CN111299566B - 一种中间包自由注流长水口结构及吹氩冶炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中间包自由注流长水口结构，其包括上管段和下管段，其内部分别形成管孔，且上管段的管孔与下管段的管孔连通；下管段的管孔内径大于上管段管孔的内径，在下管段上设有气孔，气孔连通下管段内部的管孔。本发明将传统的钢包长水口分成较细的上管段和较粗的下管段，下管段的内顶面高出钢液一定距离，在下管段和钢液液面之间形成一个吸氩空间。钢液从上管段流出后在重力下形成自由注流，将吸氩空间内的氩气卷吸到钢液中形成微小氩气泡，且该吸氩空间依靠负压自行补充氩气。本发明不仅可抑制喷嘴吹氩过程中由非润湿条件导致的气泡增大的现象，还能避免吹氩过程中气孔的堵塞问题，装置易于维护，可在较低成本条件下实现钢液的深度净化。

Description

一种中间包自由注流长水口结构及吹氩冶炼方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金领域，特别是涉及一种应用于洁净钢冶炼的连铸中间包自由注流长水口结构以及使用该长水口的吹氩冶炼方法。

背景技术

现阶段，钢铁行业面临着“低端产能过剩，高端产能不足”的困境。在日益严苛的环保压力下，提高钢材的性能，调整产品结构，是钢铁企业持续健康发展的必经之路。目前，一些高附加值的钢材，其所含的夹杂物的数量和最大尺寸均应满足严格的要求。因此，最大限度地减少钢中夹杂物的尺寸和数量，实现高效低成本洁净钢的冶炼，是提高产品质量、增加钢铁企业盈利的重要途径。作为钢水凝固前所接触的最后一个耐火材料容器，中间包因其提供了充足钢液停留时间和稳定的动力学条件，被视为夹杂物去除的理想场所。采用常规控流装置的组合优化中间流场，仅能有效地去除钢中尺寸在50μm以上的大颗粒夹杂物，但是对尺寸在50μm以下的夹杂物去除效果不佳。而采用吹氩技术，可通过气泡表面的吸附效应及尾流的捕捉效应促进小颗粒夹杂物上浮至中间包表面，进而被渣层吸附去除。因此，吹氩技术作为一种深度净化钢液的有效方法受到人们的广泛关注。

目前，中间包吹氩方式普遍采用多孔透气砖喷吹。透气砖的材质多为镁质、刚玉质或碳基复合耐火材料。多孔透气砖设在钢液底部，由于透气砖材料均不与钢液润湿，在非润湿条件会导致气泡在生成过程中沿着气孔的表面横向扩张。因此，在实际钢液中，由多孔透气砖吹氩产生的气泡尺寸多在厘米级，不仅无法有效去除钢中的小颗粒夹杂物，大气泡在上浮过程中，还会冲击渣金界面，形成渣眼，进而导致钢液的温度损失、二次氧化等负面影响。此外，在实际使用过程中，钢液易在透气砖的气孔内凝固，导致透气砖堵塞，降低透气砖寿命，频繁更换透气砖不仅提高了成本，还拖延了生产节奏。因此，传统透气砖吹氩技术已经无法满足当前钢厂深度净化钢液的需求。

长水口(或称保护管)是一种用于钢包与中间包之间的钢水管道，保护钢水不受二次氧化，防止钢流飞溅。现有技术关于长水口的改进，基本集中在减少对中间包的冲击、防止开浇喷溅、提高开浇安全性等方面、较少从提高钢液洁净度方面来设计；而吹氩冶炼的过程需要不断向钢液提供具有一定压力的氩气源，产生较高能耗和维护费用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种中间包自由注流长水口结构和使用该长水口的吹氩冶炼方法，该吹氩冶炼方法能够在钢液自由注流过程中自主地卷吸长水口内部的氩气进入钢液内，通过氩气泡的吸附作用和尾流夹带作用促进小颗粒夹杂物上浮及去除，同时保证长水口外部中间包渣层的稳定，从而在较低成本条件下实现钢液的深度净化。

本发明不仅可实现微气泡吹氩以去除钢液中的小尺寸夹杂物，同时本发明的方法不需要压缩机向钢液提供氩气，可节省充氩能耗，也不会产生钢液凝固堵塞透气砖的问题，设备简单易于维护。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一方面，本发明提供一种中间包自由注流长水口结构，其包括：

上管段和下管段，其内部分别形成管孔，且上管段的管孔与下管段的管孔连通；所述下管段连接在所述上管段的下方，其中下管段的管孔内径大于上管段管孔的内径；在所述下管段上设有气孔，所述气孔连通所述下管段内部的管孔与外部空间。

其中，所述上管段的管孔与所述下管段的管孔之间无过渡衔接，即使自由注流长水口的管孔内径从上管段到下管段为突然增大。优选地，所述气孔设于下管段上靠近上管段的位置，即气孔设于下管段的上部位置，例如：气孔可设在下管段的管壁靠近顶端的位置、或下管段与上管段的连接处、或下管段的顶面处。

根据本发明较佳实施例，其中，所述上管段与下管段为一体成型。

根据本发明较佳实施例，其中，所述下管段的管孔内径是上管段的管孔内径的2-4倍，优选为3倍。

根据本发明较佳实施例，其中，所述上管段的外径小于下管段的外径，且在所述上管段与下管段连接的位置形成一个扩径连接面，所述扩径连接面与所述上管段的轴线垂直、所述扩径连接面与所述下管段的轴线垂直，所述气孔设于所述扩径连接面上，且与下管段内部的管孔连通。此处气孔设于所述扩径连接面上的含义，也包括气孔设在该扩径连接面与下管段的交界处。

根据本发明较佳实施例，其中，所述上管段的管孔与下管段的内部管孔为同轴，且所述气孔的数量为1-5个，优选为3个，且均匀分布在所述扩径连接面上。

另一方面，本发明还提供一种中间包钢液吹氩冶炼方法，所述方法为：所述下管段的一部分被浸没在钢液中，盖上中间包上盖后使中间包上盖的穿孔套穿于所述上管段；所述下管段的顶端高出钢液液面一定距离，使钢液液面与所述下管段的管孔内顶面之间限定出一个吸氩空间；

在浇筑期间，向所述中间包内充入氩气，在所述中间包上盖与钢液之间充满氩气，且氩气被所述中间包上盖封闭在所述中间包内；

当通过所述长水口向所述中间包注流钢液时，钢液从管孔较细的上管段流出后突然进入管孔较粗的下管段时，钢液失去上管段的管壁束缚、在重力作用下形成自由注流，自由注流的钢液将所述吸氩空间内的氩气卷吸到钢液中，同时在该吸氩空间内形成负压，该负压促使中间包内的氩气通过所述气孔自行补充到所述吸氩空间内，而被卷吸到钢液内的氩气气泡从钢液中浮出，通过吸附作用将小颗粒夹杂物上浮至中间包表面，上浮的氩气泡返回到气相中，平衡中间包内外压力，使得氩气在所述中间包内实现循环利用。

根据本发明较佳实施例，其中，所述中间包浇铸过程中采用加盖氩气密封，中间包上盖内氩气的质量分数保持在99％以上。

根据本发明较佳实施例，其中，所述中间包底部设有至少一个突出于中间包底面的挡坝，所述挡坝设在所述下管段在所述中间包底面的投影的外部，起到抑制短路流、延长钢液的停留时间的作用。

优选地，所述挡坝设有一对，该对挡坝对称地设于所述下管段的两侧。在所述下管段外部的钢液，借助下管段管壁和所述挡坝的配合作用形成合理上升流(通道)，促使钢液的大颗粒渣上浮至钢液表面，而氩气泡亦可携带小颗粒夹杂物自行上浮至中间包表面。

根据本发明较佳实施例，其中，所述中间包底部设有至少一个浸入式水口。

优选地，所述下管段的顶端高出钢液液面的距离为2-8cm，优选为2-5cm，更优选为3-4cm；所述挡坝的高度为25-35cm，优选为30cm。

根据本发明较佳实施例，其中，在所述下管段内部可采用无渣操作、仅依靠氩气气泡对小颗粒夹杂物进行吸附，亦可采用对夹杂物吸附性较好的高碱度钙硅系大颗粒渣对钢液进行渣洗操作；在所述下管段外部的钢液表面铺设中间包覆盖剂以吸收随气泡一同上浮的夹杂物，同时抑制钢液的二次氧化和温度损失。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

(1)本发明将传统的钢包长水口分成较细的上管段和较粗的下管段，下管段的内部顶面高于钢液液面。钢液从上管段流出后在重力作用下形成自由注流(类似于瀑布)，使填充在下管段内部及钢液表面以上(吸氩空间)的氩气被自由注流主动吸卷到钢液内、打散细化成若干微小氩气泡，氩气上浮净化钢液；氩气的补充过程是依靠产生的负压自行补充，因此可省去氩气压缩机等能耗装置。

(2)下管段的下端插入中间包的钢液中，上端高出液面一定距离，使在下管段内部形成一个与周围钢液相隔离的自由注流区，位于该下管段内部的钢液(已进到中间包的钢液)在自由注流的影响下，形成强烈湍流运动，将氩气吸入到钢液内并形成大量的微小氩气气泡，有利于小尺寸夹杂物的去除。同时，由于下管段管壁和挡坝的控流作用，下管段外部的钢液呈现稳定的上升流运动(近似活塞流)，一方面保证夹杂物有稳定上浮的动力学条件，另一方面维持长水口下管段外部区域液面的稳定。

(3)中间包内的氩气在中间包内循环时，始终充填在钢液液面与中间包上盖之间，一方面在中间包内部形成惰性气氛，抑制钢液的二次氧化，另一方面确保浇铸过程中中间包内部的氩气循环利用，节省气源和能耗。

(4)本发明在进行中间包钢液吹氩冶炼时，下管段的顶端高出钢液液面一定距离，该距离决定了自由注流段的距离。钢液从长水口的上管段流出后进入管孔内径突然增大的下管段，钢液失去管壁束缚、在重力作用下做加速运动，同时注流流股发生湍流扰动，卷吸着中间包内氩气进入钢液形成气泡实现钢液的净化。因此，可以通过调整该自由注流段的距离实现不同的功能。例如，缩短自由注流段距离，可以有效降低气泡的尺寸，提高气泡群的扩散范围，稳定下管段内自由注流区的液面；而增大自由注流段距离则可以有效提高注流钢液的末速度及湍动能，提高吸气量，从而在钢液中形成更多的氩气泡，强化渣洗效果。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的中间包自由注流长水口结构的结构示意图。

图2为本发明较佳实施例的吹氩冶炼过程示意图。

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，对本发明作详细描述。

如图1所示，为本发明较佳实施例的中间包自由注流长水口结构的结构示意图。图1为一种中间包自由注流长水口结构100，其包括：上管段11和第二管道12，其内部分别形成管孔11A和管孔12A，且管孔11A与管孔12A为连通。其中，下管段12连接在上管段11的下方，管孔12A的内径大于管孔11A的内径。优选地，管孔12A的内径是管孔11A内径的2-4倍，在本实施例中为3倍。其中，上管段11和第二管道12为一体成型的结构，且下管段12上设有气孔121，该气孔121的设置位置靠近上管段11，意即气孔121设于下管段12的上部位置。其中，气孔121贯穿下管段12，使下管段12的外部与内部的管孔12A呈气体连通。

如图1所示，在上管段11和下管段12的外部相连接的位置形成一个扩径连接面122，优选地，将气孔121设于该扩径连接面122上。当然气孔121也可以设于下管段12的四周管壁紧邻该扩径连接面122的位置。其中，气孔121的数量可为一个，也可为多个，如图所示，为3个，均匀分布在该扩径连接面122上。在其他实施例中，气孔121的分布不限于均匀分布，只要能将下管段12的管孔12A与外部形成气体连通即可。

如图2所示，为本发明将图1所示中间包自由注流长水口结构应用到吹氩冶炼过程的示意图。在中间包冶炼过程中：将长水口结构100的下管段12的下端插入中间包的钢液中，而上管段11从中间包20的上盖21穿出至中间包上盖21外部。下管段12的顶端(内部顶面)高出钢液液面L一定距离，该距离为自由注流距离，并且也因此使下管段12的内部与钢液液面L之间界定出一个吸氩空间S。

向该中间包20中充入高纯氩气(通常为99.9％的纯度)，氩气被中间包上盖21封闭在中间包20和吸氩空间S内。当通过长水口结构100向中间包20注流钢液时，钢液从管孔较细的上管段11流出后突然进入管孔较粗的下管段12时，钢液失去上管段11的管壁摩擦和约束作用，在重力作用下加速下坠形成自由注流Z，自由注流Z在下管段12的管孔12A内形成剧烈的湍流运动，将吸氩空间S内的氩气以气泡P形式卷吸到钢液中，同时在该吸氩空间S内形成负压，该负压促使该吸氩空间S外的氩气通过气孔121自行补充进来。被卷吸到钢液内的氩气气泡从钢液中浮出，通过吸附作用，将小颗粒夹杂物上浮至中间包表面，浮出来的氩气在中间包20内循环使用。其中，优选地，中间包20内氩气的纯度保持在质量分数在99％以上。

进一步地，如图2所示，在中间包20的底部可一体成型或通过固定方式形成至少一个突出于中间包20底面的挡坝22，并且挡板22不对齐长水口结构100，具体地，将挡坝22设在下管段12在中间包20底面的投影区域外部。优选地，该挡坝22设置一组或一对，对称地设于下管段12的两侧，且各挡坝22的高度低于下管段12的下端。借此，下管段12管壁和两侧的挡坝22的配合作用形成合理上升流F1和F2，延长钢液的停留时间，促使小颗粒夹杂物和部分用于清洗钢液的大颗粒渣上浮至钢液表面。此外，在中间包20的底部设有至少一个浸入式水口23。

在上述吹氩冶炼方法的基础上，下管段12内部可采用无渣操作仅依靠氩气气泡对小颗粒夹杂物进行吸附，亦可采用对夹杂物吸附性较好的高碱度钙硅系大颗粒渣对钢液进行渣洗操作，在下管段12外部的钢液表面铺设中间包覆盖剂24以吸收随气泡一同上浮的夹杂物，同时抑制钢液的二次氧化和温度损失。

需声明的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种中间包钢液吹氩冶炼方法，其特征在于，所述方法为：

采用中间包钢液吹氩冶炼装置进行吹氩冶炼；所述中间包钢液吹氩冶炼装置包括中间包自由注流长水口和中间包；所述中间包自由注流长水口包括上管段和下管段，其内部分别形成管孔，且上管段的管孔与下管段的管孔连通；所述下管段连接在所述上管段的下方，其中下管段的管孔内径大于上管段管孔的内径；在所述下管段上设有气孔，所述气孔连通所述下管段内部的管孔与外部空间；所述中间包设有中间包上盖，所述中间包上盖设有穿孔；

在冶炼过程中，所述中间包自由注流长水口的下管段的一部分被浸没在中间包的钢液中，盖上中间包上盖后使所述中间包上盖的穿孔套穿在所述上管段处；所述下管段的顶端高出钢液液面一定距离，使钢液液面与所述下管段的管孔内顶面之间限定出一个吸氩空间；在浇注期间，向所述中间包内充入氩气，在所述中间包上盖与钢液之间充满氩气，且氩气被所述中间包上盖封闭在所述中间包内；

当通过所述长水口向所述中间包注流钢液时，钢液从管孔较细的上管段流出后突然进入管孔较粗的下管段时，钢液失去上管段的管壁束缚、在重力作用下形成自由注流，自由注流的钢液将所述吸氩空间内的氩气卷吸到钢液中，同时在该吸氩空间内形成负压，该负压促使中间包内的氩气通过所述气孔自行补充到所述吸氩空间内，而被卷吸到钢液内的氩气气泡从钢液中浮出，通过吸附作用将小颗粒夹杂物上浮至中间包表面，上浮的氩气泡返回到气相中，平衡中间包内外压力，使得氩气在所述中间包内实现循环利用。

2.根据权利要求1所述的中间包钢液吹氩冶炼方法，其特征在于，所述中间包浇铸过程中采用加盖氩气密封，中间包上盖内氩气的质量分数保持在99%以上。

3.根据权利要求1所述的中间包钢液吹氩冶炼方法，其特征在于，所述中间包底部设有至少一个突出于中间包底面的挡坝，所述挡坝设在所述下管段在所述中间包底面的投影的外部，起到抑制短路流、延长钢液的停留时间的作用。

4.根据权利要求3所述的中间包钢液吹氩冶炼方法，其特征在于，所述中间包底部设有至少一个浸入式水口；所述下管段的顶端高出钢液液面的距离为2-8cm；所述挡坝高度为25-35cm。

5.根据权利要求1所述的中间包钢液吹氩冶炼方法，其特征在于，在所述下管段内部采用高碱度钙硅系大颗粒渣对钢液进行渣洗操作，在所述下管段外部的钢液表面铺设中间包覆盖剂以吸收随气泡一同上浮的夹杂物，同时抑制钢液的二次氧化和温度损失。

6.根据权利要求1所述的中间包钢液吹氩冶炼方法，其特征在于，所述中间包自由注流长水口的上管段与下管段为一体成型。

7.根据权利要求1所述的中间包钢液吹氩冶炼方法，其特征在于，所述中间包自由注流长水口的下管段的管孔内径是上管段的管孔内径的2-4倍。

8.根据权利要求1所述的中间包钢液吹氩冶炼方法，其特征在于，所述中间包自由注流长水口的上管段的外径小于下管段的外径，且在所述上管段与下管段连接的位置形成一个扩径连接面，所述扩径连接面与所述上管段的轴线垂直、所述扩径连接面与所述下管段的轴线垂直，所述气孔设于所述扩径连接面上，且与下管段内部的管孔连通。

9.根据权利要求8所述的中间包钢液吹氩冶炼方法，其特征在于，所述中间包自由注流长水口的上管段的管孔与下管段的内部管孔为同轴，且所述气孔的数量为1-5个，且均匀分布在所述扩径连接面上。

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