專利名稱：金屬熔池脈動氣體攪拌裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于金屬熔池底吹攪拌技術領域，具體的涉及ー種金屬熔池脈動氣體攪拌裝置。
背景技術：
現(xiàn)代煉鋼技術中，全球鋼產量的1/3是經由電爐生產的。電爐是ー個耗電大戶，如何讓實現(xiàn)提高電爐的生產率、降底消耗是行業(yè)內最求的目標。電爐生產時，利用電弧加熱熔化廢鋼并升溫鋼水，但電弧在加熱廢鋼和鋼水時，主要靠弧光和等離子體(溫度約4000 60000C )局部對廢鋼和鋼水加熱，局部加熱一方面減小了電弧對廢鋼(或其它金屬、合金)和金屬溶池的傳熱面積，從而影響整個電爐的電弧加熱的熱效率；另一方面局部金屬溶池的淺表面過熱，會造成表面金屬溶池表面金屬液少量汽化并與氧氣燃燒，降底了金屬收得率。 行業(yè)內解決這個問題的方法之一是在電爐上加裝底吹攪拌裝置和系統(tǒng)，增加電爐冶煉過程中進入固液混合狀態(tài)時，液態(tài)金屬的流動性來提高整個系統(tǒng)的傳熱和物流變化。這種技術是比較成功的，如《電弧爐底吹攪拌技術開發(fā)現(xiàn)狀》(《鋼鐵研究》第5期(總第80期)，1994. 9)和《直流電弧爐底吹氣體攪拌加深熔池冶煉技術》(《上海金屬》第20卷第2期，1998. 3)均公開了現(xiàn)有電弧爐底吹攪拌技術的現(xiàn)狀和取得的技術效果。雖然現(xiàn)有的電爐吹氣攪拌技術在一定程度上有效地克服了金屬熔池攪拌不足所帶來的問題，提高了生產率并降低了冶煉能耗和成本，但是，現(xiàn)有的電爐吹氣攪拌技術并沒有解決如何實現(xiàn)提高電爐淺熔池氣體攪拌的效率的技術問題。另外，雖然在《直流電弧爐底吹氣體攪拌加深熔池冶煉技術》中提出了電爐攪拌底吹的深熔池概念，但深熔池由于結構上的原因，在全量出鋼時會導致爐體傾動角度増大，按偏心爐底結構出鋼時，就會產生殘留鋼水量増多并增加出鋼操作難度。鑒于此，本實用新型g在探索ー種金屬熔池脈動氣體攪拌裝置，該金屬熔池脈動氣體攪拌裝置能夠有效提高電爐的生產效率并優(yōu)化爐型設計，還具有提高電爐生產溫度的均勻性、降底電爐生產的電耗、降低底吹氣體的消耗的有益效果，具有明顯的經濟效益。
發(fā)明內容本實用新型要解決的技術問題是提出ー種金屬熔池脈動氣體攪拌裝置，該金屬熔池脈動氣體攪拌裝置能夠有效提高電爐的生產效率并優(yōu)化爐型設計，還具有提高電爐生產溫度的均勻性、降底電爐生產的電耗、降低底吹氣體的消耗的有益效果，具有明顯的經濟效益。要實現(xiàn)上述技術目的，本實用新型首先提出了ー種金屬熔池脈動氣體攪拌裝置，包括設置在電爐底部的至少ー個透氣元件和與所述透氣元件相連的攪拌氣體供給裝置，所述攪拌氣體供給裝置包括供氣管路系統(tǒng)和與所述透氣元件一一對應設置的主管路，所述主管路分別與透氣元件和供氣管路系統(tǒng)相連，所述主管路上設有主控制閥和用于控制攪拌氣體不間斷脈動的脈動發(fā)生器。[0008]進ー步，所述脈動發(fā)生器包括快速切斷閥和與所述快速切斷閥并聯(lián)設置的常開通道；進ー步，所述常開通道上設有常開調節(jié)閥；進ー步，所述脈動發(fā)生器設置在靠近所述透氣元件的主管路上；進ー步，還包括與所述主控制閥和脈動發(fā)生器并聯(lián)設置的備用攪拌旁路，所述備用攪拌旁路上設有常閉調節(jié)閥；進ー步，還包括控制器，所述控制器分別與所述供氣管路系統(tǒng)、脈動發(fā)生器、常閉調節(jié)閥和主控制閥電連接；進ー步，所述透氣元件設置在所述電爐出鋼ロ附近和/或設置在所述電爐電弧加熱區(qū)附件和/或設置在所述電爐加料落料點附近。本實用新型的有益效果為本實用新型的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置通過在與透氣元件相連的主管路上設置脈動發(fā)生器，且脈動發(fā)生器包括快速切斷閥和與所述快速切斷閥并聯(lián)設置的常開通道，用于攪拌金屬熔池的攪拌氣體包括兩部分組成一小部分為經由常開通道的不間斷氣體，且不間斷氣體的最小流量大于等于透氣元件的最小通氣量，防止透氣元件因斷氣而堵塞，另ー大部分為經由快速切斷閥的脈動氣體，利用快速切斷閥的快速開閉功能，使得脈動氣體按一定周期規(guī)律脈動，不間斷氣體和脈動氣體匯合后形成連續(xù)不間斷且呈周期脈動的攪拌氣體，攪拌氣體經透氣元件進入電爐內的金屬溶液形成氣泡，在氣體壓力和金屬液體壓力釋放時體積膨脹，金屬液體對氣體加熱體積膨脹，氣泡井上浮，在金屬熔池內產生出脈動的攪拌效果。采用呈周期脈動的攪拌氣體并對攪拌氣體選用合適的脈動周期和脈動比、對脈動氣體選用合適的脈寬比，即使是對較淺的電爐而言，在同樣的攪拌氣體消耗前提下，攪拌效果以金屬溶液獲得的動能評估可以提高30% 50%以上，并可以取得與現(xiàn)有技術中在深熔池中連續(xù)攪拌相接近的攪拌效果，這對電爐爐型設計、電爐結構設計和電爐鋼生產エ藝操作帶來重大影響，克服了要提高現(xiàn)有電爐底吹攪拌效果必須増加電爐深度的技術限制。此處，本文所指的淺熔池電爐指金屬溶池的高徑比在O. 2^0. 25的電爐；較淺熔池電爐指金屬溶池的高徑比在O. 25、. 3的電爐；較深熔池電爐是指金屬溶池高徑比在O. 3^0. 4的電爐。

圖I為現(xiàn)有的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置結構示意圖；圖2為本實用新型的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置實施例結構示意圖；圖3為現(xiàn)有的連續(xù)氣體攪拌方法中的攪拌氣體波形示意圖；圖4為采用本實用新型金屬熔池脈動氣體攪拌裝置的攪拌氣體波形示意圖；圖5為現(xiàn)有的連續(xù)氣體攪拌方法中的連續(xù)底吹的鋼液速度分布圖；圖6為采用本實用新型金屬熔池脈動氣體攪拌裝置的脈沖底吹的鋼液速度分布圖，可看成高脈動比下的淺熔池脈動攪拌效果；圖7為采用本實用新型金屬熔池脈動氣體攪拌裝置的脈動底吹的鋼液速度分布圖。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作詳細說明。如圖2所示，為本實用新型的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置實施例結構示意圖。本實施例的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置，包括設置在電爐2底部的至少ー個透氣元件3和與所述透氣元件3相連的攪拌氣體供給裝置，所述攪拌氣體供給裝置包括供氣管路系統(tǒng)9和與所述透氣元件3 —一對應設置的主管路，所述主管路分別與透氣元件3和供氣管路系統(tǒng)9相連，所述主管路上設有主控制閥8和用于控制攪拌氣體4不間斷脈動脈動發(fā)生器5，即通過脈動發(fā)生器5的作用，使得攪拌氣體4不間斷且呈周期性脈動。優(yōu)選的，所述脈動發(fā)生器5包括快速切斷閥5a和與所述快速切斷閥5a并聯(lián)設置的常開通道，使得通過脈動發(fā)生器5控制的攪拌氣體4為不間斷的脈動氣體。如圖2所示，本實施例的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置的供氣管路系統(tǒng)9與現(xiàn)有的結構相同，供氣管路系統(tǒng)9對攪拌氣體4的流量、溫度和壓カ等參數(shù)進行設置，并提供攪拌氣體4高底壓切換和攪拌氣體4切斷等常規(guī)功能。主控制閥8用于對攪拌氣體4的總流量進行控制。 本實用新型的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置通過在與透氣元件3相連的主管路上設置脈動發(fā)生器5，且脈動發(fā)生器5包括快速切斷閥5a和與所述快速切斷閥5a并聯(lián)設置的常開通道，用于攪拌金屬熔池I的攪拌氣體4包括兩部分組成一小部分為經由常開通道的不間斷氣體，且不間斷氣體的最小流量大于等于透氣元件3的最小通氣量，防止透氣元件3因斷氣而堵塞，另ー大部分為經由快速切斷閥5a的脈動氣體，利用快速切斷閥的快速開閉功能，使得脈動氣體按一定周期規(guī)律脈動，不間斷氣體和脈動氣體匯合后形成連續(xù)不間斷且呈周期脈動的攪拌氣體4，攪拌氣體4經透氣元件3進入電爐2內的金屬溶液形成氣泡，在氣體壓力和金屬液體壓カ釋放時體積膨脹，金屬液體對氣體加熱體積膨脹，氣泡并上浮，在金屬熔池I內產生出脈動的攪拌效果。通過數(shù)值仿真證明，采用呈周期脈動的攪拌氣體4并對攪拌氣體4選用合適的脈動周期和脈動比、對脈動氣體選用合適的脈寬比，對較淺的金屬熔池I而言，在同樣的攪拌氣體4消耗前提下，攪拌效果以金屬溶液獲得的動能評估可以提高30% 50%以上，并可以取得與現(xiàn)有技術中在深熔池電爐中連續(xù)攪拌相接近的攪拌效果，這對電爐爐型設計、電爐結構設計和電爐鋼生產エ藝操作帶來重大影響，克服了要提高現(xiàn)有電爐底吹攪拌效果必須較大増加金屬熔池深度的技術限制。進ー步，所述常開通道上設有常開調節(jié)閥5b，由于不同的透氣元件3的不堵塞最小通氣量是不同的，且在實際生產中還有需要調節(jié)通過常開通道的不間斷氣體流量的需要，在常開通道上設置常開調節(jié)閥5b用于調節(jié)不間斷氣體的最小流量，不間斷氣體的流量可以通過常開調節(jié)閥5b離線設定。進ー步，所述脈動發(fā)生器5設置在靠近所述透氣元件3的主管路上，在靠近透氣元件3的主管路上設置脈動發(fā)生器5可獲得更好的脈動攪拌效果。本實施例的脈動發(fā)生器5設置在主控制閥8和透氣元件3之間。進ー步，本實施例的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置還包括與所述主控制閥8和脈動發(fā)生器5并聯(lián)設置的備用攪拌旁路7，所述備用攪拌旁路7上設有常閉調節(jié)閥，備用攪拌旁路7用于在流量控制閥8故障時提供備用。[0031]進ー步，本實施例的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置還包括控制器6，所述控制器6分別與所述供氣管路系統(tǒng)9、脈動發(fā)生器5、常閉調節(jié)閥和主控制閥8電連接，通過設置控制器6可控制攪拌氣體的脈動參數(shù)，如脈寬比、周期、各攪拌點脈動相位等。常開調節(jié)閥5b和主控制閥8可以由控制器6控制，并調節(jié)攪拌氣體的脈動比，控制器6為エ業(yè)控制機，如PLC。進一歩，所述透氣元件3設置在所述電爐2出鋼ロ附近和/或設置在所述電爐2電弧加熱區(qū)附近和/或設置在所述電爐2加料落料點附近，在生產中，金屬熔池I內可能產生的冷區(qū)冷點或過熱點均是透氣元件3需要加強攪拌的主要區(qū)域，如加料落料點附近和出鋼ロ附近等處的低溫區(qū)，以及電弧加熱區(qū)附近的高溫區(qū)，加強高溫區(qū)與低溫區(qū)的攪拌，能夠有效增強熔池的對流熱傳導，加快金屬熔化。綜上，與采用現(xiàn)有的連續(xù)氣體攪拌的金屬熔池相比，在相同攪拌氣體消耗下，采用本實施例的金屬熔池脈動氣體攪拌方法后，對連續(xù)廢鋼加料型的電爐而言，提高了落料區(qū)廢鋼的熔化和漂移速度，加快了電弧能對廢鋼的傳熱效率，提高了電爐系統(tǒng)的熱效率，節(jié)省電能；在電弧區(qū)采用脈動的攪拌氣體4攪拌后，攪拌效果提高，加速等離子體加熱的過熱金 屬液的擴散，提高熔池傳熱并降底金屬在超高溫度下的揮發(fā)，提高金屬收得率；在出鋼ロ附近安裝脈動氣體攪拌后，提高該冷區(qū)的與熱區(qū)的對流，降底出鋼ロ堵塞事故的發(fā)生概率。另外，從電爐操作和電爐裝備的開發(fā)考慮，采用脈動攪拌氣體攪拌后，在相同攪拌強度下，對同樣的設計目的，如側壁加料需要較深熔池的連續(xù)型生產爐型，爐型可以做得較淺，爐型設計得到改善，這樣，電爐傾動出鋼時傾角等可以較小，改善了對整個電爐設備的安全、維護、可靠度，并使得電爐操作性較為便利，電爐傾角在幾何結構上與熔池深度成正比的。下面通過具體實施例對采用本實用新型的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置的金屬熔池脈動攪拌方法的具體實施方式
進行詳細說明。本實施例采用如上所述金屬熔池脈動氣體攪拌裝置的金屬熔池脈動氣體攪拌方法，本方法中，依次經過所述脈動發(fā)生器5、主管路和透氣元件3后進入金屬熔池I的攪拌氣體4為流量呈周期性波動的不間斷氣體，且所述攪拌氣體4的最小流量大于等于所述透氣元件3不堵塞的最小通氣量。優(yōu)選的，所述攪拌氣體4流量大于所述攪拌氣體4的每個脈動周期中流量平均值的時間區(qū)域與所述周期的比值為O. 1-0. 9，所述攪拌氣體4流量最大值與最小值的比值為2-200，采用這樣的攪拌氣體4能夠獲得更好的脈動攪拌效果。進一歩，當所述透氣元件3的數(shù)量大于等于兩個時，通過每個所述透氣元件3的攪拌氣體的脈動相位通過在控制器6控制下的脈動發(fā)生器5單獨控制，并由所述控制器6實現(xiàn)矩陣控制。當金屬熔池I內采用多點脈動攪拌時，對各攪拌氣體的脈動波形可以選擇不同相位以實現(xiàn)攪拌效果的進一步優(yōu)化；當金屬熔池I內脈動點足夠多并布置合理時，攪拌氣體4可以在控制器6的作用下實現(xiàn)矩陣相位控制的脈動攪拌，并可以適度控制金屬熔池I的攪拌流動，如形成熔池波動或旋流。本文所述的脈動相位不同是指通過各個透氣元件3的攪拌氣體4脈動周期之間的時間差。下面結合具體的對比對采用本實施例的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置的金屬熔池脈動氣體攪拌方法進行詳細說明。圖3為現(xiàn)有的連續(xù)攪拌方法中的攪拌氣體波形示意圖，在電爐2的不同工作期內，現(xiàn)有的電爐底吹選擇了不同的吹氣攪拌流量，但在每個工作周期內，通過每個透氣元件3的攪拌氣體4的流量是相對穩(wěn)定的，稱為可調的連續(xù)吹氣攪拌。圖4為采用本實用新型金屬熔池脈動氣體攪拌裝置的攪拌氣體波形示意圖，在電爐2的不同工作期內，也選擇了不同的攪拌氣體4流量，但在每個工作期內，通過每個透氣元件3的攪拌氣體4的流量是按一定周期規(guī)律脈動的，在脈谷區(qū)，攪拌氣體排氣速度低于平均值，在脈峰區(qū)，攪拌氣體排氣速度高于平均值，稱為脈動氣體攪拌。如圖所示，在某個工作期內，攪拌氣體4的脈動周期T 一般遠遠小于工作期的時間長度，且本文中所述的脈寬比是指脈峰區(qū)平均時間寬度Tl與周期T的比值，即T1/T或Tl ; /T / ;本文種所述的脈動比是指脈波峰值V2與脈波谷值Vl之比，即V2/V1或V2丨/Vl ;。當脈動比為I時就是傳統(tǒng)的連續(xù)吹氣攪拌，當脈動比為無窮大時為脈沖氣體攪拌， 本文中當脈動比大于等于200時，攪拌效果接近于脈沖氣體攪拌。需要指出的是，盡管附圖中脈動波形是矩形的，但不僅僅限于矩形波，事實上，由于快速切斷閥5a開閉需要時間，以及閥后管路容積的緩沖效應等，波形會有一定變形，如變?yōu)樘菪蔚?；而快速切斷閥5a是指能夠對氣體通路進行切斷的機構裝置。值得注意的是，在本實用新型中脈動吹氣攪拌中脈波谷值決不能為O值，即攪拌氣體4的流量大于零，這是由于電爐2的生產エ況要求的，如果攪拌氣體4的流量為0，電爐溶池I內的金屬液容易在重力作用下滲入透氣元件3的細導氣管，會使得透氣元件3堵塞而導致系統(tǒng)失效。下面通過仿真設計對采用本實施例金屬熔池脈動裝置的金屬熔池脈動氣體攪拌方法進行分析。對實施例的金屬熔池脈動氣體攪拌方法評估基于數(shù)值仿真分析，分析時，通過對爐型進行簡化，假設電爐2上設有兩個透氣元件3，井分別對該金屬熔池I模型進行不間斷氣體攪拌、脈動氣體攪拌、脈沖氣體攪拌，并以不同的電爐2深度進行分析,仿真數(shù)據如下表
權利要求1.ー種金屬熔池脈動氣體攪拌裝置，包括設置在電爐底部的至少ー個透氣元件和與所述透氣元件相連的攪拌氣體供給裝置，其特征在于所述攪拌氣體供給裝置包括供氣管路系統(tǒng)和與所述透氣元件一一對應設置的主管路，所述主管路分別與透氣元件和供氣管路系統(tǒng)相連，所述主管路上設有主控制閥和用于控制攪拌氣體不間斷脈動的脈動發(fā)生器。
2.根據權利要求I所述的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置，其特征在于所述脈動發(fā)生器包括快速切斷閥和與所述快速切斷閥并聯(lián)設置的常開通道。
3.根據權利要求2所述的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置，其特征在于所述常開通道上設有常開調節(jié)閥。
4.根據權利要求3所述的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置，其特征在于所述脈動發(fā)生器設置在靠近所述透氣元件的主管路上。
5.根據權利要求4所述的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置，其特征在于還包括與所述主控制閥和脈動發(fā)生器并聯(lián)設置的備用攪拌旁路，所述備用攪拌旁路上設有常閉調節(jié)閥。
6.根據權利要求5所述的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置，其特征在于還包括控制器，所述控制器分別與所述供氣管路系統(tǒng)、脈動發(fā)生器、常閉調節(jié)閥和主控制閥電連接。
7.根據權利要求1-6任一項所述的金屬熔池脈動氣體攪拌裝置，其特征在于所述透氣元件設置在所述電爐出鋼ロ附近和/或設置在所述電爐電弧加熱區(qū)附件和/或設置在所述電爐加料落料點附近。
專利摘要本實用新型公開了一種金屬熔池脈動氣體攪拌裝置，包括設置在電爐底部的至少一個透氣元件和與透氣元件相連的攪拌氣體供給裝置，攪拌氣體供給裝置包括供氣管路系統(tǒng)和與所述透氣元件一一對應設置的主管路，主管路分別與透氣元件和供氣管路系統(tǒng)相連，主管路上設有主控制閥，所述主管路上還設有脈動發(fā)生器，所述脈動發(fā)生器包括快速切斷閥和與所述快速切斷閥并聯(lián)設置的常開通道。該金屬熔池脈動氣體攪拌裝置能夠有效提高電爐的生產效率并優(yōu)化爐型設計，還具有提高電爐生產溫度的均勻性、降低電爐生產的電耗、降低底吹氣體的消耗的有益效果，具有明顯的經濟效益。
文檔編號C21C5/52GK202450113SQ20122002299
公開日2012年9月26日 申請日期2012年1月18日 優(yōu)先權日2012年1月18日
發(fā)明者劉向東, 劉春霆, 廖遠, 楊寧川, 鐘渝, 黃其明 申請人:中冶賽迪工程技術股份有限公司