一种吹氩气防止钢包出钢过程中漩涡卷渣的方法与流程

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种吹氩气防止钢包出钢过程中漩涡卷渣的方法。

背景技术：

随着航天、交通、石油和汽车等各行业的不断发展，各领域对钢材性能的要求则不断提高，因此，如何降低钢中夹杂物，提高钢的洁净度，进而提高钢材质量，得到高性能高品质钢材是钢铁企业广泛关注的问题之一。而连铸过程是洁净钢生产的重要环节，对钢的洁净度影响非常大，其中钢包出钢过程中产生的漩涡卷渣现象便严重影响了钢液的洁净度，污染了钢液，同时还会带来钢包内衬被腐蚀、水口堵塞、钢渣清理困难等危害。

漩涡卷渣具体的形成过程为：当水口打开后，由于钢包内钢液自身重力所产生的静压力差不再平衡，促使钢液不断从钢包流入中间包，液面开始不断下降；当重力提供的能量不足时，四周的流体不能及时填补掉流出水口的流体体积，液面便开始出现凹陷；然后凹陷呈圆锥状不断向下延伸至水口，这样便逐步形成了人们视觉中可以观察到的漩涡。漩涡的尖端到达水口处时的液面高度被定义为临界高度，当液面低于临界高度时，钢渣便被卷入到中间包中。实际上钢包出钢过程中形成的漩涡分两种形式，一种是不旋转的汇流涡，一种是旋转的漏斗型漩涡。两者的形成机理完全不同，其区别主要在于：旋转的漏斗型漩涡比汇流涡多了一个切向扰动的形成条件。这个切向扰动主要是由于钢包的精炼、运输和钢液的温度差等等原因造成的钢液内部存在切向方向的运动，那么在角动量守恒定律条件下，随着流体不断流向水口，距离水口中心的距离越近，其角速度越大，所以随着时间的增加，流体旋转得越来越快，这样更严重地阻止了四周流体及时去补充掉流出水口的流体体积，于是加速了液面凹陷的形成。因此，相比起来不旋转的汇流涡的临界高度非常低，而旋转的漏斗型漩涡的临界高度非常高，卷渣非常严重，是造成卷渣的主要原因。而传统的技术是针对于钢液内汇流涡已经形成，为了降低漩涡大小的出发点进行防治，并没有从漩涡形成机理进行防治，故不适用于解决旋转的“漏斗型漩涡”。此外，传统的技术需要的吹气流量相对较大，需要严格控制，否则反而会造成卷渣和钢液裸露被二次氧化的现象。同时，传统的技术中在出钢口设置多孔透气砖需要改动原有的钢包结构，吹气流量较大也容易造成被吹钢液的温降较大，且在出钢口处吹气会延长出钢时间。

目前，浇注过程中防止漩涡卷渣的技术主要分为以下三类，分别为上躲法、下藏法和抑制法(黄晔：江西冶金，19(1999)，1)。所谓上躲法是指在撤走钢包之前钢包内存留的钢液深度大于临界高度时便停止浇注，从上部躲避漩涡的发生，但要以牺牲钢液收得率为代价。这种方法通常需要安装各种下渣自动检测装置，根据监测信号来及时关闭滑动水口，但由于没有从根本上抑制漩涡，所以依然存在滞后和牺牲钢液收得率的问题。所谓下藏法是指局部性降低水口附近的钢包底部位置,使临界高度部分以至全部藏入该降低部位之内,从下部躲避漩涡,从而达到减少下渣和提高钢水收得率的双重目的。但此方法对钢包结构改动较大，且容易造成粘渣，也受生产环境和空间的限制。而抑制法是指采取措施从根本上降低漩涡的临界高度，推迟漩涡的发生或阻止贯通式漏斗状漩涡的形成，从而减少漩涡卷渣现象，进而提高钢水的收得率，此方法是三种方法中被研究的最为广泛的一种。常见的抑制法如各种浮游阀体、电磁防漩和吹气防漩。1970年日本新日铁发明了挡渣球(郑新友：钢铁研究，1(2000)，59)，1987年labatemd总结了西德挡渣棒在美国使用的经验，发明了陀螺形状的挡渣塞等(labatemd：us4799650)，这些方法是在出钢过程中加入随钢液液面一起下降的阀体，密度介于钢液和钢渣之间，在下渣之前阀体可以自动堵住水口来抑制漩涡卷渣现象。法国irsid研究所在1978年提出了应用电磁原理对中间包内的漩涡进行控制的设计(pierrev:france,no2443892)，suhjw等提出采用静磁场进行防漩(suhjw:isij,41(2001),689)，以及i.i.达尔迪克等设计的旋转电磁场防漩装置，这些方法是利用磁场对钢液产生的洛伦兹力对漩涡卷渣现象进行无接触的控制。ono-nakazatoh提出在漩涡快要形成时在水口处吹入惰性气体进行防漩(ono-nakazatoh：journalofjsem,7(2007),120)，此方法在是利用气体对钢液的作用力来阻止夹杂物的卷入。对于各种浮游阀体来说，向钢液中引进了新的杂质；电磁装置由于实际生产的高温环境以及漩涡旋转方向难以确定的制约，还只存在于研究阶段；而目前提出的吹气防漩方法主要是在漩涡快要形成时在水口处进行吹气，需要的吹气量相对较大，容易造成液面波动加大，形成渣眼造成钢液氧化，同时对流入中间包的钢水造成较大温降。比较各防漩方法的利弊，目前实际生产中通常采用的防漩方法仍是牺牲钢水收得率的上躲法，主要是使用下渣监测技术来及时关闭水口以保障钢液洁净度，因此，使吨钢成本大大增加，给企业带来了很大的经济损失。

技术实现要素：

针对现有钢包出钢过程中各种防漩方法的不足，本发明提供了一种吹氩气防止钢包出钢过程中漩涡卷渣现象的方法，目的在于，在出钢过程中通过底部吹气孔进行全过程小流量吹气，进而打乱漩涡形成时的流场分布，彻底消除漩涡的形成及漩涡卷渣现象的发生。

本发明涉及钢包、中间包和吹氩装置；在所述钢包底部设置有水口；所述钢包中的钢液通过水口流入中间包；还在所述钢包底部设置有与吹氩装置相通的吹气孔，所述吹气孔为单孔或能够同时吹氩气的多孔。使用过程中，要求打开钢包水口浇注的同时开启吹氩装置，在出钢全过程进行吹氩操作，通过钢包底部的吹气孔进行单孔或多孔同时吹氩气，且单孔或多孔的气体总流量为1～100l/min。所述吹氩装置为本领域技术人员常用于本领域的公知设备即可。

其中所述的吹气流量较小时，能有效消除漩涡且钢液温降非常小；所述的吹气流量较大时，能有效消除漩涡且对夹杂物上浮、钢液温度均匀化有所促进。

还可以根据实际情况对吹气流量进一步调节，例如，在出钢前期可加大吹气流量38～100l/min，以达到促进小颗粒夹杂物上浮和温度均匀的目的，后期随着钢液量逐渐减少可以将吹气流量调小1～38l/min达到减小温降的目的。

本发明可采用精炼环节所使用的吹气孔，进行单孔吹气，便可对漩涡卷渣现象有所抑制。

本发明优选的技术方案是，吹气孔距钢包中心的距离为钢包半径的四分之三以内。所述的吹气孔位置最佳为靠近钢包中心处，在此处进行吹气可达到最佳的漩涡抑制效果。

本发明优选的技术方案是，所述的多孔吹气，其中一孔为钢包底部精炼环节所使用的吹气孔，其他吹气孔距钢包中心的距离为钢包半径的四分之三以内，其他吹气孔距钢包中心的最优距离为钢包半径的二分之一。

与其它防漩方法相比，本发明的区别和优点是：钢液吹氩气在冶炼生产环节中是经常采用的，其主要原因是由于惰性气体不会污染钢液，且气泡与钢液之间的作用非常剧烈，对钢包内的流场有很强的改变作用，因此，选择吹氩气进行防漩可以实现很多防漩方法难以实现的无污染且显著有效的防漩效果，大大提高了钢水的收得率。同时本发明可以应用钢包现有的吹气孔，所以操作实现起来简单便利，无需对钢包结构进行改动，成本较低。而与其它的吹气防漩相比，本发明不是在漩涡快要形成时被动的利用吹气的作用力来抵消漩涡引起的液面凹陷，而是在漩涡形成之前一直进行吹气打乱漩涡形成的流场分布形式，主动的将旋转型漩涡消除在萌芽中。同时本发明采用的吹气流量较小，不会造成钢液裸露，出钢全过程的小流量吹气还会有利于进一步去除精炼后钢包内仍存在的小颗粒夹杂物，有利于钢液温度的均匀化，而且避免了对流入中间包中的钢液造成较大温降的弊端。

附图说明

图1.钢包吹氩防漩示意图：图中，101、漩涡；102、钢液；103、钢液循环流动；201、钢包；202、吹气孔；203、水口；207、中间包。

图2.水模型实验装置示意图：图中，201、模型钢包；202、吹气孔；203、水口；204、阀门；205、探头；206、超声波多普勒测速仪；207、模型中间包；208、流量计；209、氮气瓶。

图3.吹气孔位置图：图中，1—8为吹气孔位置；其中1—4号吹气孔距钢包中心的距离为钢包半径的二分之一，5、6、8号吹气孔距钢包中心的距离为钢包半径的四分之三，7号吹气孔位于钢包中心。

图4.切向速度与吹气流量的变化关系图。

图5.漩涡临界高度与吹气孔位置变化关系图。

图6.不同吹气孔位置设置图。

图7.漩涡临界高度和钢液/渣层混合区厚度。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思进行等同替换或改变均属于本发明保护范畴。

下面结合附图和依据相似原理进行的水模型实验实施例对本发明进一步说明。

本发明实施的吹氩气防止钢包出钢过程中漩涡卷渣现象的水模型装置如图1和2所示，模型钢包201是按实际60t钢包以1:4的几何比例进行制造，其中注满高度为60cm的水(模拟钢液)，静置5min后，打开水口203的阀门204进行出钢操作，同时开启氮气瓶209通过吹气孔202进行底部吹氮气(模拟氩气)操作，使用流量计208控制通入的气体流量，并用超声波多普勒测速仪206测量出探头205所在位置的切向速度值。通过水模型实验实施例可以说明本发明对出钢过程中漩涡的抑制效果和实施本发明时钢包内钢液的流动情况。

实施例1

使用所述的水模型实验装置，在出钢过程中通过图3中1号吹气孔202分别吹入流量为0～1.3l/min气体。吹气流量为0l/min时，即出钢过程中不吹气时漩涡的临界高度较高为9.4cm，通入气体后，随着吹气流量的增加漩涡的临界高度大幅度下降。在吹气流量为0.04l/min时时，漩涡的临界高度降为5.5cm；当吹气流量为1.3l/min时，漩涡的临界高度降到最低为1.8cm。因此，可以计算出按照本发明进行的水模型实验最终所得的液体收得率可提高约13％左右。

根据上述实验结果，按模拟气体与实际吹气量之间的换算公式qar＝0.901λ^-5/2qn2可以计算出达到相同抑制效果的实际出钢过程中吹入的氩气量，其中qar为实际出钢过程中吹入的氩气流量，qn2为模拟过程中吹入的氮气量，λ为模型钢包与实际钢包的几何比例因子(徐海伦：北京科技大学学报，32(2010)，843)。通过计算得到实际吹入的氩气流量应在1～38l/min。其中，吹入较小的氩气流量时，便可以达到很好的漩涡抑制效果，而吹入相对较大的氩气流量时，除了可以更好地抑制漩涡卷渣现象，还可以增大钢液102的流动。如图4所示，吹气后钢包201内的切向速度随距钢包201底部高度的分布形式与没有吹气时相比有所改变，打乱了漩涡形成的速度场，因而抑制了漩涡的形成；而较大的吹气流量使钢包201内钢液的切向速度有所增大(该切向速度为测量点相对于钢包201中心的平均切向速度，且不考虑旋转方向)，使钢液的扰动变大，促进了钢液间的流动。同时，吹气还会使钢液在出钢过程中形成如图1所示的竖直方向上的循环流动103，这种循环流动可以及时填补掉如图1中漩涡103所形成的液面凹陷的体积，同时还可以促进钢液之间的换热和小颗粒夹杂物的上浮。

按吹氩气造成钢液的温降公式δt＝mar×car×(t钢-tar)/(c钢×m钢)可以计算出吹氩气后带来的温降，其中δt为温降，mar为氩气质量流量，m钢为钢液的质量，car为氩气的比热容0.879j/(kg.℃)，c钢为钢液的比热容1.465j/(kg.℃)(俞海明：转炉钢水的炉外精炼技术，2011，163)。则钢液温度为1600℃，氩气温度为20℃时，氩气密度为1.784kg/m³，钢包容量为60t，由于钢包出钢过程钢液量不断减少，取钢包容量的一半来大致估算其温降可得，当吹入氩气流量为0.04l/min时，对钢液产生的温降约为0.000002℃，非常小可以忽略；而吹入氩气流量为38l/min时，对钢液产生的温降约为0.002℃。因此，本发明不在水口处对钢液进行吹气，而使得氩气在整个钢包中逐渐分散，对钢液所形成的温降都相对较小。

实施例2

使用所述的水模型实验装置，在出钢过程中分别通过图3中1—8号吹气孔202吹入流量为0.06l/min的气体，得到如图5的实验结果。由图5可知，出钢过程中不吹气时漩涡的临界高度非常高，而通过1—8号吹气孔202进行吹气时，漩涡的临界高度均明显下降，因此，在实际中可采用钢包201精炼时所用的吹气孔202，便可以得到明显的漩涡抑制效果。而相比之下，通过7号吹气孔202进行吹气时漩涡的抑制效果最好，即吹气孔202位置靠近钢包201中心处，漩涡的抑制效果相对较好。同时在最佳的吹气孔202位置进行吹气，吹气流量仅为0.06l/min时便可以将临界高度降到1.5cm，可见，在此位置进一步调节吹气流量，可进一步降低漩涡的临界高度，得到更高的金属收得率。

本发明在实际应用中，还可以根据实际情况对吹气流量进一步调节，在出钢前期可加大吹气流量，以达到促进小颗粒夹杂物上浮和温度均匀的目的，后期随着钢液量逐渐减少可以将吹气流量调小，达到减小温降的目的。

实施例3

使用数值模拟方法，模拟了在出钢过程中分别通过图6中的不同吹气孔吹气后的卷渣情况，具体设置如下：不吹气即吹气流量为0l/min；单孔吹气，吹气孔位置为1号吹气孔，吹气流量为100l/min，双孔吹气，吹气孔位置为1号和2号吹气孔，总吹气流量为100l/min(单孔流量为50l/min)；双孔吹气，吹气孔位置为1号和3号，总吹气流量为100l/min(单孔流量为50l/min)。每个吹气孔距水口的距离为r/4(r为钢包底部半径)。图7为模拟结果，通过模拟结果可以发现，无论是单孔吹气还是双孔吹气均能显著地降低漩涡的临界高度，抑制了漩涡卷渣现象的发生。