中间包短距射流长水口结构及吹氩冶炼方法与流程

[0001]
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短距射流长水口结构以及使用该长水口结构的吹氩冶炼方法。


背景技术：

[0002]
在金属冶炼过程中，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包流场，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。
[0003]
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，由于吹氩气孔易被钢液堵塞，难以保证吹氩操作的稳定性，此外，附加的吹氩部件还将产生较高能耗和维护费用。
[0004]
为了解决该技术问题，本发明人在先前提出一项改进方案，参见中国专利申请cn111299566a(2020年6月19日公开)公开一种中间包短距射流长水口结构，其包括较细的上管段和扩径的下管段，该下管段中央具有连接孔，该上管段的下端位于该连接孔并相互烧结固定，下管段的顶端面设有3个吸气孔。其工作原理为：下管段的下端插入中间包的钢液中，下管段的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，钢液从上管段出来突然进入下管段内，使钢液瞬间失去管壁束缚形成自由注流，自由注流冲击注流区液面形成强烈湍流运动，将下管段外部充填的氩气(中间包上盖内的氩气)自动通过吸气孔吸入到自由注流区内的钢液中并在钢液冲击下形成大量小氩气气泡，以去除钢液中的小尺寸夹杂物。然而，在实际的应用过程中该方案仍存在一些问题。由于下管段表面的进气口距离钢液液面距离较近，在中间包连续操作过程中，钢液表面渣层的厚度会逐渐增加，加之在钢液液面波动较大的情况下，渣层容易会没过/覆盖下管段的顶端面，堵塞住吸气孔或导致部分中间包渣通过气孔进入自由注流区内，影响钢液的净化效果。


技术实现要素：

[0005]
(一)要解决的技术问题
[0006]
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种中间包短距射流长水口结构和使用该长水口结构的吹氩冶炼方法，该中间包短距射流长水口结构的上管段的一部分凸出到
下管段内，进一步缩短钢液的自由注流距离，以生成更小尺寸的气泡，同时避免钢液液面波动较大导致的渣层堵塞吸气孔或进入自由注流区内的问题。
[0007]
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及任何通气管道向钢液提供氩气，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。
[0008]
(二)技术方案
[0009]
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
[0010]
一方面，本发明提供一种中间包短距射流长水口结构，其包括：
[0011]
上管段和下管段，所述下管段的直径大于上管段，所述上管段的下端有部分区段凸伸到所述下管段的内部但不超过所述下管段的下端面；
[0012]
所述上管段为两端开口的管状体，内部为空心管孔；所述下管段的下端为开口，内部为空心管孔；所述上管段内部的管孔与下管段内部管孔为同轴；所述下管段的上端设有气道；所述气道连通所述下管段内部的管孔与外部空间。
[0013]
在本发明较佳实施例中，在注流过程中，所述上管段的下端开口到中间包钢液液面的距离不超过2cm。
[0014]
在本发明较佳实施例中，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。
[0015]
在本发明较佳实施例中，所述上管段的下端伸到所述下管段的内部的长度占所述下管段长度的1/2-1/4；优选为1/3。
[0016]
在本发明较佳实施例中，所述上管段的下端的外周壁与所述下管段的内周壁之间以耐火材料梁采用烧结的方式固定连接；所述耐火材料梁为板体梁，该板体梁的一侧端连接所述下管段的内周壁，另一侧端连接所述上管段的外周壁。
[0017]
在本发明较佳实施例中，所述板体梁的下端面与所述上管段的下端面平齐，所述板体梁的上端面与所述下管段的上端面平齐。
[0018]
在本发明较佳实施例中，所述上管段的下端面所在的水平面、中间包钢液液面、及所述下管段内腔三者限定出一个自由注流区；所述下管段的上端为开口，所述下管段的上端开口被所述耐火材料梁区隔成若干个分区，每个分区构成连通所述自由注流区与外部空间的所述气道。
[0019]
在本发明较佳实施例中，所述耐火材料梁为四块，均匀分布在所述上管段外周面和所述下管段的内周面所限定的圆环形空间内，所述耐火材料梁将所述下管段的上端开口分成4个分区，所述4个分区构成连通所述自由注流区与外部空间的4个气道。
[0020]
在本发明较佳实施例中，所述耐火材料梁与所述下管段内周壁和所述上管段的外周壁分别采用烧结连接；或者所述上管段、所述耐火材料梁、所述下管段三者为一体烧结成型；优选为一体烧结成型。
[0021]
在本申请中，由于上管段的管孔与所述下管段的管孔之间直径突增，使钢液从上管段的下端开口出来后瞬间失去管壁束缚，形成了自由注流。该自由注流会使下管段内腔形成一定负压，负压促使下管段外部的氩气从气道吸入到自由注流区，并被自由注流的钢液打散形成更为细小的氩气气泡，氩气气泡在被卷入到钢液以下，并从下管段的下端面往外以双曲线轨迹扩散到下管段外部的钢液中并将钢液中的小尺寸夹杂物吸附并携带到到
钢液表面，进而被中间包表面渣层吸附，达到深度净化钢液的效果。
[0022]
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，所述上管段的上端从所述中间包上盖穿出至外部；所述下管段的上端高出钢液液面一定距离，上管段的下端开口也高出钢液液面一定距离，使所述上管段的下端面所在的水平面、中间包钢液液面、及所述下管段内腔三者限定出一个自由注流区；在精炼过程中，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；
[0023]
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自由注流区内的氩气卷吸到钢液中，同时在该自由注流区内形成负压，该负压促使中间包内的氩气通过所述下管段的上端开口自行补充到所述自由注流区内，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携带至中间包表面，上浮的氩气泡返回到气相中，平衡自由注流区内外压力，使得氩气在所述中间包内实现循环利用。
[0024]
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。
[0025]
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。
[0026]
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。
[0027]
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。
[0028]
优选地，所述上管段的下端开口高出钢液液面的距离为≤2cm；所述挡坝的高度为25-35cm，优选为30cm。在使用过程中，随着钢液的注入，需要同时上移所述中间包短距射流长水口结构，以使上管段的下端开口与钢液液面保持适当的距离。
[0029]
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。由于中间包内部为氩气气氛，抑制了注流区钢液的氧化，因而在所述下管段的内部可以没有中间包覆盖剂。
[0030]
(三)有益效果
[0031]
本发明的有益效果是：
[0032]
(1)本发明将传统的中间包短距射流长水口结构区分为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自由注流产生的负压自行补充，不仅能够提高吹氩系统的稳定性，还可省去氩气压缩机等能耗装置。
[0033]
(2)本发明通过将上管段下端的部分区段凸伸到下管段的内部，与在先技术相比；一方面，可以进一步缩短自由注流距离(缩短自由注流区的高度)，以产生尺寸更小的氩气气泡以吸附钢液中更小尺寸的杂质；另一方面，钢液注流距离更短，不易引起较大的液面波动(使钢液液面更稳定)，钢液表面渣层不容易被涌到下管段的顶端面，堵塞气道或使渣层被涌入自由注流区内，影响钢液的净化效果。
[0034]
(3)本发明进一步改进了气道结构，将原来下管段上端面上离散的1-5个点状分布的小气孔改为大气道。具体地，将下管段的上端亦设为完全的开口状，下管段的内周壁与上管段的外周壁之间采用耐火材料梁连接，该耐火材料梁将下管段和上管段之间的圆环面分隔成多个分区，这些每个分区构成一个气道，显著增大了连通所述自由注流区与外部空间的气流通道，有利于维持自由注流区内外间气压平衡。在先技术仅依靠几个离散的点状气孔吸气，如果卷吸气泡的量一旦过大，下管段内的负压就会增加，导致下管段内的液面上升。
[0035]
(4)本发明采用的耐火材料梁连接两个上下端均为开口的上管段和下管段，且该耐火材料梁为板体梁，板体梁的一侧端连接下管段的内周壁，另一侧端连接上管段的外周壁。与在先技术相比，将在先技术的下管段与上管段原有圆环面(圆环面的高度就是下管段顶面的厚度)的角部连接，变成了竖直方向的多个板体梁侧端面连接，增大连接面积，有效提高了长水口结构的整体机械强度。由于自由注流的存在，液面具有波动，而下管段悬置浸没会轻微抖动，这个对整个长水口结构的强度有较高要求，在现有技术的下管段与上管段存在易部分脱开变形(导致下管段倾斜)、连接不牢固、结构不耐用的问题。通过本发明的改进可有效增加长水口结构的整体强度。
附图说明
[0036]
图1为较佳实施例的中间包短距射流长水口结构的结构示意图。
[0037]
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
[0038]
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。
[0039]
如图1所示，为本发明较佳实施例的中间包短距射流长水口结构的结构示意图。图1为一种中间包短距射流长水口结构100，其包括上管段111和下管段112，上管段111和下管段112内部分别形成管孔111a和管孔112a，且管孔111a与管孔112a为同轴且连通。其中，下管段112连接在上管段111的下端。其中，下管段的管孔112a的内径大于管孔111a的内径。优选地，管孔112a的内径是管孔111a内径的2-4倍，在本实施例中为3倍。
[0040]
如图1所示，上管段111和下管段112均为两端完全开口的管状体，内部为空心管孔。结合图1-2所示，上管段111的下端部的一部分区段凸伸到下管段112的内部，伸到下管段112的内部的长度占下管段112总长度的1/2-1/4；优选为1/3。下管段112与上管段111之间形成一个圆环形柱体空间。其中，下管段112依靠若干个耐火材料梁40连接在上管段111的下端外部。其中，耐火材料梁40为板体梁，该板体梁的一侧端连接下管段112的内周壁，另一侧端连接上管段111的外周壁，且该板体梁的下端面与上管段111的下端面平齐，板体梁
的上端面与下管段112的上端面平齐。借此，可将下管段112牢固地结合上管段111的下端外周。
[0041]
其中，耐火材料梁40与下管段112内周壁、及上管段111的外周壁分别采用焊接连接；或者上管段111、耐火材料梁40、下管段112三者为一体浇筑成型；优选为一体浇注成型。
[0042]
如图1、2所示，耐火材料梁40的数量为4块。该4块耐火材料梁40(为板体梁)，均匀分布在上管段111外周面和下管段112的内周面所限定的圆环形空间内，将下管段112的上端开口分成4个分区，这4个分区则构成连通下管段112内部管孔与外部空间的4个气道30。耐火材料梁40的数量为3块或更多块，如n块，若为3块时则可形成3个气道30，n块则构成n个气道。本发明优先为3块和4块的情况，因为耐火材料梁40的数量过多时，将严重减少气道的截面积，影响顺利进气和下管段112内外的气压平衡。
[0043]
在上述长水口结构100的使用过程中，上管段111的下端面所在的水平面、中间包钢液液面、及下管段112的内部管孔三者限定出一个自由注流区s，所述气道30连接该自由注流区s与外部空间，外部空间的氩气可通过气道30自动吸入到自由注流区s内，并在钢液自由注流z的作用下，将吸入的氩气冲击打算并卷到钢液液面以下，被注入的钢液打散形成亚微米级的气泡。气泡越细，分散越均匀越有利于净化钢液中的细小杂质。
[0044]
如图2所示，为本发明将图1所示中间包短距射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112的下端插入中间包的钢液中，而上管段111的上端从中间包20的上盖21穿出至中间包上盖21外部。下管段112的上端(内部顶面)高出钢液液面l一定距离，而该上管段111的下端面也高出钢液液面l一定距离h，该距离h为自由注流距离，在该自由注流距离内填充有氩气。优选地，该自由注流距离为不超过2cm。
[0045]
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111流出后突然进入管孔较粗的下管段112时，钢液失去上管段111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112的管孔12a内形成剧烈的湍流运动，将下管段112内的氩气(具体是自由注流区s内的氩气)以气泡p形式卷吸到钢液中，同时在该自由注流区s内形成负压，该负压促使该自由注流区s外部的氩气通过下管段112上端的数个大截面积的气道30自行补充进来。被卷吸到钢液内的氩气气泡，在自由注流的钢液卷吸作用下，以类似于双曲线的轨迹进入到自由注流区s外部的钢液中，最后从钢液中浮出，通过吸附作用，将小颗粒夹杂物上浮至自由注流区s外部的中间包钢液表面，浮出到钢液液面外的氩气在中间包20内循环被使用，可保持纯度。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。
[0046]
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粘结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112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112的两侧，且各挡坝22的高度低于下管段112的下端。借此，下管段112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。
[0047]
在上述吹氩冶炼方法的基础上，下管段112内部可采用无渣操作，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112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。
[0048]
(1)本发明将传统的中间包短距射流长水口结构区分为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。
[0049]
(2)本发明的长水口结构在使用时，可形成与周围钢液相隔离的自由注流区，钢液自由注流能够形成强烈湍流运动，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。
[0050]
(3)中间包内的氩气在中间包内循环时，始终保持在钢液液面与中间包上盖的封闭空间内，一方面在中间包内部形成惰性气氛，抑制钢液卷入空气或水汽引起二次氧化，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。
[0051]
(4)本发明在进行中间包钢液吹氩冶炼时，上管段的下端开口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，并冲击钢液表面，在此过程中卷吸钢液表面的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，或者强化渣洗效果。
[0052]
在上述技术效果的基础上，本发明在之前技术方案的基础上进行优化升级，解决了生产实践中实际遇到的问题，能实现如下技术效果：
[0053]
第一、本发明通过将上管段下端的部分区段凸伸到下管段的内部，与在先技术相比；一方面，可以进一步缩短自由注流距离(缩短自由注流区的高度)，以产生尺寸更小的氩气气泡以吸附钢液中更小尺寸的杂质；另一方面，钢液注流距离更短，不易引起较大的液面波动(使钢液液面更稳定)，钢液表面渣层不易没过到下管段的顶端面，堵塞气道或使渣层被涌入自由注流区内，影响钢液的净化效果。
[0054]
第二、本发明进一步改进了气道结构，将原来下管段上端面上离散的1-5个点状分布的小气孔改为大气道。具体地，将下管段的上端亦设为完全的开口状，下管段的内周壁与上管段的外周壁之间采用耐火材料梁连接，该耐火材料梁将下管段和上管段之间的圆环面分隔成多个分区，这些每个分区构成一个气道，显著增大了连通所述自由注流区与外部空间的气流通道，有利于在较大卷吸气量条件下位置自由注流区内外间气压平衡。在先技术仅依靠几个离散的点状气孔吸气，如果卷吸气泡的量一旦过大，下管段内的负压就会增加，导致下管段内的液面上升至上管段的下端开口。
[0055]
第三、本发明采用的耐火材料梁连接两个上下端均为开口的上管段和下管段，且该耐火材料梁为板体梁，板体梁的一侧端连接下管段的内周壁，另一侧端连接上管段的外周壁。与在先技术相比，将在先技术的下管段与上管段原有圆环侧面(圆环面的高度就是下管段顶面的厚度)的角部连接，变成了竖直方向的多个板体梁侧端面连接，增大连接面积，优化了力矩的作用形式，有效提高了长水口结构的整体机械强度。由于自由注流的存在，液面具有波动，而下管段悬置浸没会轻微抖动，这个对整个长水口结构的强度有较高要求，在现有技术的下管段与上管段存在易部分脱开变形(导致下管段倾斜)、连接不牢固、结构不耐用的问题。通过本发明的改进可有效增加长水口结构的整体强度。
[0056]
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。

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