CN1275169A - 简易钢包精炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种简易钢包精炼方法,它能够在抑制耐火材料的熔蚀、飞溅物的粘附和散射现象的情况下在短时间内提高温度。一种用于在钢包中精炼钢水的方法包括将惰性气体通过钢包的底部吹入钢包中,将一个浸没连通管插入钢包中并同时通过喷枪搅拌钢水和将氧化气体吹到浸没连通管中的钢水液面上,其中喷嘴出口直径d_o(mm)与喷嘴喉径d_t(mm)之比(d_o/d_t)被设定为1.2α－2.5α,而α被定义为反压力的函数。

Description

简易钢包精炼方法

本发明涉及一种用于精炼事先在精炼炉中已经过精炼的钢水的简易方法，确切地说，本发明涉及一种用于有效地加热钢水的方法。

众所周知，在炼钢生产中，当将由转炉或电炉一次精炼的钢水供给以连铸为代表的浇铸工艺时，使钢水事先经过一台简易的二次精炼装置的处理，以便调整化学成分和温度。

日本未经审查的专利公开文献No.53-149826披露了一种加热钢水的方法，它包括将一根浸没连通管伸入钢水中，以便在钢水正通过经由在钢包底部的吹气喷嘴的吹气而接受搅拌时产生一道保护壁；以及在将氧化反应剂通过一供给连通管加入被保护壁环绕的区域的同时通过一吹氧管给钢水吹送氧气。另外，日本未经审查的专利公开文献No.61-235506披露了一种在钢包中精炼钢水的方法，它包括在一个插入钢包的浸没连通管中通过喷枪将氧化气体吹送到钢水的液面上，而此时正通过经钢包底部吹送惰性气体来搅拌钢水，其中在通过顶吹喷枪吹送氧化气体之前，在浸没连通管中加入氧化反应剂，接着连续地通过顶吹喷枪进行氧化气体的吹送和氧化反应剂的添加。

但是，尽管顶吹喷枪的结构和吹送氧气的环境明显影响了加热钢水的效率，但是在这些专利文献中没有披露有效加热钢水的效应和条件。日本未经审查的专利公开文献No.61-129264披露了一种用于在钢包中精炼钢水的方法，它包括在正通过经由钢包底部地吹送惰性气体来搅拌钢水的同时将一个浸没连通管插入钢包中，以及在浸没连通管中通过喷枪将氧化气体吹送到钢水液面上，其中包括一个内管和一个外管的环形喷枪被用作上述喷枪，氧气和惰性气体被分别供给内管和外管，同时使来自内管的氧化气体的吹送压力P1小于来自外管的惰性气体的吹送压力P2(P1＜P2)，并且根据吹送氧气的环境在浸没连通管中加入氧化反应剂。

但是，该方法因大量使用昂贵的惰性气体而存在着用气成本过高的问题。另一方面，“住友金属(SumitomoKinzoku)”卷45-3，第66页和后续页(1993)描述了一种将可铸环形管用作喷氧枪的实施例。但是，由于具有可铸结构的喷枪耐用性差，所以喷枪具有费用高的缺陷。

本发明的一个目的是要提供一种能够在抑制散射和飞溅物的附着以及耐火材料的腐蚀的同时在短时间内有效地加热钢水的简易精炼方法。

为了实现上述目的，本发明提供了这样一种方法：

(1)一个用于在钢包中精炼钢水的简易钢包精炼方法包括将一个浸没连通管插入钢包中并在通过经钢包底部吹送惰性气体的方式搅拌钢水的同时通过喷枪将氧化气体吹送到浸没连通管内的钢水液面上，其中喷枪的喷嘴出口直径d_o(mm)与喷嘴喉径d_t(mm)之比(d_o/d_t)为1.2α-2.5α，其中通过公式(1)计算α：

α＝[(1/M){(1+0.2×M²)/1.2}³]^1/2       (1)式中M＝{5×(P^2/7-1)}^1/2，P是反压力(kgf/cm²，绝对压力)。

喷氧枪理想地具有水冷结构。另外，含铝和硅的合金在吹氧时被加入钢水中，从而钢水的铝含量为1.6×S-1.9×Skg/t，或者硅含量为1.25×S-1.5×S kg/t，其中S(Nm³/t)是单位需氧量，最好利用由这样的氧化反应产生的热。

(2)根据(1)的简易钢包精炼方法，其中根据公式(2)-(8)而算得的钢水液面的液窝深度(cavity depth)L(毫米)与根据公式(3)、(9)算得的火点直径a(毫米)之比(L/a)被限定为0.5-0.005：

0.016×L^1/2＝H_c/(LH+L)      (2)其中LH是喷枪与钢水液面之间的距离(喷枪间距，毫米)，H_c是根据公式(2)计算出的喷射芯长度(毫米)：

H_c＝f×M_op×(4.2+1.1×M_op ²)×d_t      (3)其中M_op取决于喷枪形状并且是通过公式(4)而获得的：

d_o/d_t＝[(1/M_op)×{(1+0.2×M_op ²)/1.2}³]^1/2   (4)其中f是根据公式(5)或(6)计算出来的：

f＝0.8X-0.06    (X＜0.7)                (5)

f＝-2.7X⁴+17.7X³-41X²+40X-13    (X＞7)    (6)其中X＝P_o/P_op，P_op是利用M_op根据公式(7)计算出来的，而P_o是根据公式(8)计算出来的：

P_op＝{(M_op ²/5)+1}^7/2                 (7)

P_o＝F/(0.456×n×d_t ²)                 (8)其中F是供氧速度(Nm³/hr)，n是喷嘴数目，并且

a＝0.425×(LH-H_c)+d_t              (9)

(3)根据(1)或(2)的简易钢包精炼方法，其中浸没连通管直径D(毫米)与火点直径a(毫米)之比(D/a)被限定为1.5-8。

(4)根据(1)-(3)之一的简易钢包精炼方法，其中喷枪间距LH(毫米)与火点直径a(毫米)之比(LH/a)被限定为2-3.5。

在本发明的方法中，氧化反应剂在浸没连通管内被加入钢水中，而此时浸没连通管的内部正保持在大气压下，并且可以通过使氧化反应剂氧化来加热钢水。

或者，可以通过使事先已被加入钢水中的氧化反应剂氧化来加热钢水，而此时浸没连通管的内部保持在大气压下。

另外，在通过如上所述地在大气压下使氧化反应剂氧化来加热钢水之前或之后，可以在使浸没连通管内部被抽空的同时通过用喷枪给浸没连通管内的钢水液面吹送氧气而使钢水脱碳。

附图的简要说明

图1是表示用于实施本发明方法的装置的基本结构的示意图。

图2是表示加热效率(η)与d_o/d_t之间关系的曲线图。

图3是表示加热效率(η)与L/a之间关系的曲线图。

图4是表示加热效率(η)与D/a之间关系的曲线图。

图1示意地示出了用于实施本发明方法的装置的基本结构。

图1中所示的装置主要包括一个钢包1、一个浸没连通管2(内直径D)和顶吹喷枪3。钢包1在底部配备了一个底吹风嘴(多孔砖)。来自转炉等的钢水5被装在钢包1中，浸没连通管2的下端从上方浸在钢水5的液面下。惰性气体如氩气通过底部吹送风嘴4被吹入浸没连通管2内的钢水中以在钢水5中形成一个气泡卷流区(plume region)6并搅动钢水。氧化气体如氧气被吹到钢水液面上，而所述液面正通过一个插入浸没连通管2中的顶吹喷枪3而受到搅拌。喷枪3具有一个喷嘴出口直径d_o和一个喷嘴喉径d_t。通过喷枪3被吹入的氧化气体如氧气形成了一个喷射芯7并冲击钢水5的液面，由此在钢水5的液面上形成了一个深为L、直径(火点直径)为a的液窝。喷枪间距被定义为从喷枪3的下端到钢水5的液面的距离LH。

为了最有效地加热钢水，本发明人发现必须满足以下要求：

I：必须减少由顶吹气体在钢水液面上的碰撞能所产生的钢水颗粒的散射(飞溅)。这就是说，由于散射的颗粒是由温度最高的钢水与氧气之间的碰撞表面(火点)产生的，所以颗粒的温度高于钢水池的温度。但是，由于使高温的钢水颗粒散射，所以颗粒在散射过程中在空间内释放出可感知的热量，从而提高了废气温度。另外，颗粒本身相反地作用而冷却了钢水，因为颗粒在具有降低温度的同时落向钢水。因而，飞溅的形成造成废气温度升高和钢水的加热效率降低。

II：通过喷枪吹入的顶吹气体被吹向有经钢包底部吹入的惰性气体气泡浮动的钢水液面上。新鲜的钢水液面总是在钢水液面上暴露于底吹气泡的气泡破裂区(气泡卷流区)内。因此，铝和硅的氧化反应进行得很有效，由此可以通过将氧气吹送到所述区域上来提高加热效率。尤其是当通过“轻吹”供氧而没有产生飞溅时，只要氧气没有被吹入气泡卷流区，就不可能实现有效的加热。

如果氧气被吹送到非气泡卷流区的表面部分上，则将稳定地形成如氧化铝或二氧化硅这样的氧化膜。氧化膜的热传导性差并阻碍了热传导。另外，即使当氧气被集中供应给气泡卷流区的局部时，在表面部分内也稳定地形成了氧化膜如氧化铝或二氧化硅膜并防碍了热传导。

本发明(1)限定了喷枪的结构以便实现获得有利的喷枪因素I。即，可以通过将喷枪的喷嘴出口直径d_o(mm)与喷嘴喉径d_t(mm)之比(d_o/d_t)限定为1.2α-2.5α而获得如图2所示的高加热效率。在这里，加热效率(η，％)是实测的加热量与根据所有被吹到钢水液面上的氧气与铝完全反应的假定(公式10)而计算出来的理论加热量之比：

η＝100×0.21×ΔT×1000/(7420×W_A1)   (10)

由公式(1)算得的α等于喷嘴出口直径与喷嘴喉径之比(d_o/d_t)_op，这在反压力为P时给出了一个适当的膨胀条件，并且(d_o/d_t)/α是一个表示与适当膨胀条件的偏差值的参数。(d_o/d_t)/α至少为1，这表示喷嘴出口直径与在适当膨胀条件下的喷嘴出口直径相比被过分加大了，也就是说，喷嘴出口直径处于过度膨胀条件下。当喷嘴出口直径过度扩大时，在喷嘴中产生了压力损失并且射流变成轻吹。但是，当(d_o/d_t)小于1.2α时，由于过度扩大的程度不够，所以不可能获得轻吹的效果。当(d_o/d_t)大于2.5α时，在喷嘴出口处吹送气体的流速变得过低。结果，散飞向喷嘴的炉渣和基底金属侵入喷嘴的内部而缩短了喷嘴寿命。

氧化气体可以是100％的纯氧或是含有至多为50％的氮气、氩气等。

发明(2)显示出了与因素I、II有关的更恰当的加热条件。就是说，可以如图3所示地通过将钢水液面的液池深度L(毫米)与火点直径a(毫米)之比(L/a)限定为0.5-0.005而获得更高的加热效率。在这里，用于计算L、a的公式(2)-(9)是本发明人通过实验获得的。当L/a大时，轻吹供入的氧气大范围地撞击钢水液面。

底吹气泡的气泡卷流区被散布开到这样一种程度，即，该区域基本上覆盖了浸没连通管内的钢水液面。因此，当L/a大时，加热效率变得相当高，这是因为可以没有产生飞溅地在大范围内将氧气供给气泡卷流区。当L/a大于0.5(log(L/a)＞-0.3)时，加热效率因形成飞溅而明显降低。当L/a小于0.005(log(L/a)＜-2.3)时，小范围地出现飞溅现象。但是，顶吹射流太弱了，而且没有到达钢水液面的所谓无效氧气增多，由此降低了加热效率。

发明(3)限定了因素II。就是说，由于在通过使D/a很小而大范围地覆盖气泡卷流区的同时供应氧气，钢水的热输入变得很高。如图4所示，当D/a大于8时，氧气被集中供给气泡卷流区中的一个局部，结果，稳定地形成了例如氧化铝和二氧化硅的氧化膜而降低了加热效率。较小的D/a产生了更好的结果，这是因为浸没连通管内的钢水液面几乎完全变成了气泡卷流区。但是，当D/a小于1.5时，火点离浸没连通管壁太近了，并且使耐火材料的腐蚀变得严重了。

发明(4)限定了喷枪间距以便提高加热效率。如表1所示，当LH/a小于2时，喷枪离钢水液面太近。结果，由底吹气体造成的钢水液面的波动冲蚀了喷枪。当LH/a大于3.5时，氧气的自由射流区变得太长了。结果，浸没连通管耐火材料的腐蚀在热辐射的影响下变得明显了。

表1

		LH/a	浸没连通管耐火材料的腐蚀情况	喷枪冲蚀的情况	热输入效率(％)
						本发明	1	2.2	无	轻微	91
本发明	2	2.8	无	无	95
						本发明	3	3.1	无	无	93
本发明	4	3.4	轻微	无	92
						对比例	5	1.9	无	是	90
对比例	6	1.8	无	是	93
						对比例	7	3.7	是	无	92
对比例	8	4.0	是	无	94

例1

根据本发明，在以下条件下进行钢包精炼。

钢水重量W和浸没连通管的内径分别为350吨和1.5米。氩气被用做底吹气体。通过设置在钢包炉底部中的多孔砖以大约400Nl/min的流速吹送氩气。

以80kg/min的速度将铝加入在钢包中的铝-硅镇静钢中，而此时以3000Nm³/hr的速度通过顶吹喷枪将氧气吹送到钢水表面上。具有20.5毫米的喷嘴喉径(d_t)和56毫米的喷嘴出口直径(d_o)的单个环形喷嘴水冷喷枪被用作顶吹喷枪。反压力(P)为15.65kgf/cm²(绝对压力)。由于在该反压力下的M、α被分别计算为2.44和1.58，由此d_o/d_t是2.11×α。

另外，在适当的膨胀条件下喷枪的M_op、P_op、P_o和f被分别算出为4、156.8、15.65kgf/cm²和0.02。当H_c和喷枪间距分别为35.48毫米和1000毫米时，a等于430.52毫米，L等于4.9毫米。因此，L/a、D/a和LH/a分别为0.011、3.46和2.32。氧气吹送7分钟可以把钢水从1615℃加热到1667℃，并且加热效率为92％。飞溅现象很轻微并且耐火材料的腐蚀很轻微。

对比例

在本对比例中使用了与例1中所用装置相同的装置。

具有20.5毫米的喷嘴喉径(d_t)和34.25毫米的喷嘴出口直径(d_o)的单个环形喷嘴水冷喷枪被用作顶吹喷枪。反压力为15.65kgf/cm²(绝对压力)。由于在该反压力下的M、α被分别计算为2.44和1.58，由此(d_o/d_t)为1.06×α。另外，在适当的膨胀条件下喷枪的M_op、P_op、P_o和f被分别算出为2.55、19.1、15.65kgf/cm²和0.77。当H_c和喷枪间距分别等于663.46毫米和1000毫米时，a等于163.5毫米，L等于640毫米。因此，L/a、D/a和LH/a分别为3.91、9.11和6.11。氧气吹送7分钟可以把钢水从1605℃加热到1645℃，并且加热效率为71％。飞溅现象严重，并且由于废气温度的升高而观察到了耐火材料的腐蚀现象。

例2

使用了与例1中相同的精炼装置。通过顶吹喷枪向钢水中吹送氧气，钢水的碳含量已通过转炉冶炼而被降低到0.09％，并且按照与例1中相同的方式同时加入铝以便在加热效率为94％的情况下将钢水加热到1654℃。连续抽空浸没连通管的内部以便具有250Torr-350Torr的真空度。相同的喷枪以3000Nm³/hr的速度将氧气吹送到钢水上，从而使碳含量从0.09％降到0.05％。因而，喷枪间距从1000毫米到1500毫米，并且底吹氩气的流速为300Nl/min-500Nl/min。在脱碳后，使浸没连通管的内压力恢复到大气压，并且通过加铝来使钢水脱氧。

例3

使用了与例1中相同的精炼装置。其碳含量已经由转炉冶炼而降低到0.09％且未加入铝的未脱氧钢水被盛放在该装置中。抽空浸没连通管的内部以便具有250Torr-350Torr的真空度。采用与例1中相同的喷枪以3000Nm³/hr的速度将氧气吹送到钢水上，以使碳含量从0.09％降到0.05％。因而，喷枪间距从1000毫米到1500毫米，并且底吹氩气的流速从300Nl/min到500Nl/min。在脱碳后，使浸没连通管的内压力恢复到大气压。通过顶吹喷枪并按照与例1中相同的方式将氧气吹向钢水，并且同时加入铝以便加热钢水。随后加入铝以使铝含量达到0.025％并使钢水脱氧。

如上所述，根据本发明，可以在抑制耐火材料的腐蚀、飞溅物的粘附和散射现象的同时在短时间内有效地加热钢水。

Claims (7)

1.一种用于在钢包中精炼钢水的简易钢包精炼方法，包括将一个浸没连通管插入钢包中并在通过经由钢包底部吹送惰性气体的方式搅拌钢水的同时通过一个喷枪将氧化气体吹送至浸没连通管中的钢水液面上，其中喷枪的喷嘴出口直径d_o(mm)与喷嘴喉径d_t(mm)之比(d_o/d_t)为1.2α-2.5α，其中通过公式(1)计算α：

α＝[(1/M)×{(1+0.2×M²)/1.2}³]^1/2        (1)式中M＝{5×(P^2/7-1)}^1/2，其中P是反压力(kgf/cm²，绝对压力)。

2.如权利要求1所述的简易钢包精炼方法，其特征在于，根据公式(2)-(8)而算出的钢水液面的液窝深度L(毫米)与根据公式(3)、(9)算出的火点直径a(毫米)之比(L/a)被限定为0.5-0.005：

0.016×L^1/2＝H_c/(LH+L)       (2)其中LH是喷枪与钢水液面之间的距离(喷枪间距，毫米)，H_c是根据公式(3)计算出的喷射芯长度(毫米)：

H_c＝f×M_op×(4.2+1.1×M_op ²)×d_t        (3)式中M_op取决于喷枪形状并且是通过公式(4)而获得的：

d_o/d_t＝[(1/M_op)×{(1+0.2×M_op ²)/1.2}³]^1/2   (4)并且f是根据公式(5)或(6)计算出的：

f＝0.8X-0.06    (X＜0.7)                  (5)

f＝-2.7X⁴+17.7X³-41X²+40X-13    (X＞7)      (6)其中X＝P_o/P_op，P_op是利用M_op根据公式(7)计算出的，而P_o是根据公式(8)计算出的：

P_op＝{(M_op ²/5)+1}^7/2                  (7)

P_o＝F/(0.456×n×d_t ²)                  (8)其中F是供氧速度(Nm³/hr)，n是喷嘴数目，并且

a＝0.425×(LH-H_c)+d_t              (9)。

3.如权利要求1或2所述的简易钢包精炼方法，其特征在于，浸没连通管直径D(毫米)与火点直径a(毫米)之比(D/a)被限定为1.5-8。

4.如权利要求1-3之一所述的简易钢包精炼方法，其特征在于，喷枪间距LH(毫米)与火点直径a(毫米)之比(LH/a)被限定为2-3.5。

5.如权利要求1-4之一所述的简易钢包精炼方法，其特征在于，在将浸没连通管的内部保持在大气压下的同时，在浸没连通管内的钢水中加入氧化反应剂以使钢水氧化并加热钢水。

6.如权利要求1-4之一所述的简易钢包精炼方法，其特征在于，在将浸没连通管的内部保持在大气压下的同时，事先已被加入钢水中的氧化反应剂被氧化，从而加热钢水。

7.如权利要求5或6所述的简易钢包精炼方法，其特征在于，在通过在大气压下使氧化反应剂氧化来加热钢水之前或之后，通过喷枪将氧化气体吹到浸没连通管内的钢水液面上以使钢水脱碳。

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