CN102296146A

CN102296146A - 一种金属缝隙式钢包底吹喷粉装置

Info

Publication number: CN102296146A
Application number: CN2011102351418A
Authority: CN
Inventors: 朱苗勇; 程中福
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2011-08-16
Filing date: 2011-08-16
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2031-08-16
Also published as: CN102296146B

Abstract

一种金属缝隙式钢包底吹喷粉装置，属于钢铁精炼技术领域，由金属缝隙式喷粉元件和蓄气室两大部分组成，所述金属缝隙式喷粉元件通过法兰连接螺栓与蓄气室连接；其中，金属缝隙式喷粉元件包括外部的金属壳和内部设有缝隙的耐火材料，所述缝隙内壁设有金属板，耐火材料底部设有金属底面，金属底面上设有通孔与缝隙连通，金属底面周边与金属壳连接，金属板底部与金属底面连接，金属板顶部位于缝隙顶部；本发明有效提高了喷粉冶炼强度，高温下强度高，将金属缝隙焊接在一起，牢固不容易变形，气密性好，喷吹稳定，制造成本低，粉气量可调节范围大，使用寿命长，安全可靠。

Description

一种金属缝隙式钢包底吹喷粉装置

技术领域

本发明属于钢铁精炼技术领域，特别涉及一种金属缝隙式钢包底吹喷粉装置。

背景技术

钢包底吹喷粉精炼是新兴的一项具有创造性和广阔应用前景的新技术，但由于钢包底喷粉工作环境比钢包底吹氩搅拌环境恶劣，钢包底喷粉工艺提出后面临着诸多技术问题待解决。喷粉冶炼过程当中，粉剂需经喷粉元件送入熔池内部，喷粉元件设计既要解决粉剂连续稳定喷入不发生堵塞，又要保证安全可靠避免发生漏钢事故，既要保证粉剂喷入量范围可调可控，又要求耐火材料耐磨耐蚀使用寿命长，它是钢包底喷粉工艺的核心元件。喷粉元件处在高温和强烈粉气流磨蚀环境当中，其设计和使用性能直接关系到喷粉成败，决定着钢包底喷粉工艺能否进行和推广应用。

目前钢包底喷粉精炼工艺中，有技术提出了采用狭缝式耐火材料进行钢包底喷粉精炼的工艺。该技术采用的喷粉元件内部由耐火材料形成缝隙，粉剂由蓄气室进入喷粉元件缝隙，透过缝隙进入钢包熔池，这种方式，利用气体作为载体，将反应物的固体粉粒直接喷射到钢包熔池深处，避免了粉剂与空气或熔渣的接触，扩大了放映界面积，增加了局部浓度梯度，加强了搅拌，从而加速了传质过程，与传统方式相比，其优点包括以下几方面：

(1)提高钢的质量：它能降低钢中氧和硫的含量，控制钢中氧化物和硫化物夹杂物形态，改善钢的切削性能，减小钢的各个方向异性和氢致裂纹敏感性等。而且也有利于夹杂物的聚合和上浮；(2)提高精炼效果：载气将反应物料吹入熔池深处，可以加快物料的熔化和溶解，而且也大大增强了反应面积，同时还强烈的搅拌了熔池，从而加快了传输和反应过程，使熔池获得了较好的动力学条件；(3)粉剂直接喷入熔池深处，避免了与空气和熔渣的接触，防止了它们的氧化，因而提高了合金的收得率，另外，喷粉能更好的解决微量合金元素、炼钢温度下蒸汽压很高的元素和放散有毒的气体元素的加入问题；(4)能精确的调整钢水成分，使钢的质量更加稳定；(5)设备简单，投资少，操作费用少，灵活性大，工作环境好；(6)提高熔炼炉的生产能力。

虽然该喷粉元件在钢包底吹喷粉领域取得一定成效，但存在明显的缺点：

(1)底吹喷粉用喷粉元件缝隙由耐火材料构成，耐火材料与粉剂直接接触，受粉气流磨蚀严重，长期经受粉气流冲刷导致缝隙宽度变大，钢液渗入缝隙而堵塞缝隙，严重时容易引发漏钢事故，因此，喷粉用耐火材料使用寿命短；

(2)从安全角度考虑，为避免发生漏钢事故，耐火材料缝隙宽度设计要尽量小些，这导致粉气流在缝隙内阻力变大，气力输送压力损失大，钢包内粉气流穿透力降低，影响喷吹冶炼效果。

发明内容

为克服现有技术存在的不足，本发明提出一种金属缝隙式钢包底吹喷粉装置，通过金属缝隙，解决粉气流对喷粉用耐火材料缝隙内壁强烈磨蚀和喷粉过程压力损失大等问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种金属缝隙式钢包底吹喷粉装置，由金属缝隙式喷粉元件和蓄气室两大部分组成，所述金属缝隙式喷粉元件通过法兰连接螺栓与蓄气室连接；

其中，金属缝隙式喷粉元件包括外部的金属壳和内部设有缝隙的耐火材料，所述缝隙内壁设有金属板，耐火材料底部设有金属底面，金属底面上设有通孔与缝隙连通，金属底面周边与金属壳连接，金属板底部与金属底面连接，金属板顶部位于缝隙顶部；

所述的金属板，其材质包括：不锈钢、耐热不锈钢、碳素无缝管；

所述的金属板的厚度为：0.05～20mm；

所述的金属底面，其材质包括：不锈钢、耐热不锈钢、碳素无缝管；

所述的金属底板的厚度为：0.05～20mm；

所述的通孔尺寸与缝隙相同。

本发明优点：包括以下几方面：(1)使用寿命长，安全可靠：金属缝隙对耐火材料起了增强作用，使砖不易剥落、开裂，磨蚀程度小，不会出现因磨损导致耐火材料缝隙厚度变宽而失去使用性能，提高了喷粉元件使用寿命，降低了成本；(2)有效提高了喷粉冶炼强度：金属缝隙内壁阻力小，粉气流压力损失小，能以更高动能喷入钢包，在同等喷吹条件下，使用该喷粉元件可在钢包熔池内获得更高动能的射流，射流特性直接影响射流的穿透能力、粉粒的侵入量、气-固-液之间的反应效果、金属液的流动和耐火材料侵蚀等，射流动能足够高时，颗粒均匀分布于缝隙横截面内，形成具有和单相流体特性相类似的均相流动，喷吹冶炼效果更佳；(3)高温下强度高，金属缝隙焊接在一起，牢固不容易变形，气密性好，喷吹稳定；(4)应用范围广，制造成本低，可根据冶金效果的要求，可生产制造多种样式的钢包底喷粉元件，如直线缝隙式喷粉元件，环形缝隙式喷粉元件等，满足各类生产条件需求；(5)粉气量可调节范围大：根据冶金喷粉强度设计缝隙总长度和缝隙条数，缝隙设计大大改善了粉气流的动力学条件，使钢包喷粉工艺成为可能，粉气量可调范围大，可满足各种条件下的钢包底喷粉要求。

附图说明

图1为本发明一种金属缝隙式钢包底吹喷粉元件的组装图；

图2为本发明一种金属缝隙式钢包底吹喷粉元件金属直线缝隙式喷粉元件示意图；

图3(a)为本发明一种金属缝隙式钢包底吹喷粉元件金属直线缝隙式喷粉元件俯视图；

图3(b)为本发明一种金属缝隙式钢包底吹喷粉元件金属直线缝隙式喷粉元件金属缝隙放大图；

图3(c)为本发明一种金属缝隙式钢包底吹喷粉元件金属直线缝隙式喷粉元件主视图；

图4(a)为本发明一种金属缝隙式钢包底吹喷粉元件金属环形缝隙式喷粉元件俯视图；

图4(b)为本发明一种金属缝隙式钢包底吹喷粉元件金属环形缝隙式喷粉元件主视图；

图中，1、耐火材料；2、缝隙；3、金属板；4、金属壳；5、金属底面；6、法兰连接螺栓；7、蓄气室腔；8、粉气流输送管；9、螺孔；I、金属缝隙式喷粉元件；II、蓄气室。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种金属缝隙式钢包底吹喷粉元件制备原理如下：金属缝隙壁、金属底面以及金属外壳预先焊成一体，然后均匀密实填充耐火材料，并对喷粉元件的每根缝隙定位，要求连接处不存在空隙，耐火材料与金属紧密连接，喷粉元件加固成型后，根据现场筑炉要求，对喷粉元件进行机械加工(车、切、刨、磨等)，以保证元件外形尺寸及精度符合砌筑要求，与周围炉衬匹配，同时应对喷粉元件的每根粉气流通道(缝隙)进行检查、清理，保证每条缝隙畅通；

材质要求包括：耐火材料要求气孔率低、体积密度高，高温下承受载荷时具有抵抗变形和断裂的能力，并且耐磨损、抗侵蚀；金属壳和金属底面材质可采用具有一定高温强度的金属材料，本处给出不锈钢钢板或碳素钢板作为设计时参考；金属板采用高温强度高、耐磨损、耐侵蚀的金属材质，例如不锈钢、耐热不锈钢或碳素无缝管等。

如图1所示，为本发明一种金属缝隙式钢包底吹喷粉元件的组装图，由金属缝隙式喷粉元件I和蓄气室II组成，金属缝隙式喷粉元件I通过法兰连接螺栓6与蓄气室II连接；

所述的金属缝隙式喷粉元件I包括耐火材料1、缝隙2、金属板3、金属壳4和金属底面5，所述的金属缝隙式喷粉元件I呈圆台状，其外面包有金属壳4，其内部是设有缝隙2的耐火材料1，所述缝隙2内壁设有金属板3，耐火材料1底部设有金属底面5，金属底面5上设有通孔与缝隙2连通，金属底面5周边与金属壳4连接，金属板3底部与金属底面5连接，金属板3顶部位于缝隙顶部；

所述的金属板采用其材质包括：不锈钢、耐热不锈钢或碳素无缝管；

所述的金属板的厚度为1.0mm；

所述的金属底面采用其材质包括：不锈钢、耐热不锈钢或碳素无缝管；

所述的金属底板的厚度为：1.0mm；

所述的通孔的尺寸与缝隙相同；

所述的金属缝隙的宽度范围为：δ＝0.05～1.00mm；

所述的缝隙条数的范围为：n＝8～60；

所述的耐火材料内径范围为：Φ₁＝6～300mm；

所述的耐火材料外径范围为：Φ₂＝30～400mm；

所述的金属缝隙式喷粉元件高度范围为：H₀＝60～800mm；

实施例1：

本实施例设计一种金属直线缝隙式喷粉元件，其外形如图2所示，该金属直线缝隙式喷粉元件呈圆台状，其外部设有金属壳4，内部设有透气砖1，透气砖1中设有缝隙2，所述缝隙2呈长方形，其内壁设有金属板3，透气砖1底部设有金属底面5，金属底面5上设有通孔与缝隙2连通，金属底面5周边与金属壳4连接，金属板3底部与金属底面5连接，金属板3顶部位于缝隙顶部；

其金属缝隙呈直线型，如图3(a)～3(c)所示，其各参数设计如下：

(1)所述的耐火材料内径Φ₁的选择如下：既要避免砖心内径过小导致粉气流在钢包熔池内聚合形成大气泡布袋，又要避免砖心内径过大，降低射流穿透力，综上，本实施例取砖心内径Φ₁＝15mm；

(2)所述的金属缝隙，其参数选择如下：

缝隙宽度δ的取值：本实施例中，选择熔池内钢液深度大于2m的钢包，理论上缝隙厚度必须小于0.15mm才不会发生漏钢，实际上供气元件缝隙厚度为几百微米时也不能发生漏钢，这是由于耐火材料在高温钢液的作用下产生一种胶状液膜阻止了钢液渗入缝隙，耐火材料表面的粗糙程度也会影响钢液渗入缝隙，为避免漏钢事故的发生和达到最佳喷吹效果，本实施例中透气砖的宽度取值为δ＝0.15mm；

缝隙长度B、缝隙数目n及缝隙布置方式的选取：根据喷粉冶炼强度计算粉气流通过总界面积，然后确定缝隙长度B和缝隙数目n，缝隙围绕透气砖砖芯均匀布置，采用直线缝隙设计，一般认为，缝隙的B/δ＞10时，可忽略缝隙两端边界的影响，本实施例取缝隙长度B＝15mm，缝隙数目取n＝16；

(3)所述的耐火材料Φ₂的选择如下：在保证透气砖强度的前提下，按照透气砖砖芯内径和缝隙布置方式取值，本实施例中取Φ₂＝66mm；

(4)所述的金属缝隙式喷粉元件高度设计如下：金属缝隙式喷粉元件高度由钢包底部厚度、粉剂在缝隙内加速长度、侵蚀速度等因素决定，在保证安全可行的喷吹条件下，应尽量缩短喷粉元件高度，以减少沿程压力损失；而喷粉精炼所用粉剂一般在300目以下，粉剂加速度段不超过100mm，喷粉对缝隙厚度影响较大，但对缝隙长度的影响较小，可沿用吹氩搅拌用透气砖侵蚀速度来判定，本实施例取透气砖的侵蚀速度平均为5mm/次，本实施例中金属缝隙式喷粉元件高度取值为H₀＝200mm。

实施例2：

本实施例设计一种金属环形缝隙式喷粉元件，其结构如图4(a)、图4(b)所示，具体结构包括耐火材料1、缝隙2、金属板3、金属壳4和金属底面5，内部设有透气砖1，透气砖1中设有缝隙2，所述缝隙2呈环形，其内壁设有金属板3，透气砖1底部设有金属底面5，金属底面5上设有通孔与缝隙2连通，金属底面5周边与金属壳4连接，金属板3底部与金属底面5连接，金属板3顶部位于缝隙顶部；

其具体参数设计如下：

(1)所述的耐火材料其内径Φ₁取值为：避免砖心内径过小导致粉气流在钢包熔池内聚合形成大气泡布袋，又要避免砖心内径过大，降低射流穿透力，综上，本实施例取砖心内径Φ₁＝20mm；

(2)所述的耐火材料其外径Φ₂取值为：在保证透气砖强度的前提下，按照透气砖砖芯内径和缝隙布置方式取值，本实施例中取Φ₂＝80mm；

(3)所述的环形缝隙彼此之间的间距设计为：在保证透气砖强度，避免热应力集中，考虑加工难度和射流衰减，Δd＝3～7mm；

(4)所述的环形金属缝隙，其缝隙宽度的取值为：为避免漏钢事故的发生和达到最佳喷吹效果，本实施例中透气砖的宽度取值为δ＝0.15mm；

(5)所述的金属环形缝隙式喷粉元件高度的取值为：本实施例中金属缝隙式喷粉元件高度取值为H₀＝200mm；

(6)所述的环形缝隙条数为n＝2～10条。

Claims

1.一种金属缝隙式钢包底吹喷粉装置，由金属缝隙式喷粉元件和蓄气室组成，所述金属缝隙式喷粉元件与蓄气室连接，其特征在于：所述金属缝隙式喷粉元件包括外部的金属壳和内部设有缝隙的耐火材料，所述缝隙内壁设有金属板，耐火材料底部设有金属底面，金属底面上设有通孔与缝隙连通，金属底面周边与金属壳连接，金属板底部与金属底面连接，金属板顶部位于缝隙顶部。

2.根据权利要求1所述的金属缝隙式钢包底吹喷粉装置，其特征在于：所述的金属板，其材质包括：不锈钢、耐热不锈钢、碳素无缝管。

3.根据权利要求1所述的金属缝隙式钢包底吹喷粉装置，其特征在于：所述的金属板的厚度为：0.05～20mm。

4.根据权利要求1所述的金属缝隙式钢包底吹喷粉装置，其特征在于：所述的金属底面，其材质包括：不锈钢、耐热不锈钢、碳素无缝管。

5.根据权利要求1所述的金属缝隙式钢包底吹喷粉装置，其特征在于：所述的金属底板的厚度为：0.05～20mm。

6.根据权利要求1所述的金属缝隙式钢包底吹喷粉装置，其特征在于：所述的通孔尺寸与缝隙相同。