CN114317894B - 一种基于非对称搭配的钢包底吹精炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非对称搭配的钢包底吹精炼方法，透气砖类型非对称（狭缝式+弥散式），透气砖位置非对称（两透气砖位置不在以底面为圆心的同一圆周上），透气砖流量呈正弦非对称规律变化，两个吹气孔吹气的相位角不同，一个吹气量处于最大值时，另一个处于最小值，反之亦然，弥散式透气砖要比狭缝式透气砖更靠近底面中心，这样可以极大地提升除杂效果，两个吹气孔的夹角大于90°，大倾角更有利于去除夹杂物，避免流股互相吸引，发生抵消；本发明吹气量随时间的变化而变化，更有利于除杂，通过诱导出一个不稳定的流场，打破钢包内部的大循环流，有利于夹杂物快速聚并上浮。
Description
技术领域
本发明属于冶金行业的炉外精炼领域，具体属于钢包精炼工艺改进，涉及一种基于非对称搭配的钢包底吹精炼方法。
背景技术
高品质特殊钢广泛应用于核电、舰船、电子通讯等先进制造领域，是国家重大装备制造和重点工程建设所需的关键材料。高品质钢具有高洁净化、高均质化的特点，尤其是超洁净钢，钢中全氧含量已经限制在了5ppm以下，并且最大夹杂物尺寸不得超过10μm，这对钢包精炼提出了巨大的挑战。因此，如何提高钢液纯净度及混均程度，是目前冶金行业关注的焦点。为了解决上述问题，现有技术公开了一种钢包底吹氩精炼方法，在钢包包底同一个圆周上布置一块狭缝式透气砖和一块弥散式透气砖；还采用双孔一强一弱底吹氩的方式，当钢包中加入合金后，钢包底部吹气，其中一孔弱吹、一孔强吹。现有研究都对钢铁生产具有一定推动作用，然而，采用现有工艺产生流场都是稳定流场，钢液循环流动动力不足，死区面积较大，混均效果仍有待提高。此外，现有技术并未提到透气砖位置对于钢液混均及除杂效果的影响，因此，目前的底吹工艺仍然具有很大改善空间。
发明内容
针对现有技术上的不足，根据所要达到的实际目的不同，本发明开发了新型非对称吹氩技术，结合各个精炼阶段工艺，提高精炼效率，提升钢产品质量，具有十分重要的现实意义。
本发明采用如下技术方案：
一种基于非对称搭配的钢包底吹精炼方法，采用狭缝式/弥散式双孔非对称底吹方式，分为以下三个阶段：
（1）在强吹阶段，狭缝式吹气孔吹氩量振幅为600～1000NL/min，弥散式吹气孔吹氩量振幅为600～1000NL/min，变化周期为T1，变化规律为正弦函数分布，狭缝式吹气孔的氩气流量QA变化表达式、弥散式吹气孔的氩气流量QB变化表达式分别如下：
式中，为狭缝式吹气孔的吹氩量振幅，/>为弥散式吹气孔的吹氩量振幅，为吹气频率，即吹气周期T1的倒数，/>为吹气时间；
流量，以获得良好流体动力学条件，促进钢渣界面脱硫反应的效果；
（2）在中吹阶段，狭缝式吹气孔吹氩量振幅为200～400NL/min，弥散式吹气孔吹氩量振幅为200～400NL/min，变化周期为T2，变化规律为正弦函数分布，狭缝式吹气孔的氩气流量QA变化表达式、弥散式吹气孔的氩气流量QB变化表达式分别如下：
式中，为狭缝式吹气孔的吹氩量振幅，/>为弥散式吹气孔的吹氩量振幅，为吹气频率，即吹气周期T2的倒数，/>为吹气时间；
流量Qm,A=1.3～1.5Qm, B，比如，狭缝式透气砖流量大于弥散式吹气流量，可以起到降低夹杂物上浮时间，促进Al脱氧反应以及Ca处理效果的作用；
（3）在软吹阶段，狭缝式吹气孔吹氩量振幅为20～60NL/min，弥散式吹气孔吹氩量振幅为20～60NL/min，变化周期为T3，变化规律为正弦函数分布，狭缝式吹气孔的氩气流量QA变化表达式、弥散式吹气孔的氩气流量QB变化表达式分别如下：
式中，为狭缝式吹气孔的吹氩量振幅，/>为弥散式吹气孔的吹氩量振幅，为吹气频率，即吹气周期T3的倒数，/>为吹气时间；
流量Qm,A=1.3～1.5Qm, B，比如流量，狭缝式吹气量的振幅大于等于弥散式吹气量的振幅。
本发明中，采用两吹气孔进行喷吹，一个为狭缝式，一个为弥散式，两吹气孔位置处于0～0.78R之间，不包括0，且两个吹气孔的中心不在同一圆周上，R为钢包底面半径，同一圆周以钢包底面中心为圆心；优选的，弥散式吹气孔较狭缝式吹气孔靠近钢包中心，狭缝式靠近包壁；两孔中心线与底面中心连线的夹角范围在60°到170°之间，在此条件下，结合精炼工艺，通过综合考量非对称透气砖搭配、非对称位置搭配以及非对称吹气量搭配，达到提高夹杂物去除率之目的，且吹氩量调整合适，不发生裸钢。
本发明提出了一种非对称吹氩新工艺，旨在通过综合采用非对称透气砖搭配、非对称位置搭配以及非对称吹气量搭配，达到提高夹杂物去除率之目的。与现有技术不同，本发明提出了一种新型的正弦非对称吹氩工艺，创造性在于通过将两种不同类型的吹气孔安排在钢包底面不同半径位置处，两孔交替喷吹不同尺度的气泡，使流场在空间和时间上总是处于一种混沌的不稳定状态，这是本发明首次提出，这对提高精炼效率，提升钢产品质量，具有十分重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明狭缝式/弥散式双孔非对称底吹结构示意图。
具体实施方式
本发明中，采用两吹气孔进行喷吹，一个为狭缝式，一个为弥散式，两吹气孔位置处于0～0.78R之间且不为0，且两个吹气孔的中心不在同一圆周上，两孔中心线与底面中心连线的夹角范围在60°到170°之间，以狭缝式+弥散式的透气砖搭配形成狭缝式/弥散式双孔非对称底吹结构；在此条件下，结合精炼工艺，通过综合考量非对称透气砖搭配、非对称位置搭配以及非对称吹气量搭配，达到提高夹杂物去除率之目的，且吹氩量调整合适，不发生裸钢。
精炼工艺如下：
在强吹阶段，各吹气孔吹氩量振幅控制在：600～1000NL/min。首先，在弥散式透气砖采用大流量吹氩，在狭缝式透气砖采用小流量吹氩搅拌流场，接下来，在狭缝式透气砖采用大流量吹氩，弥散式透气砖采用小吹气量，如此往复，直至强吹时间结束，狭缝式透气砖A的氩气流量变化周期为T1，变化规律为正弦函数分布，表达式为：
式中，为钢包1号透气砖吹氩量振幅。/>为吹气频率，即吹气周期T1的倒数，为吹气时间；
弥散式透气砖B的氩气流量变化周期也为T1，吹气量变化规律为：
其中，流量，以获得良好流体动力学条件，促进钢渣界面脱硫反应的混均效果。
在中吹阶段，各吹气孔吹氩量振幅控制在：200～400NL/min。首先，在狭缝式透气砖采用大流量吹氩，在弥散式透气砖采用小流量吹氩；接下来，弥散式透气砖通以大气量，狭缝式透气砖通以小气量，如此往复；透气砖流量的变化周期为T2，变化规律为正弦函数分布，表达式为：
，狭缝式透气砖流量大于弥散式吹气流量，可以起到降低混均时间，促进Al脱氧反应以及Ca处理效果的作用。
在软吹阶段，各吹气孔吹氩量振幅控制在20～60NL/min，依然采取中吹一样的非对称吹氩方式；透气砖流量的变化周期为T3，变化规律为正弦函数分布，表达式为：
其中，流量，狭缝式吹气量的振幅大于等于弥散式。
本发明采用狭缝式+弥散式的透气砖搭配，再加上非对称吹氩，一强一弱非对称底吹方式，可以减少动能损失，实现快速混均钢液，弥散式透气砖吹出的气泡比表面积大，容易吸附夹杂物上浮，除杂效果较好，而狭缝式透气砖的湍动能较大，分散效果较好，尤其是创造性在于通过将两种不同类型的吹气孔安排在钢包底面不同半径位置处，两孔交替喷吹不同尺度的气泡，使流场在空间和时间上总是处于一种混沌的不稳定状态，因此可以取得良好的精炼效果。
图1为透气砖布置示意图（A为狭缝式，B为弥散式），以狭缝式+弥散式的透气砖搭配形成狭缝式/弥散式双孔非对称底吹结构，R为钢包底面半径，α为两孔中心线与底面中心连线的夹角，两吹气孔位置处于0～0.78R之间且不为0，且两个吹气孔的中心不在同一圆周上。
由于实际钢包精炼过程的不可见性，本发明采用水模型来模拟钢包精炼过程，实验原理见参考文献（陈开来，王德永，屈天鹏等。钢中液态夹杂物聚并行为的数学物理模拟[J]. 工程科学学报，41(10)：1280-1287.）。以邻苯二甲酸二辛酯模拟夹杂物，通过水模型溢流法测量夹杂物去除的比例。
本发明所述的钢包吹氩流量，如不特殊说明，均指实际钢包流量。模型中的流量可以通过现有如下公式计算:
根据上述研究方法，得到对称吹氩情况下的夹杂物去除比例。
下面结合附图与实施案例对本发明所属钢包底吹精炼方法进一步说明，但不仅限于此。值得注意的是，如无特殊说明，下面提到的底吹流量均为钢包实际流量。
对照例
首先用传统底吹工艺进行钢包精炼作为对照。准备双狭缝式的透气砖两块，分别安装在距离底面中心0.78R/0.71R处，不同阶段的吹氩量（两孔一致）分别为1000NL/min（强吹），343NL/min（中吹），43NL/min（软吹），精炼时间为5min、20min和20min，通过水模型溢流法测量夹杂物去除的比例，30min时去除率为26.9%，45min时去除率为36.7%。
实施例一
准备狭缝式、弥散式的透气砖两块，分别安装在距离底面中心0.78R/0.71R位置处，非对称布置在钢包底面，弥散式靠近钢包中心，狭缝式靠近包壁，夹角α为114°。
强吹阶段。首先，弥散式透气砖吹气流量振幅为1000NL/min，狭缝吹气量振幅为1000NL/min，吹气周期为5s。两孔吹气量变化趋势满足方程[1]和[2]。如此循环往复，直至3min结束；
中吹阶段。狭缝式透气砖通气流量为400NL/min，弥散式透气砖流量为286NL/min，吹气周期8s，两孔吹气量变化趋势满足方程[3]和[4]，如此循环往复，直至12min结束；
软吹阶段。狭缝式透气砖通气流量为50NL/min；弥散式透气砖流量为36NL/min。两孔吹气量变化趋势满足方程[5]和[6]，吹气周期8s，整个过程持续15分钟。
通过水模型溢流法测量夹杂物去除的比例，去除率为46.9%。
实施例二
准备狭缝式、弥散式的透气砖两块，分别安装在距离底面中心0.78R/0.71R位置处，非对称布置在钢包底面，弥散式靠近钢包中心，狭缝式靠近包壁，夹角α为114°。
强吹阶段。首先，弥散式透气砖吹气流量振幅为1000NL/min，狭缝吹气量振幅为1000NL/min，吹气周期为5s。两孔吹气量变化趋势满足方程[1]和[2]。如此循环往复，直至3min结束；
中吹阶段。狭缝式透气砖通气流量为400NL/min，弥散式透气砖流量为400NL/min，吹气周期8s，两孔吹气量变化趋势满足方程[3]和[4]，如此循环往复，直至12min结束；
软吹阶段。狭缝式透气砖通气流量为50NL/min；弥散式透气砖流量为50NL/min。两孔吹气量变化趋势满足方程[5]和[6]，吹气周期8s，整个过程持续15分钟。
通过水模型溢流法测量夹杂物去除的比例，去除率为36.5%。
实施例三
准备狭缝式、弥散式的透气砖两块，分别安装在距离底面中心0.78R/0.71R位置处，非对称布置在钢包底面，弥散式靠近钢包中心，狭缝式靠近包壁，夹角α为114°。
强吹阶段。首先，弥散式透气砖吹气流量振幅为1000NL/min，狭缝吹气量振幅为1000NL/min，吹气周期为5s。两孔吹气量变化趋势满足方程[1]，如此循环往复，直至3min结束；
中吹阶段。狭缝式透气砖通气流量为400NL/min，弥散式透气砖流量为286NL/min，吹气周期8s，两孔吹气量变化趋势满足方程[3]，如此循环往复，直至12min结束；
软吹阶段。狭缝式透气砖通气流量为50NL/min；弥散式透气砖流量为36NL/min。两孔吹气量变化趋势满足方程[5]，吹气周期8s，整个过程持续15分钟。
通过水模型溢流法测量夹杂物去除的比例，去除率为37.2%。
对比例一
准备狭缝式、弥散式的透气砖两块，分别安装在距离底面中心0.78R/0.71R位置处，非对称布置在钢包底面，弥散式靠近钢包中心，狭缝式靠近包壁，夹角α为114°。
强吹阶段。首先，弥散式透气砖吹气流量为1000NL/min，狭缝吹气量为1000NL/min，直至3min结束；
中吹阶段。狭缝式透气砖通气流量为400NL/min，弥散式透气砖流量为286NL/min，直至12min结束；
软吹阶段。狭缝式透气砖通气流量为50NL/min；弥散式透气砖流量为36NL/min，整个过程持续15分钟。
通过水模型溢流法测量夹杂物去除的比例，去除率为30.3%。
对比例二
准备狭缝式、弥散式的透气砖两块，分别安装在距离底面中心0.75R位置处，夹角α为114°。
强吹阶段。首先，弥散式透气砖吹气流量振幅为1000NL/min，狭缝吹气量振幅为1000NL/min，吹气周期为5s。两孔吹气量变化趋势满足方程[1]和[2]。如此循环往复，直至3min结束；
中吹阶段。狭缝式透气砖通气流量为400NL/min，弥散式透气砖流量为286NL/min，吹气周期8s，两孔吹气量变化趋势满足方程[3]和[4]，如此循环往复，直至12min结束；
软吹阶段。狭缝式透气砖通气流量为50NL/min；弥散式透气砖流量为36NL/min。两孔吹气量变化趋势满足方程[5]和[6]，整个过程持续15分钟。
通过水模型溢流法测量夹杂物去除的比例，去除率为33.3%。
通过对比发现，本发明狭缝式+弥散式的透气砖搭配式透气砖的除杂效果要优于传统的双狭缝式搭配，精炼效果显著提高。
除了底吹砖的选择以及精炼工艺外，以上水模型实验例子其余部分都一样。注意：上述用的吹氩量都是实际钢包吹氩量，做水模型实验的时候需要用公式[7]进行换算。
Claims (3)
1.一种基于非对称搭配的钢包底吹精炼方法，其特征在于：采用狭缝式/弥散式双孔非对称底吹方式，吹氩流量呈正弦规律变化；狭缝式吹氩流量的正弦规律、弥散式吹氩流量的正弦规律不同；两吹气孔位置处于0～0.78R之间，不包括0，且两个吹气孔的中心不在同一圆周上；两孔中心线与底面中心连线的夹角范围在60°到170°之间；狭缝式吹氩流量处于最大值时，弥散式吹氩流量处于最小值；采用狭缝式/弥散式双孔非对称底吹方式，分为以下三个阶段：
（1）在强吹阶段，狭缝式吹气孔的氩气流量QA变化表达式、弥散式吹气孔的氩气流量QB变化表达式分别如下：
；
式中，为狭缝式吹气孔的吹氩量振幅，/>为弥散式吹气孔的吹氩量振幅，/>为吹气频率，/>为吹气时间；
（2）在中吹阶段，狭缝式吹气孔的氩气流量QA变化表达式、弥散式吹气孔的氩气流量QB变化表达式分别如下：
；
式中，为狭缝式吹气孔的吹氩量振幅，/>为弥散式吹气孔的吹氩量振幅，/>为吹气频率，/>为吹气时间；
（3）在软吹阶段，狭缝式吹气孔的氩气流量QA变化表达式、弥散式吹气孔的氩气流量QB变化表达式分别如下：
；
式中，为狭缝式吹气孔的吹氩量振幅，/>为弥散式吹气孔的吹氩量振幅，/>为吹气频率，/>为吹气时间；
在强吹阶段，狭缝式吹气孔吹氩量振幅为600～1000NL/min，弥散式吹气孔吹氩量振幅为600～1000NL/min；在中吹阶段，狭缝式吹气孔吹氩量振幅为200～400NL/min，弥散式吹气孔吹氩量振幅为200～400NL/min；在软吹阶段，狭缝式吹气孔吹氩量振幅为20～60NL/min，弥散式吹气孔吹氩量振幅为20～60NL/min；在强吹阶段，流量；在中吹阶段，流量/>=1.3～1.5/>；在软吹阶段，/>=1.3～1.5/>。
2.根据权利要求1所述基于非对称搭配的钢包底吹精炼方法，其特征在于：弥散式吹气孔较狭缝式吹气孔靠近钢包中心。
3.根据权利要求1所述基于非对称搭配的钢包底吹精炼方法，其特征在于：正弦规律变化的周期为3～10s。
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| GR01 | Patent grant | ||
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