一种钢包多点脉动式底吹智能化精炼装置及方法与流程

1.本发明属于冶金行业钢水精炼技术领域，尤其涉及一种钢包多点脉动式底吹智能化精炼的技术与装置。


背景技术：

2.钢铁工业作为国民经济的重要支柱型基础产业，在生产生活中起着不可或缺的作用，对国家的经济发展起到了重要作用。近年来，国家鼓励发展高端钢材品种，以高质量、高性能钢材取代中低档钢材；随着社会工业快速发展，市场对钢材的质量要求也越来越高，加快促进钢铁材料的质量性能，大力发展生产洁净钢已成为现代钢铁行业的一种趋势。同时随着钢铁产品市场竞争的不断加剧，对减少生产成本提出了更高的要求，特别是对高品质低成本钢的生产要求日益增长。因此，如何降低钢液中夹杂物的含量，缩短精炼周期成为了关键性问题。
3.钢铁行业是一种典型的流程工业，其最终产物的质量优异，是由全流程的各个环节共同确定的。就生产洁净钢来说，需要严格控制钢液中的非金属夹杂物的含量，而钢液的二次精炼过程正是实现钢材洁净化的一个重要环节，其中钢包底吹氩技术作为一种简单易行的经济型手段已被广泛应用于钢的精炼过程中。
4.钢包底吹氩技术是从钢包底部透气元件向钢液喷吹氩气来进行搅拌的一种精炼技术。其中氩气作为一种惰性气体，在冶金过程中，不与钢液发生任何化学反应，并且氩气在钢液中的溶解度极低，故而成为了搅拌钢液的首选气体。钢包底吹氩技术具有均匀钢液温度和成分的作用，改善动力学条件，加速夹杂物上浮速度的作用。但其不足同样很明显，在如今的钢包底吹氩工艺中，大多数企业采用的是双透气元件喷吹模式，透气元件布置角度各异，然而在吹氩过程中都存在较大的“死区”；且稳流式的氩气喷吹方式引起的钢液湍动较小，对渣金反应效率提升无明显影响，造成精炼时间变长，拉长整个流程的作业周期，生产效率降低；同时氩气利用率不高，使得钢液温降大，能源消耗多，冶炼成本高。就目前钢包底吹氩技术存在的问题，国内外研究学者们都有着自己的考虑，在此背景下寻求一种新的钢包底吹精炼技术是十分必要的。


技术实现要素：

5.为解决现有技术的上述问题，本发明提供了一种钢包多点脉动式底吹智能化精炼的技术与装置，在钢包精炼过程中，通过钢包底部的多个透气元件向钢液中喷吹氩气，每个透气元件的氩气支路管道上都安装有气体流量控制器，通过plc编程控制气体流量控制器的开闭时间和开闭大小，同时为不同气体流量控制器设置开闭逻辑，使氩气呈脉动式进行输出，并将相关数据传输回plc控制模块处。多个透气元件的排布方式与双透气元件排布相比，氩气搅拌范围显著提升，大大减少了“死区”面积；同时，脉动输入的氩气流增加了钢液的湍动能，强化了反应体系的传热和传质，加快冶金反应，更快地均匀钢液温度和成分；在软吹去夹杂的过程中氩气泡分布范围增大，更利于夹杂物的聚合长大和上浮去除。以上所
述为多点脉动式氩气喷吹工作原理，从而该种冶炼方式可以缩短精炼周期，提高冶金生产效率；同时，在不同的冶金工序和现场条件下，可通过plc控制系统对喷吹气量、透气砖数量及排布进行智能化选择，以采用最适合的喷吹制度，提高了氩气利用率，减少了钢液温降，从而节约能耗，降低了生产成本。
6.本发明所采取的技术方案包括：
7.一种钢包多点脉动式底吹智能化精炼装置,包括：
8.plc控制系统：用于改变透气元件喷吹数量及排布、氩气流量脉动输出以及不同工序喷吹制度智能选择；
9.底吹透气元件：用于实现通过管道运输向钢液中喷吹氩气，提供钢液精炼所需搅拌能；
10.多透气元件用钢包底：用于安装底吹透气元件。
11.进一步的，所述plc控制模块与气体流量控制器之间通过控制信号线连接。
12.进一步的，所述plc控制系统包括plc控制模块和气体流量控制器，plc控制模块和气体流量控制器通过控制信号线连接；所述的plc控制模块分别控制单个气体流量控制器的阀门开度和开闭节奏，以此控制喷吹氩气的透气元件数量、时间长短以及流量大小。并通过对反馈数据和现场实时工况的整合、分析、处理，以对不同冶金工序和不同现场条件下的喷吹制度进行智能化优化。
13.进一步的，所述进行氩气喷吹的透气元件数量及排布在精炼过程是可通过气体流量控制器进行选择改变的。
14.进一步的，所述氩气流量呈周期性的脉动式输出。
15.进一步的，所述plc控制系统设定的气体脉动周期为1s～60s，气体脉动的波峰值为1000nl/min及以上，波谷值为10nl/min～100nl/min。
16.所述多透气元件用钢包底安装透气元件数量至少为3；所述底吹透气元件上至少有一条贯通的孔道。
17.进一步的，所述多透气元件用钢包底与透气元件的结合方式有插拔式和埋入式两种。
18.所述底吹透气元件材质为耐火材料，形状为下大上小的圆台形。
19.进一步的，孔道有圆孔和狭缝之分，圆孔的又分为单孔和多孔。
20.进一步的，单孔道的直径设为2mm～10mm，多孔道的直径设为0.5～6mm，数量为2～200。
21.进一步的，狭缝的宽度为0.12mm～0.25mm,长度在10mm～60mm，数目为12～72。
22.进一步的，在转炉出钢过程，该过程不涉及复杂冶金物理化学反应，此时，通过编程定义喷吹制度，喷吹气量为单透气模块5l/min，气体压力为0.2mpa，此时底吹目的为透气模块的钢液防渗漏。
23.进一步的，在钢液合金化时，提高喷吹气量至1000nl/min以上以实现大搅，强化反应体系传质，提高钢液合金化效率，缩短冶炼周期。
24.进一步的，在lf精炼初期设定为脉动喷吹模式，多透气模块底吹，气体搅拌强度通过氩气喷入量(氩气流量和透气模块数)来进行控制，搅拌强度大，炉内还原性气氛易形成，渣金卷混效率快，加快脱硫反应进行，强化反应体系传热，均匀钢液内部温度场分布，缩短
电极加热时间，节约能源。
25.进一步的，在lf精炼后期进行软吹去夹杂，设定喷吹气量为100nl/min，多透气模块喷吹，提高氩气的搅拌范围，减小“死区”，增大气泡对钢中夹杂物的吸附作用，同时夹杂物碰撞聚合上浮去除率和气泡尾涡去除率增加，加快夹杂物去除速率，提高了钢液洁净度。
26.进一步的，喷吹制度的优越性选择通过plc系统反馈的各冶炼工序现场数据和钢坯质量耦合求解。
27.采用上述的钢包多点脉动式底吹精炼的装置来完成钢液精炼处理，其包括了如下步骤：
28.步骤一、将所述底吹透气元件嵌入多点底吹用钢包底，透气元件与plc控制系统中的气体流量控制器通过带有快速接头的管道相连，气体流量控制器安装在氩气输入管道的支路上，所有氩气输入管道支路并联与总供气管道连接；此外，气体流量控制器通过控制信号线同plc控制模块连接，此时供气管道阀门处于并将一直处于开启状态，气体流量控制器处于关闭状态，快速接头的公母头处于连接状态。
29.步骤二、钢液精炼时，打开供气管道阀门，使氩气运输至气体流量控制器处，通过plc控制模块通过改变气体流量控制器的开度和开闭节奏对透气元件数量、氩气流量大小以及氩气喷吹时间来进行控制，使氩气脉动式输出。
30.步骤三、脉动式输出的氩气通过管道输送至透气元件处，通过多点底吹钢包底上设置的多个透气元件进入钢液。在钢液完成精炼处理后，通过plc控制模块关闭气体流量控制器的阀门，结束供气，而后断开快速接头的公母头，将钢包车驶离精炼位，通过天车将钢包调运至下一工序。
31.与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
32.本发明提出了一种钢包多点脉动式底吹智能化精炼的技术，在钢包精炼过程中，向钢液中喷吹氩气。多透气元件的排布方式，在去除夹杂物时，扩大了氩气流对钢液的搅拌范围，使氩气与钢液中夹杂物的接触面积大范围提升，更利于夹杂物的聚合长大和上浮去除；脉动式的氩气输出方式，使得渣金界面波动呈现出强弱交替的现象，增强了渣金卷混程度，同时氩气由多透气元件的排布方式进入钢液内部，增大了渣金卷混的面积，结合多透气元件的排布方式和脉动式的氩气输出方式，大大提升了渣金界面反应，缩短了冶炼周期，提升了精炼效率；同时通过plc控制系统对不同工序和冶炼条件下的喷吹制度进行智能化选择，提高了冶金效率和氩气利用率，降低了钢液温降，减少了冶炼的能源消耗及成本。
33.(1)多点脉动式的氩气智能化喷吹模式，提高了氩气利用率，减少了钢液温降，达到了节约能源，降低生产成本的效果。
34.(2)多透气元件的排布方式增加了氩气搅拌范围，提高了钢中夹杂物的去除率，增加了钢种的纯净度。
35.(3)脉动式氩气喷吹提高了渣金反应效率，加速了精炼时间，缩短了冶炼周期。
36.(4)该工艺不改变原有生产格局，只需采用多透气元件钢包底加上plc控制系统即可，安装方便，操作简单，占用场地小。本发明的装置操控性强，可随时根据现场条件进行调整。
附图说明
37.图1为本发明实施例1的钢包多点脉动式底吹智能化精炼装置的整体组成示意图；
38.图2为本发明实施例1的透气元件圆形单孔道示意图；
39.图3为本发明实施例1的单孔底吹喷粉透气模块的剖面图；
40.图4为本发明实施例2的透气元件圆形多孔道示意图；
41.图5为本发明实施例3的透气元件狭缝型孔道示意图；
42.图6为本发明实施例4的多透气元件排布示意图(8透气元件部分)；
43.图7为本发明实施例5的透气元件轮转式喷吹模式示意图；
44.图8为本发明实施例6的冷态物理实验效果图。
45.图中：1plc控制系统；11plc控制模块；12气体流量控制器；13控制信号线；21氩气输入管道；22氩气输出管道；23快速接头(包括公头和母头)；3透气元件；4多透气元件用钢包底；5钢包；6圆形单孔道；7耐火材料；8圆形多孔道；9狭缝型孔道；10气室。
具体实施方式
46.为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
47.实施例1
48.如图1所示，为本发明实施例1的钢包多点脉动式底吹智能化精炼装置的整体组成示意图。图中包括plc控制系统1、plc控制模块11、气体流量控制器12、控制信号线13、氩气输入管道21、氩气输出管道22、快速接头23、透气元件3、安装多透气元件用钢包底4和钢包5。其中plc控制装置1、plc控制模块11、气体流量控制器12、控制信号线13、氩气输入管道21、氩气输出管道22、快速接头23、透气元件3和安装多透气元件用钢包底4构成了本发明实例1的钢包多点脉动式底吹精炼装置。
49.其中，plc控制系统1用来控制氩气流量脉动式输出，其主要原理为plc控制模块通过控制信号线同气体流量控制器连接，通过改变气体流量控制器内部阀门的开度和开闭节奏对透气元件数量、氩气流量大小以及氩气喷吹时间来进行控制；氩气输入管道21、氩气输出管道22和快速接头23为连接设备各部分所用；透气元件3用于向钢包中喷射氩气，其形状为上小下大的圆台形，下端与氩气管道相连，其内部材质为耐火材料，外部由一层钢材包裹，底吹透气元件上至少有一条贯通的孔道；安装多透气元件用钢包底4由耐火元件堆砌而成，其上的透气元件安装位数量在3及以上，其与透气元件的结合方式有插拔式和埋入式两种。
50.所述的氩气管道分别将气体流量控制器和底吹透气元件相连接。plc控制模块通过气体流量控制器控制气体的流量呈脉动式输出，脉动周期为10s，波峰值为1200nl/min，波谷值在50nl/min。
51.透气元件的孔道设置如图2、3所示，为圆形单孔道，其中单孔的直径设为8mm，透气元件下部设气室。
52.使用这种钢包多点脉动式底吹智能化精炼装置进行钢液精炼处理的方法，其具体步骤如下：
53.步骤一：按图1所示的装置图来进行装置的装配工作，通过氩气管道连接各部分，
此时供气阀门为开启状态，所有气体流量控制器的内部阀门为闭合状态，监测装置的气密性以及管道的通畅性。
54.步骤二：在钢包进入精炼站时，将氩气管道通过快速接头与钢包透气砖下的氩气输出管道连接，此时氩气输送至plc控制系统的气体流量控制器处。
55.步骤三：通过plc控制模块改变气体流量控制器内部阀门开度和开闭节奏使氩气流量脉动式输出，而后氩气通过管道输送至透气元件处，通过透气元件喷吹进钢液。在钢液合金化工序时，控制气体流量控制器阀门开度变大以加大氩气流量输出，使合金料与钢液充分卷混；在夹杂物去除工序时，减小氩气流量输出并增加进行氩气喷吹的透气元件数量，使之更大范围的软吹去夹杂，加快夹杂物的碰撞聚合和上浮去除；另一方面使氩气呈脉动式输出，提高湍动能，使渣金界面呈强弱交替波动，提高渣金卷混程度，加速渣金反应。
56.实施例2
57.本实施例采用如图1所示的装置来进行钢液精炼处理，本实施案例中在钢包底砌入4块呈90度分布的透气元件，且透气元件与钢包中心点距离为0.5r，其中r为钢包底半径。
58.如图4所示，透气元件3上的孔道为圆形多孔道布置，其中孔道8的半径为0.5mm，数目为151。
59.实施例3
60.本实施例采用如图1所示的装置来进行钢液精炼处理，本实施案例中脉动周期为5s，波峰气流量为1000nl/min，波谷气流量为50nl/min。
61.如图5所示，透气元件上的孔道为狭缝型，狭缝的宽度为0.15mm,长度为50mm，狭缝数为18。
62.实施例4
63.本实施例采用如图1所示的装置来进行钢液精炼处理，本实施案例中脉动周期为10s，波峰气流量为1000nl/min，波谷气流量为60nl/min，透气元件安装位置在距钢包底中心0.5r处，r为钢包底部半径。
64.如图6所示，以45
°
角为最小单元，钢包底为8块透气元件排布，通过plc控制模块对气体流量控制器开闭进行控制，保持透气元件利用率在3块及以上，可以看到共有23种不同的喷吹模式，可充分满足现场对透气元件排布的需求。
65.实施例5
66.本实施例采用如图1所示的装置来进行钢液精炼处理，本实施案例中，脉动周期为1s，波峰气流量为1000nl/min，波谷气流量为10nl/min，钢包底安装透气元件数量为8，每块透气元件之间的角度为45
°
，透气元件与钢包底中心的距离为0.55r，r为钢包底部半径。
67.如图7所示，在钢液精炼过程中，透气元件按(1)～(8)的顺序逐个或分模块的向钢液中喷吹氩气，每个(组)透气元件喷吹时间为1s即一个脉动周期。通过轮转式的喷吹模式使氩气呈漩涡式对钢液进行扰动，对钢渣的卷混效果更强，同时在气泡的扰动范围增大的情况下，提高了氩气利用率，从而减少了钢液温降，达到了节约能耗降低生产成本的效果。
68.实施例6
69.本实施例采用如图1所示的装置来进行钢包底吹氩过程冷态物理实验，本实施例中，运用水模型手段对精炼过程渣金卷混进行模拟，模型与钢包实体比例为1:6，底吹总气流量设为20nl/min，相似准数由弗雷德数计算所得，以水模拟钢液，油模拟渣层。
70.如图8所示，(a)和(b)为双透气模块的不同排布，(c)和(d)为4透气模块喷吹，多透气模块在气流量一定的情况下，提高气体扰动范围，为液体带去更大湍动能，使得渣金卷混程度增加，提高渣金界面反应，缩短冶炼时间。就(c)、(d)而言，(c)为稳流式喷吹模式，(d)为脉动式喷吹模式，脉动式喷吹模式进一步提高渣金卷混程度，改善反应器内动力学条件。
71.以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。