一种旋流室底吹气有效去除夹杂物的装置及使用方法

1.本发明属于钢铁冶金连铸技术领域，具体涉及一种旋流室底吹气有效去除夹杂物的装置及使用方法。


背景技术：

2.现代钢铁企业为了提高生产效率通常采用连续浇注技术。在连铸过程中，中间包内钢液经滑动水口、浸入式水口进入结晶器内，利用塞棒和滑动水口配合实现对中间包至结晶器的钢液注入量和结晶器内钢液的流动行为的控制，对于稳定操作及保证铸坯质量有着非常重要的意义。在中间包众多冶金功能中夹杂物的去除程度一直是冶金工作者着重关注的部分。对钢水连铸来说，中间包内夹杂物的去除不仅对连铸坯的质量影响很大，也对连铸的连续操作有着重要影响，比如小粒径夹杂物多容易造成水口的堵塞，对连铸影响很大。
3.在冶金生产流程中，中间包冶金是一项特殊的炉外精炼技术，是从钢的熔炼和精炼到制成固态连铸坯这个生产流程中保证获得优良钢质量的关键一环。
4.中间包去除夹杂物的方法主要有两种：
5.1、安装控流装置。例如坝、堰、挡板和湍流抑制器，增大钢液在中间包中的停留时间，增大活塞流体积，减少死区，改善钢液的流场，有利于夹杂物的上浮去除；但是传统的安装控流装置的方法对于大粒径夹杂物去除效果明显，而对于小粒径夹杂物去除效果不明显。
6.2、中间包吹气，即注入惰性气体。例如气幕挡墙，吹气既可以改善中间包的流场，吹入的气泡又可以黏附夹杂物，有利于夹杂物的去除。但是气幕挡墙在中间包中存在“三角形”盲区，粘附去除夹杂物效果有限。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于一种旋流室底吹气有效去除夹杂物的装置及使用方法，其结构简单，加工和操作方便，能够有效去除夹杂物，改善浸入式水口堵塞情况，为提高连铸坯质量和改善长水口堵塞创造条件。
8.一种旋流室底吹气有效去除夹杂物的装置，包括旋流室、长水口、吹气装置以及通道；所述旋流室为桶装结构，长水口一端与旋流室内壁相切或长水口一端沿旋流室内壁相切设置，且向旋流室中心偏移距离l2，l2≤d1/4，其中d1是旋流室外径，长水口相切位置圆心距旋流室底部高度h3小于5倍长水口直径d，所述旋流室底板上表面开设有凹槽，吹气装置内嵌于旋流室底板的凹槽内，所述旋流室通过通道与中间包体侧壁顶部连接。
9.所述吹气装置的形状为圆环形，且内嵌于旋流室底板的环状凹槽内，吹气装置的上表面与旋流室底板的上表面在同一平面上，吹气装置的轴线与旋流室轴线重合。
10.所述吹气装置为环形透气砖，且吹气装置由单个或多个环形透气砖组成，当为多个环形透气砖时，多个环形透气砖的轴线均与旋流室轴线重合。
11.当为单个环形透气砖时，环形透气砖的厚度b1是长水口内径d的0.2～1倍，当为多
环形透气砖时，环形透气砖的厚度b1是长水口内径d的0.2～0.8倍。
12.当为多个环形透气砖时，相邻两个环形透气砖之间的距离l1是环形透气砖厚度b1的0.5-3倍。
13.当为单个环形透气砖时，其内径d2是旋流室外径d1的0.3～0.95倍；当为多个环形透气砖时，其最大环形透气砖的内径d2是旋流室直径d1的0.3～0.95倍。
14.所述吹气装置吹入的气泡直径大小为0.1～3mm，气体通过透气砖进入旋流室时，气泡在旋流室钢液的剪切作用下可以形成直径大小为0.1～3mm的气泡。
15.所述吹气装置的吹气量q的区间计算方法为吹入气体体积不超过钢液流入体积的十分之一，不小于钢液流入体积的千分之五。吹入气体太少则无法形成足够多的气泡粘附夹杂物，吹入气体太多则会破坏钢液旋流，甚至造成渣眼以及钢水飞溅。
16.一种旋流室底吹气有效去除夹杂物的装置去除夹杂物的使用方法，包括以下步骤：
17.钢液从钢包经长水口进入旋流室，而后进入中间包体，在旋流室的作用下，钢液沿旋流室侧壁进入旋流室，旋流室将钢液的重力势能转化为旋转的动能，钢液在旋流室内旋转流动，在旋流室内形成旋流场，夹杂物随钢液在旋流场内与钢液相互作用；旋流场形成后，在旋流室底部吹惰性气体，气泡通过透气砖进入旋流室，吹入的气体在旋流剪切下形成气泡，气泡在旋流的作用下向旋流室中心聚集，夹杂物同样在旋流的作用下向旋流室中心聚集，在此过程中气泡黏附碰撞聚合长大的夹杂物，气泡粘附夹杂物后携带夹杂物上浮至钢液表面去除。
18.本发明的技术效果为：
19.相比于传统的旋流中间包，本发明在旋流室底部吹气，气泡在旋流的作用下向旋流室中心聚集，夹杂物同样在旋流的作用下向中心聚集。二者在旋流室内聚集的区域相同，有利于气泡黏附碰撞聚合长大后的夹杂物，尤其对很难靠上浮去除的小粒径，气泡的黏附提高了小粒径夹杂物的去除率，大大提高了夹杂物的整体去除率，并且小粒径夹杂物的去除会改善浸入式水口堵塞的情况，有利于连铸的顺利进行。本发明的结构简单，加工和操作方便。
附图说明
20.图1本发明旋流室底吹气有效去除夹杂物的装置示意图；
21.图2本发明旋流室底吹气有效去除夹杂物的装置的旋流室剖面图；
22.图3本发明旋流室底吹气有效去除夹杂物的装置的单个环形透气砖与旋流室底板配合示意图；
23.图4本发明旋流室底吹气有效去除夹杂物的装置的多个环形透气砖与旋流室底板配合示意图；
24.图5本发明旋流室底吹气有效去除夹杂物的装置的旋流室侧视图；
25.图6本发明气泡与夹杂物在旋流室受力示意图；
26.图7本发明钢液在旋流室底部径向方向上速度分布曲线；
27.1-旋流室，2-长水口，3-通道，4-中间包体，5-吹气装置，6-凹槽。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
29.如图1至图5所示，一种旋流室底吹气有效去除夹杂物的装置，包括旋流室1、长水口2、吹气装置5以及通道3；所述旋流室1为桶装结构，长水口2一端与旋流室1内壁相切或长水口2一端沿旋流室1内壁相切设置，且向旋流室1中心偏移距离l2，l2≤d1/4，其中d1是旋流室1外径，长水口2相切位置圆心距旋流室1底部高度h3小于5倍长水口2直径d，所述旋流室1底板上表面开设有凹槽6，吹气装置5内嵌于旋流室1底板的凹槽6内，所述旋流室1通过通道3与中间包体4侧壁顶部连接。
30.所述吹气装置5的形状为圆环形，且内嵌于旋流室1底板的环状凹槽6内，吹气装置5的上表面与旋流室1底板的上表面在同一平面上，吹气装置5的轴线与旋流室1轴线重合。
31.所述吹气装置5为环形透气砖，且吹气装置5由单个或多个环形透气砖组成，当为多个环形透气砖时，多个环形透气砖的轴线均与旋流室1轴线重合。
32.当为单个环形透气砖时，环形透气砖的厚度b1是长水口2内径d的0.2～1倍，当为多环形透气砖时，环形透气砖的厚度b1是长水口2内径d的0.2～0.8倍。
33.当为多个环形透气砖时，相邻两个环形透气砖之间的距离l1是环形透气砖厚度b1的0.5-3倍。
34.当为单个环形透气砖时，其内径d2是旋流室1外径d1的0.3～0.95倍；当为多个环形透气砖时，其最大环形透气砖的内径d2是旋流室1外径d1的0.3～0.95倍。
35.所述吹气装置5吹入的气泡直径大小为0.1～3mm，气体通过透气砖进入旋流室1时，气泡在旋流室1钢液的剪切作用下可以形成直径大小为0.1～3mm的气泡。
36.所述吹气装置5的吹气量q的区间计算方法为吹入气体体积不超过钢液流入体积的十分之一，不小于钢液流入体积的千分之五。吹入气体太少则无法形成足够多的气泡粘附夹杂物，吹入气体太多则会破坏钢液旋流，甚至造成渣眼以及钢水飞溅。
37.一种旋流室底吹气有效去除夹杂物的装置去除夹杂物的使用方法，包括以下步骤：
38.钢液从钢包经长水口2进入旋流室1，而后进入中间包体4，在旋流室1的作用下，钢液沿旋流室1侧壁进入旋流室1，旋流室1将钢液的重力势能转化为旋转的动能，钢液在旋流室1内旋转流动，在旋流室1内形成旋流场，夹杂物随钢液在旋流场内与钢液相互作用；旋流场形成后，在旋流室1底部吹惰性气体，气泡通过透气砖进入旋流室1，吹入的气体在旋流剪切下形成气泡，气泡在旋流的作用下向旋流室1中心聚集，夹杂物同样在旋流的作用下向旋流室1中心聚集，在此过程中气泡黏附碰撞聚合长大的夹杂物，气泡粘附夹杂物后携带夹杂物上浮至钢液表面去除。
39.气泡与夹杂物在钢液中的运动轨迹主要与其所受的力有关。如图6所示，夹杂物与气泡在旋转的流场中主要受曳力fd、压力梯度力f
p
、重力、浮力、虚拟质量力fv、saffman升力f
ls
、magnus升力f
lm
，其中促进夹杂物与气泡向中心运动的力主要有曳力fd、压力梯度力f
p
、saffman升力f
ls
、magnus升力f
lm
，也即是满足f
p
+f
v-f
ls-f
lm
＞f
离心力
时夹杂物或气泡向旋流室1中心运动。数值模拟的结果显示夹杂物与气泡在旋流室1中向旋流室1中心聚集明显，夹杂物向中心区域聚集，旋流室1中心区域夹杂物数量密度大大提高，有利于夹杂物的碰撞长大。并且夹杂物的主要聚集区域与气泡的聚集区域重合，大大提高了气泡粘附夹杂物的效
率。
40.环形吹气的优势：在旋流室1底部吹气需要满足两个问题，第一吹气的气量不能太大，吹入大量的气体会破坏旋流室1的流场；第二吹气产生的气泡不能太大，大气泡对夹杂物的黏附效果差。根据这两个方面提出环形吹气的方案，首先在旋流室1底部环形吹气，底部吹气对流场的影响较小，其次环形吹气产生的气泡是从旋流室1靠外区域向中心运动，这个过程气泡的运动路径更长，略过的夹杂物更多，并且环形吹气气泡的聚集区域与夹杂物聚集区域重合度更高。第三，环形吹气的位置与旋流室1中钢液流速最大的位置重合，如图7所示，较大的剪切速度更有利于小气泡的生成。综合考虑以上因素方面，环形吹气最适合。多环吹气可以调节吹气操作的灵活性。