CN211503694U - 一种检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，至少包括加热炉和控制系统，所述加热炉包括最外层的炉壳，炉壳内设置有炉体，炉体顶部设置有炉顶，炉体底部设置有炉底；所述炉体包括外层的保温层和内层的炉衬，炉衬内部空腔形成炉膛，炉衬内壁上设置有加热装置，炉膛内设有测温装置A；炉底下方设置有中空的透气塞外衬，透气塞外衬与炉底固定连接；透气塞顶部设置有导流装置；透气塞内部设置有测温装置B，底部设有吹气系统。本实用新型的模拟试验炉通过模拟透气塞的整个工作过程，可以实时监测透气塞内部的温度变化，结果准确率高，且试验过程安全可靠，且可以为数值模拟的边界条件的确定提供数据支持。

Description

一种检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉

技术领域

本实用新型涉及一种检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，属于钢铁冶金技术领域。

背景技术

钢铁工业是国民经济的基石，而高品质钢占产钢的比重是反映整个钢铁工业发展水平的重要指标。长期以来，钢铁工业不仅给国家基础建设提供了重要的原材料的保障，还有力的支撑了相关产业的发展。钢铁工业的发展自然离不开炼钢技术的提高，而炉外精炼技术是获得高纯度、高均匀性和高精度钢材最重要的手段。

炉外精炼又称为二次精炼，精炼过程就是在真空或者各种惰性气氛条件下进行脱碳、脱硫、脱氢、去除其他杂质、调整合金成分、使夹杂物变性、控制和均匀钢水温度的冶金过程。因具有操作简便、经济以及与多种精炼工艺拓展使用，钢包底吹氩技术成为较为广泛应用的精炼手段。狭缝式透气塞作为常用精炼钢包底吹的关键功能性元件，被安装在钢包底部。透气塞要经过预热-装钢-吹氩-浇注等待四个冶金过程。预热过程中，透气塞工作面直接接触加热火焰预热，预热完毕后由铁水包中将铁水倒入钢包中，此时透气塞的工作面直接暴露在1600℃的钢水之下；吹氩时，高压氩气在供气系统中通过透气塞狭缝吹入钢包中，吹氩完毕后，钢水需要转移至中间包期间透气塞工作面也是直接与钢水接触。

一般来说，透气塞是在如此严苛的条件下服役，直至其失去正常吹氩搅拌功能后而被迫停止使用。但随着炉外精炼钢水热冲击作用，透气塞使用寿命的大幅度缩短，导致生产中需要频繁的更换和维修，影响着炉外精炼工艺的节奏，也影响了钢包在线周转和生产安全，因此，如能了解服役过程中透气塞的温度变化，将对开发高性能的透气塞具有重要的意义。

实际透气塞的服役过程包括预热、装钢运输、吹氩搅拌、浇注等待四个阶段，除预热过程中透气砖直接接触燃气外，其他阶段都是直接接触高温钢水，因此现场试验存在巨大的安全隐患，并且还会直接影响生产。因此，数值模拟成为了研究钢铁冶金过程较为常用的手段，但是仅仅通过数值模拟得出的结论，由于缺乏试验验证数据的支持，其结果难以令人信服。且在数值模拟中，往往采用合适的边界条件来描述透气砖的实际使用环境，而这些边界条件的定义都是来源于经验值，缺乏科学依据，因此数值模拟结论的准确性难以保证。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本实用新型提供了一种检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，该模拟试验炉通过模拟透气塞的整个工作过程，可以实时监测透气塞内部的温度变化，结果准确率高，且试验过程安全可靠，且可以为数值模拟的边界条件的确定提供数据支持。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，至少包括加热炉和控制系统，所述加热炉和控制系统电性连接，所述加热炉包括最外层的炉壳，炉壳内设置有炉体，炉体顶部设置有炉顶，炉体底部设置有炉底；所述炉体包括外层的保温层和内层的炉衬，炉衬内部空腔形成炉膛，炉膛内设置有加热装置和测温装置A；所述炉底与炉体为一体式结构，炉底设有透气塞塞孔；炉底下方设置有中空的透气塞外衬，透气塞外衬与炉底固定连接，透气塞形状与透气塞外衬内腔形状相对应；工作时透气塞塞于透气塞外衬的内孔内，透气塞顶部设置有导流装置，导流装置顶部由炉顶伸出至加热炉外；透气塞内部设置有测温装置B，所述测温装置A和测温装置B分别与控制系统电性连接；透气塞底部设有吹气系统，透气塞沿纵向设有贯穿的狭缝，用于气体吹入。

对本实用新型技术方案的进一步改进是：所述加热装置优选为硅钼棒。

所述加热装置共有4个，在炉膛内对称设置。

所述透气塞底部设有4个安装孔，安装孔沿竖直方向设置，安装孔为盲孔，4个安装孔的位置均避开透气塞狭缝的位置，4个测温装置B分别安装于安装孔中。

所述测温装置B包括热电偶，和包覆于热电偶外部的陶瓷层，测温装置B的一端还设有一段金属层，金属层包覆于陶瓷层外部。

所述测温装置B与安装孔之间的缝隙通过密封装置密封。

所述导流装置为漏斗状导流装置。

所述控制系统包括触摸屏、主回路控制系统、温度控制系统和变压器；主回路控制系统包括交流接触器、可控硅、熔断器和触发板；测温装置A和测温装置B分别与温度控制系统电性连接。

所述吹气系统至少包括气源和气体流量计。

所述透气塞外衬底部下方设置有升降机构，升降机构设有透气塞升降台，透气塞升降台向上升起可带动透气塞沿透气塞外衬内壁上升，并塞入透气塞塞孔。

由本实用新型提供的技术方案可知，本实用新型的检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，包括加热炉和控制系统，炉体上设有加热装置，炉底下方安装有透气塞，透气塞底部设有吹气系统，这些装置可以模拟透气塞工作的整个过程，包括加热、保温和吹气过程，模拟的透气塞工作过程与透气塞的真实工作过程非常接近，使结果更准确。透气塞内部和炉膛内均设有测温装置，用于实时监控透气塞的内部温度及炉膛内的加热温度。硅钼棒作为加热装置可以实现快速升降温，加快试验时间，且升温过程与透气塞实际工作过程更接近。硅钼棒对称设置在炉衬内壁的相对位置，可以使炉膛内的温度更加均匀。透气塞内设有4个测温装置，且分布在透气塞内部的不同位置，可以使透气塞的温度测量更加准确，且测温装置通过安装孔安装于透气塞内，无需对透气塞外衬进行打孔，在透气塞塞入透气塞炉衬内之前即完成了测温装置B的安装，使用非常方便。测温装置B的热电偶外包覆了陶瓷层，可以对热电偶更好地进行保护，而测温装置B一端的金属层则可以防止陶瓷层在受到挤压时发生断裂，延长测温装置B的使用寿命，避免经常维修及更换。测温装置B与安装孔之间通过密封装置进行密封，可防止吹入的气体从安装孔与测温装置B间的缝隙吹出，避免影响试验的准确性。漏斗导流装置可以使吹进的气体直接排出到炉膛外，减少对炉膛温度的影响，保证试验结果的准确性。吹气系统中的气体流量计可以控制气体吹入的流量，控制流量与透气塞真实工作状态相似。透气塞为透气砖，透气砖内有供气体吹入的狭缝，与真实透气塞相同。透气塞外衬底部设有升降机构，升降机构可以非常方便地安装透气塞。

附图说明

图1是本实用新型实施例加热炉的剖视示意图。

图2是本实用新型实施例吹气系统与加热炉的连接示意图。

图3是本实用新型实施例透气塞的剖视结构示意图。

图4是本发明实施例试验中透气塞四个监测点的温度测量值与数值模拟温度值的对比图。

图中：1.保温层，2.硅钼棒，3.炉衬，4.透气塞外衬，5.透气塞，6.炉膛，7.测温装置A，8.漏斗状导流装置，9.测温装置B的监测点A，10.测温装置B的监测点B，11.测温装置B的监测点C，12.测温装置B的监测点D，13.压缩气瓶，14.气体流量计，501.狭鏠，502.钢套，503.透气砖，504.垫片，505.底部盖板，506.进气口，507.空心螺帽，508.空心螺母，509.平衡气腔，510.安装孔，511.螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，本实施例提供的检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，包括加热炉、吹气系统、控制系统和升降机构，所述加热炉和控制系统电性连接。

如图1所示，所述加热炉包括最外层的炉壳，炉壳内设置有炉体，炉体顶部设置有炉顶，炉体底部设置有炉底；所述炉体包括外层的保温层1和内层的炉衬3，所述炉衬3由氧化铝空心球砖制成，炉衬3内部空腔形成炉膛6，炉膛内对称设置有4个加热装置，本实施例中使用硅钼棒2作为加热装置，也可以使用其它发热体或热源来取代硅钼棒作为加热装置。硅钼棒2的优点是可实现快速升降温，其加热速率为0～10℃/min，且可加热温度范围为100～1600℃，可以满足本实施例的加热温度要求。炉膛6内设有测温装置A7，所述测温装置A7为热电偶。所述炉底与炉体为一体式结构，炉底设有透气塞塞孔；炉底下方设置有中空的透气塞外衬4，透气塞外衬4由氧化铝空心球砖制成，透气塞外衬4与炉底固定连接；

如图3所示，所述透气塞5其形状与透气塞外衬4内腔形状相对应，工作时透气塞5塞入透气塞外衬4封闭透气塞塞孔；所述透气塞5包括圆台状的透气砖503，透气砖503沿纵向设有4条贯穿的狭缝501，狭缝501用于气体吹入，透气砖503外面包覆一层钢套502，钢套502底部边缘高于透气砖503底面，且钢套502底面内径小于透气砖503底面外径；钢制的底部盖板505盖于钢套502底部，并通过螺栓511与钢套502固定连接，在底部盖板505与钢套502之间设置有垫片504，垫片504为石棉板垫片；底部盖板505上面的硅胶垫片504与透气砖503之间的空腔形成了平衡气腔506，厚度约2cm，底部盖板505中心设有进气口506，进气口506周围设有4个安装孔510用于安装测温装置B，安装孔510穿过底部盖板505沿竖直方向直至透气砖503内部一定深度的位置，4个安装孔510的位置均避开了透气砖503上进气狭缝501的位置，4个测温装置B分别安装于安装孔510中。本实施例中，透气砖503顶面半径为62.5mm，底面半径为92.5mm，高度为350mm，其中测温装置B的监测点A的安装深度为323mm，与透气砖503中心轴的径向距离为30mm；其中测温装置B的监测点B的安装深度为310mm，与透气砖503中心轴的径向距离20mm；其中测温装置B的监测点C的安装深度为230mm，与透气砖503中心轴的径向距离40mm；，其中测温装置B的监测点D的安装深度为120mm，与透气砖503中心轴的径向距离60mm；这样的四个不同位置的监测点不受狭缝501吹风的影响，且不同位置的监测点测量的透气塞5温度更加准确。所述测温装置B包括热电偶和包覆于热电偶外部的陶瓷层，陶瓷层用于保护热电偶，延长热电偶的使用寿命，测温装置B的一端，在陶瓷层的外部还包覆有金属层；底部盖板505的4个安装孔为已攻丝的螺纹孔，安装孔与测温装置B之间设有密封装置，所述密封装置包括安装在螺纹孔上的空心螺母508，空心螺母508与螺纹孔之间用生胶带等进行密封，空心螺母508上安装有空心螺帽507，空心螺帽507和空心螺母508之间设有硅胶垫圈，将测温装置B未设置金属层的一端依次穿过空心螺帽507、硅胶垫圈和空心螺母508，并放入安装孔510指定位置后，拧紧空心螺帽507，使硅胶垫圈变形并卡于测温装置B与螺母之间的空隙中，即完成安装孔的密封，防止吹气时从安装孔处漏气。测温装置B端部的金属层与变形后的硅胶垫圈接触，起保护作用，防止测温装置B的陶瓷层挤压过程中发生断裂。测温装置B安装完毕后与温度控制系统电性连接。工作时透气塞5塞于透气塞外衬的内孔内，透气塞5顶部设置有漏斗状导流装置8，漏斗状导流装置8为倒置，漏斗状导流装置8的大头端外壁嵌入透气塞外衬4中，漏斗状导流装置8的大头端内壁与透气塞外衬4的内壁表面平齐，漏斗状导流装置8的顶部由加热炉炉顶伸出至加热炉外，漏斗状导流装置8可将吹进的气体直接导出炉膛外，减少吹风对炉膛温度的影响。

如图2所示，所述透气塞5底部设有吹气系统。所述吹气系统包括气源和气体流量计14等，所述气源可以是空气压缩机和压缩气瓶13等，吹入的气体可以是空气、氮气、氩气等气体，吹入气体的流量可以使用用气体流量计控制为0～1000L/min。

所述控制系统包括触摸屏、主回路控制系统、温度控制系统和变压器。触摸屏是整台仪器的核心部分，后面板上接有各种输入及输出信号线，安装时应按要求准确对接，不得接错。主回路控制系统包括交流接触器、可控硅、熔断器和触发板。测温装置A7和测温装置B分别与温度控制系统电性连接。变压器用于改变加到硅钼棒2的电压。所述四根硅钼棒2可在炉膛6内测温装置A7热电偶的温度反馈信号下，通过温度控制系统适时调整功率变化以满足炉膛6的温度要求。所述温度控制系统的功率调整可以分开控制1～4根硅钼棒2的功率的大小，在功率范围内尽可能使四根硅钼棒的功率一致，以延长硅钼棒2的使用寿命。

所述透气塞外衬4底部下方设置有升降机构，升降机构设有透气塞升降台，透气塞升降台向上升起可带动透气塞5沿透气塞外衬4内壁上升，并塞入透气塞塞孔。升降机构可准确带动透气塞5到达指定位置，经触碰后即自动停止，一键式操作。

具体试验及模拟过程如下：

本实施例通过模拟透气塞5的服役过程，包括预热、装钢运输、吹氩搅拌、浇注等待四个阶段，来实时测量透气塞的内部温度。透气塞的整个服役过程如下：预热过程中，采用硅钼棒2对炉膛6进行加热，升温速度为0～10℃/min。达到指定温度1000℃并保持至指定时间；装钢运输过程中，炉膛6温度为1600℃恒定；吹氩过程中，吹入的气体流量可以控制为0～1000L/min；浇注等待过程中，停止吹入气体，炉膛温度保持为1600℃恒定。

在该设备中，在透气塞内部有四个不同位置分别设置有热电偶，考虑到试验的安全以及设备的功率问题，透气塞的最高工作温度设定为1673K。本实施例试验的四个阶段的设定温度如表1所示。

表1试验中透气塞工作面在各阶段的温度设定

值得注意的是，在吹氩搅拌过程中透气塞的温度分布明显收到湍流模型的影响。因此，吹氩搅拌过程也可以采用该设备试验，试验过程中使用的气源是压缩气瓶13，压缩气瓶中的气体为氩气，氩气流量为200NL/min。

通过触摸屏操控设备来进行试验，具体步骤如下：

1.将透气塞5放置透气塞升降台上并对齐限位孔；

2.将四个加热装置B分别放置至透气塞5内指定的四个监测点位置；

3.将升降平台升至后触动限位开关至停止至指定位置；

4.打开温度控制系统，按表1输入的同时，调整好各个阶段的时间以及各阶段的加热速率；

5.输入完毕后启动加热系统，此时通过炉膛内的热电偶反馈调整加热装置2功率以控制整个炉膛的温度；

6.当进行至7000s时，系统自动进入吹氩搅拌阶段，此时打开压缩气瓶13阀门，调整控制流量为指定流量，并在指定的吹氩时间内持续吹入气体；

7.吹氩期间，炉膛内的加热装置2在炉膛内部热电偶的反馈下调整加热装置2的功率，在功率范围内尽可能地稳定炉膛内的温度；

8.到达指定的吹氩时间后关闭阀门，停止吹氩，此时在温度控制系统的控制下将炉膛温度迅速稳定至指定温度；

9.在浇注等待的时间内，持续稳定炉膛温度至指定时间；

10.当试验时间达到后，加热装置2自动停止加热，此时炉膛在自然冷却条件下冷却至室温以准备进行下一次试验；

11.整个试验过程中，透气塞5内四个监测点的温度通过热电偶实时监测并反馈至液晶显示屏上。

整个试验过程中透气塞5内部四个点9、10、11和12的温度值变化如图4中四条实线所示。

本实施例提供的检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，可为数值模拟的边界条件的确定提供数据支持，为验证所设计的数值模拟的准确性，建立了一个与试验过程边界一模一样的数学模型。该数值模拟的温度范围与试验中所用的表1一致。

为了节约计算资源，预热过程被简化，假定预热开始时透气塞的工作温度为298K，而其他部分温度为300K；预热3600s过程中，透气塞工作面的温度从298K均匀地升至1273K；而其他三个阶段，由于工作面直接接触钢水，因此其温度恒定为1673K；设定环境温度为300K；而且透气塞冷面的热对流系数以及传热系数分别为10Wm^-2K^-1和5Wm^-2K^-1；在稳态模拟过程中，假定吹氩搅拌时透气塞与砖座之间的传热处于平衡状态。因此计算得到透气塞圆柱侧壁面的热流量为24309W·m^-2，并且将此值也设定为瞬态计算中的热边界条件。透气塞圆柱侧面与砖座之间的接触为无摩擦约束，透气塞底面为固定约束；吹氩搅拌过程中，氩气流量为200NL/min，而且入口处氩气温度为300K。整个CFD模型考虑到流动过程的湍流、可压缩性、氩气的导热以及壁面粗糙度；采用共轭传热方法模拟狭缝内氩气与透气塞之间的热交换。

本数值模拟中透气塞内部4个点的温度变化如图4中四条虚线所示，该图表明，和试验结果相比，试验与数值模拟的结果之间温度差小于12％。因此，可以确定本次数值模拟过程中采用的壁面方程以及湍流方程能够较好的描述吹氩搅拌的过程。

本实用新型在考虑生产现场试验的经济性以及试验过程的安全性的基础上，提供了一种经济、安全、可以还原透气砖实际使用过程的试验炉，该试验炉可以实时监测透气塞内部点的温度变化，也为数值模拟边界条件的确定提供了强有力的数据支持。

Claims (10)

1.一种检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，至少包括加热炉和控制系统，其特征在于：所述加热炉和控制系统电性连接，所述加热炉包括最外层的炉壳，炉壳内设置有炉体，炉体顶部设置有炉顶，炉体底部设置有炉底；所述炉体包括外层的保温层和内层的炉衬，炉衬内部空腔形成炉膛，炉膛内设置有加热装置和测温装置A；所述炉底与炉体为一体式结构，炉底设有透气塞塞孔；炉底下方设置有中空的透气塞外衬，透气塞外衬与炉底固定连接，透气塞形状与透气塞外衬内腔形状相对应；工作时透气塞塞于透气塞外衬的内孔内，透气塞顶部设置有导流装置，导流装置顶部由炉顶伸出至加热炉外；透气塞内部设置有测温装置B，所述测温装置A和测温装置B分别与控制系统电性连接；透气塞底部设有吹气系统，透气塞沿纵向设有贯穿的狭缝，用于气体吹入。

2.根据权利要求1所述的检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，其特征在于：所述加热装置为硅钼棒。

3.根据权利要求1或2所述的检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，其特征在于：所述加热装置共有4个，在炉膛内对称设置。

4.根据权利要求1所述的检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，其特征在于：所述透气塞底部设有4个安装孔，安装孔沿竖直方向设置，安装孔为盲孔，4个安装孔的位置均避开透气塞狭缝的位置，4个测温装置B分别安装于安装孔中。

5.根据权利要求1或4所述的检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，其特征在于：所述测温装置B包括热电偶，和包覆于热电偶外部的陶瓷层，测温装置B的一端还设有一段金属层，金属层包覆于陶瓷层外部。

6.根据权利要求4所述的检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，其特征在于：所述测温装置B与安装孔之间的缝隙通过密封装置密封。

7.根据权利要求1所述的检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，其特征在于：所述导流装置为漏斗状导流装置。

8.根据权利要求1所述的检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，其特征在于：所述控制系统包括触摸屏、主回路控制系统、温度控制系统和变压器；主回路控制系统包括交流接触器、可控硅、熔断器和触发板；测温装置A和测温装置B分别与温度控制系统电性连接。

9.根据权利要求1所述的检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，其特征在于：所述吹气系统至少包括气源和气体流量计。

10.根据权利要求1、2、4、6、7、8或9所述的检测钢包透气塞服役过程中实时温度的模拟试验炉，其特征在于：所述透气塞外衬底部下方设置有升降机构，升降机构设有透气塞升降台，透气塞升降台向上升起可带动透气塞沿透气塞外衬内壁上升，并塞入透气塞塞孔。

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