Устройство для обработки металлов газами с электроподогревом

 

Использование: металлургия, в частности при переделе жидкого чугуна в сталь с добавлением металлургического лома. Устройство содержит футерованный ковш, в футеровке которого выполнены спиральные металлические газоподводящие трубы с выходом газов в нижней части ковша, соединенные с источником переменного тока, металлические газоподводящие трубы могут быть выполнены с общим или раздельными выходами для газов в нижней части ковша. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к металлургии, в частности может быть использовано на металлургических заводах, где производят передел жидкого чугуна в сталь с добавлением металлического лома.

Известны устройства [1] называемые открытыми индукционными плавильными печами, содержащие футерованную емкость в виде ковша, вокруг которого расположен ограждаемый водой индуктор, питаемый переменным током промышленной (50 Гц) или повышенной частоты (500 Гц).

Главным недостатком этих устройств является плохое преобразование электроэнергии в полезное тепло, поступающее в металл, находящийся в ковше. Это обусловлено двумя причинами.

Первая причина состоит в том, что расстояние между индуктором и металлом в ковше всегда оказывается большим и потому значительная часть электроэнергии, поступающей в индуктор, оказывается реактивной, не может быть преобразована в тепло и значительно ухудшает соs ϕ электрической сети.

Вторая причина заключена в потере электроэнергии на джоулево тепло в индукторе, которое расходуется на бесполезный подогрев воды, охлаждающей индуктор.

Дополнительный недостаток индукционных печей [1] в том, что в них невозможно проводить внепечную обработку жидкого металла путем продувки газами.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [2] принятое за прототип, представляющее собой футерованный ковш, в дне которого между двумя медными водоохлаждаемыми стаканами вставлена керамическая прокладка с отверстиями для подачи инертного газа в расплав внутри ковша. По центру внутреннего медного стакана установлен медный соленоид. Во время работы этого устройства после заливки жидкого металла в ковш инертный газ под давлением подают в расплав. Вместе с инертным газом в расплав могут вдувать порошковые шлакообразующие материалы. Для повышения эффективности перемешивания расплава вблизи дна ковша через расплав от одного медного стакана к другому пропускают постоянный ток, который, проходя по соленоиду, внутри внутреннего стакана, образует постоянное магнитное поле вблизи дна ковша и таким образом стимулирует появление вихревых токов в расплаве и способствует перемешиванию расплава в ковше вблизи его дна, что улучшает качество получаемого конечного металла.

Главным недостатком этого устройства [2] является слабое использование энергии электрического тока для подогрева металла в ковше. Дополнительный недостаток слабое электромагнитное перемешивание расплава, происходящее в основном вблизи дна ковша.

Целью изобретения является создание устройства в виде ковша, в котором эффективный электроподогрев расплава и хорошее перемешивание осуществляется путем применения не постоянного, а переменного тока промышленной (50 Гц) или повышенной частоты (500 Гц).

Цель достигается благодаря тому, что устройство для обработки металлов газами с электроподогревом, содержащее футерованный ковш, в футеровки которого расположены металлические газоподводящие трубы с выходом газов в нижнюю часть ковша, соединенные с источником тока, отличается тем, что металлические газоподводящие трубы выполнены в виде спиралей и соединены с источником переменного тока.

Устройство отличается тем, что металлические газоподводящие трубы выполнены с общим выходом газов в нижней части ковша.

Устройство отличается тем, что металлические газоподводящие трубы выполнены с раздельными выходами для газов в нижней части ковша.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Индукторы в виде спиральных труб из железа или нержавеющей стали располагают прямо в футеровке ковша. По этим трубам пропускают один или одновременно несколько газов, которые через выходы в нижней части ковша поступают в жидкий металл и осуществляют внепечную обработку расплава.

Благодаря близкому расположению индуктора и расплава электроэнергия преобразуется в тепло значительно эффективнее, чем в устройствах [1] При этом нет необходимости охлаждать индуктор холодной проточной водой, как это делают при использовании ранее известных индукционных печей [1] так как в предлагаемом устройстве джоулево тепло в металлических спиральных трубах-индукторах расходуется не на бесполезный подогрев охлаждающей воды, как в [1] а используется для подогрева проходящих по трубам-индукторам газов.

В то же время тепло, поступающее через футерованные стенки ковша в окружающую среду, также частично будет расходоваться на нагрев газов, проходящих по трубам-индукторам.

Все это тепло возвращается вместе с газами в жидкий металл, что и приводит к меньшим тепловым потерям и более эффективному использованию тепла.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, в котором в боковых стенках футеровки ковша выполнен один индуктор в виде металлической спиральной трубы; на фиг. 2 то же, устройство снабжено крышкой для реализации дополнительной вакуумной внепечной обработки расплава; на фиг. 3 то же, с двумя спиральными индукторами для одновременной продувки расплава двумя газами при общем выходе газов в нижней части ковша; на фиг. 4 вариант конструкции общего выхода для пары спиральных индукторов в емкость ковша.

Устройство (фиг. 1) представляет собой футерованный ковш 1. В футеровке проложены железные или из нержавеющей стали трубы 2. Подвод газа осуществляют по патрубкам 3, электрически изолированным от металлического кожуха 4 ковша. Индуктор в виде спиральной трубы 2 присоединяют к источнику переменного тока посредством клемм 5. Выход газа внутрь емкости 6 ковша осуществляется через отверстия 7.

Для уменьшения вихревых токов в кожухе 4 ковша могут быть выполнены вертикальные разрезы.

В устройстве (фиг. 2) сверху на ковш установлен короб 8 с патрубками 9 для откачки газов. Короб 8 может иметь систему автономного охлаждения (не показана), так как она не является обязательной. На короб 8 установлена футерованная крышка 10, плотно прилегающая к коробу 8. Патрубки 9 присоединены к вакуумному насосу.

В устройстве (фиг. 3) выполнены два спиральных индуктора (трубы 2) с общим выходом для газов в нижней части ковша. При этом конструкция общего выхода может быть такой, как отверстия 7 на фиг. 3, или такой, как на фиг. 4.

Общий выход для газов (фиг. 4) выполнен наподобие газовой горелки, для чего в один из спиральных каналов вставляют керамический патрубок 11, а на выходе может быть установлена огнеупорная диафрагма 12.

В устройствах (фиг. 1-3) спиральные индукторы могут быть также дополнительно выполнены в футеровке дна ковша, а в специальных случаях и в футерованной крышке.

Работа предлагаемого устройства в вариантах, изображенных на фиг. 1-3, несколько отличается.

Работа устройства, изображенного на фиг. 1, осуществляется следующим образом. Через патрубки 3 по спиральным каналам-индукторам (трубам 2) подают одновременно один или несколько газов. Газами могут быть воздух, кислород, аргон и др. Далее в ковш заливают жидкий металл (например, чугун), подключают спиральные каналы-индукторы (трубы 2) к источнику переменного тока и продувают металл одним или несколькими газами как в устройстве-прототипе или как в других устройствах для внепечной обработки жидкого металла или конверторе с нижней продувкой [2, 3] Например, для удаления из расплава избытка углерода или кремния через расплав продувают воздух или кислород, а для удаления вредных газовых примесей расплав продувают инертным газом (например, аргоном).

Если первоначально заливать в ковш жидкий чугун, то устройство работает как конвертор по переделу чугуна в сталь. Однако, благодаря индукционному подогреву расплава можно обеспечить более высокую температуру расплава и дополнительное электромагнитное перемешивание расплава.

Важным достоинством устройства, изображенного на фиг. 1, является возможность загружать в ковш не только жидкий металл, но и некоторое количество металлического лома, которое благодаря индукционному подогреву может быть существенно больше, чем при работе конверторов.

После завершения продувки с целью получения нужного химического состава, не прекращая продувки, например, инертным газом, спиральные каналы-индукторы (трубы 2) отключают от источника переменного тока, ковш наклоняют и первоначально сливают шлак, а затем по изложницам разливают готовый металл. После этого ковш загружают для обработки новой порции металла.

Работа устройства, изображенного на фиг. 1, возможна и в варианте переплавки маталлического лома без первоначальной заливки в ковш жидкого металла. Для этого первоначально по спиральным каналам-индукторам (трубам 2) также пропускают инертный газ, например аргон, затем загружают ковш металлическим ломом и подключают спиральные каналы-индукторы к источнику переменного тока и плавят металл, как в индукционной печи [1] Далее проводят продувку расплава различными газами с целью получения необходимого химического состава и разливают металл по изложницам.

Работа варианта устройства, изображенного на фиг. 2, подобна работе варианта, представленного на фиг. 1.

Первоначально по спиральным каналам-индукторам (трубам 2) через патрубки 3 пропускают воздух, кислород или инертный газ. Футерованная крышка 10 и короб 8 при этом сняты и все устройство имеет вид, изображенный на фиг. 1. Затем в ковш заливают жидкий металл или загружают металлический лом, присоединяют спиральные каналы-индукторы (трубы 2) к источнику переменного тока и прогревают жидкий металл или плавят металлический лом. Давление газов в спиральных каналах-индукторах (трубах 2) при этом поддерживают таким, чтобы расплав через отверстия 7 не мог проникнуть в спиральные каналы (трубы 2). Затем на ковш 1 плотно устанавливают короб 8 и футерованную крышку 10 и через патрубки 9 проводят откачку газов, понижая давление над поверхностью металла в ковше. Давление газов в спиральных каналах-индукторах (трубах 2) и их состав при этом регулируют в соответствии с конкретным технологическим процессом, предназначенным для получения заданной марки металла, например стали. Интенсивность продувки металлического расплава при этом может меняться в широких пределах. В частности, давление газов в спиральных каналах-индукторах (трубах 2) может быть равно гидростатическому давлению расплава на уровне отверстий 7 в ковше 1. При этом продувка металла прекращается и поверхность металла находится в уровнях вакуума, достаточного для обработки расплава вакуумированием (вакуум при остаточном давлении, равном нескольким миллиметрам водяного столба).

После продувки расплава газами и обработкой вакуумированием спиральные каналы-индукторы (трубы 2) отключают от источника переменного тока, футерованную крышку 10 и короб 8 снимают, ковш наклоняют, металл разливают по изложницам.

Устройство, изображенное на фиг. 2, может быть использовано для внепечной обработки сталей марок 08-12Х18Н10Т (антикоррозионных сталей) при концентрации углерода в расплаве выше граничной. При этом перед заливкой расплава в ковш через спиральные каналы-индукторы (трубы 2) пускают инертный газ аргон, затем заливают жидкий металл или загружают металлический лом, подключают каналы-индукторы (трубы 2) к источнику переменного тока и затем для выжигания избыточного углерода после полного расплавления по спиральным каналам-индукторам (трубам 2) подают кислород или аргоно-кислородную смесь с одновременной откачкой газов через патрубки 9 при давлении газов над поверхностью металла в пределах 65-500 Па.

Устройство, приведенное на фиг. 2, сохраняет достоинства устройства, представленного на фиг. 1: простоту конструкции, возможность длительное время сохранять высокую температуру расплава за счет индукционного подогрева и уменьшения тепловых потерь через боковые стенки ковша, возможность гибко регулировать состав газов при продувке расплава и интенсивность продувки, возможность одновременно использовать несколько газов. Новое качество устройства, приведенного на фиг. 2, состоит в том, что оно позволяет удалять избыток растворенных газов в металле путем обработки расплава вакуумированием.

Устройство, изображенное на фиг. 3 и 4, работает так же, как вариант, представленный на фиг. 1, с той лишь разницей, что спиральные каналы-индукторы (трубы 2) в нижней части ковша 1 имеют общие спиральные отверстия 7, что позволяет подавать в расплав смесь двух различных газов (например, кислорода и аргона), получая смесь с регулируемым составом. Два соответствующих индуктора (трубы 2) при этом присоединяют к источнику переменного тока параллельно.

Достоинством предлагаемого устройства является простота конструкции при более рациональном использовании электрической и тепловой энергии, чем в ранее известных индукционных печах и в устройствах для внепечной обработки стали.

Это обусловлено лучшим преобразованием энергии переменного тока в тепло благодаря более близкому расположению индуктора к расплаву, использованию джоулева тепла в индукторах путем возвращения его с газовым потоком в расплав и частичным возвращением с газовым потоком тепловых потерь через футерованные стенки ковша.

Дополнительным достоинством предлагаемого устройства во всех его вариантах является улучшение соs ϕ электрической сети за счет лучшего преобразования энергии переменного тока в тепло.

Предлагаемое устройство может конкурировать с мартеновскими печами, используемыми для переплавки металлического лома и передела чугуна с целью получения обычных и высококачественных сталей и с конверторами, применяемыми для тех же целей. Однако, благодаря возможности вакуумной обработки расплава качество металла может быть выше, чем у получаемого в мартеновских печах или конверторах.

Кроме указанного основного применения предлагаемое устройство найдет применение в литейных цехах и в ремонтных мастерских для изготовления различных и в том числе запасных деталей.

Формула изобретения

1. Устройство для обработки металлов газами с электроподогревом, содержащее футерованный ковш, в футеровке которого расположены металлические газоподводящие трубы с выходом газа в нижней части ковша, соединенные с источником тока, отличающееся тем, что металлические газоподводящие трубы выполнены в виде спиралей и соединены с источником переменного тока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что металлические газоподводящие трубы выполнены с общим выходом для газов в нижней части ковша.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что металлические газоподводящие трубы выполнены с раздельными выходами для газов в нижней части ковша.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4