CN110238375A - 一种连铸用气动旋流中间包 - Google Patents

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刘志远
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Abstract

一种连铸用气动旋流中间包由中间包本体和外置中间包旋流室组成，中间包本体与外置中间包旋流室之间通过沟槽或凹槽连通，在距外置中间包旋流室底部一定高度处的侧壁上沿圆周均匀布置若干个倾斜的吹气气孔，沟槽或凹槽处于中间包的中心位置，沟槽或凹槽的中心面与中间包本体和外置中间包旋流室的中心面重合，该气动旋流中间包整体呈左右对称。该连铸用气动旋流中间包具有结构简单、成本低的优点，能够通过在气体的驱动作用下使钢液实现旋转流动，并结合气泡除杂来提高中间包夹杂物的去除效率。

Description

一种连铸用气动旋流中间包
技术领域
本发明属于连续铸造技术领域，尤其涉及一种连铸用气动旋流中间包。
背景技术
现代钢铁企业为了提高生产效率通常采用连续浇注技术。在连铸过程中，中间包内钢液经滑动水口、浸入式水口进入结晶器内，利用塞棒和滑动水口配合实现对中间包至结晶器的钢液注入量和结晶器内钢液的流动行为的控制，对于稳定操作及保证铸坯质量有着非常重要的意义。在中间包众多冶金功能中夹杂物的去除程度一直是冶金工作者着重关注的部分。对钢水连铸来说，中间包内控流装置的优化设计，对钢液的流动模式、停留时间及夹杂物去除等有重要作用。
为了实现中间包内夹杂物去除的最大化，冶金研究者提出了众多可行的技术措施，例如中间包内挡墙、挡坝等控流装置的使用，中间包气幕挡墙、钢包长水口吹氩等，这些技术在大夹杂物的去除方面效果显著，但小夹杂物的去除效率依然较低，而且透气砖制造复杂、安装不便且易被钢液堵塞。
为了实现钢液的旋转和夹杂物去除率的提高，离心中间包技术被提出，利用磁场使圆筒状中间包内钢液旋转并产生离心力和巨大的湍流能量，来提高脱氧能力，促进非金属夹杂的上浮和分离，但电磁旋流装置的结构和操作较复杂，消耗电能，成本较高。
基于传统的湍流控制器以及离心中间包的设计原理，旋流中间包技术被提出，即在钢包长水口注流区安装一个旋流室，钢液从旋流室的底部沿切线方向流入旋流室，以达到将钢液本身的势能转化为其旋转动能的目的，使钢液在旋流室内产生旋转，实现与离心中间包相似的冶金效果。虽然此方法能够使钢液在旋流室内螺旋上升，延长钢液在中间包内的路径，为夹杂物的上浮提供充足的时间；钢液旋转为夹杂物提供向心力，夹杂物在向心力的作用下向旋流室中心运动，促进夹杂物的碰撞长大和上浮去除，但旋流中间包结构相对复杂，钢包长水口出口结构为L型，生产困难且不易钢包长水口的安装和更换。
因此需要一种结构简单，成本低，夹杂物去除效率高的连铸用气动旋流中间包，以解决上述问题。其结构由中间包本体和外置中间包旋流室组成，利用沿圆周均匀布置在旋流室侧壁一定高度处的倾斜气孔进行吹气，吹入的氩气驱动钢液在旋流室内实现旋转流动，将气泡去除夹杂物与钢液旋转流动进行结合，大大提高夹杂物的去除效率。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种连铸用气动旋流中间包，具有结构简单、成本低的优点，能够通过在气体的驱动作用下使钢液实现旋转流动，并结合气泡除杂来提高中间包夹杂物的去除效率。
为克服现有技术中的缺陷，本发明采用以下的技术方案：
一种连铸用气动旋流中间包由中间包本体和外置中间包旋流室组成，中间包本体与外置中间包旋流室之间通过沟槽或凹槽连通，在距外置中间包旋流室底部一定高度处的侧壁上沿圆周均匀布置若干个倾斜的吹气气孔，外置中间包旋流室的高度和内径可根据实际情况进行调整。
所述的中间包本体与外置中间包旋流室之间的沟槽或凹槽处于中间包的中心位置，沟槽或凹槽的中心面与中间包本体和外置中间包旋流室的中心面重合，该气动旋流中间包整体呈左右对称。
所述的中间包本体与外置中间包旋流室之间的沟槽或凹槽的长度应在200mm-250mm之间、宽度应在230mm-280mm之间、高度不低于200mm，具体根据实际需求进行调整。
所述的外置中间包旋流室的高度和内径可以根据钢包的容量以及连铸规模进行合理调整，保证连铸工作的顺利进行。
所述吹气气孔在外置中间包旋流室侧壁沿圆周均匀布置，其在外置中间包旋流室侧壁上的布置位置应满足吹气气孔水平中心线至外置中间包旋流室底部的距离在150mm-200mm之间、沿圆周分布的数量为3-4个，吹气气孔的孔径在10mm-15mm之间，吹气气孔中心线与中间包本体水平方向的夹角维持在45°-60°之间，吹气气孔中氩气流速应大于钢包长水口中钢液流速，具体参数可根据实际需求进行调整。
如上述的吹气气孔在外置中间包旋流室侧壁上的布置位置应满足吹气气孔水平中心线高于钢包长水口的出口位置，钢包长水口位于外置中间包旋流室的正中心。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)相比于传统的旋流中间包，本发明将中间包旋流室安装于中间包外侧，通过气体驱动使钢液实现旋转流动，促进夹杂物的碰撞长大，有利于夹杂物的上浮去除。
(2)向外置中间包旋流室吹入的氩气在钢液中粘附夹杂物完成上浮去除，大大提高夹杂物的去除效率。
(3)对本发明所述的气动旋流中间包进行水模型实验和数值模拟来验证夹杂物的去除效率，结果表明：对比于传统的中间包，该气动旋流中间包对夹杂物的去除效率明显提高。
(4)本发明所述的气动旋流中间包结构简单，可以直接在原有中间包结构的基础上对其进行改造，无需改变原有中间包的结构，对板坯、方坯、圆坯等各种工艺条件均可普遍使用。
附图说明
图1为本发明一种连铸用气动旋流中间包的整体结构示意图；
图2为本发明一种连铸用气动旋流中间包的内部结构示意图；
图3为为本发明一种连铸用气动旋流中间包的外置旋流室结构示意图；
图4为本发明一种连铸用气动旋流中间包前视剖面结构示意图；
图5为本发明一种连铸用气动旋流中间包俯视图；
图6为本发明一种连铸用气动旋流中间包右视图；
其中，
1-中间包本体；2-外置中间包旋流室；3-沟槽或凹槽；4-吹气气孔；5-钢包长水口；6-中间包出口。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。
如图1和图2所示，一种连铸用气动旋流中间包由中间包本体1和外置中间包旋流室2组成，中间包本体1与外置中间包旋流室2之间通过沟槽或凹槽3连接，在距外置中间包旋流室2底部一定高度处的侧壁上沿圆周均匀布置若干倾斜的吹气气孔4，吹气气孔4的布置位置应满足吹气气孔水平中心线高于钢包长水口5的出口位置，钢包长水口5位于外置中间包旋流室2的正中心。
中间包本体1与外置中间包旋流室2之间的沟槽或凹槽3处于中间包的中心位置，沟槽或凹槽3的中心面与中间包本体1和外置中间包旋流室2的中心面重合，该气动旋流中间包整体呈左右对称。
所述的中间包本体1与外置中间包旋流室2之间的沟槽或凹槽3的长度应在200mm-250mm、宽度应在230mm-280mm之间，高度不低于200mm，具体的尺寸参数可根据实际需求进行调整，合理的尺寸参数可以防止经沟槽或凹槽3进入中间包本体1的钢液流股偏流现象的发生；外置中间包旋流室2的高度和内径应满足实际生产的需要，具体可以根据钢包的容量以及连铸规模进行合理调整以保证连铸工作的顺利进行。
外置中间包旋流室2侧壁上沿圆周均匀布置若干倾斜吹气气孔4，其在外置中间包旋流室2侧壁上的布置位置应满足吹气气孔水平中心线至外置中间包旋流室2底部的距离在150mm-200mm之间，沿圆周分布的数量为3-4个，气孔的孔径在10mm-15mm之间，气孔中心线与中间包本体1水平方向的夹角维持在45°～60°之间，气孔中氩气流速应大于钢包长水口中钢液流速，具体参数可根据实际需求进行调整。
实施例
应用水模型实验和数值模拟对本专利所述的气动旋流中间包的冶金效果进行研究，本发明中用于模拟研究所用的气动旋流中间包的结构如图1-3所示，尺寸参数如图4-6所示。
其中，中间包本体1顶部长度L1＝4180mm，宽度L4＝1200mm，中间包本体1底部长L2＝3980mm，宽度L3＝1000mm，中间包本体1高度H1＝1000mm(所示尺寸仅为中间包的流体区域，不包含耐火材料部分)；外置中间包旋流室2的内径Φ1＝700mm，外径Φ2＝900mm，高度H2＝800mm(不包含耐火材料部分)；中间包本体1与外置中间包旋流室2之间的沟槽或凹槽3的长度L＝220mm，L＇＝240mm，宽度S＝250mm，高度H＝200mm；吹气气孔4的孔径Φ3＝10mm，气孔中心线与中间包本体1水平方向的夹角θ＝45°，气孔中心线到外置中间包旋流室2底部的垂直距离H3＝200mm，气孔的数量为3个，每两个气孔中心线之间的夹角为120°；钢包长水口5的内径Φ4＝100mm，外径Φ5＝200mm，水口插入深度H4＝700mm；模拟过程中钢液流速为1.5m/s，气体流速为5m/s。
钢液从钢包长水口5进入外置中间包旋流室2，与此同时利用外置中间包旋流室2侧壁上沿圆周均匀布置的倾斜吹气气孔4吹氩气，由于氩气的驱动作用使钢液在外置中间包旋流室2内螺旋上升，从沟槽或凹槽3流进中间包本体1，最后从中间包出口6流进结晶器。由数值模拟的过程和结果显示，该结构不仅实现了良好的旋流效果，而且经沟槽或凹槽进入中间包本体1的钢液流股无偏流现象的发生，最为关键的是中间包内夹物的去除效率明显提高。
中间包中的夹杂物主要以Al2O3为主，其去除率由以下公式计算：
当采用水模型实验时，采用下式计算：
其中：η——中间包内夹杂物的去除率，％；
WTrap——钢液面捕获的夹杂物的重量，kg；
WIn——钢液中加入的夹杂物的重量，kg；
当采用数值模拟时，采用下式计算：
其中：η——中间包内夹杂物的去除率，％；
NTrap——钢液面捕获的夹杂物的数量，个；
NIn——钢液中加入的夹杂物的数量，个。
本实施例中利用ANSYS有限元分析软件Fluent流体分析模块进行数值模拟分析，得到的结果如表1所示：
表1夹杂物去除效率的对比(％)
由表1中数值可明显看出，本发明提供的一种连铸用气动旋流中间包较传统中间包的去除率有很大提高。
最后要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种连铸用气动旋流中间包由中间包本体和外置中间包旋流室组成，其特征在于：中间包本体与外置中间包旋流室之间通过沟槽或凹槽连通，在距外置中间包旋流室底部一定高度处的侧壁上沿圆周均匀布置若干个倾斜的吹气气孔，外置中间包旋流室的高度和内径可根据实际情况进行调整。
2.根据权利要求1所述的一种连铸用气动旋流中间包，其特征在于：所述的中间包本体与外置中间包旋流室之间的沟槽或凹槽处于中间包的中心位置，沟槽或凹槽的中心面与中间包本体和外置中间包旋流室的中心面重合，该气动旋流中间包整体呈左右对称。
3.根据权利要求2所述的一种连铸用气动旋流中间包，其特征在于：所述的中间包本体与外置中间包旋流室之间的沟槽或凹槽的长度应在200mm-250mm之间、宽度应在230mm-280mm之间、高度不低于200mm，具体根据实际需求进行调整。
4.根据权利要求1所述的一种连铸用气动旋流中间包，其特征在于：所述的外置中间包旋流室的高度和内径可以根据钢包的容量以及连铸规模进行合理调整，保证连铸工作的顺利进行。
5.根据权利要求1所述的一种连铸用气动旋流中间包，其特征在于：所述吹气气孔在外置中间包旋流室侧壁沿圆周均匀布置，其在外置中间包旋流室侧壁上的布置位置应满足吹气气孔的水平中心线至外置中间包旋流室底部的距离在150mm-200mm之间、沿圆周分布的数量为3-4个，吹气气孔的孔径在10mm-15mm之间，吹气气孔中心线与中间包本体水平方向的夹角维持在45°-60°之间，吹气气孔中氩气流速应大于钢包长水口中钢液流速，具体参数可根据实际需求进行调整。
6.根据权利要求5所述的一种连铸用气动旋流中间包，其特征在于：所述吹气气孔在外置中间包旋流室侧壁上的布置位置应满足吹气气孔的水平中心线应高于钢包长水口的出口位置，钢包长水口位于外置中间包旋流室的正中心。
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