ПРОДУВОЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ АГРЕГАТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЛИ ДОВОДКИ СТАЛИ Российский патент 2004 года по МПК C21C5/48 C21C7/72 B22D1/00 

Изобретение относится к производству и обработке стали в черной металлургии.

В последние годы в сталеплавильном производстве широко применяют перемешивание стали путем подачи в ее объем газа. В качестве газа в основном используют аргон и азот. В описании под словом газ понимается подача в сталь указанных газов. Применение этой операции позволяет гомогенизировать расплав, ускорить процессы раскисления, удаления неметаллических включений, ускорить процессы десульфурации и дефосфорации стали.

Перемешивание стали осуществляют в сталеплавильных агрегатах (печах), в установках доводки стали: ковшах, печах-ковшах и при вакуумировании стали.

Для подачи газа в агрегат сталеплавильного производства применяют различного рода установки, составной частью которых является продувочный элемент, так или иначе выполненный в виде трубы (различной формы), точнее набора труб, внутри которых размещены газонесущие каналы: круглые, пористые, щелевые, лабиринтные и другие. Часто эти каналы выполняют капиллярными. Газонесущие каналы размещают в огнеупорной керамике, образующей трубу (набор труб), в том числе коническую трубу-пробку, наиболее часто используемую при донной продувке. Составной частью такого набора труб является так называемый маяк безопасности, предотвращающий прорыв жидкого металла в месте установки продувочного элемента (см., например, С.Г. Сенников и др. Огнеупорные изделия и оборудование фирмы “MAYERTON” для продувки стали инертными газами. Журнал “Огнеупоры и техническая керамика”. № 10, 2000, с.51-56).

Кроме того, продувочный элемент помещен в огнеупорный газовый блок конической формы (что уже отмечалось, применительно к донной продувке), пирамидальной (усеченной), набора усеченных пирамидоидальных частей и другой формы. Огнеупорный гнездовой блок, в котором расположен продувочный элемент, становится составной частью кладки сталеплавильного агрегата типа электродуговой печи, мартеновской печи. Продувочная пробка, в которой размещены газонесущие каналы, также по существу составляет часть донной кладки печи, ковша, печи-ковша и т.д.

Продувочный элемент может быть использован в устройстве для донной (чаще в виде пробки) и боковой продувки. В боковом продувочном устройстве продувочный элемент может быть расположен горизонтально или под наклоном к горизонту (в сторону жидкого металла). В последнее время продувочный элемент стали снабжать механизмом периодического осевого перемещения, которым компенсируют износ торцевой части элемента, контактирующей с жидкой сталью. Механизм указанного осевого перемещения может быть любым, но чаще применяют наиболее простой из этих механизмов, работающий по принципу винт - гайка.

Первой узловой проблемой всех продувочных элементов является обеспечение постоянной подачи продувочного газа в жидкую сталь. Перерыв в подаче газа в той или иной степени приводит к засорению газонесущих каналов, в том числе капиллярных, жидким металлом и шлаком, что в конечном итоге ухудшает работу продувочного элемента по перемешиванию жидкой стали.

Второй узловой проблемой при применении продувочных элементов, расположенных в кладке печи и подающих газ непосредственно в металл (в том числе донные в виде продувочных пробок), является вероятность прорыва жидкой стали из ванны агрегата в районе расположения продувочного элемента. Применительно к донным продувочным пробкам защитные мероприятия подробно изложены в уже цитируемой статье С.Г. Сенникова и др.

В реальных условиях применения продувочных элементов важным является техническое решение указанных узловых проблем в их взаимосвязи: обеспечение качественной продувки жидкой стали при гарантированной защите агрегата от прорыва стали.

Известен пористый продувочный элемент, применяемый в донных продувочных пробках (см., например, указанную статью С.Г. Сенникова и др., рис.3а).

Пористый продувочный элемент (согласно материалам этой статьи) имеет два недостатка:

1) повышенную пористость, которая обуславливает высокую скорость износа продувочного элемента;

2) существенное изменение продувочных характеристик устройства в целом по мере указанного износа продувочного элемента.

Известен продувочный элемент, также применяемый в донных продувочных устройствах, выполненный в виде щелей (см., например, рис.3б и рис.4 указанной статьи). Этот продувочный элемент широко применяют в промышленности, при этом реализуют различное расположение щелей в продувочном элементе.

Основной недостаток указанного продувочного элемента состоит в весьма малых (капиллярных) размерах газонесущих щелей (0,12...0,18×18 мм или 0,15×0,15 мм). Этот недостаток немедленно проявляется при снижении и прекращении подачи газа и сводится к залипанию щелевых каналов (в начале части из них, затем и практически всех). В результате меняются все характеристики продувки и необходима срочная замена продувочного устройства.

Отметим, что в обоих проанализированных продувочных элементах, применяют “маяк безопасности”, предотвращающий прорыв жидкой стали из агрегата. Наличие капиллярных газонесущих каналов и “маяка безопасности” придает рассмотренным продувочным элементам две степени безопасности, что, конечно, недостаточно.

Отметим также, что в обоих проанализированных продувочных элементах могут применять предохранительную запаянную трубку, наполненную газом. По мере чрезмерного износа продувочного элемента конец трубки расплавляется, что автоматически приводит к прекращению подачи газа в сталь [см. заявку Германии G 84 19923.7 40 513 t/gl от 22 октября 1984 г.]. Техническое решение направлено на информацию об аварийном состоянии продувочного устройства, т.е. носит информационный, а не предохранительный характер.

Известен продувочный элемент, являющийся составной частью продувочного устройства и состоящий из соединенных между собой частей прямых труб, в которых размещены газонесущие каналы, помещенный в свою очередь в огнеупорный материал, при этом задняя часть элемента, не входящая при работе в контакт с жидким металлом, соединена с газоподводящей трубой, которая внутри этой части переходит в многократно изогнутую трубу из легкоплавкого в сравнении со сталью металла, в том числе с разветвлениями, размещенную в сыпучем материале и имеющую соединение с капиллярными газонесущими каналами, размещенными в другой части элемента (см., например, KNABL “Annual Refractory Symposium. 1^st-5^th of Jule 2002).

Этот известный продувочный элемент по совокупности существенных признаков наиболее близок предлагаемому, поэтому принят за прототип.

Существенные недостатки известного устройства состоят, во-первых, в непосредственном контакте части элемента с капиллярными газонесущими каналами (круглыми, щелевидными и др.) с жидким металлом. В этом случае при малейшем нарушении газового режима отмечается залипание части каналов. Последнему дополнительно способствует часто непрогнозируемый контакт этих каналов с жидкотекучим шлаком. Во-вторых, продувочный элемент имеет по существу два “маяка безопасности”: часть устройства с капиллярными трубами и описанная задняя часть элемента, не входящая при работе в контакт с жидкой сталью. Этого часто недостаточно для гарантированной безопасности от прорыва жидкой стали.

Предлагаемый продувочный элемент свободен от указанных недостатков. В нем предусмотрено до четырех степеней защиты от прорыва стали, кроме того, капиллярные газонесущие каналы выполняют те же функции, что и в известном устройстве, но не контактируют непосредственно с жидкой сталью агрегата в процессе его работы. Таким образом, в предлагаемом продувочном элементе в единой постановке и взаимосвязи технически решены отмеченные выше две узловые проблемы продувочных устройств.

Перечисленные технические результаты достигаются за счет того, что в продувочном элементе агрегата для получения или доводки стали, являющемся составной частью продувочного устройства и состоящем из соединенных между собой частей прямых труб, в которых размещены газонесущие каналы, помещенные в свою очередь в огнеупорном материале, при этом задняя часть элемента, не входящая при работе в контакт с жидким металлом, соединена с газоподводящей трубой, которая внутри этой части элемента переходит в многократно изогнутую трубу из легкоплавкого в сравнении со сталью металла, в том числе с разветвлениями, размещенную в сыпучем материале и имеющую соединение с капиллярными газонесущими каналами, размещенными в другой части элемента, согласно предложению между передней частью элемента, входящей в процессе работы в контакт с жидким металлом агрегата, и частью элемента с капиллярными газонесущими каналами, являющейся срединной частью элемента, размещена камера, размеры поперечного сечения которой многократно превышают размеры поперечного сечения газонесущих каналов. Кроме того, соединенные части элемента имеют форму круглой трубы, установленной на опоры вращения и снабженной механизмом вращения. К тому же газонесущие каналы в передней части элемента выполнены щелевыми - каплевидными с радиально-веерным расположением щелей относительно продольной оси элемента, при этом ширина щели возрастает пропорционально радиусу ее удаления от продольной оси элемента. Помимо этого он снабжен механизмом колебательного осевого перемещения.

Продувочный элемент пояснен схематическими чертежами.

На фиг.1 приведен общий вид элемента, выполненный в виде набора труб. На фиг.2 и 3 показано поперечное сечение А-А на фиг.1 (варианты исполнения); на фиг.4 - поперечное сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.5 - продольное сечение С-С на фиг.1; и на фиг.6 - продольное сечение Д-Д на фиг.1. На фиг.7 показан продувочный элемент при установке на опоры вращения; на фиг.8 показан продувочный элемент, снабженный механизмом колебательного осевого перемещения.

Продувочный элемент выполнен в форме прямой трубы, содержащей части 1-5, форма соединения которых здесь не рассматривается, так как не определяет сущность предложения.

Части 1-5 могут иметь разные между собой размеры поперечного сечения или одинаковые. Сами по себе поперечные сечения соединенных частей 1-5 продувочного элемента могут быть разные: круглые, квадратные, треугольные и другие. В ряде случаев исполнения предлагаемого продувочного элемента форма поперечных сечений частей 1-5 имеет принципиальное значение. Например, применяют круглое поперечное сечение частей 1-5 в случае установки продувочного элемента на опоры вращения, о чем подробнее будет освещено ниже.

Часть 1 (фиг.1) является передней, выходящей, и через нее осуществляется подача газа непосредственно в жидкую сталь агрегата. Ее поперечное сечение может содержать ряд газонесущих каналов 6 и 7 (фиг.2 и 3) для подачи газа непосредственно в сталь. Газонесущие каналы 6 и 7 размещены в огнеупорном наполнителе (керамике) 8, который в свою очередь помещен в, например, керамическую трубу 9. В случае исполнения продувочного элемента на опорах вращения продувочные каналы 7 обязательно смещены от центра. Более того, предпочтительно газонесущие каналы 7 в этом случае (фиг.3) выполнены щелевыми - каплевидными с радиально-веерным расположением каплевидных щелей относительно продольной оси элемента (фиг.3). В других случаях предпочтение отдают размещению газонесущих каналов 6 (фиг.2) на горизонтальной оси, чтобы максимально исключить поступление в них жидкого шлака.

Часть 2 (фиг.1) является промежуточной (срединной) и выполнена с набором капиллярных газонесущих каналов 10 (фиг.4), размещенных в огнеупорном наполнителе (керамике) 11, который в свою очередь помещен в, например, керамическую трубу 12.

Часть 3 (фиг.1) является входящей (задней по отношению к агрегату) и через нее осуществляется подвод газа к продувочному элементу. В продольном сечении части 3 элемента размещена в виде, например, спирали труба 13 для подвода газа. Труба 13 может быть выполнена с разветвлениями. Труба 13 помещена в огнеупорную трубу 14, засыпанную сыпучим материалом 15.

Часть 4 (фиг.1) является промежуточной между частями 1 и 2 продувочного элемента. Эта часть выполнена в виде камеры 16 из огнеупорного материала (керамики) или нержавеющей стали, помещенной в керамическую трубу 17. Поперечное сечение камеры 16 имеет размеры поперечного сечения, многократно превышающие диаметры газонесущих каналов 6, 7 и 10.

Часть 5 (фиг.1) представляет собой трубу для подвода газа в продувочный элемент, в котором она переходит в трубу 13.

Трубы 9, 12, 14 и 17 и часть 5 соединены между собой, например, с использованием резьбовых соединений. Форма соединения этих труб здесь не рассматривается, так как не определяет существа работы продувочного элемента. Трубы 9, 12, 14, 17 порознь или вместе могут быть помещены в гнездовой блок (блоки), который становится составной частью кладки печи (ковша соответственно). Блок может иметь коническую форму (усеченного конуса) и образовывать сменную пробку с продувочным элементом. Блок может иметь пирамидоидальную (усеченную) форму и образовывать сменную пробку с продувочным элементом. Блок может состоять из набора с уступами конических или пирамидоидальных частей и образовывать сменную пробку с продувочным элементом. Короче, форма примененного гнездового блока, в котором размещен продувочный элемент, конечно имеет значение для работы агрегата, в том числе и для защиты его от прорыва стали. Но в данном материале решение этой задачи не рассматривается, так как не влияет на работу предлагаемого продувочного элемента, и само по себе решение этой задачи носит самостоятельный характер.

Продувочный элемент снабжен механизмом осевого перемещения 18 (фиг.7 и 8), выполненным, например, в виде соединения винт - гайка для периодического продвижения продувочного элемента в сторону металла по мере износа торца части 1.

Продувочный элемент на дальнем от жидкого металла участке может быть установлен на опоры вращения 19 и снабжен соответствующим механизмом вращения 20 (фиг.7). В этом случае подвод газа к трубе 5 осуществляется через вертлюг 21.

Продувочный элемент может быть снабжен механизмом колебательного осевого перемещения 22, выполненным, например, в виде кулачкового механизма, который соответствующим образом соединен с продувочным элементом.

Предлагаемый продувочный элемент применяют в электродуговых печах, в мартеновских печах, в разливочных ковшах, в печи - ковше, т.е. в большинстве агрегатов сталеплавильного производства, где в современной черной металлургии осуществляют перемешивание расплава для улучшения качества разливаемой стали.

Продувочный элемент агрегата сталеплавильного производства работает следующим образом.

Элемент устанавливают в кладку (или в специальный гнездовой блок, а затем с блоком в кладку) сталеплавильного агрегата (или установки доводки стали) так, что передний торец части 1 контактирует с расплавленным металлом. По трубе 5 (фиг.1) к элементу подводят газ, который по трубе 13 (фиг.5), капиллярным газонесущим каналам 10 (фиг.4), через камеру 16 поступает в газонесущие каналы 6 или 7 (фиг.2 и 3) и из них подается в расплавленный металл. Огнеупорная керамика, из которой изготовлены часть из описанных деталей, предотвращает выход жидкого металла за пределы агрегата.

Газонесущие каналы 6, 7 и 10 изготовлены, например, из нержавеющих стальных труб. При этом трубки 6 имеют внутренний диаметр, например, ⊘ 3 мм, капиллярные трубки 10, например, внутренний диаметр ⊘ 0,5 мм. В обоих случаях толщина стенки труб порядка S=1 мм.

Камера 16 выполнена, например, с круглым поперечным сечением ⊘ 95 мм. Сама камера 16 может быть выполнена из нержавеющей стали и помещена в трубу 17 из огнеупорной керамики.

Подаваемый по указанным газонесущим каналам газ охлаждает эти трубки и исключает истечение (прорыв) жидкой стали за пределы агрегата из-за установки в нем описываемого продувочного элемента.

В то же время из-за периодичности работы механизма 18 осевого перемещения элемента (фиг.7 и 8) возможно налипание (нагорание) жидкой стали на передней его части 1, существенно ухудшающее его работу. Кулачковым механизмом 22 осуществляют постоянное колебательное (например, синусоидальное) осевое перемещение (порядка ±3 мм) продувочного элемента относительно кладки (блока), чем устраняют указанный негативный фактор в работе элемента.

При работе предлагаемого элемента возможен прорыв жидкой стали по газонесущим каналам 6, тем более, что в этом случае они расплавляются и усиливают вероятность такого прорыва стали. Возможность прорыва стали становится особенно вероятной в случаях нарушений с подачей газа.

В случае указанного прорыва стали камера 16 служит барьером на пути дальнейшего продвижения жидкой стали, так как:

- во-первых, на выходе из трубок 6 жидкая сталь растекается по камере 16, имеющей значительно больший размер поперечного сечения, охлаждается и застывает;

- во-вторых, за камерой 16 по ходу движения прорвавшейся стали расположена часть 3 продувочного элемента с капиллярными газонесущими каналами 10 (фиг.1 и 4), исключающими дальнейшее продвижение стали и ее застывание.

В случае прорыва жидкой сталью барьера в виде части 2 с капиллярными трубками на пути ее движения оказывается часть 3 элемента, где предусмотрено расплавление изогнутых трубок из легкоплавкого материала (например, меди) и расплавление сыпучего материала, которые остановят прорвавшуюся жидкую сталь.

Таким образом, в предлагаемом продувочном элементе имеется по меньшей мере три барьера, предотвращающие прорыв жидкой стали: камера 16, капиллярные трубки 10 и часть 3 элемента.

Наряду с этим в конструкции предлагаемого продувочного элемента может быть предусмотрена установка его на опоры вращения 19 (фиг.7) и вращение элемента от привода поворота 20. В этом случае подвод газа к элементу осуществляют через верлюг 21.

Вращение продувочного элемента может быть постоянным, но предпочтение отдают вращению элемента только в момент начала резкого падения давления газа и отсутствия газа в системе подачи в жидкую сталь, тем самым максимально уменьшают износ трущихся о кладку (блок) агрегата частей продувочного элемента.

При осуществлении вращения реализуют скорость, обеспечивающую “срезание” жидкой стали по торцу части 1 продувочного элемента, контактирующей с жидкой сталью.

Для усиления эффекта “срезания” поступления жидкой стали в продувочный элемент подающие каналы 7 (фиг.3) части 1 элемента выполняют щелевидными с радиально-веерным расположением щелей. Так как по мере удаления от центральной оси продувочного элемента линейная скорость возрастает пропорционально радиусу на поверхности торца части 1, продувочные каналы 7 выполняют щелевыми-каплевидными, т.е. увеличивают ширину щели по мере ее удаления от продольной оси элемента (фиг.3). При этом это увеличение ширины щели осуществляют пропорционально радиусу этого удаления.

Площадь щелевых каплевидных газонесущих каналов может быть, например, равна площади круглых каналов 6 на фиг.2 (т.е., например, Но в отличие от каналов 6 (фиг.2) газонесущие каналы 7 (фиг.3) в ближнем к продольной оси элемента участке могут иметь щелевидную форму и зазор щели порядка 0,5 и даже 1,0 мм (т.е. капиллярный и выше) с постепенным увеличением зазора щели пропорционально радиусу удаления щели от этой продольной оси. Тем самым исключают попадание жидкой стали в газонесущие каналы 7. При реализации настоящей операции в продувочном элементе, как уже отмечено, газонесущие каналы 7 в части 1 элемента максимально смещают к периферийной зоне (фиг.3) для снижения риска попадания жидкой стали в эти газонесущие каналы.

Таким образом, в разработанном продувочном элементе для агрегатов производства или доводки стали предусмотрена устойчивая подача газа при наличии четырех степеней защиты агрегата от прорыва стали по линии действия продувочного устройства. Следовательно, дано комплексное техническое решение двух узловых проблем в работе продувочных устройств. Одновременно решена задача исключения налипания стали на наружную поверхность элемента при реализации периодической осевой подачи элемента по мере его износа.

Изобретение относится к области металлургии. Продувочный элемент состоит из соединенных между собой частей прямых труб, в которых размещены газонесущие каналы, помещенные в огнеупорном материале. Продувочный элемент снабжен четырьмя степенями защиты от прорыва жидкой стали: часть элемента с капиллярными каналами размещена в средней части элемента, передняя часть элемента и часть элемента с капиллярными каналами соединены через промежуточную камеру, концевая часть элемента выполнена в форме изогнутой трубы, размещенной в сыпучем материале. Предусмотрена также возможность вращения элемента относительно его продольной оси при внезапном прекращении подачи газа. Составной частью продувочного элемента является снабжение его механизмом колебательного осевого перемещения. Технический результат - обеспечение устойчивой подачи газа при наличии четырех степеней защиты агрегата от прорыва стали по линии действия продувочного устройства. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Продувочный элемент агрегата для получения или доводки стали, являющийся составной частью продувочного устройства и состоящий из соединенных между собой частей прямых труб, в которых размещены газонесущие каналы, помещенные в свою очередь в огнеупорном материале, при этом задняя часть элемента, не входящая при работе в контакт с жидким металлом, соединена с газоподводящей трубой, которая внутри этой части элемента переходит в многократно изогнутую трубу из легкоплавкого в сравнении со сталью металла, в том числе с разветвлениями, размещенную в сыпучем материале и имеющую соединение с капиллярными газонесущими каналами, размещенными в другой части элемента, отличающийся тем, что между передней частью элемента, входящей в процессе работы в контакт с жидким металлом агрегата, и частью элемента с капиллярными газонесущими каналами, являющейся срединной частью элемента, размещена камера, размеры поперечного сечения которой многократно превышают размеры поперечного сечения газонесущих каналов.2. Продувочный элемент по п.1, отличающийся тем, что соединенные части элемента имеют форму круглой трубы, установленной на опоры вращения и снабженной механизмом вращения.3. Продувочный элемент по п.1, отличающийся тем, что газонесущие каналы в передней части элемента выполнены щелевыми - каплевидными с радиально-веерным расположением щелей относительно продольной оси элемента, при этом ширина щели возрастает пропорционально радиусу ее удаления от продольной оси элемента.4. Продувочный элемент по п.1, отличающийся тем, что он снабжен механизмом колебательного осевого перемещения.