СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОТОКА, А ТАКЖЕ ДОННОЕ ВЫПУСКНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ Российский патент 2011 года по МПК B22D41/50 

Изобретение относится к способу регулирования потока, протекающего через донное выпускное устройство металлургической емкости. Далее изобретение относится к донному выпускному устройству металлургической емкости.

В частности, при выплавке стали, жидкий металл из промежуточного ковша поступает в установку для непрерывного литья. При этом он протекает через расположенное в днище корпуса промежуточного ковша выпускное устройство (так называемый Nozzle). Недостатком является налипание материала на стенки выпускного отверстия во время протекания. Вследствие этого уменьшается поперечное сечение, так негативно влияет на характеристики течения. Чтобы предотвратить налипание материала на стенки, часто в проходное отверстие вводят аргон. Слишком большие количества газа могут, однако, оказывать негативное влияние на качество стали, например, вследствие образования пустот в стали, которые при прокатке стали приведут к дефектам поверхности.

Материал для донного выпускного устройства описан, например, в международной заявке WO 2004/035249 А1. Выпускное устройство металлургической емкости раскрыто в корейской заявке KR 2003-0017154 A или в заявке США US 2003/0116893 А1. В указанном последнем документе раскрыто применение инертного газа для снижения налипания материала на внутреннюю стенку выпускного устройства (так называемое clogging), подобно тому, как это описано в заявке Японии JP 2187239. Довольно подробно в международной заявке WO 01/56725 А1 описан механизм процесса регулирования подачи газа. Согласно японскому документу JP 8290250 используют азот. Японский патент JP 3193250 раскрывает способ наблюдения за налипанием или скоплением материала с помощью большого числа расположенных друг за другом вдоль выпускного устройства чувствительных элементов для измерения температуры. Подача инертного газа внутрь выпускного устройства известна, далее, среди прочего из японского патента JP 2002210545, японского патента JP 58061954 и японского патента JP 7290422.

Из одного из этих документов, кроме того, известно, что в дополнение к подаче инертного газа принимаются меры для предотвращения доступа кислорода путем применения корпусов, устанавливаемых вокруг части выпускного устройства. Отчасти при этом, как, например, в японском патенте JP 8290250, создают избыточное давление инертного газа внутри такого корпуса. Для предотвращения доступа кислорода в японском патенте JP 11170033 предложен корпус, расположенный вокруг затвора выпускного устройства. Протекание расплавленного металла через выпускное устройство согласно названным выше источникам регулируется с помощью шиберных затворов. Эти шиберы выполнены с возможностью скольжения перпендикулярно направлению протекания металла и могут благодаря этому перекрывать отверстие. Другой возможностью регулирования потока является так называемый стопор (также называемый Stopper Rod), как это известно, например, из японского патента JP 12002143994.

В корейской заявке KR 1020030054769 А описано расположение корпуса вокруг затвора донного выпускного устройства. Находящийся в корпусе газ отсасывается с помощью вакуумного насоса. Японский патент JP 4270042 описывает подобный корпус. Здесь, как и в другом названном выше документе, внутри корпуса создается неокисляющая атмосфера. Корпус имеет отверстие, через которое можно подавать инертный газ. Другая конструкция, при которой газ отсасывается из корпуса, частично окружающего выпускное устройство, для создания вакуума внутри корпуса известна из японского патента JP 61003653.

В основе настоящего изобретения лежит задача усовершенствовать существующую технику, чтобы свести к минимуму налипание отложений в канале стаканов выпускного устройства простым и надежным образом, не оказывая при этом негативного влияния на качество расплавленного металла или затвердевшего металла.

Задача решается с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

В соответствии со способом согласно изобретению для регулирования потока, протекающего через донное выпускное устройство металлургической емкости, с расположенным в днище металлургической емкости верхним стаканом и расположенным под верхним стаканом нижним стаканом с, по меньшей мере, одним впускным отверстием для инертного газа и с расположенным на или в нижнем стакане чувствительным элементом для определения толщины слоя отложений в канале стакана подача инертного газа в выпускном устройстве регулируется на основании сигналов измерений чувствительного элемента.

В частности, исходя из текущего расхода инертного газа или текущего давления инертного газа расход и/или давление снижается до тех пор, пока чувствительный элемент не просигнализирует об увеличении отложений, и/или расход и/или давление повышаются до тех пор, пока чувствительный элемент не просигнализирует о снижении или растворении отложений. При этом приток инертного газа можно снизить до минимума, так чтобы в расплавленный металл поступало небольшое количество инертного газа и вследствие этого получалось меньше включений газа в готовом металле, например стали. Предпочтительно в качестве чувствительного элемента используют расположенный на или в наружной стороне нижнего стакана чувствительный элемент для измерения температуры. Измерение можно осуществлять также индуктивным методом, резисторным методом, с помощью ультразвуковых или рентгеновских лучей. Является целесообразным, чтобы расход и/или давление снижалось до тех пор, пока замеренная температура стенки будет снижаться быстрее, чем заданное предельное охлаждение, и/или чтобы расход и/или давление повышалось до тех пор, пока замеренное значение температуры стенки будет снижаться менее быстро, чем заданное предельное значение охлаждения. В частности, может быть преимущественным, чтобы поток расплавленного металла регулировался с помощью расположенного между верхним стаканом и нижним стаканом или расположенного над верхним стаканом затвора. В названном первым случае между верхним и нижним соплом установлен шиберный затвор (Sliding Gate), в названном последним случае - штанга-стопор (Stopper Rod). Целесообразно, чтобы подача инертного газа в проходное отверстие выпускного устройства осуществлялась под верхним стаканом. Предпочтительно в качестве инертного газа использовать аргон.

Согласно изобретению выпускное устройство для металлургической емкости для осуществления способа содержит расположенный в днище металлургической емкости верхний стакан и расположенный под верхним стаканом нижний стакан, причем под нижним стаканом расположено, по меньшей мере, одно впускное отверстие для инертного газа с проходным отверстием выпускного устройства и подводом инертного газа и причем на или в наружной стороне нижнего стакана расположен чувствительный элемент, предпочтительно чувствительный элемент для измерения температуры, для определения толщины слоя отложений (clogging) в стакане и причем чувствительный элемент соединен с регулятором потока инертного газа. По меньшей мере, один из стаканов целесообразным образом может иметь нагревательное устройство. Является целесообразным, если под или над верхним стаканом располагается затвор (шибер или стопор) для регулирования потока расплавленного металла.

Другое выпускное устройство для металлургической емкости с расположенным в днище металлургической емкости верхним стаканом и расположенным под верхним стаканом нижним стаканом имеет, по меньшей мере, выполненную с уплотнением по отношению к потоку расплавленного металла стенку проходного отверстия через стаканы и отличается тем, что стаканы, по меньшей мере, частично окружены газонепроницаемым корпусом, при этом корпус у своего нижнего конца газонепроницаемо окружает нижний стакан по его окружной поверхности, причем он частью своей внутренней стороны прилегает к наружной стороне стакана, и что между стенкой проходного отверстия и корпусом расположен твердый материал с теплоизолирующими свойствами. Понятие «по меньшей мере, частично» следует понимать таким образом, что корпус, естественно, не может окружать стакан, например, у его отверстий. Корпус препятствует прониканию газа, он имеет верхний и нижний конец и между ними является газонепроницаемым. При этой конструкции выпускное устройство имеет два основных уплотнения, а именно уплотнение против потока расплава в области стенки проходного отверстия и уплотнение от газа в более холодной, противоположной проходному отверстию области выпускного устройства. Благодаря этому для достижения газонепроницаемости можно использовать материалы с меньшей термостойкостью. Под газонепроницаемостью, разумеется, не следует понимать никакой абсолютной газонепроницаемости, а возможен незначительный газовый поток, например, менее 10 мл/с, предпочтительно менее 1 мл/с, в частности, предпочтительно примерно порядка величин 10^-4 мл/с, в зависимости от вида и положения системы уплотнение/материал. Такое значение составляет, по меньшей мере, на порядок величины меньше, чем при известном уровне техники. Эта газонепроницаемость (в частности, непроницаемость для кислорода) является ответственной за сведение к минимуму отложений (clogging).

Корпус состоит предпочтительно из нескольких газонепроницаемо соединенных между собой, предпочтительно расположенных друг над другом частей корпуса, причем, по меньшей мере, одна часть корпуса газонепроницаемо соединена с верхним стаканом и/или днищем металлургической емкости, предпочтительно благодаря тому, что она частью своей боковой поверхности прилегает к наружной стороне верхнего стакана и/или днища. Целесообразным является, далее, чтобы над верхним стаканом или между верхним и нижним стаканами располагался клапан для регулирования потока расплавленного металла. В названном первом случае затвором является стопор, во втором случае - шибер. Внутри корпуса или в теплоизолирующем материале расположен материал, поглощающий кислород, в частности, из группы, содержащей титан, алюминий, магний или цирконий.

Корпус целесообразно выполнен, по меньшей мере, отчасти в виде трубы (полый цилиндр) или коническим, предпочтительно с овальным или имеющим форму круга поперечным сечением. Корпус может быть изготовлен целесообразным образом из стали и предпочтительно может содержать теплоизолирующий материал, предпочтительно, оксид алюминия. Может быть целесообразным, чтобы, по меньшей мере, один из стаканов имел нагревательное устройство.

Далее изобретение в качестве примера поясняется на основе чертежей. В чертежах показывают:

Фиг.1 - выпускное устройство для проведения способа согласно изобретению,

Фиг.2 - диаграмму изменения температуры и давления во времени,

Фиг.3 - выпускное устройство, уплотненное согласно изобретению.

Представленное на фиг.1 выпускное устройство в днище 1 промежуточного ковша для расплавленной стали 2 имеет внутри днища 1 верхний стакан 3. В нем расположены электроды 4 для создания электрохимического эффекта или в качестве нагревателя. Само днище 1 имеет различные слои из огнеупорного материала, а со своей наружной стороны - стальной корпус 5. Под верхним стаканом 3 расположен шибер 6 для регулирования потока расплавленной стали, а под ним нижний стакан 7, который вдается в емкость 8 с расплавленным металлом, которая, например, относится к установке непрерывного литья стали. Через отверстие 9 расплавленная сталь 2 протекает в емкость 8 с расплавленным металлом. Чувствительный элемент 10 для измерения температуры измеряет температуру на наружной стороне нижнего стакана. Если она снижается, то это указывает на рост отложений внутри нижнего стакана 7, так как увеличивается изоляция между наружной стороной нижнего стакана 7 и протекающей расплавленной сталью 2. Чувствительный элемент 10 для измерения температуры совместно с чувствительным элементом 11 для измерения давления с помощью устройства 12 для регулирования давления инициирует регулирование подачи аргона через впускное отверстие 13 для инертного газа к расплавленному металлу 2.

На фиг.2 представлена характеристика связи время-давление/температура. При опускающейся температуре (толстая линия) ступенчато повышается давление аргона, так что приток аргона в проходное отверстие вызывает растворение отложений на стенке. Вследствие этого снова повышается замеренная на наружной стенке температура до постоянного значения. Таким образом, можно установить на минимум соотношение давление аргона/приток аргона, при котором образование отложений предотвращается или поддерживается незначительным.

Представленное на фиг.3 выпускное устройство имеет, в основном, состоящее из двух частей уплотнение, а именно непроницаемое для потока расплава уплотнение вдоль внутренней стороны проходного отверстия, и корпус 14, который осуществляет газонепроницаемое уплотнение в наружном направлении (между атмосферой окружающей среды и проходным отверстием), причем некоторые отдельные уплотнения расположены в области явно более низкой температуры. Корпус 14 состоит из нескольких частей 14a и 14b и в принципе продолжается в металлической гильзе, которая охватывает верхний стакан 3 с его наружной стороны и впадает во фланец 16, на котором расположена с уплотнением часть наружной поверхности верхней части 14b корпуса. На чертеже представлены различные уплотнения. Так называемые уплотнения 17 типа 1 существуют между перемещаемыми относительно друг друга частями на шибере 6. Они, по меньшей мере, отчасти подвержены воздействию расплавленного металла. Уплотнения 18 типа 2 расположены между огнеупорными частями выпускного устройства 1, то есть, например, между частями шибера 6 и верхним стаканом 3 или нижним стаканом 7. Также этот тип уплотнений 18, по меньшей мере, отчасти подвержен непосредственному воздействию расплавленного металла или температуре жидкой стали. Далее, сама стенка проходного отверстия выпускного устройства 1 представляет уплотнение (тип 3 уплотнения), на которое оказывает влияние выбор материала. Описанные выше уплотнения в принципе имеются в наличии также во всех известных конструкциях. Они могут, к примеру, изготавливаться из оксида алюминия. Герметизирующее действие уплотнений типа 3 можно повысить, среди прочего, с помощью нанесения слоев высокотемпературного стекла. Части наружного корпуса 14 образуют уплотнения типа 4, которые не подвержены воздействию расплавленной стали или температур сравнимого уровня. Эти уплотнения могут быть выполнены из металла, например из стали или из спеченного керамического материала. Уплотнения 19 типа 5 находятся между частями корпуса 14 и подвижными частями устройства для регулирования потока, как, например, толкающими штангами шибера 6. Они не подвержены воздействию жидкой стали и могут, в зависимости от конкретных температурных условий, изготавливаться из инконеля (до 800°С), из алюминия, меди или графита (до примерно 450°С) или из эластомерного материала (при температурах до примерно 200°С), так же, как и тип 6-уплотнений 20 между отдельными частями корпуса. Кроме того, в качестве перехода между огнеупорным материалом верхнего стакана 3 или нижнего стакана 7 и окружающим их с наружной стороны корпусом 14 или металлической гильзой 15 имеются уплотнения 21 типа 7, которые препятствуют тому, чтобы газ, в частности, кислород, в местах соединения этих конструктивных элементов не проникал в продольном направлении в полое пространство 22 между частью 14b корпуса и шибером 6. Благодаря этому обеспечивается пониженное давление внутри полого пространства 22 по сравнению с его окружающей средой во время протекания расплавленного металла 2 через выпускное устройство 1. Этот тип 7 уплотнения может изготовляться и устанавливаться изготовителем стаканов.

Верхний стакан можно выполнять из оксида циркония, нижний стакан из оксида алюминия. Можно также использовать вспененный оксид алюминия с низкой плотностью и закрытыми порами, так же как и оксид алюминия с графитом и другие вспененные или волокнистые материалы. В теплоизолирующем материале нижнего стакана 7 или между нижним стаканом 7 и частью 14а корпуса можно расположить материал, поглощающий кислород, например, титан, алюминий, магний, иттрий или цирконий в виде смеси с огнеупорным изолирующим материалом или в виде отдельной части.

Выпускное устройство согласно изобретению имеет значительно меньшие величины утечек, чем известные системы. Тип 1 или тип 2 уплотнений имеют величины утечек примерно 10³ до 10⁴ или 10² до 10³ мл/с и стандартные материалы для уплотнений типа 3 приводят к величине утечек примерно 10-100 мл/с. Уплотнения типа 4 приводят к величине утечек пренебрежимо меньшей, чем 10^-6 мл/с, если используют в качестве материала металл, например, сталь. Уплотнения типа 5 и 6 при применении полимерного материала дают утечки величины примерно 10^-4 мл/с, а при применении соответственно пригодных графитовых уплотнений достигают примерно 1 мл/с. Уплотнения типа 7 подобны комбинации уплотнений типа 3 и 4 и могут достигать величины утечек примерно от 1 до 10 мл/с. Величины утечек относятся к рабочему состоянию выпускного устройства.

Нормированная величина утечек

(Nмл/с) = величина утечек (мл/с) х p_avg/1ати × 273К/Т_avg

p_avg =(p_in +p_out)/2 [ати]

T_avg = (T_in +T_out )/2 [K]

avg = среднее значение.

Таким образом, нормированная величина утечек в соответствии с изобретением дает порядок величин примерно 1-10 Nмл/с, в то время как комбинация уплотнений типа 1, 2 и 3 в лучшем случае приводит к 150 N мл/с.

Выпускное устройство для металлургической емкости состоит из расположенного в днище верхнего стакана (3) и расположенного под верхним стаканом (3) нижнего стакана (7) и газонепроницаемого корпуса (14). Стенка проходного отверстия (9) для протекания через стаканы (3, 7) выполнена уплотненной по отношению к потоку расплавленного металла. Между подвижными и огнеупорными частями устройства предусмотрены уплотнения. Стаканы (3, 7) частично окружены газонепроницаемым корпусом (14). Корпус (14) у своего нижнего конца газонепроницаемо окружает нижний стакан (7) по его периметру и частью своей внутренней стороны прилегает к наружной стороне стакана (7). Между стенкой проходного отверстия и корпусом (14) расположен теплоизолирующий материал. Обеспечивается минимум налипания отложений в канале стаканов выпускного устройства. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Выпускное устройство для металлургической емкости, содержащее расположенный в днище металлургической емкости верхний стакан (3) и расположенный под верхним стаканом (3) нижний стакан (7), в которых стенка проходного отверстия (9) для протекания через стаканы (3, 7) выполнена уплотненной, по меньшей мере, по отношению к потоку расплавленного металла, при этом стаканы (3, 7), по меньшей мере, частично окружены газонепроницаемым корпусом (14), препятствующим прониканию газа на своем верхнем и нижнем конце, причем корпус (14) у своего нижнего конца газонепроницаемо окружает нижний стакан (7) по его периметру и частью своей внутренней стороны прилегает к наружной стороне стакана (7), при этом между стенкой проходного отверстия и корпусом (14) расположен теплоизолирующий материал, а между подвижными и огнеупорными частями устройства предусмотрены уплотнения.

2. Выпускное устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус (14) имеет несколько соединенных друг с другом с обеспечением газонепроницаемости частей (14а, 14b) корпуса, причем, по меньшей мере, одна часть (14b) корпуса газонепроницаемо соединена с верхним стаканом (3) и/или днищем (1) металлургической емкости, предпочтительно благодаря тому, что она частью своей боковой поверхности прилегает к наружной стороне верхнего стакана (3) и/или днища (1) металлургической емкости.

3. Выпускное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что над верхним стаканом (3) или между верхним и нижним стаканами установлен затвор (6) для регулирования потока расплавленного металла.

4. Выпускное устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри корпуса (14) или в теплоизолирующем материале расположен газопоглощающий материал, предпочтительно из группы титана, алюминия, магния или циркония.

5. Выпускное устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, часть корпуса (14) выполнена в форме трубы или конической, предпочтительно с овальным или имеющим форму круга поперечным сечением.

6. Выпускное устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус изготовлен из стали, при этом теплоизолирующий материал предпочтительно содержит преимущественно оксид алюминия.

7. Выпускное устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из стаканов (3, 7) имеет нагревательное устройство.