Устройство для защиты струи металла газом

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к устройствам для защиты струи металла нейтральным газом при его разливке. Цель изобретения - повышение качества слитков. Устройство содержит корпус, по оси симметрии которого выполнен канал для подачи расплавленного металла, корпус с помощью газопровода соединен с источником нейтрального газа, в корпусе на окружности, центр которой совпадает с его осью симметрии, расположены сопла, часть которых расположена равномерно через 15...60° и выполнена с диаметром критического сечения, равным 1,5...3,0 диаметра остальных сопел, со стороны выходных сечений сопел выполнена кольцевая прямоугольная канавка, плоскость днища которой совпадает с плоскостью выходных сечений сопла, струи газа взаимодействуют друг с другом и со стенками канавки, при этом образуется результирующая струя газа со сложной ударно-волновой структурой, которая препятствует развитию изгибных колебаний результирующей струи. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)5 В 22 0 7/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4654339/27-02 (22) 06.12.88 .(46) 30.12,90. Бюл. М 48 (71) Уральский научно-исследовательский институт черных металлов, Ленинградский механический институт им. Маршала Советского Союза Д,Ф,Устинова и Карагандинский металлургический комбинат (72) А.М;Сизов, С.И.Жигач, М.С.Кокорев, В.E. Никольский, В.П. Новолодский, В.А.Спирин, Г.В.Бурлака, В.И.Богомяков,Н.Г,Кутергин и Б,А.Темирбулатов (53) 621,746,393(088.8) . (56) Авторское свидетельство СССР

N 229755, кл. В 22 D 7/12, 1967. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ СТРУИ

МЕТАЛЛА ГАЗОМ (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к устройствам для защиты струи металла нейтральным газом при его разливИзобретение относится к металлургии, в частности, к устройствам для защиты струи металла нейтральным газом при его разливке.

Цель изобретения — повышение качества слитков.

На фиг. i изображено устройство для защиты струи металла газом; на фиг.2,-разрез

А-А на фиг.1.

Устройство для защиты струи металла газом состоит из корпуса 1, по оси которого выполнен канал а для подачи расплавленно-. го металла. В корпусе равномерно по окружности, центр которой совпадает с осью ке. Цель изобретения — повышение качества слитков. Устройство содержит корпус, по оси симметрии которого выпонен канал для подачи расплавленного металла, корпус с помощью газопровода соединен с источни.ком нейтрального газа, в корпусе на окружности, центр которой совпадает с его осью симметрии, ра" положены сопла, часть которых расположена равномерно через 15-60 и выполнена с диаметром критического сечения, равным 1,5 — 3,0 диаметра остальных сопл, со стороны выходных сечений сопл выполнена кольцевая прямоугольная канавка, плоскость днища которой совпадает с плоскостью выходных сечений сопла, струи газа взаимодействуют друг с другом и со стенками канавки, при этом образуется результирующая струя газа со сложной ударно-волновой структурой, которая препятствует развитию изгибных колебаний результирующей струи. 4 з.п. ф-лы, 2 ил, симметрии корпуса, расположены сопла 2 и

3 для подачи нейтрального газа, Сопла 3 расположены через 15 — 60 и их диаметр критического сечения равен 1,5 — 3,0 диаметра критического сечения остальных сопл 2.

Корпус 1 устройства с помощью газопровода 4 соединен с источником нейтрального газа. В корпусе 1 со стороны выходного сечения Ь сопл 2 и 3 выполнена кольцевая прямоугольная канавка 5. Плоскость днища с кольцевой прямоугольной канавки 5 совпадает с плоскостью выходных сечений Ь сопл 2 и 3. При этом плоскость днища с и плоскость среза d кольцевой канавки 5 перпендикулярны осям сопл 2 и 3.

1616767

Кольцевая прямоугольная канавка 5 Bblполнена симметрично относительно окружности, на которой расположены сопла 2 и 3.

Ширина канавки 5 равна 1,1 — 4,0 диаметрам выходного сечения доминирующих сопл 3(Щ, т,е. сопл, .лежащих на окружности через 15-60О, а ее глубина равна 1,0-3,0 разности между шириной кольцевой канавки 5 (Л ) и диаметром выходного сечения основных сопл (d<), т,е, сопл лежащих между доминирующими соплами,, Оси сопл 2 и 3 накло гены под углом не более 10 к оси корпуса ", в сторону канала а для подачи расплавленно о металла.

В газопроводе 4 установлен генератор звуковых колебаний 6;

Выполнение в корпусе I со стороны выходного сечения. Ь сопл 2 и 3 кольцевой канавки 5 при выполнении диаметра критического сечения сопл 3 равным 1,5-3,0 диаметра критического сечения сопл 2 позволяет эа срезом кольцевой канавки 5 получить сплошную (без разрывов) длинную струю газа, в которой присутствуют доминирующие течения газа вдоль осей доминирующих сопл, Эта струя газа притягивается к струе металла, обволакивает ее и защищает металл от вторичного окисления при разя,íêå на большей длине по сравнению прототипом, Отсутствие иэгибных колеб:.,-. ний струи уменьшает ее Зжеквионную,l loco:бность., - то приводит к уменьшени .

:,;«>ÿ:LIeíòI-.àöèH,:oçäóõà в изложни .е, При выполнении угла меньше 15 в результирующей струе возникает нестабильность течения, вызванная случайным взаимодействием доминиру.ощих струй друг с другом. В результате в результирующей струе возникают разрывы. Сплошность зевесы нарушается. Метали окисляется.

При выполнении угла расположения сопл более 60 уменьшается стабилизирующее влияние доминирующих струй на результирующую струю. В промежутках между доминирующими струями образуется нестабильность течения, вызванная колебаниями основных струй газа. Кроме того, для получения результирующей струи, заполняющей все поперечное сечение канавки, необходимо поднять давление газа в гаэоподводящем тракте до 23-28 атм, что вызывает снижение эффективности завесы иэ-за возрастания расхода газа, В ыполнение плоскости днища с кольцевой прямоугольной канавки 5 перпендикулярно осям сопл 2 и 3 приводит к тому, что в струях газа, втекающих в полость канавки

5, отсутствуют неупорядоченные колебания :,труктуры струи, вызванные кососрезанно;;тью сопл 2 и 3. Отсутствие укаэанйых коле5

55 баний предотвращает появление разрывов в результирующей струе газа, которые могут появиться в результате неупорядоченного взаимодействия отдельных струй газа между собой внутри кольцевой канавки 5.

Выполнение плоскости среза d кольцевой прямоугольной канавки 5 перпендикулярно осям сопл 2 и 3 приводит к организации такого режима истечения результирующей струи газа, при котором направление истечения этой струи по мере удаления от торца корпуса 1 искривляется в сторону струи, Выполнение плоскости среза d кольцевой канавки 5 не перпендикулярно осям сопл 2 и 3 приводит к прилипанию результирующей струи газа к торцовой поверхности корпуса 1 (из-эа эффекта Коанда) и истечению этой струи в сторону от струи металла. В этом случае защита металла отсутствует, Расположение кольцевой прямоугольной канавки 5 симметрично относительно окружности, на которой расположены сопла

2, приводит к тому, что газовые струи, вте кающие в полость канавки 5 из сопл 2, взаимодействуют друг с другом и с обеими стенками канавки 5. В результате такого взаимодействия образуется плотная газовая струя., занимающая все сечение кольцево .- ", Kb-ç8õè 5. Газодинамические параметры (давление, плотность) в результирующей струе выравниваются по ее поперечному сечению в результате чего увеличивается устойчивость струи в пространстве и, следовательно, надежность защиты струи металла при разливке.

При несимметричном расположении кольцевой канавки 5 относительно окружности, на которой расположены сопла 2, приводит к неравномерному распределению газодинамических параметров по поперечному сечению результирующей струи.

Устойчивость струи в пространстве снижается. При определенных условиях возможно появление в струе разрывов, т.е. ухудшение защиты.

Размер ширины прямоугольной кольцевой канавки 5, равной 1,3 — 5,0, определялся из условия получения устойчивой дальнобойной струи за срезом кольцевой канавки

5 при сверхкритическом перепаде давления на соплах 2 и 3, При сверхкритическом перепаде давления в указанном диапазоне в канавке образуется сложная система скачков уплотнения. При этом при ширине канавки 5, меньше 1,3 D велико значение пространственных эффектов и при взаимодействии соседних струй между собой не исчезают

1616767 сверхзвуковые ядра, направление истече( ния которых имеет случайный характер. Это препятствует стабилизации течения в суммарной струе и способствует образованию . разрывов в завесе. 5

При выполнении ширины канавки 5 более 5 0 для создания устойчивой ударноволновой структуры требуется давление газа перед соплами 2 и 3 порядка 25 — 28 атм.

В результате резко возрастает расход нейт- 10 рального газа, что приводит к снижению экономической эффективности. При этом, как показало промышленное использование устройства-аналога, не происходит повышение качества металла при простом увеличении расхода газа.

Величина глубины кольцевой канавки 5, равная 1 — 3 разности между Л и d<, определялась из следующих соображений.

При взаимодействии отдельных струй газа, истекающих в полость кольцевой канавки 5 из сопл 2 и 3, образуется единая донная область, границами которой является плоскость днища с кольцевой канавки 5, 25 цилиндрическая стенка канавки 5 и граница отдельной струи. На размеры донной области существенным образом влияет величина ступеньки, т,е. половина разности между

Ли d<. При выполнении глубины кольцевой канавки 5 меньше 1 (Л - Ф) струи газа взаимодействуют друг с другом за срезом d кольцевой канавки 5. Кольцевая канавка 5 в этом случае не выполняет своего назначения, Не происходит формирования сплош-, 30 ной кольцевой струи газа за срезом d 35 канавки 5. В результирующей струе, таким образом, присутствуют разрывы, что снижает эффективность работы устройства.

Выполнение глубины кольцевой канавки 5, равной 3 (Л- d>), приводит к тому, что струя газа внутри канавки 5 уже сформулировалась. Газодинамические параметры по сечению струи выравнены. Дальнейшее увеличение глубины канавки 5 приводит к

45 тому, что увеличивается та часть энергии струи, которая тратится на преодоление сопротивления трения, падает газодинамический КПД струи. Кроме того, в этом случае неоправданно увеличиваются габариты уст50 ройства и соответственно его масса, что выуменьшить обьем донной области, ограниченной торцовой поверхностью устройств и внутренней границей кольцевой результи рующей струи. В этом случае газ быстрее зывает дополнительные неудобства при эксплуатации устройства.

Выполнение осей сопл 2 и 3 под углом к оси корпуса.1 в сторону канала а для по- . дачи расплавленного металла позволяет 55 достигает струи металла и меньше смешива-,. ется с окружающим воздухом. Однако выполнение угла между осями сопл 2 и 3 и осью корпуса 1 больше 10 приводит к возникновению брызгообразования в месте взаимодействия струи газа с металлом. Это происходит из-за возрастания угла встречи газовой струи со струей металла. При углах, меньших 10О, натекающая струя газа как бы обволакивает струю металла, взаимодействие происходит без образования брызг. При углах, больших 10, происходит столкновение струи газа со струей разливаемого металла. Образуются дополнительные брызги.

Установка в газопроводе 4, соединяющем корпус 1 устройства с источником нейтрального газа, генератора звуковых колебаний 6 приводит к образованию в результирующей струе, истекающей со среза канавки 5, когерентных вихревых структур, резко увеличивающих устойчивость струи.

Таким образом, повышается эффективность газовой завесы.

Установка генератора звуковых колебаний в устройстве-прототипе приводит к ин-. тенсификации смешения отдельных струй с окружающим воздухом и попаданию последнего в струю металла. Качество металла падает.

Устройство работает следующим образом.

Нейтральный газ от источника газа через газопровод 4 поступает в корпус 2 устройства. При истечении газа через сопла 2 и 3 в полость кольцевой прямоугольной канавки 5 происходит следующее, При сверхкритическом перепаде давления в результате взаимодействия сверхзвуковых струй, истекающих из сопл 2 и 3, между собой и со стенками кольцевой каkBBKpl 5 образуется сложная ударно-волновая структура. Эта структура состоит из естественной ударно-волновой системы каждой струи и множества конических скачков уплотнения. индуцированных взаимодействием струй со стенками канавки. Такая структура струи препятствует развитию изгибных колебаний результирующей струи газа. Наличие доминирующих течений препятствует разрыву струи.

Истекающая со среза кольцевой канавки 5 струя газа притягивается к струе металла, захватывается этой струей и внедряется в пасплав. Попавший в расплав газ допол- . нительно рафинирует расплав, удаляя водород и неметаллические включения.

Таким образом, использование предлагаемого устройства позволяет повысить качество металла путем улучшения его защиты от вторичного окисления при разливке и в

1616767 то же время сократить расход инертного газа, Кроме того, газ, использующийся для защиты струи металла, при попадании в расплав рафинирует его, что также способствует повышению качества получаемого металла.

Фиг.1 с 5

Фиг. 2

Составитель Е.Скиданова

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор С.Шевкун

Редактор К.Крупкина

Заказ 4087 Тираж 630 Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб„4/5 .

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Формула изобретения

1. Устройство для защиты струи металла газом, содержащее корпус, по оси симметрии которого выполнен канал для подачи расплавленного металла, газопровод для подачи нейтрального газа, сопла, расположенные на оКружности, центр которой размещен наоси симметрии корпуса, и со стороны выходного сечения сообщенные кольцевой канавкой, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения качества слитков, сопла выполнены с разным диаметром критического сечения; причем часть сопл с диаметром критического сечения, равным

1,5-3,0 диаметра критического сечения остальных сопл, расположена равномерно по окружности через каждые 15-60, а кольцевая канавка имеет в поперечном сечении прямоугольную форму.

5 2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что ширина кольцевой прямоугольной канавки равна 1,1-1,4 диаметром выходного сечения сопл с большим критическим сечением.

10 3. Устройство по пп.1 и2, отл ича ющ е е с я тем, что глубина кольцевой прямоугольной канавки равна 1,0-3,0 разности между шириной кольцевой прямоугольной канавки и диаметром выходного сечения

15 сопл с меньшим критическим сечением.

4. Устройство по пп. 1-3, о т л и ч а ющ е е с я тем, что все сопла наклонены под углом не более 10 к оси корпуса в сторону канала для подачи расплавленного металла, 20 5. Устройство по пп. 1-4, о т л и ч а ю щ е е с я reM, что газопровод снабжен генератором акустических колебаний.