本發(fā)明屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種吹氬氣防止鋼包出鋼過程中漩渦卷渣的方法。

背景技術(shù)：

隨著航天、交通、石油和汽車等各行業(yè)的不斷發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)︿摬男阅艿囊髣t不斷提高，因此，如何降低鋼中夾雜物，提高鋼的潔凈度，進而提高鋼材質(zhì)量，得到高性能高品質(zhì)鋼材是鋼鐵企業(yè)廣泛關(guān)注的問題之一。而連鑄過程是潔凈鋼生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，對鋼的潔凈度影響非常大，其中鋼包出鋼過程中產(chǎn)生的漩渦卷渣現(xiàn)象便嚴重影響了鋼液的潔凈度，污染了鋼液，同時還會帶來鋼包內(nèi)襯被腐蝕、水口堵塞、鋼渣清理困難等危害。

漩渦卷渣具體的形成過程為：當水口打開后，由于鋼包內(nèi)鋼液自身重力所產(chǎn)生的靜壓力差不再平衡，促使鋼液不斷從鋼包流入中間包，液面開始不斷下降；當重力提供的能量不足時，四周的流體不能及時填補掉流出水口的流體體積，液面便開始出現(xiàn)凹陷；然后凹陷呈圓錐狀不斷向下延伸至水口，這樣便逐步形成了人們視覺中可以觀察到的漩渦。漩渦的尖端到達水口處時的液面高度被定義為臨界高度，當液面低于臨界高度時，鋼渣便被卷入到中間包中。實際上鋼包出鋼過程中形成的漩渦分兩種形式，一種是不旋轉(zhuǎn)的匯流渦，一種是旋轉(zhuǎn)的漏斗型漩渦。兩者的形成機理完全不同，其區(qū)別主要在于：旋轉(zhuǎn)的漏斗型漩渦比匯流渦多了一個切向擾動的形成條件。這個切向擾動主要是由于鋼包的精煉、運輸和鋼液的溫度差等等原因造成的鋼液內(nèi)部存在切向方向的運動，那么在角動量守恒定律條件下，隨著流體不斷流向水口，距離水口中心的距離越近，其角速度越大，所以隨著時間的增加，流體旋轉(zhuǎn)得越來越快，這樣更嚴重地阻止了四周流體及時去補充掉流出水口的流體體積，于是加速了液面凹陷的形成。因此，相比起來不旋轉(zhuǎn)的匯流渦的臨界高度非常低，而旋轉(zhuǎn)的漏斗型漩渦的臨界高度非常高，卷渣非常嚴重，是造成卷渣的主要原因。而傳統(tǒng)的技術(shù)是針對于鋼液內(nèi)匯流渦已經(jīng)形成，為了降低漩渦大小的出發(fā)點進行防治，并沒有從漩渦形成機理進行防治，故不適用于解決旋轉(zhuǎn)的“漏斗型漩渦”。此外，傳統(tǒng)的技術(shù)需要的吹氣流量相對較大，需要嚴格控制，否則反而會造成卷渣和鋼液裸露被二次氧化的現(xiàn)象。同時，傳統(tǒng)的技術(shù)中在出鋼口設置多孔透氣磚需要改動原有的鋼包結(jié)構(gòu)，吹氣流量較大也容易造成被吹鋼液的溫降較大，且在出鋼口處吹氣會延長出鋼時間。

目前，澆注過程中防止漩渦卷渣的技術(shù)主要分為以下三類，分別為上躲法、下藏法和抑制法(黃曄：江西冶金，19(1999)，1)。所謂上躲法是指在撤走鋼包之前鋼包內(nèi)存留的鋼液深度大于臨界高度時便停止?jié)沧?，從上部躲避漩渦的發(fā)生，但要以犧牲鋼液收得率為代價。這種方法通常需要安裝各種下渣自動檢測裝置，根據(jù)監(jiān)測信號來及時關(guān)閉滑動水口，但由于沒有從根本上抑制漩渦，所以依然存在滯后和犧牲鋼液收得率的問題。所謂下藏法是指局部性降低水口附近的鋼包底部位置,使臨界高度部分以至全部藏入該降低部位之內(nèi),從下部躲避漩渦,從而達到減少下渣和提高鋼水收得率的雙重目的。但此方法對鋼包結(jié)構(gòu)改動較大，且容易造成粘渣，也受生產(chǎn)環(huán)境和空間的限制。而抑制法是指采取措施從根本上降低漩渦的臨界高度，推遲漩渦的發(fā)生或阻止貫通式漏斗狀漩渦的形成，從而減少漩渦卷渣現(xiàn)象，進而提高鋼水的收得率，此方法是三種方法中被研究的最為廣泛的一種。常見的抑制法如各種浮游閥體、電磁防漩和吹氣防漩。1970年日本新日鐵發(fā)明了擋渣球(鄭新友：鋼鐵研究，1(2000)，59)，1987年labatemd總結(jié)了西德?lián)踉粼诿绹褂玫慕?jīng)驗，發(fā)明了陀螺形狀的擋渣塞等(labatemd：us4799650)，這些方法是在出鋼過程中加入隨鋼液液面一起下降的閥體，密度介于鋼液和鋼渣之間，在下渣之前閥體可以自動堵住水口來抑制漩渦卷渣現(xiàn)象。法國irsid研究所在1978年提出了應用電磁原理對中間包內(nèi)的漩渦進行控制的設計(pierrev:france,no2443892)，suhjw等提出采用靜磁場進行防漩(suhjw:isij,41(2001),689)，以及i.i.達爾迪克等設計的旋轉(zhuǎn)電磁場防漩裝置，這些方法是利用磁場對鋼液產(chǎn)生的洛倫茲力對漩渦卷渣現(xiàn)象進行無接觸的控制。ono-nakazatoh提出在漩渦快要形成時在水口處吹入惰性氣體進行防漩(ono-nakazatoh：journalofjsem,7(2007),120)，此方法在是利用氣體對鋼液的作用力來阻止夾雜物的卷入。對于各種浮游閥體來說，向鋼液中引進了新的雜質(zhì)；電磁裝置由于實際生產(chǎn)的高溫環(huán)境以及漩渦旋轉(zhuǎn)方向難以確定的制約，還只存在于研究階段；而目前提出的吹氣防漩方法主要是在漩渦快要形成時在水口處進行吹氣，需要的吹氣量相對較大，容易造成液面波動加大，形成渣眼造成鋼液氧化，同時對流入中間包的鋼水造成較大溫降。比較各防漩方法的利弊，目前實際生產(chǎn)中通常采用的防漩方法仍是犧牲鋼水收得率的上躲法，主要是使用下渣監(jiān)測技術(shù)來及時關(guān)閉水口以保障鋼液潔凈度，因此，使噸鋼成本大大增加，給企業(yè)帶來了很大的經(jīng)濟損失。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有鋼包出鋼過程中各種防漩方法的不足，本發(fā)明提供了一種吹氬氣防止鋼包出鋼過程中漩渦卷渣現(xiàn)象的方法，目的在于，在出鋼過程中通過底部吹氣孔進行全過程小流量吹氣，進而打亂漩渦形成時的流場分布，徹底消除漩渦的形成及漩渦卷渣現(xiàn)象的發(fā)生。

本發(fā)明涉及鋼包、中間包和吹氬裝置；在所述鋼包底部設置有水口；所述鋼包中的鋼液通過水口流入中間包；還在所述鋼包底部設置有與吹氬裝置相通的吹氣孔，所述吹氣孔為單孔或能夠同時吹氬氣的多孔。使用過程中，要求打開鋼包水口澆注的同時開啟吹氬裝置，在出鋼全過程進行吹氬操作，通過鋼包底部的吹氣孔進行單孔或多孔同時吹氬氣，且單孔或多孔的氣體總流量為1～100l/min。所述吹氬裝置為本領(lǐng)域技術(shù)人員常用于本領(lǐng)域的公知設備即可。

其中所述的吹氣流量較小時，能有效消除漩渦且鋼液溫降非常小；所述的吹氣流量較大時，能有效消除漩渦且對夾雜物上浮、鋼液溫度均勻化有所促進。

還可以根據(jù)實際情況對吹氣流量進一步調(diào)節(jié)，例如，在出鋼前期可加大吹氣流量38～100l/min，以達到促進小顆粒夾雜物上浮和溫度均勻的目的，后期隨著鋼液量逐漸減少可以將吹氣流量調(diào)小1～38l/min達到減小溫降的目的。

本發(fā)明可采用精煉環(huán)節(jié)所使用的吹氣孔，進行單孔吹氣，便可對漩渦卷渣現(xiàn)象有所抑制。

本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案是，吹氣孔距鋼包中心的距離為鋼包半徑的四分之三以內(nèi)。所述的吹氣孔位置最佳為靠近鋼包中心處，在此處進行吹氣可達到最佳的漩渦抑制效果。

本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案是，所述的多孔吹氣，其中一孔為鋼包底部精煉環(huán)節(jié)所使用的吹氣孔，其他吹氣孔距鋼包中心的距離為鋼包半徑的四分之三以內(nèi)，其他吹氣孔距鋼包中心的最優(yōu)距離為鋼包半徑的二分之一。

與其它防漩方法相比，本發(fā)明的區(qū)別和優(yōu)點是：鋼液吹氬氣在冶煉生產(chǎn)環(huán)節(jié)中是經(jīng)常采用的，其主要原因是由于惰性氣體不會污染鋼液，且氣泡與鋼液之間的作用非常劇烈，對鋼包內(nèi)的流場有很強的改變作用，因此，選擇吹氬氣進行防漩可以實現(xiàn)很多防漩方法難以實現(xiàn)的無污染且顯著有效的防漩效果，大大提高了鋼水的收得率。同時本發(fā)明可以應用鋼包現(xiàn)有的吹氣孔，所以操作實現(xiàn)起來簡單便利，無需對鋼包結(jié)構(gòu)進行改動，成本較低。而與其它的吹氣防漩相比，本發(fā)明不是在漩渦快要形成時被動的利用吹氣的作用力來抵消漩渦引起的液面凹陷，而是在漩渦形成之前一直進行吹氣打亂漩渦形成的流場分布形式，主動的將旋轉(zhuǎn)型漩渦消除在萌芽中。同時本發(fā)明采用的吹氣流量較小，不會造成鋼液裸露，出鋼全過程的小流量吹氣還會有利于進一步去除精煉后鋼包內(nèi)仍存在的小顆粒夾雜物，有利于鋼液溫度的均勻化，而且避免了對流入中間包中的鋼液造成較大溫降的弊端。

附圖說明

圖1.鋼包吹氬防漩示意圖：圖中，101、漩渦；102、鋼液；103、鋼液循環(huán)流動；201、鋼包；202、吹氣孔；203、水口；207、中間包。

圖2.水模型實驗裝置示意圖：圖中，201、模型鋼包；202、吹氣孔；203、水口；204、閥門；205、探頭；206、超聲波多普勒測速儀；207、模型中間包；208、流量計；209、氮氣瓶。

圖3.吹氣孔位置圖：圖中，1—8為吹氣孔位置；其中1—4號吹氣孔距鋼包中心的距離為鋼包半徑的二分之一，5、6、8號吹氣孔距鋼包中心的距離為鋼包半徑的四分之三，7號吹氣孔位于鋼包中心。

圖4.切向速度與吹氣流量的變化關(guān)系圖。

圖5.漩渦臨界高度與吹氣孔位置變化關(guān)系圖。

圖6.不同吹氣孔位置設置圖。

圖7.漩渦臨界高度和鋼液/渣層混合區(qū)厚度。

具體實施方式

下述非限制性實施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思進行等同替換或改變均屬于本發(fā)明保護范疇。

下面結(jié)合附圖和依據(jù)相似原理進行的水模型實驗實施例對本發(fā)明進一步說明。

本發(fā)明實施的吹氬氣防止鋼包出鋼過程中漩渦卷渣現(xiàn)象的水模型裝置如圖1和2所示，模型鋼包201是按實際60t鋼包以1:4的幾何比例進行制造，其中注滿高度為60cm的水(模擬鋼液)，靜置5min后，打開水口203的閥門204進行出鋼操作，同時開啟氮氣瓶209通過吹氣孔202進行底部吹氮氣(模擬氬氣)操作，使用流量計208控制通入的氣體流量，并用超聲波多普勒測速儀206測量出探頭205所在位置的切向速度值。通過水模型實驗實施例可以說明本發(fā)明對出鋼過程中漩渦的抑制效果和實施本發(fā)明時鋼包內(nèi)鋼液的流動情況。

實施例1

使用所述的水模型實驗裝置，在出鋼過程中通過圖3中1號吹氣孔202分別吹入流量為0～1.3l/min氣體。吹氣流量為0l/min時，即出鋼過程中不吹氣時漩渦的臨界高度較高為9.4cm，通入氣體后，隨著吹氣流量的增加漩渦的臨界高度大幅度下降。在吹氣流量為0.04l/min時時，漩渦的臨界高度降為5.5cm；當吹氣流量為1.3l/min時，漩渦的臨界高度降到最低為1.8cm。因此，可以計算出按照本發(fā)明進行的水模型實驗最終所得的液體收得率可提高約13％左右。

根據(jù)上述實驗結(jié)果，按模擬氣體與實際吹氣量之間的換算公式qar＝0.901λ^-5/2qn2可以計算出達到相同抑制效果的實際出鋼過程中吹入的氬氣量，其中qar為實際出鋼過程中吹入的氬氣流量，qn2為模擬過程中吹入的氮氣量，λ為模型鋼包與實際鋼包的幾何比例因子(徐海倫：北京科技大學學報，32(2010)，843)。通過計算得到實際吹入的氬氣流量應在1～38l/min。其中，吹入較小的氬氣流量時，便可以達到很好的漩渦抑制效果，而吹入相對較大的氬氣流量時，除了可以更好地抑制漩渦卷渣現(xiàn)象，還可以增大鋼液102的流動。如圖4所示，吹氣后鋼包201內(nèi)的切向速度隨距鋼包201底部高度的分布形式與沒有吹氣時相比有所改變，打亂了漩渦形成的速度場，因而抑制了漩渦的形成；而較大的吹氣流量使鋼包201內(nèi)鋼液的切向速度有所增大(該切向速度為測量點相對于鋼包201中心的平均切向速度，且不考慮旋轉(zhuǎn)方向)，使鋼液的擾動變大，促進了鋼液間的流動。同時，吹氣還會使鋼液在出鋼過程中形成如圖1所示的豎直方向上的循環(huán)流動103，這種循環(huán)流動可以及時填補掉如圖1中漩渦103所形成的液面凹陷的體積，同時還可以促進鋼液之間的換熱和小顆粒夾雜物的上浮。

按吹氬氣造成鋼液的溫降公式δt＝mar×car×(t鋼-tar)/(c鋼×m鋼)可以計算出吹氬氣后帶來的溫降，其中δt為溫降，mar為氬氣質(zhì)量流量，m鋼為鋼液的質(zhì)量，car為氬氣的比熱容0.879j/(kg.℃)，c鋼為鋼液的比熱容1.465j/(kg.℃)(俞海明：轉(zhuǎn)爐鋼水的爐外精煉技術(shù)，2011，163)。則鋼液溫度為1600℃，氬氣溫度為20℃時，氬氣密度為1.784kg/m³，鋼包容量為60t，由于鋼包出鋼過程鋼液量不斷減少，取鋼包容量的一半來大致估算其溫降可得，當吹入氬氣流量為0.04l/min時，對鋼液產(chǎn)生的溫降約為0.000002℃，非常小可以忽略；而吹入氬氣流量為38l/min時，對鋼液產(chǎn)生的溫降約為0.002℃。因此，本發(fā)明不在水口處對鋼液進行吹氣，而使得氬氣在整個鋼包中逐漸分散，對鋼液所形成的溫降都相對較小。

實施例2

使用所述的水模型實驗裝置，在出鋼過程中分別通過圖3中1—8號吹氣孔202吹入流量為0.06l/min的氣體，得到如圖5的實驗結(jié)果。由圖5可知，出鋼過程中不吹氣時漩渦的臨界高度非常高，而通過1—8號吹氣孔202進行吹氣時，漩渦的臨界高度均明顯下降，因此，在實際中可采用鋼包201精煉時所用的吹氣孔202，便可以得到明顯的漩渦抑制效果。而相比之下，通過7號吹氣孔202進行吹氣時漩渦的抑制效果最好，即吹氣孔202位置靠近鋼包201中心處，漩渦的抑制效果相對較好。同時在最佳的吹氣孔202位置進行吹氣，吹氣流量僅為0.06l/min時便可以將臨界高度降到1.5cm，可見，在此位置進一步調(diào)節(jié)吹氣流量，可進一步降低漩渦的臨界高度，得到更高的金屬收得率。

本發(fā)明在實際應用中，還可以根據(jù)實際情況對吹氣流量進一步調(diào)節(jié)，在出鋼前期可加大吹氣流量，以達到促進小顆粒夾雜物上浮和溫度均勻的目的，后期隨著鋼液量逐漸減少可以將吹氣流量調(diào)小，達到減小溫降的目的。

實施例3

使用數(shù)值模擬方法，模擬了在出鋼過程中分別通過圖6中的不同吹氣孔吹氣后的卷渣情況，具體設置如下：不吹氣即吹氣流量為0l/min；單孔吹氣，吹氣孔位置為1號吹氣孔，吹氣流量為100l/min，雙孔吹氣，吹氣孔位置為1號和2號吹氣孔，總吹氣流量為100l/min(單孔流量為50l/min)；雙孔吹氣，吹氣孔位置為1號和3號，總吹氣流量為100l/min(單孔流量為50l/min)。每個吹氣孔距水口的距離為r/4(r為鋼包底部半徑)。圖7為模擬結(jié)果，通過模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，無論是單孔吹氣還是雙孔吹氣均能顯著地降低漩渦的臨界高度，抑制了漩渦卷渣現(xiàn)象的發(fā)生。