一種有利於低碳鋼鋼水夾雜物分離的中間包及分離方法
2024-04-16 02:34:05 1
1.本發明涉及煉鋼技術領域，特別涉及一種有利於低碳鋼鋼水夾雜物分離的中間包及分離方法。
背景技術：
2.中間包，是鋼包和結晶器之間改善鋼水流場和溫度場的重要容器，具有優化鋼水流動、分離夾雜物、過熱控制及熱量均勻化等多種冶金功能，是提高鋼產量和質量的重要一環；無論對於連鑄操作的順利進行、還是對於保證鋼水純淨度符合要求，中間包的作用都是不可忽視的。一般來說，大容量中間包會使鋼水流動狀態更加複雜，使得夾雜物的分離難度增大，尤其是對於低碳鋼來說，夾雜物的分離難度很明顯。為了使大容量中間包仍能具有良好的夾雜物分離效果，往往採用控流裝置，如擋牆、擋壩、堰、湍流抑制器等，通過這些控流裝置的配合可顯著確定鋼水流動方向和熱擴散，以及中間包中非金屬夾雜物的行為，提高鋼水的實際停留時間、增大活塞區、減小死區，對夾雜物的去除上浮更有利。
3.近年來，為了提高鋼水中夾雜物的去除效果，眾多學者和研發人員針對不同的中間包結構和鋼種設計了多種不同類型的控流方案和夾雜物去除方法。中國專利201220030924.2公開了一種具有透氣磚的中間包擋牆，通過從擋牆本體下部的透氣磚向中間包內的鋼水吹入惰性氣體，可以改變鋼水的流動狀態，減少中間包擋牆兩側存在的「死區」，促進中間包中鋼水成分和溫度的均勻，還可以去除鋼中夾雜。但此發明的透氣磚為常規透氣磚，磚內的氣孔孔徑較大且不夠均勻，不利於小顆粒夾雜物去除率的提高，且尺寸較大氣泡上浮至渣層破裂後易引起鋼水裸露，造成鋼水二次氧化。
4.中國專利201810291164.2公開了一種可過濾鋼水中的夾雜物的控流式中間包結構，包括中間包，該中間包分為三段間隔式腔體，包括位於中部的衝擊區腔體和位於兩側的澆注區腔體，衝擊區腔體在其中心位置處垂直設置有一澆注用長水口，鋼水從該澆注用長水口往下流出並注入衝擊區腔體，而在該澆注用長水口的下方的腔體底部處設置有一正對該澆注用長水口的湍流抑制器，從澆注用長水口往下流出的鋼水與湍流抑制器相互碰撞後緩衝並混合；衝擊區腔體與兩側的澆注區腔體之間設置有一過濾組件，該過濾組件將衝擊區腔體內被緩衝並混合過的鋼水過濾後再送入兩側的澆注區腔體，澆注區腔體在其腔體底部設置有出水口，經過過濾組件過濾的鋼水流入澆注區腔體再從出水口流出。但是，該技術方案僅通過擋渣過濾牆、擋牆導流槽、擋牆導流孔的結構設置來實現夾雜物的碰撞和分離，但由於鋼水碰撞的無序性，微小夾雜物的碰撞分離不可控，分離效果不佳。
5.因此，如何解決現有的低碳鋼鋼水在中間包的夾雜物分離困難，實現大顆粒夾雜物和微小夾雜物的同時有效分離，成為目前亟需解決的一個難題。
技術實現要素：
6.為解決現有技術存在的上述問題，本發明的目的在於提供一種有利於低碳鋼鋼水夾雜物分離的中間包及分離方法。
7.為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：一種有利於低碳鋼鋼水夾雜物分離的中間包，包括與鋼包長水口相連通的中間包本體，在中間包本體底部設置浸入式出水口，所述長水口與浸入式出水口之間沿鋼水的流動方向依次設置前擋牆、後擋牆，所述前擋牆、後擋牆均為豎直設置，且前擋牆、後擋牆的邊緣均與中間包本體的內壁固定連接；所述前擋牆上陣列設置有若干前導流孔、所述後擋牆上陣列設置有若干後導流孔；在前擋牆和後擋牆之間還設置有氣幕機構，所述氣幕機構包括設置於中間包本體底部的彌散型透氣磚，彌散型透氣磚與中間包密封氬總管相連通。
8.本發明的進一步改進在於：所述前導流孔的進口端高於出口端，呈向下傾斜狀；所述後導流孔的進口端低於出口端，呈向上傾斜狀。
9.本發明的進一步改進在於：所述每排前導流孔與水平向的夾角α從上至下等角度縮小，等角度縮小值
△
α為3
°
~5
°
；所述每排後導流孔與水平向的夾角β從上至下等角度增大，等角度增大值
△
β為3
°
~5
°
。
10.本發明的進一步改進在於：所述前擋牆上，最上一排前導流孔的幾何中心與中間包工作液面的垂直距離h0為100~150 mm，最下一排前導流孔的幾何中心距中間包本體底部的垂直距離為100 mm，其餘排前導流孔沿垂直方向等距排布；所述前擋牆和後擋牆對稱布置。
11.本發明的進一步改進在於：所述前導流孔、後導流孔可為圓形孔或矩形孔，所述前導流孔、後導流孔的當量直徑為20mm~ 40mm。
12.本發明的進一步改進在於：所述彌散型透氣磚由透氣層、緻密層和氬氣通道組成，緻密層為磚體外殼，緻密層內填充有透氣層，氬氣通道預埋在透氣層底部、且與透氣層相連通；所述彌散型透氣磚的長度與中間包的內腔寬度一致，所述彌散型透氣磚的寬度為120mm~150mm。
13.本發明的進一步改進在於：所述前擋牆、後擋牆之間的間距為彌散型透氣磚寬度的5~10倍；所述長水口與前擋牆下端面幾何中心的距離，為前擋牆、後擋牆之間間距的10~15倍；所述浸入式出水口與後擋牆下端面幾何中心之間的間距，為前擋牆、後擋牆之間間距的8~10倍。
14.一種基於有利於低碳鋼水夾雜物分離的中間包裝置的分離方法，具體在於：鋼水由長水口流入中間包之後，在前導流孔、後導流孔的連續導向作用下，鋼水在氣幕分離區呈v字流動，並在氬氣氣幕的噴吹下，促使鋼水中的夾雜物不斷上浮至鋼水頂部渣層，鋼水經浸入式出水口進入連鑄機中進行連鑄。
15.本發明的進一步改進在於：所述氣幕機構的吹氬量為0.3m
³
/h~0.8m
³
/h。
16.本發明的進一步改進在於：穩態澆注過程時氣幕機構的吹氬量為m m3/h，當進行非穩態澆注時，鋼水液位高度每降低10%，氣幕機構吹氬量相應地降低10%m~15% m。
17.由於採用了上述技術方案，本發明取得的技術進步是：本發明提供了一種有利於低碳鋼鋼水夾雜物分離的分離方法，通過在中間包內設置前擋牆、後擋牆、以及設置在兩面擋牆之間的氣幕機構，有效促進了鋼水內夾雜物的上浮去除率，顯著提高了鋼水潔淨度。
18.本發明方法使鋼水沿前擋牆上傾斜向下的前導流孔流入氣幕分離區，再沿後擋牆上傾斜向上的後導流孔流入澆注區，鋼水在氣幕分離區的流向呈v字型，這樣可以使中間包
衝擊區流入氣幕分離區的鋼水速度更快，便於底部氣幕更快起作用，淨化鋼水的效率會更快；另外，傾斜向上的後導流孔對鋼水具有一定抬升作用，有效延長鋼水在氣幕分離區的停留時間，提高了夾雜物去除率。
19.本發明在前擋牆、後擋牆之間設置向上噴吹氬氣的氣幕機構，形成彌散型氣幕擋牆，彌散型氣幕擋牆能夠向上吹掃鋼水，鋼水中較大顆粒的夾雜物受吹掃持續上浮而實現分離；而對於鋼水中的微小夾雜物，彌散形成的小氣泡表面存在表面張力，上浮過程中逐漸吸附鋼水中的微小夾雜物直到鋼水表面渣層，氣泡破裂後將裹挾的夾雜物釋放，夾雜物被表面渣層所吸收，從而實現鋼水中大顆粒夾雜物、微小夾雜物的同時有效分離，提高了鋼水夾雜物的去除效果。同時，由於鋼水停留時間的延長給予了夾雜物足夠的上浮時間，使得鋼水夾雜物能夠充分分離上浮，進入澆注區的鋼水潔淨度得以進一步提高。
20.本發明的前導流孔、後導流孔的傾斜角度，根據位置的高低等角度變化，可以確保每股鋼水都能達到v字型流動，具有足夠的夾雜物上浮時間；而且還通過流速的變化避免中間包的死體積，杜絕中間包死角存留夾雜物，鋼水的流動更佳穩定、順暢；並可以使中間包內鋼水均勻地分配到每個結晶器中進行凝固，顯著提高多流中間包的各流一致性。
21.本發明的中間包，結構簡單、設計合理、安裝操作方便，後期維護成本較低，適用範圍廣泛，即可更換原有中間包、也可在原有的中間包結構的基礎上進行改進優化，不論是單流板坯中間包還是多流t型中間包都可以適用，具有很強的實用性。
附圖說明
22.圖1為本發明的整體結構示意圖；圖2為前擋牆的側視結構示意圖；圖3為圖1中a部分的放大結構示意圖；圖4為彌散型透氣磚的俯視結構示意圖；圖5為前擋牆的局部剖視結構示意圖；圖6為後擋牆的局部剖視結構示意圖；圖中，1、中間包本體，2、浸入式出水口，3、前擋牆，4、後擋牆，5、前導流孔，6、後導流孔，7、彌散型透氣磚，7-1、透氣層，7-2、緻密層，7-3、氬氣通道。
具體實施方式
23.下面通過參考附圖來詳細說明本發明。
24.一種有利於低碳鋼鋼水夾雜物分離的中間包，如圖1所示，包括中間包本體1，所述中間包本體1通過長水口與鋼包相連通，中間包本體1底部設置與連鑄機結晶器相連通的浸入式出水口2。所述長水口與浸入式出水口2之間沿鋼水的流動方向依次設置前擋牆3和後擋牆4，所述前擋牆3、後擋牆4均為豎直設置，且前擋牆3、後擋牆4的邊緣均與中間包本體1的內壁固定連接，在前擋牆3和後擋牆4之間還設置有向上噴吹氬氣的氣幕機構。通過前擋牆3、後擋牆4將中間包分隔為三個區域，所述前擋牆3的前端為中間包衝擊區、後擋牆4的後端為澆注區，在前擋牆3、後擋牆4之間為氣幕分離區。
25.如圖2所示，所述前擋牆3從上至下等距開設有n排前導流孔5，n排前導流孔5從上至下依次為第1排、第2排、......、第i排、......、第n排，n為正整數。每排均包含有若干水
平向等距分布的前導流孔5，同排相鄰兩個前導流孔5的幾何中心距為100mm~150mm；上下相鄰的兩排前導流孔5交錯布置。
26.其中，第1排前導流孔5的幾何中心與中間包工作液面的垂直距離h0= 100mm~150mm，以防止中間包自由液位保護渣進入前導流孔5而捲入鋼水；第n排前導流孔5的幾何中心距前擋牆3底面的距離不小於100mm，確保鋼水進入氣幕分離區後能夠與氬氣充分接觸。相鄰兩排前導流孔5的幾何中心的垂直間距為15mm~35mm，可根據中間包的具體類型、規格、以及鋼水的流速等參數綜合後進行合理選擇。
27.如圖5所示，所述前導流孔5的進口端高於出口端，呈向下傾斜狀，且每排從上至下前導流孔5與水平向的夾角αi逐漸等角度縮小。其中，第1排前導流孔5與水平向的夾角α1為30
°
~45
°
，第n排前導流孔5與水平向的夾角αn為5
°
~10
°
，相鄰兩排前導流孔5與水平向的夾角差
△
α為3
°
~5
°
，根據中間包的規格、以及鋼水的流速等具體條件進行合理選擇。
28.所述前擋牆3和後擋牆4為對稱結構。具體來說，所述後擋牆4從上至下等距開設有m排後導流孔6，m排後導流孔6從上至下依次為第1排、第2排、......、第j排、......、第m排，m為正整數。每排均包含有若干等距分布的後導流孔6，同排相鄰兩個後導流孔6的幾何中心距為100mm~150mm；上下相鄰的兩排後導流孔6交錯布置。
29.其中，第1排後導流孔6的幾何中心與中間包工作液面的垂直距離h0= 100mm~150 mm，以防止中間包自由液位保護渣進入後導流孔6而捲入鋼水；第n排後導流孔6的幾何中心距後擋牆4底面的距離不小於100 mm。相鄰兩排後導流孔6的幾何中心的垂直間距為15mm~35mm，可根據中間包的具體類型、規格、以及鋼水的流速等參數綜合後進行合理選擇。
30.如圖6所示，所述後導流孔6的進口端低於出口端，呈向上傾斜狀，且從上至下後導流孔6與水平向的夾角βi逐漸等角度增大。其中，第1排後導流孔6與水平向的夾角β1為135
°
~150
°
，第m排後導流孔6與水平向的夾角βm為170
°
~175
°
，相鄰兩排後導流孔6與水平向的夾角差
△
β為3
°
~5
°
，根據中間包的規格、以及鋼水的流速等具體條件進行合理選擇。
31.所述前導流孔5、後導流孔6可為圓形孔或矩形孔，可根據現場生產條件做相應調整。所述前導流孔5、後導流孔6的當量直徑優選為20mm~ 40mm，能確保鋼水的正常流動、又可避免鋼渣堵塞導流孔而導致頻繁停機清理維修，可實現長時間正常運行和使用。
32.所述前擋牆3、後擋牆4的高度與中間包熔池深度相同，前擋牆3、後擋牆4的厚度為90mm~120mm，確保其在鋼水衝擊下保持穩定。
33.所述氣幕機構，包括設置於中間包本體1底部的彌散型透氣磚7。如圖3、圖4所示，所述彌散型透氣磚7由透氣層7-1、緻密層7-2和氬氣通道7-3組成，緻密層7-2為磚體外殼，緻密層7-2內填充有透氣層7-1，氬氣通道7-3預埋在透氣層7-1底部、且與透氣層7-1相連通，氬氣通道7-3的另一端與中間包密封氬總管相連通。氬氣經氬氣通道7-3進入、由透氣層7-1的氣孔呈平面狀向上噴射，形成具有一定寬度的氣幕擋牆。
34.所述的緻密層7-2由燒結剛玉和鋯剛玉類耐火材料為主要材料燒制而成，透氣層7-1由鋯鋁矽透氣材料組成，緻密層7-2和透氣層7-1通過粘合劑純鋁酸鈣水泥粘合而成為一體，具有更良好的抗渣性、耐磨性和耐衝刷性。所述透氣層7-1氣孔的孔隙率為25%~30%，氣孔的孔徑≤0.2mm，以保證形成的氣泡更加細密、形成的氣也更加均勻，氣泡越微小越有利於小顆粒夾雜物的上浮去除。
35.所述彌散型透氣磚7的長度與中間包的內腔寬度一致，所述彌散型透氣磚7的寬度
為120mm~150mm，寬度過小會降低氣幕作用，氬氣與鋼水的接觸面積小、影響鋼水中夾雜物的分離效果；若寬度過大會造成氣幕作用太強，有可能造成鋼水飛濺或裸露。所述彌散型透氣磚7位於前擋牆3、後擋牆4之間的1/4處~3/4處，結合前導流孔5、後導流孔6的傾斜導向，確保鋼水在趨近下落至中間包底部時受到氣幕擋牆的吹掃作用，延長鋼水夾雜物的上升時間。一般來說，本發明前擋牆3的位置靠近中間包衝擊區，鋼水由中間包衝擊區經過前擋牆3導流孔時，速度相比後擋牆4要大，故而氣幕位置要靠近前擋牆3，通過氣幕的作用，減緩鋼水的衝擊速度，從而延長鋼水的運動軌跡，利於夾雜物的上浮去除；同時，由氣幕的帶動作用，可以使鋼水流向後擋牆4外澆注區時具有一定的動能，使鋼水更容易流向中間包遠端區，減少死區體積比例。
36.所述前擋牆3、後擋牆4之間的間距為彌散型透氣磚7寬度的5~10倍；且長水口與前擋牆3下端面幾何中心之間的間距，為前擋牆3、後擋牆4之間間距的10~15倍，以防止中間包衝擊區鋼水流動狀態的紊亂。中間包浸入式出水口2與後擋牆4下端面幾何中心之間的間距，為前擋牆3、後擋牆4之間間距的8~10倍，以防止鋼水過早的流出，使鋼水的停留時間變短，夾雜物去除的不充分。
37.所述鋼水夾雜物的分離方法，在於採用如上中間包設備，鋼水由長水口流入中間包之後，在前導流孔5、後導流孔6的連續導向作用下，鋼水在氣幕分離區呈v字流動，並在氬氣氣幕的噴吹下，促使鋼水中的夾雜物不斷上浮。
38.在鋼水夾雜物的分離過程中，氣幕機構的吹氬量對於分離效果有顯著影響。若吹氬量過大，容易造成鋼水表面裸露或鋼水噴濺，若吹氬量過小，無法形成氣幕擋牆，無法確保對鋼水中夾雜物的吹浮效果。所述氣幕機構的吹氬量為0.3m
³
/h~0.8m
³
/h，實際吹氬量可根據中間包容量、液位高度和拉速等澆注條件綜合確定，避免引起中間包工作液位保護渣的大幅度波動。
39.在中間包澆注過程中，穩態澆注和非穩態澆注時的吹氬量要及時進行調整，一般來說，非穩態澆注時的吹氬量小於穩態澆注時的吹氬量。設定穩態澆注過程時的吹氬量為m m3/h，當進行非穩態澆注時，鋼水液位高度每降低10%，其吹氬量相應地降低10%m~15% m，以確保氣幕擋牆效果的同時，避免引起卷渣造成鋼水的二次汙染。
40.下面結合實施例對本發明進行詳細說明。
41.實施例1採用澆注斷面為1020
×
200 mm2的雙流板坯中間包，中間包內設置前擋牆3、後擋牆4，前擋牆3、後擋牆4的高度均為990mm，與中間包熔池的深度相同，所述前擋牆3、後擋牆4的厚度均為100mm，所述前擋牆3、後擋牆4對稱設置。
42.具體來說，所述前擋牆3上，同排相鄰兩個前導流孔5的幾何中心距為100mm，所述第1排前導流孔5的幾何中心與中間包工作液面的垂直距離為100mm，最下排前導流孔5的幾何中心與與前擋牆3底面的距離為100mm，垂直排間距為35mm。所述第1排前導流孔5與水平向的夾角α1為30
°
，最下排前導流孔5與水平向的夾角αn為10
°
，從上至下前導流孔5與水平向的夾角αi以5
°
等角度縮小。
43.所述後擋牆4上，同排相鄰兩個後導流孔6的幾何中心距為100mm；所述第1排後導流孔6的幾何中心與中間包工作液面的垂直距離為100mm，最下排後導流孔6的幾何中心與與後擋牆4底面的距離為100mm，垂直排間距為35mm。所述第1排後導流孔6與水平向的夾角
β1為150
°
，最下排後導流孔6與水平向的夾角βn為170
°
，從上至下後導流孔6與水平向的夾角βi以5
°
等角度增大。
44.所述前導流孔5、後導流孔6均為圓形孔，當量直徑均為20mm。
45.所述彌散型透氣磚7的尺寸為為：200mm*120mm*120mm，前擋牆3、後擋牆4之間的間距為彌散型透氣磚7寬度的8倍；所述前擋牆3下端面幾何中心與長水口之間的間距，為前擋牆3、後擋牆4之間間距的10倍，所述後擋牆4下端面幾何中心與浸入式出水口之間的間距，為前擋牆3、後擋牆4之間間距的8倍。
46.澆注時，中間包拉速為1.35 m/min。
47.（一）穩態澆注狀態穩態澆注時長水口內鋼水流速為1.8 m/s左右，氣幕機構的吹氬量0.4 m3/h。
48.鋼水經由中間包衝擊區抵達前擋牆3的速度約0.1 m/s，穿過前導流孔5後向下加速至0.2 m/s以上，經過氣幕擋牆的作用，使向下流動的鋼水逐步被抬升，促進夾雜物上浮，且氣幕擋牆的微小氣泡進一步裹挾夾雜物上浮至渣層；鋼水穿過氣幕擋牆後，在後擋牆4上後導流孔6作用下進入澆注區，在上部形成環流後，往浸入式水口方向流動。
49.（二）非穩態澆注狀態非穩態包括開澆、換鋼包和停澆階段等狀態，此時中間包鋼水位不穩定，尤其是液位降低、長水口流量倍增時，易造成鋼渣卷混，且夾雜物上浮去除的條件差。在非穩態澆注下，鋼水液位下降，將氣幕機構的吹氬量降低至0.2m3/h~0.3m3/h。其餘操作過程與穩態澆注時相同。
50.對比例1對比例1中所採用的中間包規格、中間包拉速、長水口鋼水流速等參數均與實施例1相同，其區別在於：中間包採用澆注斷面為1020
×
200 mm2的常規雙流板坯中間包，中間包內不設置前擋牆3、後擋牆4。
51.監測鋼水在中間包的停留時間，並對鑄坯進行超聲波探傷，對製備的鋼坯中進行夾雜物評級（評級方法參見《gb/t 10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》），計算夾雜物評級在2.0以上的鋼坯樣本數量佔鋼坯總樣本數量的比例。檢測結果詳見表1。
52.表1
ꢀꢀ
實施例1與對比例1的數據對照表實施例2實施例2所採用的中間包結構與實施例1相同，區別在於：中間包拉速提升至1.5 m/min。
53.（一）穩態澆注狀態穩態澆注時長水口內鋼水流速為2.0 m/s左右，氣幕機構的吹氬量0.5 m3/h。
54.鋼水經由中間包衝擊區抵達前擋牆3的速度約0.18m/s，穿過前導流孔5後向下加速至0.25m/s以上。
55.（二）非穩態澆注狀態在非穩態澆注下，鋼水液位下降，將氣幕機構的吹氬量根據鋼水液位而降低至0.2m3/h~0.3m3/h。其餘操作過程與穩態澆注時相同。
56.對比例2對比例2中所採用的中間包規格、中間包拉速、長水口鋼水流速等參數均與實施例2相同，其區別在於：中間包採用澆注斷面為1020
×
200 mm2的常規雙流板坯中間包，不設置前擋牆3、後擋牆4。
57.監測鋼水在中間包的停留時間，並對鑄坯進行超聲波探傷，對製備的鋼坯中進行夾雜物評級（評級方法參見《gb/t 10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》），計算夾雜物評級在2.0以上的鋼坯樣本數量佔鋼坯總樣本數量的比例。檢測結果詳見表2。
58.表2
ꢀꢀ
實施例2與對比例2的數據對照表通過上述實施例可以看出，本發明能夠對鋼水進行有效控流，使其在中間包、尤其是在氣幕分離區的停留時間顯著延長，一般可使停留時間延長20%~25%；鋼水進入氣幕分離區後呈v字型流動，配合底部噴出的氬氣氣幕，促進並裹挾鋼水中的夾雜物，使其上浮至鋼水上部渣層，不易從浸入式出水口流出，從而提高了鑄坯和帶鋼質量，鑄坯超聲波探傷的合格率達97.5%以上，夾雜物評級在2.0以上的鋼坯樣本數量佔鋼坯總樣本數量的比例降低至6.5%以下，說明鋼水中的夾雜物得到了有效分離。特別是在拉速提升後，鋼水的流速顯著加快、夾雜物上浮去除率明顯降低時，採用本發明裝置可以有效延長鋼水的停留時間，加上氣泡作用，確保在高拉速條件下中間包內鋼水潔淨度保持較高的水平，促進高效連鑄的發展。
59.以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。