Способ внепечного рафинирования металлического расплава и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при внепечной обработке металлов. Сущность: способ внепечного рафинирования металлического расплава включает создание над поверхностью расплава в вакууматоре пульсирующего, модулированного по частоте и амплитуде разрежения, достаточного для получения парциальных давлений газов над расплавом ниже парциальных давлений газов в расплаве и одновременную продувку в нем расплава инертным газом, газ вдувают по крайней мере двумя струями асимметрично оси камеры вакууматора, в ограниченном по окружности вакууматора в нижней его части, секторе, причем вдув газа производят периодически с частотой в диапазоне 0,03-5 Гц с настройкой на резонанс колебаний уровня расплава в ковше, одновременно с этим в рабочее пространство над поверхностью расплава в вакууматоре дополнительно вдувают газ регулируемого состава с частотой в диапазоне 30-300 Гц в те интервалы времени, которые соответствуют фазе повышения давления пульсаций низкой частоты. Наилучшие результаты достигаются при секторе вдува газа в диапазоне 15-30^o и при подаче струй газа в расплав на глубине определяемой по предложенной формуле. Для реализации способа предложена установка для внепечного рафинирования металла, которая снабжена дополнительным трубопроводом для подачи газа регулируемого состава, присоединенного к фурме с акустическим генератором по крайней мере двумя соплами, установленными асимметрично оси камеры вакууматора в ограниченном секторе с центральным углом 15-30^o, и генератором пульсаций давления, установленным на трубопроводе подачи инертного газа. Применение предложенного способа и установки для внепечной обработки металла позволяет повысить степень удаления кислорода, водорода и азота, соответственно на 14, 24 и 31,5%. Количество неметаллических включений в стали по предложенному способу снизилось с 0,0065 до 0,0023% или на 0,0032%, что на 31% больше, чем в известном способе. При этом на 40 м³/ч понизилось потребление вдуваемого газа, уменьшилась эрозия огнеупоров в зоне вдува и повысилось качество металла. 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при внепечной обработке металлов.

Известны различные способы и устройства для рафинирования металла. Так, известен способ, в котором используют дегазатор, погруженный в расплав, во внутренней емкости дегазатора постоянно создают разрежение и одновременно с этим вдувают инертный газ в расплав через трубки, расположенные по окружности камеры дегазатора. Каждая трубка связана с автономной системой регулирования расхода инертного газа. Установка позволяет реализовать способ внепечной обработки металла, при котором производится регулирование подачи газа таким образом, что через трубки, расположенные в центральной части камеры, подается больше газа, чем через трубки, расположенные в периферийной части [1] Указанный способ интенсифицирует массообмен между газом и расплавом в вакууматоре, но недостаточно активно для повышения степени дегазации во всем объеме обрабатываемого расплава, поскольку обновление расплава в зоне взаимодействия с газовыми пузырями происходит недостаточно интенсивно, а главное при постоянном или медленно изменяющемся разрежении в вакууматоре происходит неэффективное удаление газа из расплава.

Известен также способ рафинирования металла путем создания над его поверхностью разрежения и вдува газа через фурмы, установленные в стенке вакууматоре ниже уровня расплавленного металла, при этом фурмы, количество которых может быть три или четыре, расположены по окружности вакуумной камеры через равные промежутки.

Указанный способ также организует взаимодействие пузырей газа с расплавом только в вакууме, а обмен расплава из вакууматора с расплавом в ковше происходит недостаточно активно, что приводит к увеличению времени дегазации всего расплава. Кроме того, происходит неэффективное выделение растворенных в расплаве газа в всплывающие пузыри, поскольку разрежение над поверхностью расплава в вакууматоре стационарное [2] Наиболее близким к предлагаемому является способ внепечного рафинирования металла, выбранный в качестве прототипа, предусматривающий создание над поверхностью расплава в вакууматоре пульсирующего, модулированного по частоте и амплитуде, разрежения, достаточного для получения парциальных давлений газов над расплавом ниже парциальных давлений газов в расплаве и одновременную продувку в нем расплава инертным газом. Установка для его осуществления содержит футерованную емкость с расплавом металла, вакууматор, соединенный патрубком с устройством создания модулированного по частоте и амплитуде разрежения, и трубопровод подачи инертного газа. Способ позволяет интенсивно выделять растворенные в расплаве газов в пузырьки вдуваемого инертного газа, но внутри каждого цикла обработки порций расплава не происходит обновление расплава внутри вакууматора, что уменьшает интенсивность выделения газов из расплава, от теоретически возможной [3] Целью изобретения является разработка способа и установки, позволяющих повысить качество металла.

Техническим результатом изобретения в процессе внепечного рафинирования металла является увеличение количества газов, удаляемых из металла, снижение расхода вдуваемого газа и уменьшение эрозии огнеупоров в зоне вдува.

Это достигается тем, что в способе внепечного рафинирования металлического расплава, включающем создание над поверхностью расплава в вакууме пульсирующего, модулированного по частоте и амплитуде разрежения, достаточного для получения парциальных давлений газов над расплавом ниже парциальных давлений газов в расплаве, и одновременную продувку в нем расплава инертным газом, газ вдувают по крайней мере двумя струями асимметрично оси камеры вакууматора в ограниченном по окружности вакууматора в нижней его части секторе, причем вдув газа производят периодически с частотой в диапазоне 0,03-5 Гц (пульсации низкой частоты) с настройкой на резонанс колебаний уровня расплава в ковше, одновременно с этим в рабочее пространство над поверхностью расплава в вакууме дополнительно вдувают газ регулируемого состава с частотой в диапазоне 30-300 Гц (пульсации высокой частоты) в те интервалы времени, которые соответствуют фазе повышения давления пульсаций низкой частоты.

Наилучшие результаты достигаются при секторе вдува газа в диапазоне 15-30^o и при подаче струй газа в расплав на глубине, определяемой по формуле: H = (0,1-0,2)P/ρg, где Р разность давлений между полостью вакуумной камеры и атмосферой, ρ плотность расплава, g ускорение силы тяжести.

Для реализации способа предлагается установка для внепечного рафинирования металла, которая в отличие от известной, содержащей футерованную емкость с расплавом металла, вакууматор, соединенный патрубком с устройством создания модулированного по частоте и амплитуде разрежения, и трубопровод подачи инертного газа, снабжена дополнительным трубопроводом для подачи газа регулируемого состава, присоединенного к фурме с акустическим генератором по крайней мере двумя соплами, установленными асимметрично оси камеры вакууматора в ограниченном секторе с центральным углом 15-30^o, и генератором пульсаций давления, установленным на трубопроводе подачи инертного газа, при этом сопла соединены между собой и генератором пульсаций и установлены на боковой поверхности вакууматора в интервале глубин, определяемом по формуле: H = (0,1-0,2)P/ρg (где Р разность давлений между полостью вакуумной камеры и атмосферой, ρ плотность расплава, g ускорение силы тяжести), при этом фурма с акустическим генератором установлена в верхней части вакууматора, а генератор находится внутри его над поверхностью расплава.

Лучшие результаты достигаются при вдувании инертного газа через сопла, выполненные в виде канальных блоков с направленной пористостью.

На фиг. 1 показано вертикальное сечение установки; на фиг. 2 - горизонтальное сечение камеры вакууматора со схемой подачи газов в расплав.

Установка содержит футерованную емкость 1, вакууматор 2, соединенный патрубком с устройством создания модулированного по частоте и амплитуде разрежения 3, трубопровод подачи инертного газа с установленным на нем генератором пульсации давления 4 и соединенный с соплами подачи инертного газа, расположенными в секторе с центральным углом 15-30^o на боковой поверхности вакууматора на глубине, определяемой по формуле H = (0,1-0,2)P/ρg (где Р - разность давлений между полостью вакууматора и атмосферой, ρ плотность расплава, g ускорение силы тяжести), трубопровод для подачи газов регулируемого состава 7, соединенный с фурмой с акустическим генератором 6, установленной в верхней части вакууматора, при этом акустический генератор находится внутри его над поверхностью расплава.

Вакууматор может быть оснащен соплами вдува инертного газа, выполненными в виде канальных блоков с направленной пористостью.

Установка позволяет реализовать изобретение и работает следующим образом.

В емкость с расплавленным металлом 1 опускают вакууматор 2, в котором с помощью устройства 3 создают над поверхностью расплава в вакууматоре пульсирующее, модулированное по частоте и амплитуде разрежение, достаточное для создания парциальных давлений газов над расплавом, которое ниже парциального давления газов в расплаве. Одновременно в расплав вдувают газ через сопла или канальные блоки с направленной пористостью 5, размещенные в нижней части камеры вакууматора по окружности в секторе 15-30^o и установленные на высоте в интервале глубин, рассчитанных по формуле H = (0,1-0,2)P/ρg Размещение сопел вдува определяется тем, что при концентрированном вдуве, т. е. если угол сектора меньше 15^o и сопла не разнесены по высоте, происходит значительный износ футеровки над зоной выхода струй газа в расплав, поскольку образуется мощное локальное циркуляционное течение металла. Стенки вакууматора "выедается" над местом вдува.

Поскольку расход газа, который необходимо продуть через расплав, находящийся в вакууматоре, прямо пропорционален площади сечения вакуума, то для любых размеров камеры вакууматора распределение вдува по углу 15-30^o является оптимальным, поскольку позволяет организовать максимальный массообмен обработанного металла на свежий из зоны "А", в течение одного периода вакуумирования без интенсивного размытия стенок камеры в местах вдува.

Вдув газа осуществляется через генератор 4, обеспечивающий периодическое прерывание с частотой 0,03-5 Гц. Частота вдува выбирается таким образом, чтобы обеспечить достижение резонанса колебаний уровня расплава в вакууматоре. резонансная частота зависит от высоты столба расплава в камере вакууматора Н^*, а также от площади сечения камеры S и кольцевого зазора между камерой и ковшом S' где DL ≈ 0,3D поправка к высоте столба металла в камере, связанная с присоединенной массой движущегося металла в ковше; D внутренний диаметр камеры вакууматора; ρ^* плотность металла в камере вакууматора с учетом его газонасыщенности; Н^* высота столба металла в камере.

В зависимости от высоты подъема металла в камере вакууматора (уровня вакуума) и газонасыщенности металла резонансная частота изменяется в диапазоне 0,03-5 Гц.

Кроме того, одновременно производится вдув газа регулируемого состава в камеру вакууматора над поверхностью расплава через генератор высокочастотных акустических колебаний 6. Частота этих пульсаций находится в диапазоне 30-300 Гц и выбирается таким образом, чтобы обеспечить резонансные колебания пузырьков газа, выходящих из расплава. Это позволяет инициировать процесс выпрямленной диффузии, ускорить раскачку и дробление пузырьков, достигших резонансных размеров, а также ускорить разрушение мелкодисперсных пузырьков из верхнего "буферного" слоя. Оптимальная частота воздействия зависит от размера среднестатистических пузырьков и глубины, на которую ориентировано воздействие

где d характерный размер пузырьков;
Р давление в вакуумной камере;
h глубина, на которую направлено воздействие; g показатель адиабаты газов, наполняющих пузырьки.

За счет согласования фаз вдува газа в расплав и в пространство камеры вакууматора над расплавом достигается уменьшение общего расхода вдуваемого газа без снижения эффективности воздействия пульсаций. Это позволяет уменьшить давление в камере вакууматора без увеличения производительности откачивающей системы, что дополнительно повышает интенсивность дегазации, что в свою очередь повышает качество рафинирования металла без дополнительных затрат.

Пример. Способ внепечного рафинирования осуществляли в 175 т ковше. Обрабатывали сталь 35, раскисленную в ковше при 1585^oС.

Вакууматор с внутренним диаметром 1,8 м. Погружали в ковш с внутренним диаметром 2,5 м и высотой 2,8 м на глубину, определенную по формуле H = (0,1-0,2)P/ρg, что при давлении в камере 0,01 бар составляет 1,3 м. Через боковую поверхность вакууматора на глубине 1,3 м от поверхности металла через четыре сопла, расположенные в секторе с центральным углом 20^o, подавали аргон с расходом 200 м³/ч. В процессе обработки давление в камере изменяется в интервале 0,001-0,4 бар, а газонасыщенность металла до 20%
Используя выражение (1), определили резонансную частоту, которая составила 0,34 Гц. Расчетные изменения резонансной частоты при изменении давления в камере вакууматора и газонасыщенности приведен в табл.1.

С помощью генератора пульсаций в ковше создавали пульсации давлений с резонансной частотой 0,34 Гц.

Одновременно с вдувом газа в расплав в верхнюю полость камеры вакууматора с расходом до 200 м³/ч вдувают смесь кислорода и аргона через генератора высокочастотных акустических колебаний. Оптимальная частота воздействия была определена по выражению (2), и при усредненном размере пузырьков d 8 мм, γ = 1,4; при давлении в камере равном 0,01 бар, ρ = 7500 кг/м³ составила f 94 Гц.

Смесь газа подавали через акустический генератор только в фазе повышения давления в цикле низкочастотных колебаний.

Продолжительность обработки 10 мин, температура в конце обработки 1550^oС. Для оценки эффективности заявленного способа была осуществлена обработка металла по известной технологии в аналогичных условиях.

Основные параметры при обработке по изобретению и по известному способу приведены в табл.2.

Применение предложенного способа и установки для внепечной обработки металла позволяет повысить по отношению к известному способу степень удаления кислорода, водорода и азота, соответственно, на 14, 24 и 31,5. Количество неметаллических включений в стали в предложенном способе снизилось с 0,0065% до 0,0023% что на 31% больше, чем в известном способе. При этом на 40 м³/ч понизилось потребление вдуваемого газа, уменьшилась эрозия огнеупоров в зоне вдува и повысилось качество металла.

Формула изобретения

1. Способ внепечного рафинирования металлического расплава, включающий создание над поверхностью расплава в вакууматоре пульсирующего, модулированного по частоте и амплитуде разрежения, достаточного для получения парциальных давлений газов над расплавом ниже парциальных давлений газов в расплаве и одновременную продувку в нем расплава инертным газом, отличающийся тем, что газ вдувают по крайней мере двумя струями асимметрично оси вакууматора в ограниченном по окружности вакууматора в нижней его части секторе, причем вдув газа производят периодически с частотой в диапазоне 0,03-5 Гц с настройкой на резонанс колебаний уровня расплава в ковше, одновременно с этим в рабочее пространство над поверхностью расплава в вакууматоре дополнительно вдувают газ регулируемого состав с частотой в диапазоне 30-300 Гц в те интервалы времени, которые соответствуют фазе повышения давления пульсаций низкой частоты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сектор вдува газа выбирают в диапазоне 15-30^oС.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что струи газа вдувают в расплав через боковую поверхность вакууматора на глубине, определяемой по формуле H= (0,1-0,2)P/(pg), где P разность давлений между полостью вакуумной камеры и атмосферой; p плотность расплава; g ускорение силы тяжести.

4. Устройство для внепечного рафинирования металлического расплава, содержащее футерованную емкость с расплавом металла, вакууматор, соединенный патрубком с устройством создания модулированного по частоте и амплитуде разрежения, и трубопровод подачи инертного газа, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным трубопроводом для подачи газа регулируемого состава, соединенным с фурмой с акустическим генератором по крайней мере двумя соплами, установленными асимметрично оси вакууматора в ограниченном секторе с центральным углом 15-30^o, и генератором пульсаций давления, установленным на трубопроводе подачи инертного газа, при этом сопла соединены между собой и генератором пульсаций на боковой поверхности вакууматора в интервале глубин, определяемом по формуле H= (0,1-0,2)P/(pg), где Р разность давлений между полостью вакуумной камеры и атмосферой; p плотность расплава; g ускорение силы тяжести, при этом фурма с акустическим генератором установлена в верхней части вакууматора, а генератор находится внутри его над поверхностью расплава.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что сопла вдува инертного газа выполнены в виде канальных блоков с направленной пористостью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3