CN110394433A - 一种有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置，由长水口、旋流室及旋流室出口组成，所述长水口内壁靠近顶部处预留环形槽，环形槽内置环状弥散型进气室，环状弥散型进气室通过长水口壁开设的进气孔与氩气输送系统相连，长水口下部与旋流室切向相连。采用该装置进行吹氩精炼的方法，利用弥散相氩气泡的粘附作用去除夹杂物，解决了传统吹氩装置的气泡尺寸较大、钢水中停留时间过短，易于冲破保护渣渣面造成钢液的二次氧化以及热损失的问题，并且长水口吹氩气在一定程度上防止水口结瘤堵塞，同时在底部的旋流室中钢水将重力势能转化为旋转动能，也可促进夹杂物自身的碰撞长大进而上浮去除，从而提高钢水的洁净度。

Description

一种有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置及方法

技术领域

本发明属于冶金行业连铸浇注技术领域，尤其涉及一种有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置及方法。

背景技术

随着经济和社会的发展对钢材质量要求更高，各大钢厂为了不断提升自家企业产品质量，不断改进工艺，迫使钢铁沿着高洁净度、高成分控制精度和高性能的方向发展。钢铁连铸工艺是决定钢铁质量好坏极为重要的环节，中间包由于其在连铸中独特的位置，在去除夹杂物方面有着独特的优势。连铸中间包是钢液在凝固之前接触的最后一个耐火材料容器，早期中间包仅仅只是起到钢液储存和分流的作用，后来为了提高钢材质量、有效去除夹杂物，冶金工作者不局限于将中间包当简单的储钢分流容器使用，通过改进中间包包型、增加熔池深度减轻液面旋涡、挡墙、挡坝以及过滤器的组合使用，来优化中间包的流场、消除包底的铺展流动、减少死区体积、延长钢液停留时间、促进夹杂物的上浮去除。

冶金工作者大量的实验研究表明，通过控流装置优化流场对大颗粒夹杂物去除有效，但是小颗粒夹杂在钢液中，夹杂物跟随流体性极好，上浮速度较慢，只是依靠自身浮力很难去除，无法达到高洁净钢的要求，所以依靠弥散相氩气泡粘附作用来促进中间包夹杂物去除是有效的夹杂物去除方法。

中国专利(专利号为：CN201058374，公开日：2008年05月14日)公开了一种气密式钢包长水口，该专利属于中间包连续浇注领域，用于减轻钢液从钢包流入中间包中的二次氧化，该专利采用的吹氩装置仅仅只是起到氩气密封作用，不能有效去除钢液中的非金属夹杂物；中国专利(专利号：CN202490928U，公开日：2012年10月17日)公开了一种能够去除夹杂物的中间包用长水口装置，该专利从长水口上部通入氩气，将长水口下端封闭，长水口本体出口设置成旋流侧孔，使钢液产生旋转运动，但是由于中间包体积相对较大，旋流侧孔产生的钢液旋转不明显，同时进入中间包的氩气泡在钢液中停留时间较短，对夹杂物的去除效果有限。

因此，亟需一种有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置及方法，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置及方法，利用弥散相氩气泡的粘附作用去除夹杂物，解决了传统吹氩装置的气泡尺寸较大、钢水中停留时间过短，易于冲破保护渣渣面造成钢液的二次氧化以及热损失问题，并且长水口吹氩气在一定程度上防止水口结瘤堵塞，同时在底部的旋流室中钢水将重力势能转化为旋转动能，也可促进夹杂物自身的碰撞长大进而上浮去除，从而提高钢水的洁净度。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置，由长水口、旋流室及旋流室出口组成，所述长水口内壁靠近顶部处预留环形槽，环形槽内置环状弥散型进气室与长水口紧密配合，环状弥散型进气室通过长水口壁开设的进气孔与氩气输送系统相连，长水口下部与旋流室切向相连。

所述进气孔进气方向为水平方向，与长水口的轴向互相垂直。

根据中间包容量，所述长水口的直径可选择75-120mm、弥散型进气室的直径与所选长水口直径相同，弥散型进气室的高度根据所需冲入气体的量选择20mm-50mm之间，进气孔形状圆形，可以设置一个或者多个，旋流室的直径可选择为450-750mm、旋流室高度可选择 300-600mm，经研究发现旋流室的直径约为中间包底部宽度的一半，并且旋流室的高度与旋流室直径的比值为0.75时，夹杂物的去除率最高。

所述氩气输送系统输入的氩气流量控制在0.003～0.009kg/s，将长水口内氩气的体积分数控制在8-10％之间，保证形成的弥散相氩气泡的直径可以控制在0.1-1mm之间。

一种如述的有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置的吹氩精炼方法，包括以下步骤：

步骤一：连铸前针对中间包的具体尺寸大小，选定所要使用的有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置的具体尺寸；

步骤二：将步骤一中选择的长水口吹氩精炼装置放置于中间包的注流区域内，当浇注达到中间包的工作液位后，氩气输送装置开始通过进气孔向环状弥散型进气室内输送氩气，进入长水口形成弥散相氩气泡；

步骤三：在浇注过程中，钢水在长水口内由于受重力作用流入旋流室，弥散相氩气泡在滑动水口附近的高湍动能和湍动能耗散率以及钢流的剪切作用下进一步将微小气泡破碎细化成弥散微气泡，并跟随钢流流入旋流室；

步骤四：旋流室的存在使得弥散微气泡旋转上升，在钢液中的运动路径和停留时间延长；

步骤五：钢液中的小粒径夹杂物被弥散微气泡粘附裹带，并随气泡一起上浮最后被中间包的渣层吸收；

步骤六：浇注完毕后停止吹入氩气。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明能够利用弥散相气泡有效去除直径小于50μm的小粒径夹杂物，在长水口内壁靠近顶部处预留环形槽内安装弥散型环状进气室，弥散型环状进气室通过进气孔与氩气输送装置连接，氩气从弥散型进气室进入长水口，在钢流剪切作用和滑动水口附近的高湍动能和湍动能耗散率的作用下将氩气泡破碎细化成弥散微气泡，氩气泡跟随钢流流入旋流室底部，由于长水口下部与旋流室切向相连，钢流在旋流室中形成旋流场，在旋流场作用下弥散微气泡与小粒径夹杂更易碰撞吸附，然后上浮去除；

(2))从长水口底部跟随钢液进入旋流室的弥散微气泡，和常规气泡相比与流体的跟随性好，在钢液中所受浮力小于常规气泡、上浮速度慢，因此在钢液中停留时间延长，而且微气泡经过旋流室出口流入中间包后，在中间包内扩散的范围更广，运动路径更长，而停留时间越长气泡扩散的范围越广，更有利于与小粒径夹杂物的充分接触，从而有效提高小粒径夹杂物的去除率，经深入研究发现弥散微气泡去除夹杂物的去除率比常规中间包高10-15％；

(3)本发明弥散微气泡进入中间包后，对中间包内的钢液同时也具有强烈的搅拌作用，易于加速反应器内的传质与传热，均匀钢水成分及温度；

(4)本发明采用在长水口上部通过环状弥散型进气室通入氩气在钢液中形成氩气泡，可以减少钢液中的三氧化二铝氧夹杂，使其不易沉积于中间包的浸入式水口内壁，有效减少浸入式水口的堵塞结瘤现象；

(5)本发明中由于钢液从旋流室的切线方向流入，旋流室内有旋转流场的存在，钢水中的夹杂物也同时产生旋转流动，旋转产生的离心力也会促进夹杂物自身的碰撞团聚长大上浮；

(6)本发明对于单流和多流中间包具有普适性。

附图说明

图1为本发明中一种有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置的示意图；

图2为本发明中一种有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置的主视剖视图；

图3为本发明中一种有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置中长水口的局部放大图；

图4为不同大小氩气泡在旋流室中运动轨迹及停留时间对比的有限元仿真分析结果示意图；

其中，

1-长水口，2-旋流室，3-旋流室出口，4-环状弥散型进气室，5-进气孔。

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1-3所示，一种有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置，由长水口1、旋流室 2及旋流室出口3组成，所述长水口1内壁靠近顶部处预留环形槽，环形槽内置环状弥散型进气室4，环状弥散型进气室4通过长水口壁开设的进气孔5与氩气输送系统相连，所述进气孔5进气方向为水平方向，与长水口2的轴向互相垂直；长水口1下部与旋流室2切向相连。

根据中间包容量，所述长水口的直径可选择75-120mm、弥散型进气室的直径与所选长水口直径相同，弥散型进气室的高度根据所需充入气体的量选择20mm-50mm之间；进气孔形状圆形，可以设置一个或者多个；旋流室的直径可选择为450-750mm、旋流室高度可选择 300-600mm，经研究得出，经研究发现旋流室的直径约为中间包底部宽度的一半，并且旋流室的高度与旋流室直径的比值为0.75时，夹杂物的去除率最高，旋流室高度过高容易造成液面波动，出现旋涡卷渣现象，因此旋流室的高径比为0.75时为最优旋流室的结构尺寸。

所述氩气输送系统输入的氩气质量流量控制在0.003～0.009kg/s之间，将长水口内氩气的体积分数控制在8-10％之间，保证形成的弥散相氩气泡的直径可以控制在0.1-1mm之间。

下面以浇铸大板坯的单流中间包为例，采用ANSYS有限元分析软件的FLUENT模块进行有限元仿真分析，对本发明的技术方案和效果作详细描述，此中间包尺寸参数和本发明中长水口吹氩精炼装置的具体尺寸参数如表1所示：

表1 吹氩精炼装置与单流中间包具体的尺寸参数

实施例1

一种如上述的有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置的吹氩精炼方法，包括以下步骤：

步骤一：以单流中间包为例，选定所要使用的有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置的具体尺寸；

步骤二：如图4(a)所示，将步骤一中选择的长水口吹氩精炼装置放置于中间包的注流区域内，当浇注达到中间包的工作液位后，氩气输送装置开始通过进气孔5向环状弥散型进气室4内输送氩气，进入长水口形成弥散相氩气泡，本实施例中，长水口入口处钢液的流速为1m/s，氩气流量为0.005kg/s，弥散相氩气泡的直径为1mm；

步骤三：在浇注过程中，钢水从长水口1由于受重力作用流入旋流室2，弥散相氩气泡在滑动水口附近的高湍流和钢流剪切的作用下进一步将微小气泡破碎细化成弥散微气泡，并跟随钢流流入旋流室；

步骤四：弥散微气泡进入旋流室2后，由于旋流室2的存在使得弥散微气泡在旋流场的作用下旋转上升，直径为1mm的氩气泡在吹氩精炼装置及中间包中的运动路径和停留时间如图4中(b)图所示，弥散型微气泡的最大停留时间为23s，平均停留时间为12s；

步骤五：钢液中的夹杂物被弥散微气泡粘附裹带，并随弥散微气泡一起上浮从旋流室出口3流出进入中间包，最后被中间包的渣层吸收；

步骤六：浇注完毕后停止吹入氩气。

实施例2

一种如上述的有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置的吹氩精炼方法，包括以下步骤：

步骤一：以单流中间包为例，选定所要使用的有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置的具体尺寸；

步骤二：如图4(a)所示，将步骤一中选择的长水口吹氩精炼装置放置于中间包的注流区域内，当浇注达到中间包的工作液位后，氩气输送装置开始通过进气孔5向环状弥散型进气室4内输送氩气，进入长水口形成弥散相氩气泡，本实施例中，长水口入口钢液的流速为 1m/s，氩气流量为0.005kg/s，弥散相氩气泡的直径为0.5mm；

步骤三：在浇注过程中，钢水从长水口1由于受重力作用流入旋流室2，弥散相氩气泡在滑动水口附近的高湍流和钢流剪切的作用下进一步将微小气泡破碎细化成弥散微气泡，并跟随钢流流入旋流室；

步骤四：弥散微气泡进入旋流室2后，由于旋流室2的存在使得弥散微气泡在旋流场的作用下旋转上升，直径为0.5mm的氩气泡在吹氩精炼装置及中间包中的运动路径和停留时间如图4中(c)图所示，弥散型微气泡的最大停留时间为100.00s，平均停留时间为48s；

步骤五：钢液中的夹杂物被弥散微气泡粘附裹带，并随弥散微气泡一起上浮从旋流室出口3流出进入中间包，最后被中间包的渣层吸收；

步骤六：浇注完毕后停止吹入氩气。

实施例3

一种如上述的有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置的吹氩精炼方法，包括以下步骤：

步骤一：以单流中间包为例，选定所要使用的有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置的具体尺寸；

步骤二：如图4(a)所示，将步骤一中选择的长水口吹氩精炼装置放置于中间包的注流区域内，当浇注达到中间包的工作液位后，氩气输送装置开始通过进气孔5向环状弥散型进气室4内输送氩气，进入长水口形成弥散相氩气泡，本实施例中，长水口入口处钢液的流速为1m/s，氩气流量为0.005kg/s，弥散相氩气泡的直径为0.1mm；

步骤三：在浇注过程中，钢水从长水口1由于受重力作用流入旋流室2，弥散相氩气泡在滑动水口附近的高湍流和钢流剪切的作用下进一步将微小气泡破碎细化成弥散微气泡，并跟随钢流流入旋流室；

步骤四：弥散微气泡进入旋流室2后，由于旋流室2的存在使得弥散微气泡在旋流场的作用下旋转上升，直径为0.1mm的氩气泡在吹氩精炼装置及中间包中的运动路径和停留时间如图4中(d)图所示，弥散型微气泡的最大停留时间为442s，平均停留时间为126s；

步骤五：钢液中的夹杂物被弥散微气泡粘附裹带，并随弥散微气泡一起上浮从旋流室出口3流出进入中间包，最后被中间包的渣层吸收；

步骤六：浇注完毕后停止吹入氩气。

表2 不同实施方案中50μm以下夹杂物的去除率

由上述实施例所述，本发明通过在长水口1上部设置环形弥散型进气室4，通过进气孔5 向长水口内通入氩气，使得弥散相氩气泡跟随钢流旋转流入中间包内，氩气泡的尺寸越小，被细化成的弥散型微气泡在钢液中停留时间与运动路径越长，气泡的黏附作用区域范围更大，可以有效促进气泡对夹杂物的黏附去除。经研究对比不同气泡直径对于50μm以下夹杂物的去除率，如表2所示，本发明利用弥散相氩气泡粘附去除夹杂物针对于直径小于50μm的小粒径夹杂物的去除的效率相比于常规的中间包高10-15％，本发明对于单流和多流中间包具有普适性，去除夹杂物的效果显著，对于生产洁净钢有着十分重要的作用。

以上为示意性的对本方案的装置及其精炼方法进行了描述说明，此描述说明没有限制性，实际结构并不局限于此，从事本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的创造宗旨下，不经创造性的设计与该方案类似的结构方式及实施例，均应涵盖在权利要求范围中。

Claims (5)

1.一种有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置，其特征在于：由长水口、旋流室及旋流室出口组成，所述长水口内壁靠近顶部处预留环形槽，环形槽内置环状弥散型进气室与长水口紧密配合，环状弥散型进气室通过长水口壁开设的进气孔与氩气输送系统相连，长水口下部与旋流室切向相连。

2.根据权利要求1所述的一种有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置，其特征在于：所述进气孔进气方向为水平方向，与长水口的轴向互相垂直。

3.根据权利要求1所述的一种有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置，其特征在于：根据中间包容量，所述长水口的直径可选择75-120mm、弥散型进气室的直径与所选长水口直径相同，弥散型进气室的高度根据所需充入气体的量选择20mm-50mm之间，进气孔形状圆形，可以设置一个或者多个，旋流室的直径可选择为450-750mm、旋流室高度可选择300-600mm，经研究发现旋流室的直径约为中间包底部宽度的一半，并且旋流室的高度与旋流室直径的比值为0.75时，夹杂物的去除率最高。

4.根据权利要求1所述的一种有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置，其特征在于：所述氩气输送系统输入的氩气流量控制在0.003～0.009kg/s，将长水口内氩气的体积分数控制在8-10％之间，保证形成的弥散相氩气泡的直径可以控制在0.1-1mm之间。

5.一种如权利要求1～4任一项所述的有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置的吹氩精炼方法，包括以下步骤：

步骤一：连铸前针对中间包的具体尺寸大小，选定所要使用的有效去除中间包夹杂物的长水口吹氩精炼装置的具体尺寸；

步骤二：将步骤一中选择的长水口吹氩精炼装置放置于中间包的注流区域内，当浇注达到中间包的工作液位后，氩气输送装置开始通过进气孔向环状弥散型进气室内输送氩气，进入长水口形成弥散相氩气泡；

步骤三：在浇注过程中，钢水从长水口由于受重力作用流入旋流室，弥散相氩气泡在滑动水口附近的高湍动能和湍动能耗散率以及钢流的剪切作用下进一步将微小气泡破碎细化成弥散微气泡，并跟随钢流流入旋流室；

步骤四：旋流室的存在使得弥散微气泡旋转上升，在钢液中的运动路径和停留时间延长；

步骤五：钢液中的小粒径夹杂物被弥散微气泡粘附裹带，并随气泡一起上浮最后被中间包的渣层吸收；

步骤六：浇注完毕后停止吹入氩气。