一种立式加热炉炉口密封装置及其密封方法
阅读说明：本技术 一种立式加热炉炉口密封装置及其密封方法 (Furnace mouth sealing device and method for vertical heating furnace ) 是由 朱航宇 王伟胜 李建立 余岳 宋明明 薛正良 于 2021-01-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种立式加热炉炉口密封装置及其密封方法。该密封装置包括具有中空结构的密封装置本体、设置于密封装置本体内的集气圈以及进气管、出气管；进气管的一端与保护气体供应源连通,另一端穿过密封装置本体的外壁与集气圈连通；出气管的一端与集气圈连通,另一端贯穿密封装置本体的内壁。将该密封装置置于立式加热炉的炉口上方,由进气管通入保护气体,能够使保护气体经集气圈和出气管形成气体射流,该气体射流在装置内高速旋转,形成一层气幕墙,实现炉口外部和内部的隔绝,以保证加料和取样过程中钢液不受炉口附近区域空气污染,从而对炉内冶炼环境进行有效保护,提高钢液质量,并满足实验室研究的需求,具有较高的实际应用价值。(The invention provides a furnace mouth sealing device of a vertical heating furnace and a sealing method thereof. The sealing device comprises a sealing device body with a hollow structure, a gas collecting ring, a gas inlet pipe and a gas outlet pipe, wherein the gas collecting ring, the gas inlet pipe and the gas outlet pipe are arranged in the sealing device body; one end of the air inlet pipe is communicated with a protective gas supply source, and the other end of the air inlet pipe penetrates through the outer wall of the sealing device body and is communicated with the gas collecting ring; one end of the air outlet pipe is communicated with the air collecting ring, and the other end of the air outlet pipe penetrates through the inner wall of the sealing device body. Arrange this sealing device in vertical heating furnace's fire door top, let in protective gas by the intake pipe, can make protective gas form the gas efflux through gas collecting ring and outlet duct, this gas efflux is high-speed rotatory in the device, form one deck gas curtain wall, realize the outside and inside isolated of fire door, do not receive near regional air pollution of fire door with the molten steel in order to guarantee to feed in raw material and the sampling process, thereby effectively protect the interior smelting environment of stove, improve the molten steel quality, and satisfy the demand of laboratory research, higher practical application is worth.)
技术领域
本发明涉及冶金实验设备技术领域，尤其涉及一种立式加热炉炉口密封装置及其密封方法。
背景技术
钢铁材料的冶炼温度一般在1600℃，为了制备钢铁材料并研究冶炼过程中物理化学反应机理，各大院所、研究机构所在实验室条件下一般使用碳管炉、硅钼棒高温炉、中频炉等立式加热炉进行钢铁材料的冶炼。钢铁材料中往往含有Si、Mn、Ti、Al等元素，在冶炼过程中炉口部位的空气会扩散至炉管内部，空气中的氧会和Si、Mn、Ti、Al等元素发生反应，从而对钢液造成污染，产生各类非金属夹杂物，影响钢的纯净度。
为了防止空气对钢液的污染，在实验过程中一般采用的方法是底部通入保护性气体(氩气、氮气等)，炉口上部加密封盖(仅留小孔进行排气)。通过上部加密封盖的方法能有效防止空气对钢液的污染，使钢液在较为纯净的气氛中进行冶炼。然而，在研究冶金反应时，往往会关注冶金过程中的现象，需要在整个冶炼过程中进行多次的加料或取样进行分析，在打开顶部炉盖时，空气仍会对钢液造成污染，从而严重影响钢水纯净度和实验结果。
公开号为CN211425073U的专利提出了一种电渣用全密封水冷气体保护罩，对电渣冶金过程实现了全密封气体保护效果。该气体保护罩包含上部保护盖板、循环水腔、进出气口、加料口等，但其仅适用于工业生产用电渣冶金炉，且保护气体消耗量大(高达83～166L/min)，对保护罩内吹气机构也未做详细设计，难以满足实验室研究冶金过程的需要。
公开号为CN211012396U的专利提供了一种电弧炉炉盖及电弧炉。该电弧炉炉盖的盖体上开设有电极孔，通过对每一电极孔配置一组气幕密封机构，提高电极孔的密封性能，防止外界环境的气体进入炉内，造成冶炼产品质量下降。然而，该电弧炉炉盖的气幕密封机构中的喷射角有效角度为60°～150°，超出该角度的区域为气体死区，该死区可能成为炉内外气体交换的通道，因此，该机构对炉口密封的有效性有待进一步研究。
有鉴于此，有必要设计一种改进的立式加热炉炉口密封装置及其密封方法，在加料或取样时阻止炉口部位空气进入炉管内部对钢液造成污染，以解决上述问题。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种立式加热炉炉口密封装置及其密封方法，使保护气体经集气圈和出气管形成气体射流，该气体射流在装置内高速旋转，从而形成一层气幕墙，实现炉口外部和内部的隔绝，以保证加料和取样过程中钢液不受炉口附近区域空气污染，从而提高钢液质量。
为实现上述目的，本发明提供了一种立式加热炉炉口密封装置，包括具有中空结构的密封装置本体、设置于所述密封装置本体内的集气圈以及进气管、出气管；所述进气管的一端与保护气体供应源相连通，另一端穿过所述密封装置本体的外壁与所述集气圈相连通；所述出气管的一端与所述集气圈相连通，另一端贯穿所述密封装置本体的内壁。
作为本发明的进一步改进，所述进气管的数量为1～2根，所述出气管的数量为4～10根。
作为本发明的进一步改进，所述出气管的数量为6～8根，每根所述出气管沿所述集气圈均匀分布。
作为本发明的进一步改进，所述出气管与所述内壁的切线之间的夹角为10°～60°。
作为本发明的进一步改进，每根所述出气管与所述内壁的切线之间的夹角相等，均为20°～45°。
作为本发明的进一步改进，所述进气管与所述保护气体供应源之间设置有带控制阀的气体流量计，用于将所述进气管输入的所述保护气体的流量调节为5～30L/min。
作为本发明的进一步改进，由所述进气管输入的所述保护气体的流量为10～15L/min。
作为本发明的进一步改进，所述保护气体包括但不限于氩气、氮气中的一种或多种混合。
为实现上述目的，本发明还提供了上述立式加热炉炉口密封装置的密封方法，包括如下步骤：
S1、将所述立式加热炉炉口密封装置放置于立式加热炉的炉口上方，完成密封装置的安装；
S2、将保护气体装入气瓶内，作为保护气体供应源；
S3、将所述保护气体供应源通过带控制阀的气体流量计与进气管的输入端连接；
S4、开启所述控制阀，使所述保护气体经所述进气管进入集气圈，并由所述出气管喷出，在所述密封装置的中空区域形成气幕，使所述炉口的外部和内部相隔绝。
作为本发明的进一步改进，开启所述控制阀时，所述立式加热炉内的加热温度为500℃以上。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过在密封装置本体内设置进气管、集气圈和出气管，能够使保护气体由进气管输入后，经集气圈和出气管形成气体射流，该气体射流在装置内高速旋转，形成一层气幕墙，实现炉口外部和内部的隔绝，以保证加料和取样过程中钢液不受炉口附近区域空气污染，从而对炉内冶炼环境进行有效的保护，以提高钢液质量，并满足实验室研究的需求。
(2)本发明提供的立式加热炉炉口密封装置为中空结构，不仅便于在冶炼过程中进行加料和取样操作，还能够利用形成的气幕墙防止加料或取样操作时炉口部位的空气进入炉管内部，避免空气中的氧与钢液中的Si、Mn、Ti、Al等元素发生反应，从而在满足实验研究需求的同时达到提高钢液纯净度的效果。
(3)本发明提供的立式加热炉炉口密封装置通过合理设置进气管、集气圈和出气管的结构与数量，并对各出气管与所述内壁的切线之间的夹角进行控制，能够在达到密封效果的同时有效降低保护气体消耗量，使用成本较低。
(4)本发明提供的立式加热炉炉口密封装置设计简单、制造方便，成本较低，适用于实验室冶炼用的常见碳管炉、硅钼棒高温炉和中频炉等；且基于该立式加热炉炉口密封装置的密封方法操作简单，能够有效实现炉口外部和内部的隔绝，避免加料和取样过程中钢液受炉口附近区域空气污染，具有较高的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种立式加热炉炉口密封装置在一个视角下的结构示意图。
图2为本发明提供的一种立式加热炉炉口密封装置在另一个视角下的结构示意图。
图3为本发明提供的一种立式加热炉炉口密封装置的横向剖面图。
图4为本发明提供的一种立式加热炉炉口密封装置的纵向剖面图。
图5为本发明提供的一种立式加热炉炉口密封装置的三维立体示意图。
图6为本发明提供的一种立式加热炉炉口密封装置的三维横向剖面图。
附图标记
1、密封装置本体；11、外壁；12、内壁；2、进气管；3、集气圈；4、出气管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
如图1～图6所示，本发明提供了一种立式加热炉炉口密封装置，包括具有中空结构的密封装置本体1、设置于所述密封装置本体1内的集气圈3以及进气管2、出气管4；所述进气管2的一端与保护气体供应源相连通，另一端穿过所述密封装置本体1的外壁11与所述集气圈3相连通；所述出气管4的一端与所述集气圈3相连通，另一端贯穿所述密封装置本体1的内壁12。
具体地，在本发明的部分实施例中，所述进气管2的数量为1～2根；所述出气管4的数量为4～10根，并优选为6～8根，每根所述出气管4沿所述集气圈3均匀分布，用于使由进气管2通入的保护气体进入集气管后由均匀分布的若干根出气管4输出，形成气幕墙，实现炉口外部和内部的隔绝，以保证加料和取样过程中钢液不受炉口附近区域空气污染，从而提高钢液质量。
在本发明的部分实施例中，每根所述出气管4与所述内壁12的切线之间的夹角相等，该夹角为10°～60°，优选为20°～45°，用于使出气管4喷出的若干条气体射流在装置内高速旋转形成一层气幕墙，达到隔绝炉口内部和外部的效果。
在本发明的部分实施例中，所述进气管2与所述保护气体供应源之间设置有带控制阀的气体流量计，用于将所述进气管2输入的所述保护气体的流量调节为5～30L/min，并优选为10～15L/min。基于本发明提供的立式加热炉炉口密封装置的结构设计，能够在达到密封效果的同时有效降低保护气体消耗量，从而降低使用成本。
在本发明的部分实施例中，所述保护气体包括但不限于氩气、氮气中的一种或多种混合。
本发明还提供了上述立式加热炉炉口密封装置的密封方法，包括如下步骤：
S1、将所述立式加热炉炉口密封装置放置于立式加热炉的炉口上方，完成密封装置的安装；
S2、将保护气体装入气瓶内，作为保护气体供应源；
S3、将所述保护气体供应源通过带控制阀的气体流量计与进气管2的输入端连接；
S4、开启所述控制阀，使所述保护气体经所述进气管2进入集气圈3，并由所述出气管4喷出，在所述密封装置的中空区域形成气幕，使所述炉口的外部和内部相隔绝。
在本发明的部分实施例中，在开启所述控制阀时，所述立式加热炉内的加热温度为500℃以上。
下面结合具体的实施例及对比例对本发明提供的立式加热炉炉口密封装置及其密封方法带来的实际效果进行具体说明。
实施例1
本实施例提供了一种立式加热炉炉口密封装置，包括具有中空结构的密封装置本体1、设置于所述密封装置本体1内的集气圈3以及进气管2、出气管4；所述进气管2的一端与保护气体供应源相连通，另一端穿过所述密封装置本体1的外壁11与所述集气圈3相连通；所述出气管4的一端与所述集气圈3相连通，另一端贯穿所述密封装置本体1的内壁12。
其中，进气管2的数量为一根，出气管4的数量为六根，各出气管4与内壁12切线之间的夹角为30°；使用的保护气体为氩气，流量为10L/min。
基于该立式加热炉炉口密封装置，采用硅钼棒高温炉进行常见Q235钢进行冶炼实验，具体包括如下步骤：
S1、将Q235钢置于刚玉坩埚并整体放入加热炉内部，再将本实施例提供的炉口密封装置置于硅钼棒高温炉炉口上方；
S2、将氩气气瓶与气体流量计连接，气体流量计与炉口密封装置进气口连接；
S3、将加热炉升温，升温至500℃时，打开控制阀，调节气体流量至10L/min；
S4、加热炉升温至1600℃保温10min，取样并分析钢样中氧含量和氮含量；
S5、关闭气体流量计和控制阀开关。
对步骤S4中所取的钢样进行检测，测得其氧含量为20ppm，氮含量为26ppm。
对比例1
对比例1同样采用硅钼棒高温炉进行常见Q235钢进行冶炼实验，与实施例1相比，不同之处在于对比例1未打开氩气气瓶的控制阀，即未形成气幕，对比例1的其余冶炼条件均与实施例1一致，在此不再赘述。
将对比例1中的钢样取样分析后，测得其氧含量和氮含量分别为60ppm和76ppm，明显高于实施例1中的20ppm和26ppm，表明实施例提供的立式加热炉炉口密封装置能够利用保护气体形成的气幕墙达到隔绝炉口内部和外部的效果，从而有效降低钢中的含氧量和含氮量。
实施例2～12及对比例2～5
实施例2～12及对比例2～5分别提供了一种立式加热炉炉口密封装置，与实施例1相比，不同之处在于改变了进气管、出气管的数量，出气管与内壁切线间的夹角其保护气体的流量，其余步骤均与实施例1一致，在此不再赘述，各实施例对应的参数如表1所示。
表1实施例2～12及对比例2～5的设计参数
对实施例2～12及对比例2～4得到的钢样中的氧含量和氮含量进行检测，结果如表2所示。
表2实施例2～12及对比例2～4得到的钢样中的氧含量和氮含量
由表2可以看出，使用本发明提供的立式加热炉炉口密封装置后，实施例2～12得到的钢中氧含量和氮含量相对于对比例1均明显降低，表明本发明提供的立式加热炉炉口密封装置达到了明显的密封效果。由对比例2～5的数据还可以看出，当出气管与内壁切线的夹角以及气体流量过大或过小时，尽管对炉内气氛有一定保护作用，但由于无法有效形成气幕，保护效果有限。
综上所述，本发明提供了一种立式加热炉炉口密封装置及其密封方法。该密封装置包括具有中空结构的密封装置本体、设置于密封装置本体内的集气圈以及进气管、出气管；进气管的一端与保护气体供应源相连通，另一端穿过密封装置本体的外壁与集气圈相连通；出气管的一端与集气圈相连通，另一端贯穿密封装置本体的内壁。将该密封装置置于立式加热炉的炉口上方，并由进气管通入保护气体，能够使保护气体经集气圈和出气管形成气体射流，该气体射流在装置内高速旋转，形成一层气幕墙实现炉口外部和内部的隔绝，以保证加料和取样过程中钢液不受炉口附近区域空气污染，从而对炉内冶炼环境进行有效的保护，以提高钢液质量，并满足实验室研究的需求，具有较高的实际应用价值。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
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