CN114807502A - 一种环缝型旋流转炉底吹元件及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环缝型旋流转炉底吹元件及应用方法，包括进气室，所述进气室的一端连接有进气口，另一端经过滤器连接有分气室，所述分气室上端连接由2‑3层同心套管组成的吹气管，每层同心套管的内外管之间的环缝缝隙沿径向宽度为1‑3mm，每层环缝中夹有一组沿周向宽度为2‑3mm的螺旋型条筋，每组共8‑12根所述条筋在同心圆周上等间隔阵列在相应的环缝内；所述吹气管的中心管和套管间填充有不透气的填料；环缝间的每根螺旋型条筋以吹气管中心垂直轴线成螺旋型上升形状到达吹气管上端，以管口处的螺旋型条筋与垂直轴线的夹角为θ，θ满足：40°<θ<60°。

Description

一种环缝型旋流转炉底吹元件及应用方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及一种可促进转炉内钢液成分、温度均匀的长寿炉底供气元件以及应用方法，具体来说涉及一种环缝型旋流转炉底吹元件及应用方法。

背景技术

顶底复合吹炼工艺也称复吹工艺，是指从转炉熔池的上方供给氧气，即顶吹氧，从转炉底部供给惰性气体或氮气，在顶、底同时进行吹炼的工艺。目前大中型转炉绝大多数采用了复合吹炼工艺，近20年来国内在开发双环缝型底吹喷管、底吹元件保护(形成炉渣蘑菇头)、底吹与转炉炉龄同步等方面都取得了很大成绩。但是，与日、韩等国复吹转炉相比，国内转炉底吹强度明显偏低，底吹元件数量多。因此单支喷管容易堵塞(尤其在炉役中后期)。

国内钢厂之所以普遍采用较弱底吹强度工艺和较多底吹供气元件，主要是为了减轻对底吹喷管及周边耐材的冲刷浸蚀，以使炉底与转炉炉龄寿命达到“同步”。在采用溅渣护炉技术后，国内复吹转炉实现了高炉龄和超高炉龄(6000～15000炉)，且即便在炉役后期，仪表显示仍有一定底吹气体流量，许多钢厂以此为依据，宣称实现了底吹与转炉高炉龄、超高炉龄“同步”。须指出的是，绝大多数情况下，尽管底吹仍保持有一定流量，但实际搅拌效果已经大幅度减弱了。

在钢铁业粗放式快速发展时期，大多数钢厂属于“产量效益”型企业，多产钢即可多获得利润。尽管大多数钢厂在转炉炉龄超过4000～5000炉后，如进一步提高炉龄其吨钢耐材成本即会增加，且底吹搅拌效果降低还会增加合金消耗，降低钢的洁净度等，但由于高炉龄有利于增产，而在粗放式快速增长时期增产获得的收益更大，大多数钢厂因而选择了牺牲底吹搅拌效果以维持高炉龄或超高炉龄的策略。

钢铁工业进入转型发展期后，高产量不再等于高收益，甚至相反。经营环境的重大改变促使钢铁企业对以往复吹转炉工艺进行反思。近年来国内许多钢厂开始采取措施对底吹工艺进行调整，既要获得良好底吹搅拌效果，又要防止炉底过度损耗。

转炉底吹最初采用直筒式喷嘴型供气元件，制作简易，但气体流量调节范围下，常常不能满足工艺要求，而且容易造成钢水粘结喷嘴和灌钢，以及喷嘴的蚀损。因此出现了双层套管喷嘴，但该供气元件可调节的气量范围仍显小，使冶炼中、高碳钢脱磷时困难。继而又出现了一种可在较大范围内调节气量的环缝式喷嘴，目前这种喷嘴应用的较广泛，但该喷嘴的主要问题是缝较狭窄，同心度难于保证。与此同时，在西欧出现了毛细管型供气元件，该供气元件由于可调气量范围大，并能允许气流间断，对吹炼操作有较大的适应性，因而在生产中得到应用。但由于毛细管孔径较小，一旦堵塞无法进行复通，各个透气元件逐渐丧失底吹功能，无法保证底吹供气系统与炉衬同寿命。后来又出现了细金属孔多孔塞式供气元件，细管的直径较小(内径一般为2毫米)气体流通阻力损失高，在气源压力较低的情况下使用，很容易造成灌钢现象；由于细管的阻力损失高，要求较高的使用压力，在气源压力较低的情况下，供气强度调节范围较小。

现有技术中各种形式底吹供气元件特点对比见下表1：

表1 国内外各种形式底吹供气元件特点对比

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的上述不足，提供一种可在转炉的底部形成旋转气流，能有效加强熔池内钢液的搅动，增加渣钢接触面积的环缝型旋流转炉底吹元件。

其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。

一种环缝型旋流转炉底吹元件，包括进气室，所述进气室的一端连接有进气口，另一端经过滤器连接有分气室，其特点在于，

所述分气室上端连接由2-3层同心套管组成的吹气管，每层同心套管的内外管之间的环缝缝隙沿径向宽度为1-3mm，每层环缝中夹有一组沿周向宽度为2-3mm的螺旋型条筋，每组共8-12根所述条筋在同心圆周上等间隔阵列在相应的环缝内；所述吹气管的中心管和套管间填充有不透气的填料；

环缝间的每根螺旋型条筋以吹气管中心垂直轴线成螺旋型上升形状到达吹气管上端，以管口处的螺旋型条筋与垂直轴线的夹角为θ，θ满足：40°<θ<60°。

作为本技术方案的进一步改进，所述螺旋型条筋由下端的直线段和上端的螺旋段构成，所述直线段的长度为100-300mm，所述螺旋段的高度为700-900mm。

螺旋段的作用是为了使在管道中产生与径向不同的二次气体旋流，最终带动钢液在出口处旋转起来。当气体进入管道，适当延长直线段，让气体能以层流状态充分发展，减少气体沿管的阻力和入口处的压力降。

其中，具体尺寸可以依据实际炉底砖厚度来确定，直线段的长度与螺旋段的高度的比例为2:8；例如直线段长度为200mm，螺旋段高度为800。

作为本发明的优选实施例之一，每组所述条筋的根数为8根或12根。

也作为本发明的优选实施例之一，所述同心套管为钢质套管，所述螺旋型条筋为金属条筋。

也作为本技术方案的进一步改进，所述填料为镁砂、硼砂及树脂的混合物。例如填缝料采用重量百分比为：96～98％镁砂、1～2％硼砂和1～2％树脂的耐火材料。

本发明所要解决的另一技术问题，在于提供一种上述环缝型旋流转炉底吹元件的应用方法，其特点为，

将六个所述环缝型旋流转炉底吹元件布置在转炉炉底两个不同直径的同心圆周上，以炉底内径为D，其中，在直径为0.35D的内圈圆周上的左右侧各设一用于插接所述环缝型旋流转炉底吹元件的透气砖，所述透气砖对称设置在耳轴中心连线；在直径为0.5D的外圈圆周上的左右两侧各设两个用于插接所述环缝型旋流转炉底吹元件的透气砖，每侧的两个透气砖对称设置在与耳轴连线呈±α的角度的直径线上，所述α为18°-28°；六个环缝型旋流转炉底吹元件按照出气口方向沿内、外圆周顺时针放置。

进一步，所述透气砖为有孔镁碳砖。

作为本应用方法的优选形式，α优选25°。

采用上述技术方案的本发明环缝型旋流转炉底吹元件及应用方法，与现有技术相比具有以下优点：

从环缝型金属管喷嘴喷出的气体沿螺旋型条筋，在喷嘴边缘的切线方向进入金属熔池内，对熔池内的液态金属除产生轴向冲力外，还会产生径向冲力，使熔池产生旋转运动，改善喷入气体对熔池的作用条件，增加了对熔池的搅拌强度。并且，由于环缝通道被螺旋型条筋分割，分散气流，避免形成大尺寸气泡对周边耐火材料的冲击。在使用中供气装置的气体阻力小，可允许在较低压力下工作(小于0.4Mpa)，而不易堵枪。金属喷嘴的环缝尺寸，在气源所提供的压力范围内，由于可在较低背压下工作，所以可以满足工艺要求的最大和最小搅拌强度，气量可调节范围大。

对中大型的复吹转炉采用本发明提供的六块旋流底吹透气砖，沿耳轴在炉底双环布局的安装应用，其有益效果体现在：能够形成三维整体大循环搅拌，可有效缩短钢液均混时间，加快炉渣的熔化，显著降低了钢水中氧含量和熔渣中TFe含量；同时也促进了钢中夹杂物和有害气体的上浮，提高了钢水纯净度及减少铁损失。多项指标表明，采用本技术方法比现有技术具有更好的经济技术指标。

附图说明

图1为本发明环缝式旋流底吹元件的结构示意图；

图2为本发明环缝式旋流底吹元件另一个角度的结构示意图；

图3为本发明环缝式旋流底吹元件吹气管外管结构透视图；其中左侧方框内是右侧端头的放大结构示意图；

图4为本发明环缝式旋流底吹元件吹气管内管结构透视图；

图5为本发明螺旋式条筋结构示意图；

图6为本发明底吹透气砖在炉底的布局示意图；

图中：1、吹气管；2、分气室；3、进气室；4、进气口；5、过滤器；6、中心轴线；7、螺旋条筋上端；

11、吹气管外管；12、吹气管内管；13、外管环缝；14、外管条筋；15、内管环缝；16、内管条筋；

21、分气室上端；

141、外管条筋螺旋段；142、外管条筋直线段；161、外管条筋螺旋段；162、外管条筋直线段；

81、透气砖；82、透气砖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细说明。

本发明提供了一种环缝式旋流底吹供气元件，参照图1至图5，该供气元件内含吹气管1、分气室2、进气室3；进气室3的一端连接进气口4，另一端经过滤器5连接分气室2，分气室上端21连接的吹气管1由2～3层同心钢质套管组成，每层同心钢质套管的内外管之间的环缝缝隙宽度(沿径向)为1～3mm，每层环缝中夹有一组宽度(沿周向)为2～3mm螺旋型金属条筋，每组8-12根(优选8根或12根)在同心圆周上等间隔阵列在环缝内(如图2)。

本发明附图中为优选的两层同心钢质套管，包括吹气管内管12和吹气管外管11。吹气管内管12的内管环缝15由12根内管条筋16间隔出12个吹气孔；吹气管外管11的外管环缝13由12根外管条筋14间隔出12个吹气孔。

内管条筋16包括下部的内管条筋直线段162和上部的内管条筋螺旋段161。外管条筋14包括下部的外管条筋直线段142和上部的外管条筋螺旋段141。

环缝间的每根螺旋型金属条筋的螺旋部分约800mm高，以吹气管中心垂直轴线成螺旋型上升形状，到达吹气管上端，管口处(参照图5中螺旋条筋上端7)与垂直的中心轴线6的夹角为θ，40°<θ<60°。底端为一直线段，其直线段长度约为200mm。

透气砖芯，由透气芯、座砖和优质火泥组成，整个元件是作为透气内芯，插在有孔镁碳护砖中使用的。环缝端部在使用前用凡士林油将其封堵，以防填料、安装时杂质进入。中心管和套管层之间，采用镁砂、硼砂及树脂的混合料填充固定。

本发明包括六个旋流式底吹供气元件布置在炉底两个不同直径的同心圆周上，内圈圆周(0.35D)上的左右侧各一透气砖81对称设置在与耳轴中心连线上，外圈圆周(0.5D)上的左右两侧的各两透气砖82对称设置在与耳轴连线呈α角度的直径线上，α＝±25°。六个旋流透气元件按照出气口方向沿内、外圆周顺时针放置。

以下结合附图以实施例具体描述本发明。

如图所示，气体从进气口4吹入，在进气室3里通过过滤器5后进入分气室2。将由进气室送进来的气体，分配进入吹气管的各个环缝中。

吹气管结构如图2～图4所示，环缝内引入若干螺旋型金属条筋。每组8～12根，均勻等距阵列在同心圆周上。环缝底端与气室相连，底吹气体由分气室进入环缝，由上端出口吹入熔池。进入熔池的气体除对熔池产生垂直于液面的轴向力，还因为螺旋条筋的引导，对熔池产生一个平行与液面的径向力，增加了对熔池的搅拌。

如图3和图4所示，每根螺旋型条筋底端(气体入口处)有一直线段，其直线段长度为200mm，螺旋金属条筋向上方向相对于元件的中心垂直轴线成螺旋型上升形状，上端(气体出口处)与垂直轴线的夹角为θ(参见图5)，40°<θ<60°。

制造时，首先要把准备好的吹气管焊接在气室的上盖上，把气室上盖连同吹气管固定在护砖内，填充加料前要把环缝端部用凡士林油封堵，防止泥料进入环缝堵塞管道。缓慢均匀地加料，防止吹气管倾斜及泥料偏析。

压制结束脱模后，要对砖芯的表面加工处理，使其表面粗糙，使复合层能与砖芯紧密结合。两次压制结束，按照图纸尺寸对透气砖外形进行加工，使其尺寸符合图纸要求。最后安装焊接气室、烘烤，烘烤结束后喷涂一层涂料保护透气砖体，然后烘干涂料即为新型环缝型转炉旋流底吹元件成品。

将此环缝型转炉旋流底吹供气元件成品，在转炉炉底的布局如图6所示，通过优化设计，将6个元件设置在炉底的两个不同直径的圆周上，其中，炉底直径为D，2个吹气元件(图中的透气砖81的位置)对称设置于内圈圆周(直径为0.35D)上的耳轴中心连线上。4个吹气元件(图中的透气砖82的位置)对称设置于外圈圆周(直径为0.5D)上的与耳轴中心连线呈±α角度的直径线上(α可取值18°～28°，优选25°)。

生产的透气砖在某钢厂300t转炉上使用，使用一个炉役8000多炉次，复吹率达100％，对比未改进前的生产状况，炉渣熔化速度加快，氧气耗量及炉渣中FeO含量均有降低，使金属的收得率提高，同时此工艺还能取得比较好的脱磷效果，终点P含量平均降低0.0042％，脱P率平均提高5.17％。

改进前在高强度底吹时，炉内液面的大幅波动易造成炉衬耐火材料冲刷并使得冶炼过程不平稳，改进后，由于喷出气流呈旋流且细密分散，既使得整个熔池内湍动活跃，又降低了液面的大幅波动。

拆炉后观测底吹残砖高度大于800mm，整体结构稳定，金属环缝管对周围的耐火材料有增强作用，使得透气砖不易剥落和开裂。对比改进前，抗侵蚀、抗阻塞能力强，气体在金属环缝管内输送所受阻力小，透气性能好，底吹气量调节幅度大，复通能力强，使得转炉全炉役保持正常通气状态的可靠性明显增强。

采用本发明的元件及方法，通过针对不同炉容及炉型设计合理的供气元件布置方式，发明人通过水模、物理模拟及计算机仿真技术的应用，以及长期工作实践，针对中大型转炉，将供气元件在熔池圆周底部环形均匀布置的传统技术逐渐改进为沿耳轴多环布置；改进后的布局可进一步加强熔池搅拌，加快炉渣的熔化，降低了石灰消耗，提高转炉脱磷脱硫效率。

在总结现有直筒管、环缝管、毛细耐火砖和细金属管的实践效果后，本发明基于长寿、稳定、气量调节范围大、细流供气的思路，克服现有底吹元件的缺点。本发明的旋流底吹透气元件采用炉底沿耳轴双环布局的安装应用，强化了底吹效果，提高了复吹转炉的复吹率，同时也有效减少底枪容易堵塞事故的发生，延长了底枪寿命。因此，本发明无论从理论还是实际生产的角度，无疑具有极大的创新性。

本发明提供的底吹元件可以实现大幅度气量调节、气流压力损失小，尤其适用于大型转炉。而且，由于气体通道不与熔池液面垂直，在微小出气孔端部由于界面张力的作用,阻止了钢水垂直灌入底枪气体通道，有效避免了出气孔的堵塞。此外，改进为螺旋式定向多道型后，形成旋转搅拌熔池的分散气流，避免产生大型气泡对耐火材料的冲击；金属管对耐火砖的增强，使护砖不易剥落、开裂；气密性好，不易漏气。

本发明在炉底供气元件的非对称及多环布置缩短了熔池钢液混匀时间，降低了终点氧质量分数及碳氧离子积，提高了终点钢液Mn质量分数，并使得渣中TFe质量分数降低。

Claims (10)

1.一种环缝型旋流转炉底吹元件，包括进气室，所述进气室的一端连接有进气口，另一端经过滤器连接有分气室，其特征在于，

所述分气室上端连接由2-3层同心套管组成的吹气管，每层同心套管的内外管之间的环缝缝隙沿径向宽度为1-3mm，每层环缝中夹有一组沿周向宽度为2-3mm的螺旋型条筋，每组共8-12根所述条筋在同心圆周上等间隔阵列在相应的环缝内；所述吹气管的中心管和套管间填充有不透气的填料；

环缝间的每根螺旋型条筋以吹气管中心垂直轴线成螺旋型上升形状到达吹气管上端，以管口处的螺旋型条筋与垂直轴线的夹角为θ，θ满足：40°<θ<60°。

2.根据权利要求1所述的环缝型旋流转炉底吹元件，其特征在于，所述螺旋型条筋由下端的直线段和上端的螺旋段构成，所述直线段的长度为100～300mm，所述螺旋段的高度为700～900mm。

3.根据权利要求2所述的环缝型旋流转炉底吹元件，其特征在于，直线段的长度与螺旋段的高度的比例为2:8。

4.根据权利要求1所述的环缝型旋流转炉底吹元件，其特征在于，每组所述条筋的根数为8根或12根。

5.根据权利要求1所述的环缝型旋流转炉底吹元件，其特征在于，所述同心套管为钢质套管，所述螺旋型条筋为金属条筋。

6.根据权利要求1所述的环缝型旋流转炉底吹元件，其特征在于，所述填料为镁砂、硼砂及树脂的混合物。

7.根据权利要求1所述的环缝型旋流转炉底吹元件，其特征在于，所述吹气管由2层同心套管组成。

8.一种权利要求1-7中任一权利要求所述环缝型旋流转炉底吹元件的应用方法，其特征在于，

将六个所述环缝型旋流转炉底吹元件布置在转炉炉底两个不同直径的同心圆周上，以炉底内径为D，其中，在直径为0.35D的内圈圆周上的左右侧各设一用于插接所述环缝型旋流转炉底吹元件的透气砖，所述透气砖对称设置在耳轴中心连线；在直径为0.5D的外圈圆周上的左右两侧各设两个用于插接所述环缝型旋流转炉底吹元件的透气砖，每侧的两个透气砖对称设置在与耳轴连线呈±α的角度的直径线上，所述α为18°-28°；六个环缝型旋流转炉底吹元件按照出气口方向沿内、外圆周顺时针放置。

9.根据权利要求8所述的应用方法，其特征在于，所述透气砖为有孔镁碳砖。

10.根据权利要求8所述的应用方法，其特征在于，α为25°。

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