断，满足气流脉宽调制的要求。电磁膜片阀的控制信号由电气控制系统8给出，人工可在人机界面操控制断续气流的脉宽和占空比。占空比从0%~100%连续可调，当占空比为0时，相当于关断全部气流，停止吹气；当占空比为100%时，相当于气流全开；当占空比在0~100%之间时，搅拌气流为断续气流。如设置断续频率为3次/分，即脉宽为20秒，设置占空比为70%，则底吹气流按吹气14秒停顿6秒的体制循环进行。

优选的，所述快速切断阀1设置在靠近钢水包的主管路上，减少主管路对断续气体的阻力，并减少断续气体波形变形，使得搅拌效果更好。

下面介绍采用上述搅拌气体对钢水包进行搅拌的方法。

本实施例的钢水包气体搅拌方法为：进入稳压气罐7的气体后经减压阀6减压后，到达快速切断阀1，快速切断阀1在电气控制系统8的控制下按一定规律开闭，将气体转换为断续气体，即搅拌气体为非连续的断续气体，搅拌气体的脉宽等于快速切断阀1一个开闭周期，搅拌气体的占空比即为快速切断阀1在一个开闭周期内开启时间与周期的比值，经过快速切断阀1的搅拌气体进入钢水包对钢液进行搅拌。优选的，本实施例采用的搅拌气体为惰性气体，进一步，搅拌气体为氩气，采用惰性气体可防止搅拌气体与钢液之间发生化学反应。优选的，进入钢水包的所述搅拌气体为至少一路，每一路的搅拌气体均由各自的搅拌气体控制装置控制。

本实施例的钢水包气体搅拌方法采用断续气体代替现有的连续气体对钢水包进行搅拌，在搅拌过程中，钢水包内的钢液不会由于搅拌气体流量过大而产生气柱，使得搅拌效果更好，且搅拌气体采用断续气体后，钢水包内的钢液表面流速明显减小，可以有效减少钢液飞溅和翻滚及钢液对钢包内衬的侵蚀。因此，本实施例的该钢水包气体搅拌方法能够不仅能够采用大流量的搅拌气体对钢水包进行底吹搅拌，取得较好的搅拌效果，而且还能够防止钢渣飞溅，提高安全性能，减少钢水包内衬的侵蚀，提高钢水包的使用寿命。

下面以VD炉真空精炼钢水包为例，对本发明的钢水包气体搅拌方法进行进一步说明。

由于钢水在钢水包内的流动情况不能直视，因此采用数值仿真表达。如图3所示，为钢水包底吹气体搅拌钢水示意图。搅拌气从钢水包底部的两个透气砖吹入，即搅拌气体为两路，气体受热膨胀、上升，带动钢水做循环流动，实现对钢水的搅拌，搅拌气体采用氩气，简称底吹氩。

若VD炉内表面钢液流速较大易造成钢液飞溅，并加速钢包内衬的侵蚀，为了避免这类现象，本实施例对VD炉的底吹氩搅拌方式进行了改进。新的底吹氩方式为：两吹氩孔交替喷吹；吹氩控制频率为60次/分；保持吹氩孔吹氩能力不变，单孔瞬时吹氩量为15m3/h，在真空度为67Pa时，断续气流搅拌的仿真分析结果如下。

如图4a和图4b所示，为不同时刻氩气在钢液中的相分布等值线图。图中A表示氩气体积分数为1的等值线，即在等值线A的内部全为氩气；F表示氩气体积分数为0.14的等值线，在等值线F以外部分可以认为全是钢液，其余B、C、D、E等值线表示氩气体积分数介于两者之间。从图4a和图4b的分析可知：当底吹氩方式为断续底吹氩时，氩气在钢液中形成了几个明显的气泡群，而不是连续的气泡柱。

从图5a和图5b的分析可知，断续底吹氩搅拌会在钢液中形成一个较为稳定的、区域较大的强搅拌区，这个区域有利于钢液的搅拌。

从图6a和图6b的分析可知，VD炉表面钢液的流动大概可以分为两个区域：G流动较强区和H流动弱区，其中流动较强区中绝大部分钢液的流速在0.5-1m/s之间，且钢液表面流速基本保持恒定。

从图7a和图7b的分析可知，连续底吹氩的钢液表面较为明显的存在3个区域：M为流动强烈区、L为流动较强区、N为流动弱区，且流动强烈区所占的比例较大。在流动强烈区，其流动速度主要集中在1-1.5m/s，其最大速度约为2.5m/s。断续底吹氩搅拌表面钢液流动仍存在上述3个区域，但流动强烈区（即流速在1-1.5m/s之间）所占的比例很小，其绝大部分表面钢液速度均小于1m/s，且其最大速度不超过1.5m/s。因此，在单透气砖瞬时吹氩能力不变时，采用断续搅拌其表面钢液流速明显减小，可以有效减少钢液飞溅和翻滚及钢液对钢包内衬的侵蚀。

通过对图8a和图8b的钢水包内流场的统计分析可知：断续底吹氩时，钢包内钢液的平均流速约为0.36m/s，钢包上半部分钢液的平均流速约为0.46m/s，钢包下半部分钢液的平均流速约为0.26m/s，钢液表面的平均流速约为0.53m/s。连续吹氩时，钢包内钢液的平均流速约为0.41m/s，钢包上半部分钢液的平均流速约为0.55m/s，钢包下半部分钢液的平均流速约为0.27m/s，表面钢液的平均流速约为0.82m/s。因此，断续底吹氩和连续底吹氩的搅拌能力相当，但连续底吹氩在包壁附件形成的高速区范围较断续底吹氩大。因此采用断续搅拌能有效减小钢包内衬的侵蚀量，延长钢包寿命。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种钢水包气体搅拌方法，其特征在于：进入钢水包的搅拌气体为脉宽和占空比均可调的断续气体。

2.根据权利要求1所述的钢水包气体搅拌方法，其特征在于：所述搅拌气体为惰性气体。

3.根据权利要求2所述的钢水包气体搅拌方法，其特征在于：所述搅拌气体为氩气。

4.根据权利要求1所述的钢水包气体搅拌方法，其特征在于：进入钢水包的所述搅拌气体为至少一路。

5.用于权利要求4所述钢水包气体搅拌方法的搅拌气体控制装置，其特征在于：包括电气控制系统和与每路搅拌气体一一对应设置并与钢水包相连的主管路，所述主管路上设有稳压气罐、减压阀、常开手动阀、用于检测搅拌气体压力的压力变送器、用于测量搅拌气体流量的流量变送器和用于调制搅拌气体脉宽或占空比的快速切断阀，所述流量变送器和所述快速切断阀分别与所述电气控制系统电连接。

6.根据权利要求5所述的搅拌气体控制装置，其特征在于：还包括与所述快速切断阀和常开手动阀并联的常闭手动阀。

7.根据权利要求5或6所述的搅拌气体控制装置，其特征在于：所述快速切断阀为膜片阀。

8.根据权利要求7所述的搅拌气体控制装置，其特征在于：所述膜片阀为先导式电磁膜片阀。

9.根据权利要求5或6所述的搅拌气体控制装置，其特征在于：所述快速切断阀设置在靠近钢水包的主管路上。

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