CN103894571A - 气体漩流净化中间包钢液的方法及钢液净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体漩流净化中间包钢液的方法，向中间包圆形腔中吹入惰性气体，使吹入惰性气体的吹气方向接近钢液旋流的水平切向，驱动钢液产生接近水平的旋转运动，利用钢液旋转运动产生的离心力，使钢液内的夹杂物向旋转中心区域迁移聚集，进而使夹杂物相互碰撞长大并上浮到钢液表面，从而被渣层吸附去除，同时使钢液中溶解的气体从钢液内部析出并上浮排除。本发明还公开了一种钢液净化装置，采用偏心钢包水口出口处设置吹气系统，使漩流室内钢水呈旋转流动，本发明相比于利用旋转磁场驱动中间包内钢液产生旋转运动显著节省了大量能耗，促使夹杂物及钢液中气体的上浮排除，极大地提高了钢液的净化效果，工艺简单易行，生产设备投资费用低。

Description

气体漩流净化中间包钢液的方法及钢液净化装置

技术领域

本发明涉及一种中间包冶金工艺及其装置，特别是涉及一种利用惰性气体搅拌中间包钢液的净化工艺及装置，应用于纯净钢铸造技术领域。

背景技术

连铸技术因其在连续性生产方面的巨大优势在全球范围得到迅速发展，连铸机的连续生产以及连铸坯的质量问题受到越来越广泛的关注。钢液的质量尤其是钢液中非金属夹杂物的含量，因其对连续性生产以及对连铸坯质量的影响，已经成为大家所关心的重要指标。作为钢液进入结晶器进行浇铸之前的最后一个耐火材料容器，中间包的外形、结构等参数会对钢液成分、温度的混均效果以及钢液中非金属夹杂的去除效果产生较大的影响，因此中间包的冶金作用引起了人们的重视。

    在20世纪80年代初，多伦多大学教授A. McLean提出“中间包冶金学”的概念，国内外对中间包冶金的研究已经逐渐成为热门论题，研究结果指出，从冶炼设备流出钢液经钢包和中间包，如不加以保护，则连铸钢液中将有约70%的夹杂来自于中间包，包括内在夹杂和外来夹杂。这些夹杂在中间包内如不加以分离，将对铸坯质量和冶金工艺产生严重危害。为减少中间包钢液夹杂，为结晶器提供洁净的钢水，国内外一些钢厂已采取了相当多的措施，如设置堰、坝、多孔挡墙，安装石灰质过滤器，来改善中间包钢液流动状态，使钢液夹杂有充分时间上浮；从中间包底部向钢液内吹氩形成气幕以促进夹杂上浮；使用碱性包衬、高碱度中间包覆盖渣来减少污染、吸收夹杂；采用长水口、中包密封技术减少中间包钢水二次氧化；加热中间包钢液特别是采用感应加热，分离夹杂物等等，虽然都取得了一定效果，但是面对用户对钢材质量的更高要求以及钢液二次精炼成本的上升，上述技术仍然无法满足高效率净化钢液的要求。

近年来，有研究者为提高中间包钢液中夹杂物去除效率提出了离心中间包技术，该技术的基本原理是利用旋转磁场驱动中间包圆形腔中的钢液产生旋转运动，由于非金属夹杂物与钢液存在很大的密度差异，促使夹杂物往旋转中心迁移，进而碰撞长大上浮被渣层吸附而去除，该技术对大尺寸夹杂物有较好的去除效果。然而，离心中间包技术中，钢液的转动全部由电磁场提供，需要消耗很高的电能；此外，中间包圆形腔底比较容易被钢包水口冲击流所侵蚀。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种气体漩流净化中间包钢液的方法，利用吹入惰性气体低能耗驱动偏心钢包水口流入中间包的钢液旋转，不仅促使非金属夹杂物及钢液中气体的上浮排除，极大地提高了钢液的净化效果，并且降低了钢包水口对中间包底的冲击损坏程度，本发明工艺简单易行，生产设备投资费用低。

为达到上述发明创造目的，本发明构思如下：

对现有炼钢连铸用中间包做了改进，在中间包内设计一圆形漩流室，将钢包的水口偏心移置在漩流室边部，然后在漩流室内钢包水口出口处设置一有排气孔的透气砖，透气砖与外置供气系统相连，吹气口方向沿其在漩流室内所在圆的切线方向。当中间包漩流室内钢液浸没透气砖后，开启惰性气体供气系统，开始吹入惰性气体驱动钢液在漩流室内旋转，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物被排挤到旋转中心聚集，使旋转中心的夹杂物浓度显著增加，从而促进夹杂物碰撞聚合长大，使夹杂物更快地上浮，进入渣层而与钢液分离。与此同时，吹入钢液的大量惰性气体小气泡可以吸附较小尺寸的夹杂物，促进夹杂物的上浮和钢液中气体的排除。偏心钢包水口流入中间包钢液的冲击力也会被惰性气体气泡的浮力大大降低，可以有效的保护中间包底不被钢液侵蚀。通过漩流室充分净化后的钢液从挡墙下部与分配室相连的斜向通道进入分配室，在分配室中挡坝的阻碍作用下产生指向表面的流动，并在分配室上方形成较大的水平环流，从而延长了钢液的平均停留时间，钢液在分配室内得到进一步的净化后经中包水口进入结晶器。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种气体漩流净化中间包钢液的方法，包括如下步骤：

a. 通过向中间包圆形腔中吹入惰性气体，并使向中间包圆形腔中吹入惰性气体的吹气方向接近钢液旋流的水平切向，驱动中间包圆形腔内的钢液产生接近水平的旋转运动，利用钢液旋转运动产生的离心力，使中间包圆形腔中钢液内的夹杂物向旋转中心区域迁移聚集，进而使夹杂物相互碰撞长大并上浮到钢液表面，从而被渣层吸附去除，同时使钢液中溶解的气体从钢液内部析出并上浮排除；

b. 在中间包圆形腔中经过净化的钢液进入钢液分配室中，通过控制开启钢液分配室底部的水口使钢液分配室中的钢液注入铸造容器中进行凝固成形。

作为本发明优选的技术方案，在上述步骤a中，通过向中间包圆形腔中吹入惰性气体，将偏心钢包水口流出的钢液激荡中间包圆形腔内钢液产生钢液混流，并使钢液混流在中间包圆形腔内产生的冲击动能转换成接近钢液旋流的水平切向的冲击流，从而驱动中间包圆形腔内的钢液产生接近水平的旋转运动。

优选向中间包圆形腔中吹入的惰性气体压力为1.0~3.0大气压，优选控制惰性气体流量范围50~500L/min。

本发明还提供一种实施本发明气体漩流净化中间包钢液的方法的钢液净化装置，由钢液漩流室和钢液分配室组成中间包容纳钢液的空间，钢液分配室底部设有水口，通过控制开启水口使钢液分配室中的钢液注入铸造容器中。钢液漩流室的水平截面为圆形，设置钢包水口对应钢液漩流室边部偏心位置，通过包裹着低导热率耐高温材料的锆合金输气管一端安装出气头，输气管的另一端与外置供气系统相连，当钢液漩流室内钢液浸没出气头时，控制外置供气系统开启，通过出气头向钢液旋流室内的钢液吹入惰性气体来驱动钢液产生旋转流动，使从出气头向中间包圆形腔中吹入惰性气体气泡的吹气方向接近漩流室内钢液漩流的水平切向，从而驱动钢液漩流室内的钢液产生接近水平的旋转运动，利用钢液旋转运动产生的离心力，使钢液漩流室中钢液内的夹杂物向旋转中心区域迁移聚集，进而使夹杂物相互碰撞长大并上浮到钢液表面，从而被渣层吸附去除，同时使钢液中溶解的气体从钢液内部析出并上浮排除，在钢液漩流室和钢液分配室之间的侧壁挡墙下部设有液流通道，在钢液漩流室中经过净化的钢液经由侧壁挡墙下部设有液流通道进入钢液分配室中。

作为本发明钢液净化装置优选的技术方案，出气头位于钢包水口出口处附近，即出气头的吹气口靠近钢包水口的钢液出口处，出气头的吹气口方向沿出气头在钢液漩流室内钢液旋流的切线方向设置，且出气头的吹气口方向面向钢包水口方向，背向吹气口的出气头一侧为圆弧形，通过向钢液漩流室内的钢液中吹入惰性气体气泡，使偏心钢包水口流出的钢液激荡中间包圆形腔内的钢液从而产生钢液混流，并使钢液混流在钢液漩流室内产生的冲击动能转换成接近钢液旋流的水平切向的冲击流，从而驱动钢液漩流室内的钢液产生接近水平的旋转运动。

优选上述钢液漩流室和钢液分配室之间的侧壁挡墙下部的液流通道为斜向直管型通道，液流通道有一个侧壁与钢液漩流室的外侧壁表面相切，使在钢液漩流室中经过净化的钢液经由液流通道进入钢液分配室中。

进一步优选在上述钢液分配室内的底部竖起设置挡坝，使挡坝的一个侧面面向从侧壁挡墙下部的液流通道中流入的钢液方向，挡坝的上缘高于液流通道的顶部位置。

要选上述钢液漩流室为圆台形，优选钢液漩流室的下底内径长度为0.2~0.8m，优选钢液漩流室的上下底内径比为1~1.5，优选钢液漩流室的高度为0.5~1m。

优选上述锆合金输气管外部包裹的低导热率耐高温材料为陶瓷纤维材料、镁质耐高温材料或ZS-1021高温封闭涂层材料。

优选述钢包水口为偏心浸入式水口。

优选上述出气头为孔式透气砖。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 采用本发明的设备进行炼钢连铸生产工艺极为简单，易于工业化生产，在低的设备投资成本下高效去除钢液中的非金属夹杂物以及气体；

2. 本发明在中间包漩流室采用偏心钢包水口出口处设置吹气系统，使漩流室内钢水呈旋转流动，相比于利用旋转磁场驱动中间包圆形腔中的钢液产生旋转运动节省了上万瓦功率的能耗；

3. 本发明采用吹入惰性气体驱动钢液作旋转流动，可显著增强中间包去除夹杂的效率，特别是有利于去除钢液中微小的夹杂物，与此同时还能进一步去除钢液中的气体；

4. 本发明在偏心钢包水口处设置吹气系统，偏心钢包水口流入中间包钢液的冲击力被惰性气体气泡的浮力大大降低，避免了中间包底部被钢液侵蚀。

附图说明

图1是本发明优选实施例钢液净化装置的结构示意图。

图2是沿图1中A-A线的剖视图。

图3是沿图1中B-B线的剖视图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

在本实施例中，参见图1～图3，在本实施例中，气体漩流净化中间包钢液的方法的钢液净化装置，由钢液旋流室1和钢液分配室8组成中间包10容纳钢液的空间，钢液分配室8底部设有水口14，通过控制开启水口14使钢液分配室8中的钢液注入铸造容器中，钢液漩流室1为圆台形，钢液漩流室1的下底内径长度为0.5m，钢液漩流室1的上下底内径比为1.2，钢液漩流室1的高度为0.8m，钢包水口2为偏心浸入式水口，设置钢包水口2对应钢液漩流室1边部偏心位置，包裹着低导热率耐高温材料的锆合金输气管4一端安装出气头3，出气头3为孔式透气砖，锆合金输气管4外部包裹的低导热率耐高温材料为镁质高温耐火材料，锆合金输气管4的另一端与外置供气系统相连，孔式透气砖位于钢包水口2出口处附近，即孔式透气砖的吹气口靠近钢包水口2的钢液出口处，孔式透气砖的吹气口方向沿孔式透气砖在钢液漩流室1内钢液旋流的切线方向设置，且孔式透气砖的吹气口方向面向钢包水口2方向，背向吹气口的孔式透气砖一侧为圆弧形，降低了旋转流动的钢液对孔式透气砖的冲刷侵蚀，也降低了孔式透气砖对钢液旋流的阻力，当钢液漩流室1内钢液浸没孔式透气砖时，控制外置供气系统开启，通过孔式透气砖向钢液旋流室1内的钢液吹入惰性气体气泡11来驱动钢液产生旋转流动，使从孔式透气砖向中间包圆形腔中吹入惰性气体气泡11的吹气方向接近钢液旋流室1内的钢液旋流的水平切向，使偏心钢包水口2流出的钢液激荡钢液旋流室1内的钢液从而产生钢液混流，并使钢液混流在钢液漩流室1内产生的冲击动能转换成接近钢液旋流的水平切向的冲击流，从而驱动钢液漩流室1内的钢液产生接近水平的旋转运动，利用钢液旋转运动产生的离心力，使钢液旋流室1中钢液内的非金属夹杂物12向旋转中心区域迁移聚集，进而使非金属夹杂物12相互碰撞长大并上浮到钢液表面，从而被渣层13吸附去除，同时使钢液中溶解的气体从钢液内部析出并上浮排除，在钢液漩流室1和钢液分配室8之间的侧壁挡墙5下部设有液流通道7，液流通道7为斜向直管型通道，液流通道7有一个侧壁与钢液漩流室2的外侧壁表面相切，使在钢液漩流室1中经过净化的钢液经由液流通道7进入钢液分配室8中，在钢液分配室8内的底部竖起设置挡坝6，使挡坝6的一个侧面面向从侧壁挡墙5下部的液流通道7中流入的钢液方向，挡坝6的上缘高于液流通道7的顶部位置。

本实施例以生产304不锈钢进行中间包净化处理，参见图1～图3，在钢包水口2的出口处设置一孔式透气砖，连铸进行时，当钢液漩流室1内钢液浸没孔式透气砖时，开启外置供气系统输送氩气，供气压力为1.0个大气压，孔式透气砖的氩气吹出流量100L/min。通过孔式透气砖向钢液吹入惰性气体气泡11，驱动了钢液漩流室1中的钢液产生旋转流动，将钢包水口2冲击动能转换成近似水平切向冲击流，利用旋转运动产生的离心力使密度较小的非金属夹杂物12被排挤到旋转中心聚集上浮到钢液表面，从而被渣层13所吸附去除；同时吹入钢液漩流室1的惰性气体气泡11也能有效地促进钢液中的气体及较小尺寸的非金属夹杂物12从钢液内部上浮排除。总之，吹入钢液的大量惰性气体气泡11加速了较小尺寸非金属夹杂物的上浮速度以及钢液中溶解气体的析出速度，极大地提高了中间包10内钢液的净化效率，旋转流动使钢液在中间包10内的停留时间延长，这也促进了钢液的净化效果。此外，钢包水口2流入钢液漩流室1的钢液的冲击力也会被吹入惰性气体气泡11的浮力大大降低，可以有效的保护中间包底不被钢液侵蚀。随着钢液面在中间包10内的增高，逐渐增大供气压力和氩气流量，当钢液面达到预设稳定高度时，供气压力为2.0个大气压，孔式透气砖氩气吹出流量为300L/min。经过净化后的钢液经侧壁挡墙5下部的连接斜向液流通道7进入钢液分配室8，斜向液流通道7入口方向接近旋转流钢液速度的切向方向，降低了钢液对钢液漩流室1的冲刷，并且使钢液流动更加稳定地进入钢液分配室8。由斜向液流通道7进入钢液分配室8的钢液，经挡坝6的阻挡，则钢液在钢液分配室8中形成指向钢液表面的流动，然后在钢液分配室8上方形成水平的低速环流，从而也使钢液在钢液分配室8中具有更长的停留时间，这将有利于非金属夹杂物12进一步上浮进入渣层13，经净化后的钢液在塞棒9的控流作用下由中间包水口14进入连铸结晶器，凝固后即可获得高洁净度的304不锈钢铸坯。

本实施例采用氩气惰性气体驱动钢包水口2注入的钢液旋转，将钢包水口2冲击动能转换成近似水平切向冲击流，利用非金属夹杂物12与钢液密度的差异，使夹杂物向心迁移，进而碰撞聚合长大快速上浮；同时吹入中间包10的惰性气体小气泡也能有效地促进非金属夹杂物12从钢液内部上浮到表面，从而被渣层13所吸附去除。本发明工艺简单易行，生产设备投资费用低，相比于利用旋转磁场驱动中间包圆形腔中内钢液产生旋转运动节省了上万瓦功率的能耗。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明气体漩流净化中间包钢液的方法及钢液净化装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。 

Claims (11)

1. 一种气体漩流净化中间包钢液的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a. 通过向中间包圆形腔中吹入惰性气体，并使向中间包圆形腔中吹入惰性气体的吹气方向接近钢液旋流的水平切向，驱动中间包圆形腔内的钢液产生接近水平的旋转运动，利用钢液旋转运动产生的离心力，使中间包圆形腔中钢液内的夹杂物向旋转中心区域迁移聚集，进而使夹杂物相互碰撞长大并上浮到钢液表面，从而被渣层吸附去除，同时使钢液中溶解的气体从钢液内部析出并上浮排除；

b. 在中间包圆形腔中经过净化的钢液进入钢液分配室中，通过控制开启钢液分配室底部的水口使钢液分配室中的钢液注入铸造容器中进行凝固成形。

2.根据权利要求1所述气体漩流净化中间包钢液的方法，其特征在于：在上述步骤a中，通过向中间包圆形腔内的钢液中吹入惰性气体，使偏心钢包水口流出的钢液激荡中间包圆形腔内的钢液从而产生钢液混流，并使钢液混流在中间包圆形腔内产生的冲击动能转换成接近钢液旋流的水平切向的冲击流，从而驱动中间包圆形腔内的钢液产生接近水平的旋转运动。

3.根据权利要求1或2所述气体漩流净化中间包钢液的方法，其特征在于：在上述步骤a中，向中间包圆形腔中吹入的惰性气体压力为1.0~3.0大气压，控制惰性气体流量范围50~500L/min。

4.一种实施权利要求1所述气体漩流净化中间包钢液的方法的钢液净化装置，由钢液旋流室（1）和钢液分配室（8）组成中间包（10）容纳钢液的空间，所述钢液分配室（8）底部设有水口（14），通过控制开启所述水口（14）使所述钢液分配室（8）中的钢液注入铸造容器中，其特征在于：所述钢液旋流室（1）的水平截面为圆形，设置所述钢包水口（2）对应所述钢液旋流室（1）边部偏心位置，通过包裹着低导热率耐高温材料的锆合金输气管（4）一端安装出气头（3），所述锆合金输气管（4）的另一端与外置供气系统相连，当所述钢液漩流室（1）内钢液浸没所述出气头（3）时，控制外置供气系统开启，通过所述出气头（3）向所述钢液旋流室（1）内的钢液吹入惰性气体来驱动钢液产生旋转流动，使从所述出气头（3）向中间包圆形腔中吹入惰性气体气泡（11）的吹气方向接近所述钢液旋流室（1）内的钢液旋流的水平切向，从而驱动所述钢液旋流室（1）内的钢液产生接近水平的旋转运动，利用钢液旋转运动产生的离心力，使所述钢液旋流室（1）中钢液内的非金属夹杂物（12）向旋转中心区域迁移聚集，进而使非金属夹杂物（12）相互碰撞长大并上浮到钢液表面，从而被渣层（13）吸附去除，同时使钢液中溶解的气体从钢液内部析出并上浮排除，在所述钢液漩流室（1）和所述钢液分配室（8）之间的侧壁挡墙（5）下部设有液流通道（7），在所述钢液漩流室（1）中经过净化的钢液经由所述侧壁挡墙（5）下部设有液流通道（7）进入所述钢液分配室（8）中。

5.根据权利要求4所述钢液净化装置，其特征在于：所述出气头（3）位于钢包水口（2）出口处附近，即所述出气头（3）的吹气口靠近所述钢包水口（2）的钢液出口处，所述出气头（3）的吹气口方向沿所述出气头（3）在所述钢液漩流室（1）内钢液旋流的切线方向设置，且所述出气头（3）的吹气口方向面向所述钢包水口（2）方向，背向吹气口的所述出气头（3）一侧为圆弧形，通过向所述钢液漩流室（1）内的钢液中吹入惰性气体气泡（11），使钢包水口（2）流出的钢液激荡所述钢液漩流室（1）内的钢液从而产生钢液混流，并使钢液混流在所述钢液漩流室（1）内产生的冲击动能转换成接近钢液旋流的水平切向的冲击流，从而驱动所述钢液漩流室（1）内的钢液产生接近水平的旋转运动。

6.根据权利要求4或5所述钢液净化装置，其特征在于：所述钢液漩流室（1）和所述钢液分配室（8）之间的侧壁挡墙（5）下部的液流通道（7）为斜向直管型通道，所述液流通道（7）有一个侧壁与所述钢液漩流室（2）的外侧壁表面相切，使在所述钢液漩流室（1）中经过净化的钢液经由所述液流通道（7）进入所述钢液分配室（8）中。

7.根据权利要求4或5所述钢液净化装置，其特征在于：在所述钢液分配室（8）内的底部竖起设置挡坝（6），使所述挡坝（6）的一个侧面面向从所述侧壁挡墙（5）下部的液流通道（7）中流入的钢液方向，所述挡坝（6）的上缘高于所述液流通道（7）的顶部位置。

8.根据权利要求4或5所述钢液净化装置，其特征在于：所述钢液漩流室（1）为圆台形，所述钢液漩流室（1）的下底内径长度为0.2~0.8m，所述钢液漩流室（1）的上下底内径比为1~1.5，所述钢液漩流室（1）的高度为0.5~1m。

9.根据权利要求4或5所述钢液净化装置，其特征在于：所述锆合金输气管（4）外部包裹的低导热率耐高温材料为陶瓷纤维材料、镁质耐高温材料或ZS-1021高温封闭涂层材料。

10.根据权利要求4或5所述钢液净化装置，其特征在于：所述钢包水口（2）为偏心浸入式水口。

11.根据权利要求4或5所述钢液净化装置，其特征在于：所述出气头（3）为孔式透气砖。

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