CN110315060B - 一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构 - Google Patents

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Abstract

一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构，包括中间包，该中间包分为三段间隔式腔体，包括位于中部的冲击区腔体和位于两侧的浇注区腔体，冲击区腔体在其中心位置处垂直设置有一浇注用长水口，钢水从该浇注用长水口往下流出并注入冲击区腔体，而在该浇注用长水口的下方的腔体底部处设置有一正对该浇注用长水口的湍流抑制器，从浇注用长水口往下流出的钢水与湍流抑制器相互碰撞后缓冲并混合；冲击区腔体与两侧的浇注区腔体之间设置有一过滤组件，该过滤组件将冲击区腔体内被缓冲并混合过的钢水过滤后再送入两侧的浇注区腔体，浇注区腔体在其腔体底部设置有出水口，经过过滤组件过滤的钢水流入浇注区腔体再从出水口流出。

Description

一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构
技术领域
本发明涉及钢铁冶金生产领域，尤其涉及一种可过滤减少钢水中的夹杂物、改善连铸中间包流动、促进包内钢液温度均匀的控流式中间包结构。
背景技术
目前，在钢铁冶金生产领域中，高纯净度铸坯是生产高质量钢材的基础，铸坯纯净度主要决定于流体进入结晶器之前的处理过程，中间包冶金就是其中一道重要工序。中间包内流体流动状态和速度分布对流体成分和温度的均匀性、夹杂物的上浮与排除有着重要的影响，而中间包及其控流装置的结构决定了中间包内流体的流动状态。
从上世纪七十年代开始，国内外许多研究者利用物理模拟、数学模拟的方法系统地研究不同中间包内的流场分布，在中间包内设置坝、堰、湍流控制器等控流装置，探求中间包内最优化的流动状态。合理的控流装置的结构不仅能改善中间包内钢液的流动状态与速度分布，同时减少了出水口附近区域的温度差，提高钢液在中间包内的停留时间，促使钢液中非金属夹杂物充分上浮排除，有利于净化中间包内钢水，提高铸坯质量，同时也可以延长耐火材料寿命。
到了上世纪八十年代，人们又在设置堰和坝的基础上，开始了在中间包内安装导流隔墙、过滤器等的研究，从而进一步改变和优化钢水的流动状态，提闻夹杂物的去除效果；九十年代后，向中间包内吹氩，用惰性气体搅拌钢水，促进钢中微小颗粒夹杂的碰撞、长大和上浮；到了本世纪，各种各样的钢水控流装置的综合应用得到了广泛的推广。
经过现场工人长时间的操作反馈，现有技术下的各种高纯净度铸坯的中间包在实际应用过程中存在不少问题，如下：
1.中间包的常规过滤挡墙易堵塞；
2.微小夹杂物难以被过滤导致进入结晶器内；
3常规过滤挡墙堵塞后需要更换，影响浇铸操作的连续性和效率。
综上所述，目前需要一种新型的中间包结构，能有效地过滤钢水中的夹杂物，且无须经常更换，提高浇铸操作的连续性和效率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构，该中间包结构具有结构简单、砌筑方便、成本较低的特点，而且对钢液净化效果好。
本发明的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构，其具体结构如下所述：
一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构，包括中间包，其特征在于：
所述的中间包分为三段间隔式腔体，包括位于中部的冲击区腔体和位于两侧的浇注区腔体；
所述的冲击区腔体在其中心位置处垂直设置有一浇注用长水口，钢水从该浇注用长水口往下流出并注入冲击区腔体，而在该浇注用长水口的下方的腔体底部处设置有一正对该浇注用长水口的湍流抑制器，从浇注用长水口往下流出的钢水与湍流抑制器相互碰撞后缓冲并混合；
所述的冲击区腔体与两侧的浇注区腔体之间设置有一过滤组件，该过滤组件将冲击区腔体内被缓冲并混合过的钢水过滤后再送入两侧的浇注区腔体；
所述的浇注区腔体在其腔体底部设置有出水口，经过过滤组件过滤的钢水流入浇注区腔体再从出水口流出。
根据本发明的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构，其特征在于，所述的过滤组件包括挡渣过滤墙、挡墙导流槽、挡墙导流孔、挡坝和挡坝导流孔，其中，挡渣过滤墙设置在冲击区腔体与浇注区腔体之间并连接了冲击区腔体与浇注区腔体，挡渣过滤墙的下底部厚度大于上顶部厚度，在挡渣过滤墙的中部位置开设有挡墙导流槽，该挡墙导流槽贯穿挡渣过滤墙，且挡墙导流槽呈向下30°的斜向设置，挡墙导流孔呈贯穿挡渣过滤墙的方式开设于挡渣过滤墙的底部，而在浇注区腔体靠近挡墙导流槽的腔体底部位置处呈垂直式的设置有挡坝，该挡坝的形状与大小与浇注区腔体的腔体下部截面对应，在挡坝的底部中间位置开设有贯通挡坝的挡坝导流孔，钢水经过挡墙导流槽和挡墙导流孔从冲击区腔体流入浇注区腔体，在经过挡坝时，大部分钢水从挡坝上流过，一小部分钢水则从挡坝的底部中间位置开设挡坝导流孔流过，最终，全部钢水通过出水口流出至结晶器。
根据本发明的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构，其特征在于，所述的挡渣过滤墙的下底部厚度大于上顶部厚度，其具体为，挡渣过滤墙的下底部厚度为上顶部厚度的2～2.5倍，即挡渣过滤墙整体为梯形。
根据本发明的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构，其特征在于，所述的挡墙导流槽的数量为4～6条，挡墙导流槽内部为阶梯状，且每条挡墙导流槽之间相互平行，钢水经过各条挡墙导流槽时形成上、中、下多段式流动。
阶梯状的开槽结构，使得钢水注流在此碰撞，增加了微小夹杂物碰撞长大的几率，方便了过滤，且阶梯状的开槽结构还提供了足够大的表面积，使流经的钢液中的夹杂物颗粒被最大限度地粘附捕捉，从而达到减少进入结晶器内夹杂物数量。
使用本发明的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构获得了如下有益效果：
1.本发明的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构，其结构简单、砌筑方便、成本较低，其冲击区占整包有效容积的30％以上，容积比合理；
2.本发明的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构，在钢水流经导流槽间隙时，由于阶梯状的开槽结构，使得钢水注流在此碰撞，增加了微小夹杂物碰撞长大的几率，方便了过滤；
3.本发明的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构，其阶梯状的开槽结构提供了足够大的表面积，使流经的钢液中的夹杂物颗粒被最大限度地粘附捕捉，从而达到减少进入结晶器内夹杂物数量的目的。并在不降低夹杂去除率的前提下，有效解决了现有过滤挡墙的过滤孔堵塞问题；
4.本发明的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构能确保不会轻易堵塞，具有较长的工作时间，从而减少更换次数、提高浇铸操作的连续性和效率，且对钢液净化效果好。
附图说明
图1为本发明的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构的具体结构示意图；
图2为本发明的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构的过滤组件的具体结构示意图。
图中：1-中间包，1a-冲击区腔体，1b-浇注区腔体，2-浇注用长水口，3-湍流抑制器，4-出水口，A-过滤组件，A1-挡渣过滤墙，A2-挡墙导流槽，A3-挡墙导流孔，A4-挡坝，A5-挡坝导流孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构做进一步的描述。
实施例
如图1和图2所示，一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构，包括中间包1，该中间包分为三段间隔式腔体，包括位于中部的冲击区腔体1a和位于两侧的浇注区腔体1b；
冲击区腔体1a在其中心位置处垂直设置有一浇注用长水口2，钢水从该浇注用长水口往下流出并注入冲击区腔体，而在该浇注用长水口的下方的腔体底部处设置有一正对该浇注用长水口的湍流抑制器3，从浇注用长水口往下流出的钢水与湍流抑制器相互碰撞后缓冲并混合；
冲击区腔体1a与两侧的浇注区腔体1b之间设置有一过滤组件A，该过滤组件将冲击区腔体1a内被缓冲并混合过的钢水过滤后再送入两侧的浇注区腔体1b；
浇注区腔体1b在其腔体底部设置有出水口4，经过过滤组件过滤的钢水流入浇注区腔体再从出水口流出。
过滤组件A包括挡渣过滤墙A1、挡墙导流槽A2、挡墙导流孔A3、挡坝A4和挡坝导流孔A5，其中，挡渣过滤墙设置在冲击区腔体1a与浇注区腔体1b之间并连接了冲击区腔体与浇注区腔体，挡渣过滤墙的下底部厚度大于上顶部厚度，在挡渣过滤墙的中部位置开设有挡墙导流槽，该挡墙导流槽贯穿挡渣过滤墙，且挡墙导流槽呈向下30°的斜向设置，挡墙导流孔呈贯穿挡渣过滤墙的方式开设于挡渣过滤墙的底部，而在浇注区腔体靠近挡墙导流槽的腔体底部位置处呈垂直式的设置有挡坝，该挡坝的形状与大小与浇注区腔体的腔体下部截面对应，在挡坝的底部中间位置开设有贯通挡坝的挡坝导流孔，钢水经过挡墙导流槽和挡墙导流孔从冲击区腔体流入浇注区腔体，在经过挡坝时，大部分钢水从挡坝上流过，一小部分钢水则从挡坝的底部中间位置开设挡坝导流孔流过，最终，全部钢水通过出水口4流出至结晶器。
挡渣过滤墙A1的下底部厚度大于上顶部厚度，其具体为，挡渣过滤墙的下底部厚度为上顶部厚度的2～2.5倍(本实施例中为2倍)，即挡渣过滤墙整体为梯形。
挡墙导流槽A2的数量为4～6条(本实施例为4条)，挡墙导流槽内部为阶梯状，且每条挡墙导流槽之间相互平行，钢水经过各条挡墙导流槽时形成上、中、下多段式流动。
阶梯状的开槽结构，使得钢水注流在此碰撞，增加了微小夹杂物碰撞长大的几率，方便了过滤。
实际生产中，中间包内的钢液流动可划分为：混合区、活塞区和死区。混合区位于钢包注流附近，钢液与来自钢包的注流混合；活塞区产生在混合区与浸入式水口之间，在该区内流体向前平推流动，并伴有部分返混；死区与活塞区相邻，该区内流体与外界交换缓慢。理想的中间包结构以及相应技术的采用应能造成尽量大的活塞区和尽量小的死区。
由于中间包内流体的流动属于一种非理想流动，这样的流动在数学上可以用修正的混合模型来描述。流体在容器中的运动轨迹并不完全相同，因此其停留时间不同，流团在容器内停留时间分布(RTD)是连续流动系统的一个重要参数，而E函数为一概率分布函数，可用其数学期望来描述平均停留时间：
Figure BDA0001617560680000051
当流体连续、稳定的流过一个容器时，可用流体体积除以体积流量得到流体的理论停留时间ta，对停留时间分布曲线(RTD曲线)进行处理，可确定平均停留时间
Figure BDA0001617560680000052
滞止时间td，进而得到混合区体积tm，活塞区体积Vp及死区体积Vd。
为了评估中间包结构的优劣，对中间包内的钢液流动及温度分布进行模拟计算。鉴于两流板坯中间包两翼对称的特点，仅计算其二分之一区域。我们通过先计算稳定的三维中间包流场和温度场后，再续算中间包瞬态的流场和温度场，同时计算示踪剂在中间包中的扩散方程，并分别监测出口处示踪剂浓度变化，得到相应的RTD曲线。对曲线数据处理，可得到判定流场优劣的相关指标。
使用本发明的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构和不使用本发明的指标参数的对比如下表。
Figure BDA0001617560680000053
表1某钢厂使用中的中间包在无控流结构及与本发明的设置结构下指标参数对比
经过数值模拟试验评估可知，在本发明提出的控流组合装置条件下，由于有湍流抑制器的存在，注入的钢水首先在所限定的冲击区内充分混合，成分、温度均匀化，再经由挡墙上的阶梯过滤开槽，流入挡墙两侧的浇注区域。钢水在通过墙上开槽时，流股先碰撞回旋，大部分再沿槽的导向往熔池两翼的表面方向流动；小部分沿着中间包底部推进的流股，遇到坝后，钢液强制上浮，在浇注口上方再次混均，坝上正中近包底处开有一导流孔，部分包底的钢水经过此通道，使得坝外侧的钢水被卷带进入水口。结合RTD曲线分析可知，中间包内安装这样的控流过滤装置组合，使得钢水在中间包内的活塞区增加，滞流死区减小，夹杂物易于上浮和排除，中间包内新老钢水的混合加快，包内钢水温度均匀。
另外，通过对本发明的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构所生产的钢坯中夹杂物含量的检测，中间包内夹杂物的去除效率达到48％，总氧去除率达到21％，其中对于原始氧含量超过40ppm的钢水，总氧去除率达到44.2％。与现中间包结构下所生产的钢坯中夹杂物含量的检测对比，铸坯的一级品率提高10.7％。
本发明的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构，其结构简单、砌筑方便、成本较低，其冲击区占整包有效容积的30％以上，容积比合理；本发明在钢水流经挡墙导流槽间隙时，由于阶梯状的开槽结构，使得钢水注流在此碰撞，增加了微小夹杂物碰撞长大的几率，方便了过滤；本发明的阶梯状的开槽结构还提供了足够大的表面积，使流经的钢液中的夹杂物颗粒被最大限度地粘附捕捉，从而达到减少进入结晶器内夹杂物数量的目的。并在不降低夹杂去除率的前提下，有效解决了现有过滤挡墙的过滤孔堵塞问题；本发明具有较长的工作时间，从而减少更换次数、提高浇铸操作的连续性和效率，且对钢液净化效果好。
本发明的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构适用于各种需要过滤减少钢水中的夹杂物、改善连铸中间包流动、促进包内钢液温度均匀的领域。

Claims (3)

1.一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构，包括中间包(1)，其特征在于：
所述的中间包(1)分为三段间隔式腔体，包括位于中部的冲击区腔体(1a)和位于两侧的浇注区腔体(1b)；
所述的冲击区腔体(1a)在其中心位置处垂直设置有一浇注用长水口(2)，钢水从该浇注用长水口往下流出并注入冲击区腔体，而在该浇注用长水口的下方的腔体底部处设置有一正对该浇注用长水口的湍流抑制器(3)，从浇注用长水口往下流出的钢水与湍流抑制器相互碰撞后缓冲并混合；
所述的冲击区腔体(1a)与两侧的浇注区腔体(1b)之间设置有一过滤组件(A)，该过滤组件将冲击区腔体(1a)内被缓冲并混合过的钢水过滤后再送入两侧的浇注区腔体(1b)；
所述的浇注区腔体(1b)在其腔体底部设置有出水口(4)，经过过滤组件过滤的钢水流入浇注区腔体再从出水口流出；
所述的过滤组件(A)包括挡渣过滤墙(A1)、挡墙导流槽(A2)、挡墙导流孔(A3)、挡坝(A4)和挡坝导流孔(A5)，其中，挡渣过滤墙设置在冲击区腔体(1a)与浇注区腔体(1b)之间并连接了冲击区腔体与浇注区腔体，挡渣过滤墙的下底部厚度大于上顶部厚度，在挡渣过滤墙的中部位置开设有挡墙导流槽，该挡墙导流槽贯穿挡渣过滤墙，且挡墙导流槽呈向下30°的斜向设置，挡墙导流孔呈贯穿挡渣过滤墙的方式开设于挡渣过滤墙的底部，而在浇注区腔体靠近挡墙导流槽的腔体底部位置处呈垂直式的设置有挡坝，该挡坝的形状与大小与浇注区腔体的腔体下部截面对应，在挡坝的底部中间位置开设有贯通挡坝的挡坝导流孔，钢水经过挡墙导流槽和挡墙导流孔从冲击区腔体流入浇注区腔体，在经过挡坝时，大部分钢水从挡坝上流过，一小部分钢水则从挡坝的底部中间位置开设挡坝导流孔流过，最终，全部钢水通过出水口(4)流出至结晶器。
2.如权利要求1所述的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构，其特征在于，所述的挡渣过滤墙(A1)的下底部厚度大于上顶部厚度，其具体为，挡渣过滤墙的下底部厚度为上顶部厚度的2～2.5倍，即挡渣过滤墙整体为梯形。
3.如权利要求1所述的一种可过滤钢水中的夹杂物的控流式中间包结构，其特征在于，所述的挡墙导流槽(A2)的数量为4～6条，挡墙导流槽内部为阶梯状，且每条挡墙导流槽之间相互平行，钢水经过各条挡墙导流槽时形成上、中、下多段式流动。
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