专利名称：一种注流保护方法及保护装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钢铁冶金行业浇注金属液的生产方法及装置，尤其涉及一种对注流进行保护浇注的方法及相应的保护装置。
背景技术：
在钢铁及合金制造的过程中，金属原料往往先通过配料、电炉初炼、钢包精炼、真空脱气等工序的处理，最后再将温度与成分到位，并达到一定纯净度水平的液态金属由一个容器注入到另一个容器中。通常情况下，液态金属是通过盛钢桶注入至锭模或者其他容器的(比如中间包)。这一注入液态金属的作业被称为浇注，而过程中液态金属流被称为注流。通常情况下，液态金属不是直接注入锭模的，而是先通过由耐火材料砌筑成的管道，再进入锭模。如
图1所示，注流由盛钢桶1的滑动水口机构3流出后，经过浇道4，最后由锭模2底部的上升孔进入锭模2，此时液态金属出现类似“喷泉”的流态，这就是所谓的出苗。出苗的金属流将吊挂在锭模2底部上方一定距离的保护渣纸袋烧损后，粉状或颗粒状的铸钢渣自然下落铺展在逐渐上升的金属液面上，并形成液渣层、烧结层、粉渣层三层结构。锭模2的金属液若上升线速度控制适宜，则保护渣的三层结构本身将为金属液面提高良好的保护作用。当液态金属上升至热冒部分时，适当减小盛钢桶的水口流量，控制金属液的上升线速度，以弥补金属液的液态收缩。最后随着金属液的冷却、凝固得到组织致密的铸锭，并流转至后道工序进一步予以加工。此为底注金属的一般方法。在上述的底注液态金属过程中，浇注开始的At时间内盛钢桶内金属液具有最高的压头，因此浇注系统内金属液流速最大，且各管道不能被瞬时充满，金属液在浇注系统内呈现出紊乱的流态。而浇注系统与整个大气环境相连通，这样紊乱流态的金属液直接与浇注系统内气相中的氧接触形成氧化薄膜被卷入金属液形成二次氧化产物。同时空气中的氮气、氢气直接被卷入金属液形成吸气。因此开浇出苗初期是浇注过程中最不稳定和危险的阶段。待出苗金属液在锭模内形成稳定的上升液面并被保护渣完好地覆盖，此时各管道已完全被金属液充满，从盛钢桶水口下落的注流在浇注系统的垂直的浇道内形成混冲区，破裂的金属液直接暴露于液面上方的气相环境，并形成二次氧化产物(氧化薄膜)和发生吸气现象。这些二次氧化的产物颗粒一般说来比冶炼中的脱氧产物尺寸要大得多，而且其数量也多于脱氧产物。这是因为经过精炼脱气处理的钢液中氧含量已经极其有限，且冶炼过程中的脱氧反应只能形成较细小的脱氧产物颗粒，且数量也受到限制，而浇注过程中从大气环境中到钢液中的氧却是源源不断的。同时这些氧化产物在较短的浇注的时间内较难以充分上浮，其中一部分将难以避免地被逐渐生长的柱状晶捕获，并最终形成的宏观氧化夹杂物影响钢材的各种性能。被吸入的气体中的氢、氮也会恶化钢锭的质量和并降低钢的洁净度。为了解决浇注过程的二次氧化与吸气问题，目前的技术通常有以下几种1.在盛钢桶的水口周围设置多孔的环管或者透气的耐火材料，并通入惰性气体在注流周围形成气幕保护，如公开号为CN2717576，
公开日为2005年8月17日，名称为“模注氩气保护装置”的中国专利文献公开的模注氩气保护装置；2.使用预置在浇盆砖中的保护罩，再通过进气管或透气砖向罩内通入惰性气体对注流加以保护；3.将上述两种方案结合，例如公开号为CN2579558，
公开日为2003年10月15日， 名称为“钢液模铸全封闭氩气保护浇注装置”的中国专利文献公开的钢液模铸全封闭氩气保护浇注装置；然而上述各浇铸方法却具有如下的缺点1.上述方法或装置只能在金属液开始浇注后对水口周围的注流进行气幕保护，无法杜绝浇注初期注流在流钢系统内与空气的大量接触；2.注流浇注过程中下落的钢流与吹入的惰性气体必然在浇注系统入口处形成负压，若采用上述方法和装置对注流进行保护，由于水口与浇注系统入口存在一定距离的间隙，即整个保护系统与大气环境连通，这样必然造成大量的空气的吸入。
发明内容
本发明的目的是提供一种注流保护方法，该方法通过对开浇出苗的注流进行保护，从而实现对注流的完全遮蔽，并在注流周围形成微正压保护气氛，从而杜绝吸气现象以及注流的二次氧化。本发明的另一发明目的是提供一种注流保护装置，其用于本发明所述的注流保护方法中。本发明的技术构思为采用氩气对金属注流进行全过程保护浇注，其中包括在金属液进行浇注前对浇注系统进行预吹扫，在浇注过程中对金属注流进行全过程微正压氩气保护，从而避免浇注过程中，金属液发生二次氧化与吸气现象，进而实现降低氧化夹杂物的出现的几率，提高冶金质量的目的。根据上述发明目的和发明构思，本发明提供了一种注流保护方法，其包括下列步骤(1)将一塞球置于盛钢桶下方浇注系统的浇道内，使浇道与外界空气不导通，所述塞球上设有一插管孔，一插管通过插管孔插入浇道内，所述插管与插管孔密封连接；(2)在金属液开始浇注前，通过插管向浇注系统内预吹纯氩气3-5min，所述纯氩气的压力为0. 3-0. 5MPa ；(3)在开始进行金属液浇注前l-2min，停止预吹纯氩气，将插管抽出；(4)开浇后，采用一遮蔽装置将盛钢桶下方与浇道上端口之间的空间形成密封空间，从开始浇注到浇注完毕，始终采用吹氩装置向浇注系统内吹氩气，氩气的流量控制在 20-30Nm3/h 范围内。上述注流保护方法之所以使用塞球和插管，是因为当将氩气送入浇注系统内时， 插管就相当于一个气体喷射器，其喷口位于孔径较粗的浇道内时，氩气从其喷口喷出，和周围的气体质点发生碰撞，进行动量交换，带动了周围气体地向前运动。又因为直径较粗的浇道可以被看作是直径有限的圆筒，当前面的气体被推送入浇注系统内时，后面的气体变得稀薄而压力下降，即在浇道入口端造成一定的负压。因此在金属液开始浇注前的氩气预吹扫，最大限度的减低了开浇前浇注系统内的氧含量。
控制氩气预吹扫的时间和压力，是因为常温下氩气的比重为1. 78g/cm3，空气的比重为1. ^g/cm3，在氩气喷射处密封良好的情况下，3-5min内氩气就能在浇注系统内充分扩散，使得重度较小的空气自然地从锭模的上口排出，这一过程只须数分钟就能将浇注系统内的氧含量降低到低于1.5%的水平。发明人通过试验证明，预吹扫时间过长并不能进一步降低上述氧含量数值，反而会导致大量氩气的浪费，而预吹扫时间过短，则不能达到此效果。同时氩气的压力必须控制在上述范围内，不能过大也不能过小，压力小于该范围值将导致氩气不能充分在浇注系统内扩散，压力超过该范围值则导致空气从浇注系统的缝隙处被抽入浇注系统内。金属液浇注前Ι-aiiin才允许关闭氩气源，是因为关闭氩气后，浇注系统经过前期的氩气清洗，内部的氧气含量已下降到较低的水平，而抽取出插管的过程会导致空气从孔隙与缝隙处向浇注系统内扩散。发明人通过试验证明，金属液浇注前Ι-aiiin关闭氩气源， 可保证浇注系统内氧气含量一定时间内(一般这个时间在5分钟左右)保持在1.2士0.3% 的水平。而开始浇注后，注流温度(依据金属液液相线温度的不同)高达1520士80°C，可以将铸管内的塞球完全烧损汽化，同时塞球的烧损也会将浇道内的少量氧气消耗殆尽。浇注过程中，将氩气流量控制在20-30Nm3/h，吹入的氩气一部分被钢流直接带入钢中，另一部分氩气受钢流辐射热的作用体积膨胀上升，这时整个遮蔽装置完全遮蔽注流， 并在注流周围形成正压环境。这是因为此时吹入的氩气能在密闭良好的遮蔽装置内形成高于外界大气压力几帕至几十帕的压力，这样只有吹入的氩气才能通过浇注系统固有的微小的缝隙向外界溢出，而外界的空气绝少能够进入注流周围的气氛当中，因此起到了将注流完全与外界空气隔绝的作用。优选地，所述步骤⑴中插管的下端口插入浇道的距离为距浇道上端口 600-800mm。该距离值是发明人经过大量试验，验证得到的实现开浇前浇注系统内的氧含量最低的优选结果。相应地，本发明还提供了上述注流保护方法过程中所使用的保护装置，该保护装置包括一塞球，靠近所述浇道的上端口，设于浇道内，所述塞球上设有一插管孔；一插管，其穿过所述塞球上的插管孔，插入浇道内，用于实现保护气源与浇道的导通；—遮蔽装置，其与所述盛钢桶下端下水口套连接，并与所述浇道的上端外壁连接， 所述吹氩装置设于遮蔽装置内。优选地，所述遮蔽装置包括一保护架圈，与盛钢桶下端的下水口连接；一密封衬垫，设于所述保护架圈与盛钢桶下端的下水口之间，用以减小保护架圈与下水口连接处的缝隙，实现保护架圈与盛钢桶外壁之间的密封；一柔性遮蔽罩，其上端与所述保护架圈连接，其下端与所述浇道的外壁连接，将注流完全遮蔽。优选地，所述保护架圈上开有一采样口。现有的注流保护装置均不能对其保护效果进行有效地在线监测，而本技术方案中采样口的设置，使得遮蔽装置内的气体可以在抽气泵的作用下抽出，从而对整个浇注过程中注流周围的气氛氧含量进行连续的检测，根据检测的结果可在线进行工艺调整及对保护装置的有效性进行评估。优选地，所述塞球的材质为塑料薄膜或脱脂棉，使用这类材料本身不会对金属液造成污染。优选地，所述柔性遮蔽罩的材质为陶瓷纤维纺织品或玻纤长丝陶瓷纤维制品，其烧损率为10-20%。优选地，所述密封衬垫的材质为陶瓷纤维纸或陶瓷纤维纺织品，耐高温线收缩率 < 3. 5%。本发明通过采用上述技术方案，使之较现有的注流保护方法，具有下述优点(1)通过开浇前期对出苗注流进行有效保护，使得开浇前浇注系统内的氧含量水平低于1. 5% ；(2)浇注过程中完全遮蔽水口注流，从而大大减少了整个浇注过程中注流与大气接触的几率，注流周围气氛中氧含量水平低于0.5% ；(2)本发明所述的注流保护方法，能够进一步降低钢中氧、氢、氮的含量；(3)本发明所述的注流保护方法能够将金属液中的非金属氧化夹杂物含量减少 20-50% ο说明书附1为现有浇注系统的结构示意图。图2为本发明所述的注流保护装置中塞球与插管的设置示意图。图3为本发明所述的注流保护装置中遮蔽装置的结构示意图。
具体实施例方式如图2所示，该注流保护装置包括塞球5，其靠近浇道4的上端口设置，设于浇道 4内，塞球5上设有插管孔，插管6穿过插管孔，插入浇道4内，用于将氩气吹入浇道4内。如图3所示，遮蔽装置包括保护架圈9，其设于盛钢桶1的水口 3的下方，保护架圈9通过键和槽与盛钢桶1的下水口 3的套圈相连接，保护架圈9与盛钢桶1的下水口 3 的连接缝隙处设有密封圈8，遮蔽罩10的上端与保护架圈9通过环状卡箍实现连接，遮蔽罩 10的下端通过可塑料11与浇道4的外壁连接，吹氩环9设于该遮蔽装置内，吹氩环9上开有若干吹氩孔。保护架圈9上开有采样口 7，用于对气体进行在线采样。本技术方案的实施例1-5中均是对0. 97% C-1. 80% Cr-O. 45% Mo的高碳铬轴承钢的底注过程进行全过程注流保护，并通过分析浇注前成品与浇注后成品的氮含量来评估本技术方案与现有技术方案产生的不同效果。浇注前，对注流保护装置进行检查，确认吹氩环的吹氩孔是否畅通，如果堵塞应及时处理或更换。确认遮蔽装置的气密性良好。按照下列步骤进行注流保护(1)将由塑料薄膜制作的球径为90mm的塞球塞入浇注系统的浇道内，塞球轴心处开有孔径为8mm的插管孔，使用IOmm孔径的橡胶插管穿过插管孔，插入浇道中，插入深度为距其上端口 600-800mm，橡胶插管的另一端接上氩气供气源。(2)打开氩气阀，通入99%纯氩进行预吹扫，供气源压力控制在0. 3Mpa-0. 5Mpa。 整个吹扫过程进行5分钟。然后使用氧分析仪对锭模内的氧含量进行检测，分析结果为此时整个浇注系统内的氧含量保持在1.沈％，确认符合浇注条件，继续保持氩气的吹扫状态， 直到浇注开始前的l-2min，停止吹扫，将插管抽出。该步骤的具体工艺参数参见表1。(3)控制浇注车将盛钢桶和遮蔽装置移动至浇注工位，遮蔽装置在盛钢桶下方与浇道上端口之间形成密封空间，然后开始浇注，从开始浇注到浇注完毕，始终采用吹氩装置向浇注系统内吹氩气，氩气的流量控制在20-30Nm3/h范围内。此时遮蔽罩内的氧气含量经过测定保持在0.5%以下的水平。该步骤的具体工艺参数参见表1。第一锭盘浇毕后，依上述方法同样进行操作从而完成整个浇注过程。采用抽气泵从采样口将样气取样，然后通过过滤、降温等方式将样气除尘、降温、 除湿后送入仪表进行分析量。经对比后发现，采用传统的注流保护方法，浇注过程的增氮在35-40ppm ；而采用本技术方案所述的注流保护方法，浇注过程的增氮小于5ppm。表 权利要求
1.一种注流保护方法，其特征在于，包括下列步骤(1)将一塞球置于盛钢桶下方浇注系统的浇道内，使浇道与外界空气不导通，所述塞球上设有一插管孔，一插管通过插管孔插入浇道内，所述插管与插管孔密封连接；(2)在金属液开始浇注前，通过插管向浇注系统内预吹纯氩气3-5min，所述纯氩气的压力为 0. 3-0. 5MPa ；(3)在开始进行金属液浇注前l-2min，停止预吹纯氩气，将插管抽出；(4)开浇后，采用一遮蔽装置将盛钢桶下方与浇道上端口之间的空间形成密封空间，从开始浇注到浇注完毕，始终采用吹氩装置向浇注系统内吹氩气，氩气的流量控制在 20-30Nm3/h 范围内。
2.如权利要求1所述的注流保护方法，其特征在于，所述步骤(1)中插管的下端口插入浇道的距离为距浇道上端口 600-800mm。
3.如权利要求1所述的注流保护方法使用的保护装置，其特征在于，包括 一塞球，靠近所述浇道的上端口设于浇道内，所述塞球上设有一插管孔；一插管，其穿过所述塞球上的插管孔，插入浇道内，用于实现保护气源与浇道的导通； 一遮蔽装置，其与所述盛钢桶下端连接，并与所述浇道的上端外壁连接，所述吹氩装置设于遮蔽装置内。
4.如权利要求3所述的注流保护方法使用的保护装置，其特征在于，所述遮蔽装置包括一保护架圈，与盛钢桶下端的下水口套连接；一密封衬垫，设于所述保护架圈与盛钢桶的下水口套之间；一柔性遮蔽罩，其上端与所述保护架圈连接，其下端与所述浇道上端的外壁连接。
5.如权利要求4所述的注流保护方法使用的保护装置，其特征在于，所述保护架圈上开有一采样口。
6.如权利要求3-5中任意一项所述的注流保护方法使用的保护装置，其特征在于，所述塞球的材质为塑料薄膜或脱脂棉。
7.如权利要求4所述的注流保护方法使用的保护装置，其特征在于，所述柔性遮蔽罩的材质为陶瓷纤维纺织品或玻纤长丝陶瓷纤维制品，其烧损率为10-20%。
8.如权利要求4所述的注流保护方法使用的保护装置，其特征在于，所述密封衬垫的材质为陶瓷纤维纸或陶瓷纤维纺织品，耐高温线收缩率< 3. 5%。
全文摘要
本发明公开了一种注流保护方法，其包括下列步骤将一塞球置于浇注系统的浇道内，使浇道与外界空气不导通，一插管穿过塞球插入浇道内，在金属液开始浇注前，以0.3-0.5Mp的压力向浇注系统内预吹氩气3-5min；在开始进行金属液浇注前1-2min，停止预吹纯氩气，将插管抽出，采用一遮蔽装置将注流完全遮蔽，并在注流周围形成正压环境，然后开始浇注，从开始浇注到浇注完毕，始终采用吹氩装置向浇注系统内吹氩气，氩气的流量控制在20-30Nm3/h范围内。相应地，本发明还提供了该注流保护方法所使用的保护装置。
文档编号B22D7/00GK102407296SQ201010290769
公开日2012年4月11日 申请日期2010年9月25日 优先权日2010年9月25日
发明者傅懿德, 刘湘江, 周建宝, 奚平璐, 姜学勇, 江成斌, 罗辉, 董艺 申请人:宝山钢铁股份有限公司