CN103464739B - 一种钢包抑渣装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢包抑渣装置，属于熔融金属的挡渣技术领域。本发明包括第一挡臂、第二挡臂和第三挡臂，第一挡臂和第二挡臂的中轴线相互垂直且交叉固定，第三挡臂的中轴线垂直于第一挡臂和第二挡臂构成的平面，且第三挡臂贯穿于第一挡臂和第二挡臂的交叉处；第一挡臂、第二挡臂和第三挡臂构成的抑渣装置的内部为铸铁块，铸铁块的外部设有涂覆层，该涂覆层由如下质量百分比的组分组成：89~94%CaO、3.7~4.3%MnO、0~0.5%Al2O3、0~3.5%SiO2、0~0.05%FeO、0~0.1%Fe2O3、2.3~3.5%ZrO2。本发明能够抑制漩涡的形成，从而阻止下渣、阻止气体进入中间包，且能够吸附钢水中夹杂物，使得在挡渣的同时进一步去除钢水中夹杂物。
Description
技术领域
本发明涉及熔融金属的挡渣技术领域，更具体地说，涉及一种钢包抑渣装置。
背景技术
在连铸工艺的生产过程中，钢液从钢包通过长水口保护套管流入中间包。随着浇铸后期钢包内钢水液面的下降，会产生汇流旋涡，而且愈演愈烈，促进钢渣乳化，使熔渣随钢液进入中间包。汇流旋涡是在容器排流过程中，液体先垂直下降，降到一定高度时，液体便开始向出流口中心线汇集，并在渣层表面形成凹涡，这时的液面高度一般称为临界起旋高度。刚产生的凹涡位置游弋不定，此时渣钢界面开始模糊，并且渣粒开始乳化进入钢液中，但此时由于凹涡位置较高而不能使钢渣随钢液进入水口。随着液面的进一步下降，凹涡越来越明显，旋流速度也越来越大，直至贯通水口，这时的液面高度称为贯通高度，大量的钢渣已经进入水口。当液面下降到一定高度时，原本向出流口中心线汇流而出的流体质点，由于离心力的作用产生切向速度（角速度），使其运动轨迹越来越偏离径向而演变成绕中心线的旋转流动，直到最终发展为具有强烈抽吸作用的贯通出流口的漏斗状旋涡，致使涡芯卷气或卷渣而下。
钢包旋涡卷气或卷渣带来的危害主要有：（1）恶化钢水的浇铸性，使水口堵塞，浇铸不能正常进行；（2）造成合金元素氧化，产生夹杂物影响钢水的纯净度，增加中间包去夹杂的负荷；（3）铸坯中溶解铝含量下降，中间包及长水口严重侵蚀；（4）钢包内钢渣进入中间包导致中间包内熔渣积聚，给连铸过程造成不良影响；（5）中间包清理工作量增大。在实际生产中，通常在钢包底部水口附近安装红外检测、电磁检测、超声波检测等下渣检测装置，当进入钢液流中的渣量占到一定比例时，提前关闭滑动水口，以减少下渣量，但此方法会使钢包内残留过多的钢水，降低了金属收得率，增加了钢铁生产成本，并未从根本上解决钢包内钢水旋涡卷气或卷渣的问题；且连铸现场处于高温下，安装下渣检测装置过程复杂，不易于维护。
如何抑制钢包内钢渣进入中间包，是困扰钢铁冶金生产企业多年的难题。通过专利检索，目前已有相关的技术方案公开，如中国专利号：200620091841.9，申请日：2006年6月27日，发明创造名称为：一种钢包钢水浇铸防卷渣装置，该申请案的防卷渣装置由铁球及其外部的耐火材料层组成，表面开有凹槽，在耐火材料层的外表面还有一层耐蚀保护层，该防卷渣装置呈鸭蛋状，比重为3.8~4.8g/cm3，重心位于铁球端。针对该申请案，申请人做了多次实验发现：（1）当该防卷渣装置投入钢包内的位置距离水口一定距离时，由于该防卷渣装置竖向较长，使得下部容易在出钢后期，与钢包底部接触摩擦，滞留于水口外，导致挡渣成功率低；同时又因为上部较长，且钢渣粘度较大，加剧了挡渣失败的几率。（2）当该防卷渣装置投入钢包内的位置位于水口上部，通过水模实验观察可知，鸭蛋状的防卷渣装置极易被强大的水口负压力迅速吸附（这与防卷渣装置的结构设计有很大关系），对钢包水口产生强大冲击，破坏钢包水口，而且因强大吸附力使得鸭蛋状装置极易紧塞水口，难以脱离。所以，该申请案提供的技术方案，难以在实际生产过程中予以应用。
综上所述，现有技术中虽对钢包挡渣做出许多实验和研究，但最终难以大规模普及，究其原因有二：（1）挡渣装置成本过高，且连铸现场处于高温下，挡渣装置不易于维护；（2）挡渣效果不理想，甚至会造成新的危害，得不偿失。如何在钢包出钢过程中实现良好的挡渣效果，且能够进一步去除钢水中夹杂物，以实现高纯净钢的冶炼目标，是困扰钢铁冶金生产企业多年的难题。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术中的挡渣装置无法实现钢包内良好的挡渣效果，且不能够进一步去除钢水中夹杂物的难题，提供了一种钢包抑渣装置，采用本发明的技术方案，能够抑制钢包内旋涡的形成，进而阻止钢渣及气体随钢液进入中间包，且能够有效地去除钢水中的A12O3、TiN、硅酸锰和铝酸钙等夹杂物。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种钢包抑渣装置，包括第一挡臂、第二挡臂和第三挡臂，其中：所述的第一挡臂和第二挡臂的中轴线相互垂直且交叉固定，所述的第三挡臂的中轴线垂直于第一挡臂和第二挡臂构成的平面，且第三挡臂贯穿于第一挡臂和第二挡臂的交叉处；
上述的第一挡臂、第二挡臂和第三挡臂构成的抑渣装置的内部为铸铁块，铸铁块的外部设有涂覆层，该涂覆层由如下质量百分比的组分组成：
CaO 89~94%
MnO 3.7~4.3%
Al2O3 0~0.5%
SiO2 0~3.5%
FeO 0~0.05%
Fe2O3 0~0.1%
ZrO2 2.3~3.5%。
更进一步地，所述的涂覆层的显气孔率为21~27%。
更进一步地，抑渣装置的比重为4.0~5.0g/cm3。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
（1）本发明的一种钢包抑渣装置，其第一挡臂和第二挡臂的中轴线相互垂直且交叉固定，第三挡臂的中轴线垂直于第一挡臂和第二挡臂构成的平面，且第三挡臂贯穿于第一挡臂和第二挡臂的交叉处，第一挡臂、第二挡臂和第三挡臂构成了特定结构的抑渣装置，通过水模实验发现：钢包内钢水下降到一定高度后，钢水开始产生漩涡，本发明的钢包抑渣装置能够随钢流移动至水口正上方，由于三个挡臂的作用能够抑制漩涡的形成，当漩涡受到抑制时，钢水趋于平静下流，无卷渣现象，进而可以阻止下渣，同时可以阻止气体进入中间包；当钢包内钢水液面进一步降低时，本发明的钢包抑渣装置会被钢水流动产生的吸附力吸附于水口，由于三个挡臂构成的特定结构，钢包抑渣装置不会完全堵住水口，所以钢水会在狭缝中继续无渣流动，通过观察钢流及时控制滑动水口，进而可以很好的控制钢包下渣量，且能够提高钢水收得率；
（2）本发明的一种钢包抑渣装置，其涂覆层的组分为89~94%CaO、3.7~4.3%MnO、0~0.5%Al2O3、0~3.5%SiO2、0~0.05%FeO、0~0.1%Fe2O3、2.3~3.5%ZrO2，该涂覆层不仅具有耐高温、耐侵蚀性，还具有吸附钢水中夹杂物的作用，使用本发明的钢包抑渣装置，其涂覆层在于钢水接触的过程中，能够有效地去除钢水中的A12O3、TiN、硅酸锰和铝酸钙等夹杂物，使得在挡渣的同时进一步去除钢水中夹杂物，以实现高纯净钢的冶炼目标。
附图说明
图1为本发明的一种钢包抑渣装置的结构示意图；
图2为本发明应用时的俯视结构示意图。
示意图中的标号说明：1、第一挡臂；2、第二挡臂；3、第三挡臂；4、水口。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种钢包抑渣装置，包括第一挡臂1、第二挡臂2和第三挡臂3，其中：所述的第一挡臂1和第二挡臂2的中轴线相互垂直且交叉固定，所述的第三挡臂3的中轴线垂直于第一挡臂1和第二挡臂2构成的平面，且第三挡臂3贯穿于第一挡臂1和第二挡臂2的交叉处，本实施例的抑渣装置的比重（即体积密度）为4.2g/cm3。
为了实现最好的挡渣效果，本实施例中第一挡臂1、第二挡臂2和第三挡臂3为条状结构，其截面为正方形，具体尺寸要求如下：第一挡臂1、第二挡臂2和第三挡臂3的长度均为1.3D，第一挡臂1、第二挡臂2和第三挡臂3的截面宽度均为0.556D，其两端的端部圆角半径为0.1D，其中D为钢包水口4的直径。第一挡臂1、第二挡臂2和第三挡臂3构成的抑渣装置的内部为铸铁块，铸铁块的外部设有涂覆层，涂覆层的显气孔率为24%，涂覆层的体密度为2.5 g/cm3，该涂覆层由如下质量百分比的组分组成：93.3%CaO、4%MnO、0.03%Al2O3、0.02%FeO、0.05%Fe2O3、2.6%ZrO2。
本实施例的一种钢包抑渣装置，其制备方法如下：
步骤一、铸铁块制备：
根据钢包抑渣装置的结构准备砂模空腔，该砂模空腔内部表面开设有纹路，然后采用砂模铸造工艺注入铁水，得到铸铁块；本实施例中在砂模空腔内部表面开设有纹路的作用是为了保证后续涂覆层能够紧密附着在铸铁块的外部；
步骤二、涂覆层材料准备：
根据涂覆层的组分要求称取各组分，该涂覆层材料由如下质量百分比的组分组成：93.3%CaO、4%MnO、0.03%Al2O3、0.02%FeO、0.05%Fe2O3、2.6%ZrO2，将上述组分混合均匀，加水使之搅拌成泥状，其中泥状混合物的含水量为7~13%（质量比）均可，本实施例的含水量为10%；
步骤三、涂覆工序：
将步骤一的铸铁块表面打磨粗糙，然后将步骤二的涂覆层材料均匀地涂抹于铸铁块的外侧，其中涂覆层材料与铸铁块的重量比为3：1；
步骤四、养护并烘干
将步骤三的钢包抑渣装置整体静置1小时后脱模，把钢包抑渣装置在常温下自然养护10~12小时，将自然养护后的钢包抑渣装置放入烘烤炉内：烘烤温度在80℃以下，烘烤2小时；烘烤温度升至90~150℃，烘烤2小时；烘烤温度升至160~230℃，烘烤2小时；烘烤温度升至240~300℃，烘烤2小时，烘烤结束后出炉自然冷却即可。
采用上述方法制备的涂覆层能够稳定的附着于铸铁块的外部，使得钢包抑渣装置性能稳定，通过水模实验发现：钢包内钢水液面下降到一定高度后，钢水开始产生漩涡，本实施例的钢包抑渣装置能够随钢流移动至水口4正上方（如图2所示），由于三个挡臂的作用能够抑制漩涡的形成，当漩涡受到抑制时，钢水趋于平静下流，无卷渣现象，进而可以阻止下渣，同时可以阻止气体进入中间包；当钢包内钢水液面进一步降低时，本实施例的钢包抑渣装置会被钢水流动产生的吸附力吸附于水口4，由于第一挡臂1、第二挡臂2和第三挡臂3构成的特定结构，钢包抑渣装置不会完全堵住水口，所以钢水会在狭缝中继续无渣流动，通过观察钢流及时控制滑动水口，进而可以很好的控制钢包下渣量，能够提高钢水收得率。本实施例的钢包抑渣装置由于其结构的设计，使得钢包抑渣装置不会被水口的负压迅速吸附，而会在水口4上部滞留时间较长，利于保证钢水顺利流出，在提高钢水收得率的同时尽可能得减小了温降，但是现有技术中鸭蛋状防卷渣装置极易被水口负压力迅速吸附，对钢包水口产生强大冲击，破坏钢包水口，导致无法保证钢水顺利流出，进而影响钢水温降。
此外，本实施例的一种钢包抑渣装置，其涂覆层不仅具有耐高温、耐侵蚀性，还具有吸附钢水中夹杂物的作用，使用本实施例的钢包抑渣装置，其涂覆层在与钢水接触的过程中，能够有效地去除钢水中的A12O3、TiN、硅酸锰和铝酸钙等夹杂物，使得在挡渣的同时进一步去除钢水中夹杂物，以实现高纯净钢的冶炼目标，其净化机理如下：
CaO+ Al2O3→3CaO·Al2O3 ；
CaO+ Al2O3→12CaO·7Al2O3 ；
CaO +SiO2→3CaO·SiO2 ；
CaO +SiO2→2CaO·SiO2 。
涂覆层净化夹杂物反应生成的铝酸钙或硅酸钙等，一部分被吸收附着在涂覆层的壁面，另一部分形成大的簇状物后与涂覆层的壁面脱离，这一部分将在中间包的钢水运动中靠上浮除去，从而本实施例的钢包抑渣装置巧妙的实现了去除夹杂物的效果。
本实施例的一种钢包抑渣装置，在110℃温度下的最大耐压值为50 MPa。为测试本实施例钢包抑渣装置中涂覆层的高温体积稳定性，选用加热永久线变化率指标予以评定，加热永久线变化率是评定耐火材料质量的一项重要物理指标。测定时，将已测定长度的矩形棱柱体试样，该试样采用本实施例中涂覆层的材料制成，放在氧化性气氛的炉内，加热到试验温度后保温一定时间，然后冷却到室温，再测量其长度，即可计算加热永久线变化率。加热永久线变化率的公式为：
△L =（L1 -L0）/L0×100%
其中：△ L为试样加热永久线变化率，% ；L1为加热后试样长度，mm；L0为加热前试样长度，mm。采用上述方法测定本实施例中涂覆层的加热永久线变化率为+0.03 %。
实施例2
本实施例的一种钢包抑渣装置，其结构和制备方法基本同实施例1，不同之处在于：本实施例的钢包抑渣装置的涂覆层显气孔率为21%，该涂覆层由如下质量百分比的组分组成：89%CaO、3.7%MnO、0.5%Al2O3、3.2%SiO2、0.1%Fe2O3、3.5%ZrO2。本实施例的抑渣装置的比重（即体积密度）为5.0g/cm3。
本实施例的钢包抑渣装置由于其结构的设计，使得钢包抑渣装置不会被水口的负压迅速吸附，而会在水口4上部滞留时间较长，利于保证钢水顺利流出，在提高钢水收得率的同时尽可能得减小了温降；其涂覆层不仅具有耐高温、耐侵蚀性，还具有吸附钢水中夹杂物的作用，使用本实施例的钢包抑渣装置，其涂覆层在于钢水接触的过程中，能够有效地去除钢水中的A12O3、TiN、硅酸锰和铝酸钙等夹杂物，使得在挡渣的同时进一步去除钢水中夹杂物，以实现高纯净钢的冶炼目标。采用实施例1的方法测定本实施例中涂覆层的加热永久线变化率为0.05%。
实施例3
本实施例的一种钢包抑渣装置，其结构和制备方法基本同实施例1，不同之处在于：本实施例的钢包抑渣装置的涂覆层显气孔率为27%，该涂覆层由如下质量百分比的组分组成：89.2%CaO、4.3%MnO、3.5%SiO2、0.05%FeO、0.1%Fe2O3、2.85%ZrO2。本实施例的抑渣装置的比重（即体积密度）为4.5g/cm3。
本实施例的钢包抑渣装置由于其结构的设计，使得钢包抑渣装置不会被水口的负压迅速吸附，而会在水口4上部滞留时间较长，利于保证钢水顺利流出，在提高钢水收得率的同时尽可能得减小了温降；其涂覆层不仅具有耐高温、耐侵蚀性，还具有吸附钢水中夹杂物的作用，使用本实施例的钢包抑渣装置，其涂覆层在于钢水接触的过程中，能够有效地去除钢水中的A12O3、TiN、硅酸锰和铝酸钙等夹杂物，使得在挡渣的同时进一步去除钢水中夹杂物，以实现高纯净钢的冶炼目标。采用实施例1的方法测定本实施例中涂覆层的加热永久线变化率为+0.02 %。
实施例4
本实施例的一种钢包抑渣装置，其结构和制备方法基本同实施例1，不同之处在于：本实施例的钢包抑渣装置的涂覆层显气孔率为23%，该涂覆层由如下质量百分比的组分组成： 94%CaO、3.7MnO、2.3%ZrO2。本实施例的抑渣装置的比重（即体积密度）为4.0g/cm3。
本实施例的钢包抑渣装置由于其结构的设计，使得钢包抑渣装置不会被水口的负压迅速吸附，而会在水口4上部滞留时间较长，利于保证钢水顺利流出，在提高钢水收得率的同时尽可能得减小了温降；其涂覆层不仅具有耐高温、耐侵蚀性，还具有吸附钢水中夹杂物的作用，使用本实施例的钢包抑渣装置，其涂覆层在于钢水接触的过程中，能够有效地去除钢水中的A12O3、TiN、硅酸锰和铝酸钙等夹杂物，使得在挡渣的同时进一步去除钢水中夹杂物，以实现高纯净钢的冶炼目标。采用实施例1的方法测定本实施例中涂覆层的加热永久线变化率为+0.1 %。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种钢包抑渣装置，其特征在于：包括第一挡臂(1)、第二挡臂(2)和第三挡臂(3)，其中：所述的第一挡臂(1)和第二挡臂(2)的中轴线相互垂直且交叉固定，所述的第三挡臂(3)的中轴线垂直于第一挡臂(1)和第二挡臂(2)构成的平面，且第三挡臂(3)贯穿于第一挡臂(1)和第二挡臂(2)的交叉处；
上述的第一挡臂(1)、第二挡臂(2)和第三挡臂(3)构成的抑渣装置的内部为铸铁块，铸铁块的外部设有涂覆层，该涂覆层由如下质量百分比的组分组成：
2.根据权利要求1所述的一种钢包抑渣装置，其特征在于：所述的涂覆层的显气孔率为21～27％。
3.根据权利要求2所述的一种钢包抑渣装置，其特征在于：抑渣装置的比重为4.0～5.0g/cm3。
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