专利名称：金属熔池脉动气体搅拌装置及方法
技术领域：
本发明属于金属熔池底吹搅拌技术领域，具体的涉及一种金属熔池脉动气体搅拌装置及方法。
背景技术：
现代炼钢技术中，全球钢产量的1/3是经由电炉生产的。电炉是一个耗电大户，如何让实现提高电炉的生产率、降底消耗是行业内最求的目标。电炉生产时，利用电弧加热熔化废钢并升温钢水，但电弧在加热废钢和钢水时，主要靠弧光和等离子体(温度约4000 6000°C )局部对废钢和钢水加热，局部加热一方面减小了电弧对废钢(或其它金属、合金)和金属溶池的传热面积，从而影响整个电炉的电弧加热的热效率；另一方面局部金属溶池的浅表面过热，会造成表面金属溶池表面金属液少量汽化并与氧气燃烧，降底了金属收得率。行业内解决这个问题的方法之一是在电炉上加装底吹搅拌装置和系统，增加电炉冶炼过程中进入固液混合状态时，液态金属的流动性来提高整个系统的传热和物流变化。 这种技术是比较成功的，如《电弧炉底吹搅拌技术开发现状》(《钢铁研究》第5期(总第80 期)，1994. 9)和《直流电弧炉底吹气体搅拌加深熔池冶炼技术》(《上海金属》第20卷第2 期，1998. 3)均公开了现有电弧炉底吹搅拌技术的现状和取得的技术效果。虽然现有的电炉吹气搅拌技术在一定程度上有效地克服了金属熔池搅拌不足所带来的问题，提高了生产率并降低了冶炼能耗和成本，但是，现有的电炉吹气搅拌技术并没有解决如何实现提高电炉浅熔池气体搅拌的效率的技术问题。另外，虽然在《直流电弧炉底吹气体搅拌加深熔池冶炼技术》中提出了电炉搅拌底吹的深熔池概念，但深熔池由于结构上的原因，在全量出钢时会导致炉体倾动角度增大，按偏心炉底结构出钢时，就会产生残留钢水量增多并增加出钢操作难度。鉴于此，本发明旨在探索一种金属熔池脉动气体搅拌装置及方法，该金属熔池脉动气体搅拌装置及方法能够有效提高电炉的生产效率并优化炉型设计，还具有提高电炉生产温度的均勻性、降底电炉生产的电耗、降低底吹气体的消耗的有益效果，具有明显的经济效益。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种金属熔池脉动气体搅拌装置及采用该金属熔池脉动气体搅拌装置生产电炉钢的方法，本发明的金属熔池脉动气体搅拌装置及方法能够有效提高电炉的生产效率并优化炉型设计，还具有提高电炉生产温度的均勻性、降底电炉生产的电耗、降低底吹气体的消耗的有益效果，具有明显的经济效益。要实现上述技术目的，本发明首先提出了一种金属熔池脉动气体搅拌装置，包括设置在电炉底部的至少一个透气元件和与所述透气元件相连的搅拌气体供给装置，其特征在于所述搅拌气体供给装置包括供气管路系统和与所述透气元件一一对应设置的主管路，所述主管路分别与透气元件和供气管路系统相连，所述主管路上设有主控制阀和脉动发生器，所述脉动发生器包括快速切断阀和与所述快速切断阀并联设置的常开通道。进一步，所述常开通道上设有常开调节阀；
进一步，所述脉动发生器设置在靠近所述透气元件的主管路上； 进一步，还包括与所述主控制阀和脉动发生器并联设置的备用搅拌旁路，所述备用搅拌旁路上设有常闭调节阀；
进一步，还包括控制器，所述控制器分别与所述供气管路系统、脉动发生器、常闭调节阀和主控制阀电连接；
进一步，所述透气元件设置在所述电炉出钢口附近和/或设置在所述电炉电弧加热区附件和/或设置在所述电炉加料落料点附近。本发明还提出了一种采用如上所述金属熔池脉动气体搅拌装置的金属熔池脉动气体搅拌方法，依次经过所述脉动发生器、主管路和透气元件后进入金属熔池的搅拌气体为流量呈周期性波动的不间断气体，且所述搅拌气体的最小流量大于等于所述透气元件不堵塞的最小通气量。金属熔池不间断气体不间断气体搅拌气体进入金属熔池后在金属溶液内形成气泡，在气体压力和金属液体压力释放时体积膨胀，另外，金属液体对气体加热体积膨胀，气泡上浮并搅拌金属溶液。进一步，所述搅拌气体的每个脉动周期中流量大于所述脉动气体流量平均值的时间区域与所述周期的比值为0. 1-0. 9 ；
进一步，所述搅拌气体流量最大值与最小值的比值为2-200 ；
进一步，当所述透气元件的数量大于等于两个时，通过每个所述透气元件的搅拌气体的脉动相位通过所述脉动发生器单独控制，并由所述控制器实现矩阵控制。本发明的有益效果为
本发明的金属熔池脉动气体搅拌装置通过在与透气元件相连的主管路上设置脉动发生器，且脉动发生器包括快速切断阀和与所述快速切断阀并联设置的常开通道，用于搅拌金属熔池的搅拌气体包括两部分组成一小部分为经由常开通道的不间断气体，且不间断气体的最小流量大于等于透气元件的最小通气量，防止透气元件因断气而堵塞，另一大部分为经由快速切断阀的脉动气体，利用快速切断阀的快速开闭功能，使得脉动气体按一定周期规律脉动，不间断气体和脉动气体汇合后形成连续不间断且呈周期脉动的搅拌气体， 搅拌气体经透气元件进入电炉内的金属溶液形成气泡，在气体压力和金属液体压力释放时体积膨胀，金属液体对气体加热体积膨胀，气泡并上浮，在金属熔池内产生出脉动的搅拌效
: O采用呈周期脉动的搅拌气体并对搅拌气体选用合适的脉动周期和脉动比、对脉动气体选用合适的脉宽比，即使是对较浅的电炉而言，在同样的搅拌气体消耗前提下，搅拌效果以金属溶液获得的动能评估可以提高30% 50%以上，并可以取得与现有技术中在深熔池中连续搅拌相接近的搅拌效果，这对电炉炉型设计、电炉结构设计和电炉钢生产工艺操作带来重大影响，克服了要提高现有电炉底吹搅拌效果必须增加电炉深度的技术限制。 此处，本文所指的浅熔池电炉指金属溶池的高径比在0. 2^0. 25的电炉；较浅熔池电炉指金属溶池的高径比在0. 25、. 3的电炉；较深熔池电炉是指金属溶池高径比在0. 3^0. 4的电炉。
图1为现有的金属熔池脉动气体搅拌装置结构示意图2为本发明的金属熔池脉动气体搅拌装置实施例结构示意图； 图3为现有的连续气体搅拌方法中的搅拌气体波形示意图； 图4为采用本发明金属熔池脉动气体搅拌方法的搅拌气体波形示意图； 图5为现有的连续气体搅拌方法中的连续底吹的钢液速度分布图； 图6为采用本发明金属熔池脉动气体搅拌方法中的脉冲底吹的钢液速度分布图，可看成高脉动比下的浅熔池脉动搅拌效果；
图7为采用本发明金属熔池脉动气体搅拌方法中的脉动底吹的钢液速度分布图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作详细说明。如图2所示，为本发明的金属熔池脉动气体搅拌装置实施例结构示意图。本实施例的金属熔池脉动气体搅拌装置，包括设置在电炉2底部的至少一个透气元件3和与所述透气元件3相连的搅拌气体供给装置，所述搅拌气体供给装置包括供气管路系统9和与所述透气元件3 —一对应设置的主管路，所述主管路分别与透气元件3和供气管路系统9相连，所述主管路上设有主控制阀8和脉动发生器5，所述脉动发生器包括快速切断阀fe和与所述快速切断阀如并联设置的常开通道。如图2所示，本实施例的金属熔池脉动气体搅拌装置的供气管路系统9与现有的结构相同，供气管路系统9对搅拌气体4的流量、温度和压力等参数进行设置，并提供搅拌气体4高底压切换和搅拌气体4切断等常规功能。主控制阀8用于对搅拌气体4的总流量进行控制。本发明的金属熔池脉动气体搅拌装置通过在与透气元件3相连的主管路上设置脉动发生器5，且脉动发生器5包括快速切断阀fe和与所述快速切断阀fe并联设置的常开通道，用于搅拌金属熔池1的搅拌气体4包括两部分组成一小部分为经由常开通道的不间断气体，且不间断气体的最小流量大于等于透气元件3的最小通气量，防止透气元件3因断气而堵塞，另一大部分为经由快速切断阀fe的脉动气体，利用快速切断阀的快速开闭功能，使得脉动气体按一定周期规律脉动，不间断气体和脉动气体汇合后形成连续不间断且呈周期脉动的搅拌气体4，搅拌气体4经透气元件3进入电炉2内的金属溶液形成气泡，在气体压力和金属液体压力释放时体积膨胀，金属液体对气体加热体积膨胀，气泡并上浮，在金属熔池1内产生出脉动的搅拌效果。通过数值仿真证明，采用呈周期脉动的搅拌气体4并对搅拌气体4选用合适的脉动周期和脉动比、对脉动气体选用合适的脉宽比，对较浅的金属熔池1而言，在同样的搅拌气体4消耗前提下，搅拌效果以金属溶液获得的动能评估可以提高30% 50%以上，并可以取得与现有技术中在深熔池电炉中连续搅拌相接近的搅拌效果，这对电炉炉型设计、电炉结构设计和电炉钢生产工艺操作带来重大影响，克服了要提高现有电炉底吹搅拌效果必须较大增加金属熔池深度的技术限制。进一步，所述常开通道上设有常开调节阀恥，由于不同的透气元件3的不堵塞最小通气量是不同的，且在实际生产中还有需要调节通过常开通道的不间断气体流量的需要，在常开通道上设置常开调节阀恥用于调节不间断气体的最小流量，不间断气体的流量可以通过常开调节阀恥离线设定。进一步，所述脉动发生器5设置在靠近所述透气元件3的主管路上，在靠近透气元件3的主管路上设置脉动发生器5可获得更好的脉动搅拌效果。本实施例的脉动发生器5 设置在主控制阀8和透气元件3之间。进一步，本实施例的金属熔池脉动气体搅拌装置还包括与所述主控制阀8和脉动发生器5并联设置的备用搅拌旁路7，所述备用搅拌旁路7上设有常闭调节阀，备用搅拌旁路7用于在流量控制阀8故障时提供备用。进一步，本实施例的金属熔池脉动气体搅拌装置还包括控制器6，所述控制器6分别与所述供气管路系统9、脉动发生器5、常闭调节阀和主控制阀8电连接，通过设置控制器 6可控制搅拌气体的脉动参数，如脉宽比、周期、各搅拌点脉动相位等。常开调节阀恥和主控制阀8可以由控制器6控制，并调节搅拌气体的脉动比，控制器6为工业控制机，如PLC。进一步，所述透气元件3设置在所述电炉2出钢口附近和/或设置在所述电炉2 电弧加热区附近和/或设置在所述电炉2加料落料点附近，在生产中，金属熔池1内可能产生的冷区冷点或过热点均是透气元件3需要加强搅拌的主要区域，如加料落料点附近和出钢口附近等处的低温区，以及电弧加热区附近的高温区，加强高温区与低温区的搅拌，能够有效增强熔池的对流热传导，加快金属熔化。综上，与采用现有的连续气体搅拌的金属熔池相比，在相同搅拌气体消耗下，采用本实施例的金属熔池脉动气体搅拌方法后，对连续废钢加料型的电炉而言，提高了落料区废钢的熔化和漂移速度，加快了电弧能对废钢的传热效率，提高了电炉系统的热效率，节省电能；在电弧区采用脉动的搅拌气体4搅拌后，搅拌效果提高，加速等离子体加热的过热金属液的扩散，提高熔池传热并降底金属在超高温度下的挥发，提高金属收得率；在出钢口附近安装脉动气体搅拌后，提高该冷区的与热区的对流，降底出钢口堵塞事故的发生概率。另外，从电炉操作和电炉装备的开发考虑，采用脉动搅拌气体搅拌后，在相同搅拌强度下，对同样的设计目的，如侧壁加料需要较深熔池的连续型生产炉型，炉型可以做得较浅，炉型设计得到改善，这样，电炉倾动出钢时倾角等可以较小，改善了对整个电炉设备的安全、维护、可靠度，并使得电炉操作性较为便利，电炉倾角在几何结构上与熔池深度成正比的。下面通过具体实施例对本发明的金属熔池脉动气体搅拌方法的具体实施方式
进行详细的说明。本实施例采用如上所述金属熔池脉动气体搅拌装置的金属熔池脉动气体搅拌方法为，依次经过所述脉动发生器5、主管路和透气元件3后进入金属熔池1的搅拌气体4为流量呈周期性波动的不间断气体，且所述搅拌气体4的最小流量大于等于所述透气元件3 不堵塞的最小通气量。优选的，所述搅拌气体4流量大于所述搅拌气体4的每个脉动周期中流量平均值的时间区域与所述周期的比值为0. 1-0. 9，所述搅拌气体4流量最大值与最小值的比值为2-200，采用这样的搅拌气体4能够获得更好的脉动搅拌效果。进一步，当所述透气元件3的数量大于等于两个时，通过每个所述透气元件3的搅拌气体的脉动相位通过在控制器6控制下的脉动发生器5单独控制，并由所述控制器6实现矩阵控制。当金属熔池1内采用多点脉动搅拌时，对各搅拌气体的脉动波形可以选择不同相位以实现搅拌效果的进一步优化；当金属熔池1内脉动点足够多并布置合理时，搅拌气体4可以在控制器6的作用下实现矩阵相位控制的脉动搅拌，并可以适度控制金属熔池 1的搅拌流动，如形成熔池波动或旋流。本文所述的脉动相位不同是指通过各个透气元件3 的搅拌气体4脉动周期之间的时间差。下面结合具体的对比对本实施例的金属熔池脉动气体搅拌方法进行详细说明。图3为现有的连续搅拌方法中的搅拌气体波形示意图，在电炉2的不同工作期内， 现有的电炉底吹选择了不同的吹气搅拌流量，但在每个工作周期内，通过每个透气元件3 的搅拌气体4的流量是相对稳定的，称为可调的连续吹气搅拌。图4为采用本发明金属熔池脉动气体搅拌方法的搅拌气体波形示意图，在电炉2 的不同工作期内，也选择了不同的搅拌气体4流量，但在每个工作期内，通过每个透气元件 3的搅拌气体4的流量是按一定周期规律脉动的，在脉谷区，搅拌气体排气速度低于平均值，在脉峰区，搅拌气体排气速度高于平均值，称为脉动气体搅拌。如图所示，在某个工作期内，搅拌气体4的脉动周期T 一般远远小于工作期的时间长度，且本文中所述的脉宽比是指脉峰区平均时间宽度Tl与周期T的比值，即T1/T或 Tl ‘ /T ‘；本文种所述的脉动比是指脉波峰值V2与脉波谷值Vl之比，即V2/V1或V2丨 /Vl ‘。当脉动比为1时就是传统的连续吹气搅拌，当脉动比为无穷大时为脉冲气体搅拌， 本文中当脉动比大于等于200时，搅拌效果接近于脉冲气体搅拌。需要指出的是，尽管附图中脉动波形是矩形的，但不仅仅限于矩形波，事实上，由于快速切断阀fe开闭需要时间，以及阀后管路容积的缓冲效应等，波形会有一定变形，如变为梯形等；而快速切断阀如是指能够对气体通路进行切断的机构装置。值得注意的是，在本发明中脉动吹气搅拌中脉波谷值决不能为0值，即搅拌气体4 的流量大于零，这是由于电炉2的生产工况要求的，如果搅拌气体4的流量为0，电炉溶池1 内的金属液容易在重力作用下渗入透气元件3的细导气管，会使得透气元件3堵塞而导致系统失效。下面通过仿真设计对本实施例的金属熔池脉动气体搅拌方法进行分析。对实施例的金属熔池脉动气体搅拌方法评估基于数值仿真分析，分析时，通过对炉型进行简化，假设电炉2上设有两个透气元件3，并分别对该金属熔池1模型进行不间断气体搅拌、脉动气体搅拌、脉冲气体搅拌，并以不同的电炉2深度进行分析，仿真数据如下表
权利要求
1.一种金属熔池脉动气体搅拌装置，包括设置在电炉底部的至少一个透气元件和与所述透气元件相连的搅拌气体供给装置，其特征在于所述搅拌气体供给装置包括供气管路系统和与所述透气元件一一对应设置的主管路，所述主管路分别与透气元件和供气管路系统相连，所述主管路上设有主控制阀和脉动发生器，所述脉动发生器包括快速切断阀和与所述快速切断阀并联设置的常开通道。
2.根据权利要求1所述的金属熔池脉动气体搅拌装置，其特征在于所述常开通道上设有常开调节阀。
3.根据权利要求2所述的金属熔池脉动气体搅拌装置，其特征在于所述脉动发生器设置在靠近所述透气元件的主管路上。
4.根据权利要求3所述的金属熔池脉动气体搅拌装置，其特征在于还包括与所述主控制阀和脉动发生器并联设置的备用搅拌旁路，所述备用搅拌旁路上设有常闭调节阀。
5.根据权利要求4所述的金属熔池脉动气体搅拌装置，其特征在于还包括控制器，所述控制器分别与所述供气管路系统、脉动发生器、常闭调节阀和主控制阀电连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的金属熔池脉动气体搅拌装置，其特征在于所述透气元件设置在所述电炉出钢口附近和/或设置在所述电炉电弧加热区附件和/或设置在所述电炉加料落料点附近。
7.一种采用如权利要求1-6任一项所述金属熔池脉动气体搅拌装置的金属熔池脉动气体搅拌方法，其特征在于依次经过所述脉动发生器、主管路和透气元件后进入金属熔池的搅拌气体为流量呈周期性波动的不间断气体，且所述搅拌气体的最小流量大于等于所述透气元件不堵塞的最小通气量。
8.根据权利要求7所述的金属熔池脉动气体搅拌方法，其特征在于所述搅拌气体的每个脉动周期中流量大于所述搅拌气体流量平均值的时间区域与所述周期的比值为 0. 1-0. 9。
9.根据权利要求8所述的金属熔池脉动气体搅拌方法，其特征在于所述搅拌气体流量最大值与最小值的比值为2-200。
10.根据权利要求9所述的金属熔池脉动气体搅拌方法，其特征在于当所述透气元件的数量大于等于两个时，通过每个所述透气元件的搅拌气体的脉动相位通过所述脉动发生器单独控制，并由所述控制器实现矩阵控制。
全文摘要
本发明公开了一种金属熔池脉动气体搅拌装置，包括设置在电炉底部的至少一个透气元件和与透气元件相连的搅拌气体供给装置，搅拌气体供给装置包括供气管路系统和与所述透气元件一一对应设置的主管路，主管路分别与透气元件和供气管路系统相连，主管路上设有主控制阀，所述主管路上还设有脉动发生器，所述脉动发生器包括快速切断阀和与所述快速切断阀并联设置的常开通道。还公开了一种金属熔池脉动气体搅拌方法，分别通过所述常开通道的不间断气体和通过所述快速切断阀的脉动气体汇聚后形成搅拌气体，所述搅拌气体通过所述透气元件进入金属熔池，所述不间断气体的最小流量大于等于所述透气元件不堵塞的最小通气量，所述脉动气体的流量呈周期性波动。
文档编号F27D27/00GK102559993SQ201210015429
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月18日 优先权日2012年1月18日
发明者刘向东, 刘春霆, 廖远, 杨宁川, 钟渝, 黄其明 申请人:中冶赛迪工程技术股份有限公司