СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТРУИ МЕТАЛЛА ПРИ РАЗЛИВКЕ Российский патент 1996 года по МПК B22D7/00 B22D11/10 B22D41/08 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к плавильному производству, и может быть использовано при разливке металла, например при разливке стали из ковша в изложницы, а также в МНЗЛ при разливке из сталеразливочного ковша в промежуточный ковш и из промежуточного ковша в кристаллизатор.

Специфической особенностью процесса разливки из ковша в металлоприемник является контакт струи металла с окружающим воздухом, что приводит к вторичному окислению металла. Исследованиями установлено, что при разливке спокойных сталей происходит дополнительное окисление металла, при этом содержание неметаллических включений возрастает в среднем на 40 80% а сталь насыщается дополнительно азотом и водородом. Это приводит к увеличению поверхностных трещин, росту брака по рванине, насыщению вредными газами, угару легкоокисляющихся компонентов и, в конечном итоге, к существенному ухудшению качества металлопродукции.

Известно решение, обеспечивающее защиту и обработку струи металла при разливке струями инертного газа 3 /1/. Однако, это решение обладает существенным недостатком, заключающимся в повышенной концентрации воздуха, подсасываемого к отдельным струям инертного газа при скоростном их истечении и взаимодействием воздушно-инертной смеси с поверхностью разливаемого металла.

Известно также решение, при котором вокруг струи металла формируют концентричные две струи инертного газа /2/, при этом дальнобойность и устойчивость этих струй достигается путем значительной кинетической энергии, создаваемой при истечении. Это усложняет реализацию способа и требует обрабатывающего газа высоких энергопараметров, что снижает эффективность газовой обработки. Так, в источнике информации /3/ приведены данные о результатах реализации этого способа, согласно которым эффективная обработки струи металла достигается подачей аргона при расходе 200 300 м³/ч. Это существенно удорожает обработку стали, т.к. в среднем 1 м³ аргона на современных металлургических предприятиях стоит 1 1,6 руб. Кроме того, повышенные параметры инертного газа усложняют экологическую обстановку в зона разливки металла.

Известно также техническое решение /4/, согласно которому обработка струи стали во время выпуска ее из ковша в изложницу производится посредством подачи аргона в виде кольцевых струй к дну ковша и вниз к изложнице. В результате такой разливки достигается чистота слитка от оксидных включений при расходе аргона 3 м³/мин или 180 м³/ч. при удельном расходе аргона 1 м³/т стали при давлении аргона 10 кг/см².

Значительный расход инертного газа приводит к снижению экономичности обработки и к ухудшению качества слитка и непрерывно-литой заготовки. Это объясняется тем, что увеличение расхода аргона приводит к повышению степени окисления инертной струи окружающим воздухом и к вводу окислительных компонентов и азота непосредственно в струю металла, к развитию турбулизации в зоне контакта скоростной газовой струи с разливаемой сталью, к ренасыщению ее газами, к интенсификации барботажа в металлоприемнике, к затруднению их выделения из объема слитка.

Известно техническое решение /5/, направленное на повышение экономичности и качества обработки струи металла, включающее изоляцию струи металла от окружающей атмосферы огнеупорной трубой с принудительным вводом инертного газа в верхнюю часть трубы. Это решение характеризуется сложным креплением трубы, неудобством эксплуатации, затруднением очистки выпускного отверстия в разливочном ковше, низкой эксплуатационной стойкостью, локальным вводом инертного газа, повышенным его расходом при равномерном заполнении полости трубы.

Перечисленные недостатки частично снижены в известном решении /6/, согласно которому инертный газ подают двумя потоками, один из которых направляют внутрь трубы, а другой вдоль ее наружной поверхности, при этом обработку струи металла осуществляют путем ее эффективного дробления и предотвращения ее окисления. Применение данного способа препятствует образованию настылей и приводит к снижению содержания кислорода в атмосфере вокруг струи металла до 5% что при разливке легированных сталей уменьшает содержание крупных оксидных включений примерно в 1,5 раза. Такое решение характеризуется подачей повышенного расхода инертного газа, необходимого для эффективного дробления струи металла, что приводит к интенсивному насыщению струи металла газом и, как следствие, к интенсификации барботажа в металлоприемнике, к затруднению их выделения из объема слитка, что, в конечном итоге, снижает экономичность обработки при невысоком ее качестве.

На повышение экономичности обработки струи металла направлено известное решение /7/, согласно которому уменьшение проникновения воздуха в разливаемую струю достигают улучшением соединения между разливочным ковшом и металлоприемником, т.е. повышают его герметичность путем ввода под давлением огнеупорной массы в зону примыкания огнеупорной трубы к разливочному ковшу. Такое решение характеризуется конструктивной сложностью и возможностью растрескивания огнеупорной массы при невысоких температурах и вибрациях ковша и трубы в процессе разливки, что снижает экономичность и эффективность обработки.

На упрощение конструкции направлен известный способ обработки струи металла при разливке, включающий выпуск ее из разливочного ковша в металлоприемник через защитную трубу, примыкающую к разливочному ковшу /8/. Согласно данному решению, струю металла изолируют от контакта с атмосферой путем механического прижима верхней части огнеупорной трубы к стакану разливочного ковша и погружения нижней части ниже уровня расплава в металлоприемнике, при этом обеспечивают плотность прижима трубы к ковшу.

В этом решении разливку струи стали осуществляют в герметичном тракте, что достигается газоплотностью прижима защитной трубы к стакану ковша, т.е. качеством и устойчивостью взаимного примыкания огнеупорных изделий. Такое решение обладает существенным недостатком, заключающемся в неполной защите струи металла за счет частичного проникновения воздуха через неплотности в зоне примыкания трубы с ковшом. Подсос воздуха в трубу связан с вибрациями металла в процессе разливки, с несоосностью примыкания трубы к выпускному отверстию разливочного ковша, с возможностью растрескивания трубы в зоне примыкания при усилении механического прижима и заметалливания поверхности примыкания трубы и стакана ковша, со сложностью обеспечения чистоты их контактных поверхностей, связанной с зернистостью огнеупорных изделий.

В результате подсоса воздуха в зоне примыкания трубы к ковшу происходит его внедрение в струю металла за счет разрежения, создаваемого в процессе истечения металла. Это создает условия для насыщения струи металла вредными газовыми компонентами, такими как кислород и азот, что в процессе поступления струи в металлоприемник вызывает их перемешивание в объеме всего металла, а это в конечном итоге снижает качество металла, особенно легированного дорогостоящими добавками.

На повышение эффективности обработки направлен способ обработки струи металла при разливке, включающий выпуск ее из ковша в металлоприемник через защитную трубу с обдувом входной части этой трубы и герметизацией ее выходной части (путем погружения в расплав) /9/. Данный способ обладает определенными недостатками, заключающимися в низкой степени обработки струи металла в процессе разливки за счет его слабой дегазации, возможности поглощения струей металла вредных газов, например воздуха, азота, водорода, а также сплошности струи металла при разливке в закрытом пространстве защитной трубы. Указанные недостатки вызываются возможностью проникновения аргона или природного газа, подаваемых на обдув защитной трубы, в смеси с окружающим воздухом в полость трубы за счет разрежения, создаваемого струей металла в зоне истечения из стакана разливочного ковша. Защитно-воздушная смесь поступает в полость трубы через неплотности стыка между трубой и стаканом, создаваемыми при вибрации ковша и трубы в процессе разливки, при заметалливания их контактных поверхностей, при нарушениях работы манипулятора и установки защитной трубы в его посадочное место. Ввод такой газовой смеси в трубу приводит к ее поглощению струей металла, к недопустимому бурлению расплава в металлоприемнике, к захвату шлака с поверхности расплава, к взаимодействию газовых компонентов с алюминием и легирующими добавками, в результате чего снижается эффективность обработки металла и ухудшается качество слитка или непрерывно-литой заготовки.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому эффекту является способ обработки струи металла при разливке, включающий выпуск металла из ковша в металлоприемник через защитную трубу с герметизацией ее нижней части путем погружения трубы в расплав металлоприемника, а также отсос отходящих газов через зазор между защитной трубой и ковшом (ковшевым стаканом) посредством тангенциальных газовых струй (энергоносителя) 3 /10/. Это решение взято в качестве прототипа. Данный способ обладает существенным недостатком, заключающимся в невысокой степени обработки струи стали в процессе разливки за счет его слабой дегазации при оптимальных расходах энергоносителя. Объясняется это тем, что повышение степени дегазации, т.е. повышение степени отсоса газов из струи металла достигается повышенным расходом энергоносителя (200 300 м³/ч), т.к. данному способу сопутствуют высокие гидравлические потери, вызванные истечением струи энергоносителя в свободное окружающее пространство и потерями на трение с ним. При таком истечении газовых струй имеется возможность подсоса окружающей атмосферы в зону истечения струй, что может привести к контакту окислительных компонентов со струей металла, в особенности при несоосной установке защитной трубы со сталевыпускным отверстием разливочного ковша. Следует также отметить, что истечение струй энергоносителя в свободное пространство вызывает разбрызгивание капель жидкого металла и заметалливание обрабатывающих устройств, особенно сопел в силу их значительного количества (8 12 шт.) и малого диаметра (3 5 мм), что снижает равномерность отсоса и требует увеличения расхода энергоносителя на обработку.

Задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в повышении качества металла путем увеличения надежности защиты струи от окисления, степени его дегазации и экономичности обработки в целом, т.е. в повышении качества обработки и снижении ее стоимости.

Достижение задачи осуществляется тем, что в способе обработки струи металла при разливке, включающем выпуск металла из ковша в металлоприемник через защитную трубу с герметизацией ее нижней части путем погружения трубы в расплав металлоприемника, а также отсос отходящих газов через зазор между защитной трубой и ковшом посредством тангенциальных газовых струй, зону примыкания защитной трубы к ковшу помещают в кольцевую камеру, газоуплотненную с ковшом, с кольцевым зазором вокруг защитной трубы, при этом газовую струю энергоносителя формируют тангенциально к боковой стенке внутри этой камеры.

Способ поясняется чертежом. Согласно данному способу, разливку расплавленного металла производят путем его выпуска в виде струи 1 из сталевыпускного отверстия стакана 2 разливочного ковша 3 в металлоприемник 4, например при разливке из сталеразливочного ковша в промежуточный ковш. Для уменьшения вредного воздействия окружающей атмосферы струю металла 1 в процессе разливки изолируют от пространства защитной огнеупорной трубой 5. При этом входную часть трубы 5 устанавливают манипулятором к стакану 2 с равномерным кольцевым зазором 6, обозначенным на чертеже S, между их контактными поверхностями, а выходную часть трубы 5 погружают в расплав металлоприемника, например на 150 300 мм в расплав, находящимся в промежуточном ковше при разливке на МНЛЗ. Зону примыкания стакана 2 к входной части защитной трубы 5 помещают в кольцевую камеру 7, газоуплотняют сверху с ковшом 3, например с коллектородержателем шиберного затвора при использовании шибера, содержащего сталеразливочный стакан 2 с выпускным отверстием для слива металла. Камеру 7 устанавливают так, что при установке в процессе разливки защитной трубы 5 между камерой 7 и наружным диаметром входной части трубы 5 имеется кольцевой зазор 9, соединяющий полость камеры с окружающим пространством. В верхней части полости камеры 7 формируют тангенциальную струю энергоносителя путем его ввода через сопло 8, расположенное тангенциально в боковой стенке кольцевой камеры 7. После установки защитной трубы 5 в полость камеры 7 подают под давлением энергоноситель через тангенциальное сопло 8, который формирует на боковой стенке камеры закрученный активный поток, создавая внутри себя область пониженного давления (разрежение), куда эжектируется (отсасывается) через зазор 6 газ, растворенный в струе жидкого металла. В качестве энергоносителя может быть использован аргон, азот, воздух и другие газы. Отсасываемый из металла газ вовлекается высокоскоростной струей энергоносителя во вращательное движение по боковой стенке камеры 7 и вместе с ним выносится через кольцевой зазор между стенкой камеры 7 и защитной трубой 5 в окружающее пространство. Формирование вращающегося потока тангенциально боковой стенке кольцевой камеры устраняет гидравлические потери на трение с окружающим пространством в сравнении с прототипом, чем значительно повышает эжектирующий эффект закрученной струи энергоносителя в зоне отсоса при заданном его расходе, при этом криволинейность (закрученность) газовой струи сохраняется в течение большого времени, т.е. количество движения струи энергоносителя сохраняется на более длительном пути.

Таким образом, в предложенном техническом решении в сравнении с прототипом значительно выше создаваемое разрежение при одинаковом расходе газа-энергоносителя или разрежение, создаваемое в прототипе, достигается значительно меньшим расходом газа (в 1,5 2 раза). Создание в зоне отсоса газов из металла более значительного разрежения дополнительно снижает плотность струи жидкой стали, повышает ее массообменные процессы и увеличивает степень дегазации металла за счет снижения парциального давления растворенных газов.

Таким образом, в результате реализации данного способа достигается высокая степень защиты струи и дегазации металла при невысоком (оптимальном) расходе энергоносителя, повышается степень безгазового диспергирования струи металла, исключается поступление окружающей атмосферы в зону выпуска стали из ковша, снижается разбрызгивание расплавленного металла, упрощаются конструкции и повышается эксплуатационная надежность обрабатывающих устройств, т. е. достигается задача, заключающаяся в повышении качества обрабатываемого металла и экономичности процесса обработки.

Пример конкретного выполнения предлагаемого способа.

Исходные данные:
1. Сопоставление предложения производили в сравнении с решением, взятым в качестве прототипа и используемым на установках непрерывной разливки стали электросталеплавильного цеха.

2. Разливочный ковш ковш емкостью 150 т.

3. Диаметр выпускного отверстия стакана 70 мм.

4. Разливку осуществляют посредством использования защитной кварцевой трубы.

5. Размеры трубы:
диаметр внутренний 140 мм
диаметр наружный 190 мм;
диаметр наружный (входной части) 310 мм;
высота трубы 1000 мм
6. Диаметр кольцевой камеры 350 мм.

7. Глубина погружения трубы в расплав 150 300 мм.

8. Высота зазора между стаканами ковша и входной частью защитной трубы - 10 мм.

9. Скорость истечения газовой струи 100 150 м/с.

При сопоставлении проб, отобранных от 20-ти плавок предложения и прототипа, получены следующие средние фактические результаты. ТТТ1

Использование: металлургия, конкретнее плавильное производство, в частности при разливке металла, например на МНЗЛ при разливке из разливочного ковша в промежуточный ковш. Сущность: при разливке на МНЗЛ, включающей выпуск металла из ковша в металлоприемник через защитную трубу с герметизацией ее нижней части путем погружения трубы в расплав металлоприемника, а также откос отходящих газов через зазор между защитной трубой и ковшом посредством тангенциальных газовых струй, зону примыкания защитной трубы к ковшу помещают в кольцевую камеру, газоуплотненную с ковшом, с кольцевым зазором вокруг трубы, а газовую струю формируют тангенциально боковой стенке внутри этой камеры. 1 ил., 1 табл.

Способ обработки струи металла при разливке, включающий выпуск металла из ковша в металлоприемник через защитную огнеупорную трубу, входная часть которой установлена с равномерным кольцевым зазором к выпускному стакану ковша, а выходная погружена в расплав в металлоприемнике, и отсос газа, растворенного в струе жидкого металла через зазор между защитной трубой и стаканом ковша посредством тангенциальных газовых струй, отличающийся тем, что зону примыкания стакана и входной части защитной огнеупорной трубы помещают в кольцевую камеру, газоуплотненную сверху с ковшом и установленную с кольцевым зазором между стенками камеры и наружным диаметром входной части защитной трубы, соединяющим полость камеры с окружающим пространством, при этом тангенциальную газовую струю формируют в верхней части полости камеры и выводят в образующее пространство через кольцевой зазор между стенками камеры и наружным диаметром входной части защитной трубы.