一种中间包内利用稀土处理钢液的装置及方法与流程

本发明属于连续铸造技术领域，尤其涉及一种中间包内利用稀土处理钢液的装置及方法。

背景技术：

稀土是化学周期表中镧系元素和钪、钇共十七种金属元素的总称，稀土元素独特的核外电子结构使其具有性质活泼、还原性强和独特的光、电、磁性能，因此被广泛使用。稀土元素在冶金工业中也具有非常重要的意义。

在钢液中添加稀土元素或者稀土金属氧化物除了起成分微调的作用外，还可以改变金属晶体的结构和形态，提高铸坯的表面质量，改善微观组织的不均匀性，细化晶粒以获得致密的组织结构，提升钢材的强度和韧性；改善硫化物夹杂物的形态或消除硫化物夹杂物、消除网状结构共晶碳化物并使其均匀的分布在组织中，降低夹杂物的数量，改变夹杂物的形态和分布，提高钢产品的机械性能和力学性能。

稀土元素添加进钢液中还具有“固氢”的作用，减少氢的自由扩散和氢分子聚集成气泡的可能性，降低氢的危害；稀土元素的活性强，电化学电极电位高，在腐蚀过程中伴随放氢反应使钢材阳极出现强烈的极化而降低腐蚀速率，提高钢材的耐腐蚀性。研究人员实验结果表明：添加质量分数为0.08％的ce的试验钢在质量分数为3.5％的nacl溶液(水浴温度35℃)中腐蚀384h后，其腐蚀质量损失与未添加稀土ce相比降低了11.4％，说明添加稀土ce可提高超高强度钢的抗电化学腐蚀性能。

利用稀土处理钢液的稀土加入方式有钢包压入法、钢包喷吹粉剂法、钢包喂稀土丝法、中间包喂稀土丝法和结晶器喂稀土丝法等。

钢包压入法操作简单，稀土成分在钢液中分布均匀，但回收率低，夹杂物变质不完全；钢包喷吹粉剂法可以获得较好的动力学条件，促进稀土元素与钢液的混合，但操作复杂；钢包喂稀土丝法操作简单，净化钢液，但同样存在着稀土元素回收率低，夹杂物变质不完全等缺陷；中间包喂稀土丝法操作简单，稀土元素在钢液中分布均匀且利用率较高，夹杂物变质完全，提高了钢液的洁净度，但存在着水口结瘤、稀土丝烧损、与熔融的覆盖剂发生反应影响覆盖剂物化特性等问题；结晶器喂稀土丝法虽然没有水口结瘤的问题，但结晶器容积小且处于冷却状态下，稀土元素不能充分扩散造成分布不均匀，与钢液成分反应生成的稀土类夹杂物来不及上浮至结晶器保护渣而被滞留在钢液中，从而影响铸坯的质量。

因此需要一种结构简单，操作方便，夹杂物变质彻底且稀土元素在钢液中分布均匀的稀土处理钢液的方法，为此提出中间包底部喷吹稀土粉末以解决上述问题。该方法所涉及的装置主要由中间包本体、圆柱形反应器以及喷粉装置组成，具体利用氩气作为载气将携带的稀土粉末通过圆柱形反应器底部的透气元件喷吹入钢液内完成冶金反应。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种中间包内利用稀土处理钢液的装置及方法，利用惰性气体氩气作为载气将携带的稀土粉末通过中间包底部的透气元件喷吹入钢液内，实现稀土元素在钢液中的较高利用率和均匀化程度，发挥稀土元素在冶金中的积极作用。

本发明采用以下的技术方案实现：

一种中间包内利用稀土处理钢液的装置，包括中间包本体、圆柱形反应器以及喷粉装置，圆柱形反应器位于中间包本体的中心位置，其底部中心位置留设有透气孔，并设置有透气元件，钢液经钢包长水口流入圆柱形反应器并与稀土粉末充分混合并反应后从圆柱形反应器的上缘流进中间包本体。

所述圆柱形反应器的高度范围为700-800mm，内径大小为700-800mm。

所述透气孔及透气元件位于圆柱形反应器底部中心位置，透气孔的径向截面直径大小为50-80mm，透气元件采用狭缝式透气砖，缝隙宽度为0.10-0.15mm。

前述的一种中间包内利用稀土处理钢液的装置处理钢液的方法，包括以下步骤：

步骤一：在钢液由钢包长水口进入圆柱形反应器前，开启加料阀门，将粒度小于45μm的稀土粉末精确称重并加入到喷粉罐中，加入完毕后关闭加料阀门；

步骤二：开启总阀门向喷粉装置中的氩气分配室内充入氩气，并分别对其连接的三条支路根据不同作用进行分配，与喷粉罐连接的支路氩气压力设置为0.5mpa，与流化器相连的支路氩气流量控制在50-90l/min之间，利用流化器将喷粉罐内的稀土粉末变成流化态；

步骤三：钢液从钢包长水口流出进入圆柱形反应器前先开启喷粉装置中的氩气分配室连通透气元件的支路，向圆柱形反应器内吹氩气以避免钢液堵塞透气元件，控制该支路氩气流量在20-50l/min之间使氩气中粉剂密度在40-80kg/m³之间，确保喷吹作业的顺利进行；

步骤四：钢液进入圆柱形反应器的同时开启喷粉装置中的出料阀门，将流化态的稀土粉末在氩气分配室连通透气元件的支路中氩气的引流作用下经透气元件喷入圆柱形反应器，与钢包长水口流出的钢液混合，使此条支路的压力维持在0.35-0.55mpa之间，保证流化态的稀土粉末能够在氩气的作用下吹进圆柱形反应器；最后从中间包钢液出口流进结晶器，并保证喷吹过程伴随整个连铸过程；

步骤五：连浇过程结束后对铸坯质量进行检测。

本发明的有益效果是：

1、本发明中采用氩气作为载气将粒径小于45μm处于流化态的稀土粉末喷吹进圆柱形反应器中与钢液反应，相比于现有技术加入金属丝或直接投入金属块来说粉末的粒度小，增加了稀土粉末与钢液接触的概率，扩大反应面积，相比于喂丝具有良好的扩散性和熔化性，对稀土元素在钢液中的均匀性提供保障；

2、本发明中中间包本体内设有底部有透气元件的圆柱形反应器，稀土元素的加入采用底部喷吹稀土粉末的形式，采用底部喷吹的形式加入稀土元素时，稀土粉末与钢液之间的热过程和传质过程在其上浮过程中充分进行，提高稀土粉末与钢液的接触时间，加快了稀土粉末与钢液的反应速度、提高了混合的均匀性、使反应更加充分提高反应的充分性；

3、本发明中氩气作为载气将携带的稀土粉末吹入钢液内，氩气的搅拌为稀土元素的扩散提供动力学条件；

4、本发明中采用从中间包底部喷吹加入稀土元素的方式使得进入圆柱形反应器后在上升过程中就可以与钢液混合并反应，避免稀土元素的二次氧化，同时避免喂丝时中间包覆盖剂对稀土元素的烧损以及发生反应导致覆盖剂冶金性能降低，提高稀土元素的利用率。

5、本发明的中间包内设有圆柱形反应器，圆柱形反应器设置在中间包内部有利于钢液流动的均匀和稳定，不会发生偏流，保证中间包的各个出口具有一致的温度和成分，减少铸坯的异性；

6、本发明中将稀土粉末直接添加在容积较小的圆柱形反应器内，圆柱形反应器容积小能促进加入的稀土粉末在短时间内均匀分布在圆柱形内部，为中间包内钢液成分的均匀提供有利条件，钢液和稀土粉末最先在圆柱形反应器内混合，钢液的注流被控制在圆柱形反应器内，可以获得良好的动力学条件，有利于提高稀土元素在钢液内的混匀程度，混合后从圆柱形反应器上端流入中间包本体；

7、透气元件位于圆柱形反应器的底部中心位置，钢液流出方向与携带稀土粉末的氩气进入方向相反，能够增加钢液流动的混乱程度，改善钢液的动力学条件，促进夹杂物的碰撞长大，同时也为稀土粉末的扩散提供有利条件。

附图说明

图1为本发明中一种中间包内利用稀土处理钢液的装置的连接示意图；

图2为本发明中中间包的前视半剖图；

图3为本发明中中间包的俯视剖面图；

图4为本发明中中间包本体的内部结构示意图；

图5为本发明中中间包本体和圆柱形反应器的整体结构示意图；

其中，

1-氩气来源，2-总压力计，3-总阀门，4-氩气分配室，5-一号流量计，6-二号流量计，7-三号流量计，8-一号压力计，9-二号压力计，10-三号压力计，11-加料斗，12-加料阀门，13-喷粉罐，14-流化器，15-出料阀门，16-透气元件，17-钢包长水口，18-圆柱形反应器，19-中间包本体，20-中间包钢液出口。

具体实施方式

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，对本发明的技术方案和效果作详细描述。

实施例1

如图2-5所示，一种中间包内利用稀土处理钢液的装置，包括中间包本体19、圆柱形反应器18以及喷粉装置，圆柱形反应器18位于中间包本体19的中心位置，其底部中心位置留设有透气孔，并设置有透气元件16；所述透气孔及透气元件16位于圆柱形反应器18底部中心位置；钢液经钢包长水口17流入圆柱形反应器18并与稀土粉末充分混合并反应后从圆柱形反应器18的上缘流进中间包本体19，透气元件16采用狭缝式透气砖。稀土粉末的加入量需根据本次连浇炉数、总钢水量以及添加稀土的目的等因素来确定，稀土元素的加入需要确定合适的粉剂密度，保证全部稀土粉末的添加贯通整个连浇过程以保证前后铸坯成分的一致性。

本实施例中中间包本体19上部尺寸为4820mm×1500mm，下部尺寸为4620mm×1300mm，总高为1200mm，钢包长水口17的内径为100mm，中间包钢液出口20的内径为80mm；圆柱形反应器18的高度为770mm、内径为750mm，狭缝式透气砖的缝隙宽度为0.12mm、透气孔的径向截面直径为70mm。

连铸生产的铸坯尺寸和拉速视生产时具体情况来定，对本发明所涉及的一种中间包内利用稀土处理钢液的方法没有影响。

如图1所示，采用前述的一种中间包内利用稀土处理钢液的装置对钢液进行处理的方法，包括以下步骤：

步骤一：根据连浇炉数、总钢水量及成分确定添加稀土的目的确定需要加入的稀土粉末量，在钢液由钢包长水口17进入圆柱形反应器18前，开启加料阀门12，将加料斗11中粒度小于45μm的稀土粉末精确称重并加入到喷粉罐13中，加入完毕后关闭进料阀门12；

步骤二：开启总阀门3将氩气来源1内的氩气向氩气分配室4内充入，总阀门3与氩气来源1间设有总压力计2，并分别对氩气分配室4与喷粉罐13顶部、流化器14、透气元件16连通的三条支路根据不同作用进行分配，通过与喷粉罐13顶部连接的支路对喷粉罐13内的稀土粉末进行加压，支路上设有一号流量计5和一号压力计8，压力值设置为0.5mpa；通过与流化器14连接的支路向流化室14内吹氩气使进入喷粉罐13内的稀土粉末呈现流化态，与流化器14连接的支路上设有二号流量计6和二号压力计9，氩气流量设置为60l/min；

步骤三：钢液从钢包长水口17流出进入圆柱形反应器18前先开启氩气分配室4连通透气元件16的支路，向圆柱形反应器18内吹氩气以避免钢液堵塞透气元件16，连通透气元件16的支路上设有三号流量计7和三号压力计10，控制该支路氩气流量为50l/min使氩气中粉剂密度为65kg/m³，确保喷吹作业的顺利进行；

步骤四：开启出料阀门15，将流化态的稀土粉末在氩气分配室4连通透气元件16的支路中氩气的引流作用下经管道通过圆柱形反应器18底部的透气元件16喷入圆柱形反应器18，与钢包长水口17流出的钢液混合，最后从中间包钢液出口20流进结晶器，并保证喷吹过程伴随整个连铸过程；

步骤五：连浇过程结束后对铸坯质量进行检测。

利用本发明所提供的方法对中间包内的钢液进行稀土处理发现：铸坯中稀土成分分布均匀，并未出现元素偏析的现象；稀土元素的加入不仅降低了钢液中的硫含量和氧含量，而且还改变了夹杂物的形态，有利于夹杂物的去除和提高钢液的洁净度；铸坯微观组织的不均匀性得到改善，晶粒得到细化，获得致密的组织结构，钢产品的机械性能和力学性能也大大提高，利用本发明所提供的方法对中间包内的钢液进行稀土处理可获得较高的稀土收得率，收得率大于75％。