Способ обработки металлического расплава и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к внепечной обработке жидкого металла. Технический результат -повышение эффективности вакуумирования стали за счет более интенсивного перемешивания металла, уменьшение времени вакуумирования и повышение качества металла. В способе обработки металлического расплава в ковше создают разрежение в погружной камере над поверхностью расплава, покрытого шлаком, и обрабатывают его инертным газом через установленные в днище ковша формы. Дополнительно создают контур циркуляции объема металла в погружной камере (ПК) и ковше путем подачи инертного газа через продувочные устройства в стенке (ПК) на часть поверхности расплава в (ПК). В процессе обработки металла инертным газом глубину погружения камеры в металлический расплав регулируют согласно определенной зависимости. Расход инертного газа через продувочные устройства в стенке погружной камеры изменяют от 0,006-0,014 м³/т•ч в начале вакуумирования до 0,33-0,51 м³/т•ч в конце вакуумирования, а через фурмы, установленные в днище ковша, изменяют от 0,029-0,043 м³/т•ч в начале вакуумирования до 0,17-0,33 м³/т•ч в конце вакуумирования. В устройстве для обработки металлического расплава, содержащем ковш, в днище которого расположены фурмы, футерованную (ПК), выполненную в виде цилиндра без дна и связанную с вакуумным насосом, механизм передвижения (ПК). В стенке (ПК) выполнены продувочные устройства для подачи инертного газа на часть поверхности металла, находящегося внутри погружной камеры. Продувочные устройства расположены по периметру поперечного сечения (ПК) на длине дуги, равной 0,1-0,75 длины данного периметра. Фурмы в днище ковша расположены таким образом, что их центр в проекции поперечного сечения расположен от футеровки (ПК) со стороны продувочных устройств на расстоянии, равном 0,1-0,7 радиуса погружной камеры. Ось симметрии расположения фурм в днище ковша совпадает с осью симметрии расположения продувочных устройств, расположенных в стенках наружной камеры. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к внепечной обработке жидкого металла.

Известны способ и устройство дегазации жидкой стали, заключающиеся в том, что камера, имеющая внизу открытую полость и соединенная через клапан с атмосферой, погружается в жидкий металл при открытом клапане. После закрытия клапана камера поднимается, увлекая за собой столб жидкого металла. Затем клапан открывается, и столб металла опускается вниз. Происходит порционное движение металла вверх-вниз, в результате чего происходит процесс выделения газа из металла. (Заявка Японии N 2-1889, МПК C 21 C 7/10, заявлено 59-56927 от 23.03.84 г., опублик. 16.01.1990 г.).

Недостатком способа являются цикличность нахождения металла под вакуумом и низкая скорость слива стали, что приводит к увеличению продолжительности вакуумирования. Увеличение продолжительности вакуумирования стали приводит к более значительным энергопотерям. При таком движении металла происходит недостаточно интенсивное перемешивание металла в ковше, снижается степень рециркуляции металла, ухудшается качество стали.

Известен наиболее близкий к предложенному способ внепечного рафинирования металлического расплава, включающий создание разрежения над поверхностью расплава и продувку его снизу инертным газом, регулирование степени разрежения в процессе вакуумирования (Патент РФ N 1547323, МПК C 21 C 7/10, опубл. 1994 г.).

Недостатком способа является недостаточная глубина вакуума, что ведет к снижению скорости и глубины реакции вакуумирования. Из-за низкой скорости реакции происходит снижение температуры металла в ковше, следовательно, увеличивается время вакуумирования, ухудшается качество стали.

Технический результат изобретения - повышение эффективности вакуумирования стали за счет более интенсивного перемешивания, уменьшение времени вакуумирования и повышение качества металла.

Технический результат достигается тем, что в способе обработки металлического расплава в ковше, включающем заливку металлического расплава, покрытого шлаком, в ковш, опускание погружной камеры в расплав на определенную глубину, создание разрежения в погружной камере над поверхностью расплава и его обработку инертным газом через установленные в днище ковша фурмы с изменением расхода газа в процессе вакуумирования, дополнительно создают контур циркуляции объема металлического расплава в погружной камере и ковше путем подачи инертного газа через продувочные устройства, выполненные в стенке погружной камеры, на часть поверхности расплава, находящегося внутри погружной камеры, при этом в процессе обработки металла инертным газом глубину h_рх погружения камеры в металлический расплав регулируют согласно зависимости где P_a - атмосферное давление, Па; P_i - текущее давление внутри погружной камеры, Па; ρ_м - плотность обрабатываемого металла, кг/м³; ρ_ш - плотность шлака в ковше, кг/м³; g - ускорение свободного падения, м/с²; h_ш - толщина шлака до вакуумирования, м; где Д_к - внутренний диаметр ковша, м;
Д - наружный диаметр погружной камеры, м;
d - внутренний диаметр погружной камеры, м,
а расход инертного газа через продувочные устройства, установленные в стенке погружной камеры, изменяют от 0,006-0,014 м³/т•ч в начале вакуумирования до 0,33-0,51 м³/т•ч в конце вакуумирования, а через фурмы, установленные в днище ковша, изменяют от 0,029-0,043 м³/т•ч в начале вакуумирования до 0,17-0,33 м³/т•ч в конце вакуумирования.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве для обработки металлического расплава, содержащем ковш, в днище которого расположены фурмы, футерованную погружную камеру, выполненную в виде цилиндра без дна и связанную с вакуум-насосом, механизм передвижения погружной камеры, в стенке погружной камеры выполнены продувочные устройства для подачи инертного газа на часть поверхности металла, находящегося внутри погружной камеры, при этом продувочные устройства расположены по периметру поперечного сечения погружной камеры на длине дуги, равной 0,1-0,75 длины данного периметра, а фурмы в днище ковша расположены таким образом, что их центр в проекции поперечного сечения расположен от футеровки погружной камеры со стороны продувочных устройств на расстоянии, равном 0,1-0,7 радиуса погружной камеры и ось симметрии расположения фурм в днище ковша совпадает с осью симметрии расположения продувочных устройств, расположенных в стенках погружной камеры.

Снижение интенсивности продувки инертным газом через фурмы, установленные в днище ковша, менее 0,029 м³/т•ч ограничивается минимальной пропускной способностью донных фурм. Подача инертного газа через продувочные устройства в стенке погружной камеры менее 0,006 м³/т•ч ограничивается пропускной способностью этих продувочных устройств. Ограничение верхнего предела подачи инертного газа в начале вакуумирования через донные фурмы (не более 0,043 м³/т•ч) и через продувочные устройства в стенке погружной камеры (не более 0,014 м³/т•ч) определяется возможностями вакуумного насоса. При увеличении интенсивности продувки выше указанных пределов количество газов, выделяющихся из металлического расплава в пространство погружной камеры в начале вакуумирования, будет превышать возможности вакуумного насоса по их удалению. Это приведет к повышению давления в погружной камере и, в конечном итоге, к срыву работы вакуумного насоса.

Ограничение нижних пределов по интенсивности продувки инертным газом в конце вакуумирования определяется продолжительностью вакуумной обработки. При уменьшении интенсивности продувки инертным газом через донные фурмы менее 0,17 м³/т•ч и через продувочные устройства в стенке погружной камеры менее 0,33 м³/т•ч продолжительность вакуумного раскисления (обезуглероживания) увеличивается за счет снижения массообмена между ковшом с металлическим расплавом и погружной камерой.

Ограничение верхних пределов по интенсивности продувки инертным газом в конце вакуумирования определяется геометрическими размерами ковша с металлическим расплавом и погружной камеры. При интенсивности продувки через донные фурмы более 0,33 м³/т•ч возможен подъем части металла со шлаком между внешней стенкой погружной камеры и стенкой ковша, что потребует увеличения "свободного борта" в ковше. При интенсивности подачи нейтрального газа через продувочные устройства в стенке погружной камеры более 0,51 м³/т•ч возрастает высота подъема металла в погружной камере, увеличивается интенсивность образования брызг металла и их скорость, что приводит к большому заметалливанию футеровки камеры, что, в свою очередь, потребует увеличения ее высоты.

Создание дополнительного контура циркуляции объема металла в погружной камере и ковше путем подачи инертного газа через продувочные устройства в стенке погружной камеры позволяет повысить интенсивность перемешивания металла, повысить скорость реакций, протекающих в ковше, уменьшить время вакуумирования.

Глубину погружения камеры в металл регулируют в зависимости от разности давлений снаружи и внутри погружной камеры, что позволяет исключить нарушение вакуума внутри погружной камеры и поддерживать оптимальный уровень погружения камеры в металл.

Продувочные устройства для подачи инертного газа расположены на части дуги поперечного сечения погружной камеры. При расположении продувочных устройств по длине дуги менее 0,1 периметра погружной камеры скорость массообмена металла между погружной камерой и ковшом уменьшится, т.к. уменьшится объем металла, участвующего в движении. При расположении продувочных устройств на расстоянии более 0,75 длины дуги периметра уменьшится площадь слива металла из погружной камеры, что при постоянных скоростях продувки приведет к снижению массообмена между ковшом и погружной камерой, нарушению циркуляции и застопориванию процесса. В случае, когда продувочные устройства расположены по всему периметру, слив металла будет производиться через центр погружной камеры, где поднимаются потоки металла от работы донных фурм, все это сделает реализацию данного способа невозможным. Для максимального смешения потоков инертного газа, подаваемого через донные фурмы и продувочные устройства погружной камеры, фурмы в днище ковша должны быть расположены таким образом, чтобы их центр в проекции поперечного сечения был расположен от футеровки погружной камеры со стороны продувочных устройств на расстоянии, равном 0,1-0,7 радиуса погружной камеры. При расположении донной фурмы ближе, чем 0,1 радиуса от стенки погружной камеры, значительная часть потока металла будет проходить мимо погружной камеры либо упираться в ее нижний торец, что способствует ухудшению массообмена металла между ковшом и погружной камерой. Это приведет к увеличению длины контура циркуляции металла и замедлению процесса массообмена.

При перемещении донной фурмы к центру ковша свыше 0,7 радиуса погружной камеры уменьшается площадь слива металла, что приводит к уменьшению объема движущегося металла в ковше и погружной камере и снижению скорости слива, что замедляет процесс массообмена.

На чертежах представлено:
фиг. 1 - устройство для обработки металлического расплава, продольный разрез;
фиг. 2 - то же, вид сверху по сечению А-А.

Устройство для обработки металлического расплава содержит ковш 1, в днище которого расположены фурмы 2, погружную камеру 3, выполненную в виде цилиндра без дна и связанную с вакуумным насосом 4, механизм передвижения погружной камеры 5. В стенке погружной камеры 3 выполнены продувочные устройства 6.

Пример осуществления способа и работы устройства.

Вакуумной обработке подвергалась нераскисленная сталь, например, марки 08Ю. После выпуска из сталеплавильного агрегата ковш с нераскисленной сталью помещался на сталевоз установки обработки металлического расплава. После этого сталевоз перемещался под погружную камеру в позицию вакуумирования стали.

Перед началом обработки металлического расплава трубопровод подачи инертного газа, например аргона, к фурмам 2, установленным в днище ковша, подсоединили с помощью гибкого шланга к цеховой магистрали.

После установки центра ковша 1 с металлом под центром погружной камеры 3 последняя перемещалась в исходную рабочую точку, например, на высоте 50 мм от поверхности покровного шлака. Нажатием кнопки данная позиция фиксируется в памяти компьютера как исходная (нулевая).

С целью максимального удаления шлака из зоны опускания погружной камеры 3 и уменьшения попадания его внутрь данной камеры производится подача инертного газа через продувочные устройства 6 и фурмы 2 в днище ковша с расходом 0,014 м³/т•ч и 0,043 м³/т•ч соответственно, обеспечивающим максимальное освобождение поверхности металлического расплава от шлака, но не допускающим выплеска металла из ковша. Затем погружная камера перемещается в верхнее рабочее положение, которое исключает нарушение вакуум-плотности, при этом расход инертного газа на донные фурмы уменьшается до минимально возможного уровня, т.е. 0,029-0,043 м³/т•ч и на продувочные устройства в погружной камере 0,006-0,014 м³/т•ч.

После включения вакуум-насоса 4 в автоматическом режиме погружная камера 3 опускается вниз в металл на величину h_рх, прямо пропорциональную разности давлений снаружи и внутри погружной камеры в данный момент. При понижении давления внутри погружной камеры 3 до "стартового" порога проводится автоматическое увеличение подачи инертного газа на донные продувочные фурмы 2 ковша 1 и продувочные устройства 6 погружной камеры 3. Повышение интенсивности продувки прекращается, если давление внутри погружной камеры начинает увеличиваться.

При увеличении давления в погружной камере выше "стартового" порога на 10-50% начинают снижать интенсивность продувки через донные фурмы и продувочные устройства в стенке погружной камеры при сохранения соотношения между расходами через них 2-7,5. Снижение продувки нейтральным газом производится до тех пор, пока давление в погружной камере не снизится до оптимального давления вакуумной обработки, определяемого возможностями вакуумного насоса. При достижении оптимального давления в погружной камере интенсивность донной продувки достигает максимальной величины, например, 0,17-0,33 м³/т•ч. Затем плавно увеличивают интенсивность продувки через продувочные устройства погружной камеры до 0,33-0,51 м³/т•ч. Отношение расхода нейтрального газа через продувочные устройства к расходу газа через донные фурмы изменяется от 1: (2-7,5) в начале вакуумирования до (1-3):1 в конце вакуумирования. После окончания вакуумной дегазации металла происходит раскисление и легирование стали в соответствии с заданным химическим составом. После ввода раскислителей и легирующих элементов производят вакуумную обработку металла с целью усреднения объема металла по химическому составу и температуре.

После окончания вакуумной обработки интенсивность продувки нейтральным газом устанавливают на минимально возможном уровне (как в начале продувки) для всех видов продувочных фурм.

Вакуумный насос отключают, давление внутри погружной камеры плавно повышается до атмосферного. Перемещение погружной камеры в верхнюю рабочую точку осуществляют пропорционально увеличению давления в соответствии с формулой. После остановки погружной камеры в верхней рабочей точке и выравнивании давления внутри ее до атмосферного погружная камера выводится из жидкой стали, затем прекращается подача аргона на продувочные фурмы.

Предлагаемый способ обработки металлического расплава и устройство для его осуществления позволяют повысить эффективность вакуумирования стали за счет более интенсивного перемешивания металла, уменьшить время вакуумирования и повысить качество металла.

Формула изобретения

1. Способ обработки металлического расплава в ковше, включающий заливку металлического расплава, покрытого шлаком, в ковш, опускание погружной камеры в расплав на определенную глубину, создание разрежения в погружной камере над поверхностью расплава и его обработку инертным газом через установленные в днище ковша фурмы с изменением расхода газа в процессе вакуумирования, отличающийся тем, что дополнительно создают контур циркуляции объема металлического расплава в погружной камере и ковше путем подачи инертного газа через продувочные устройства, выполненные в стенке погружной камеры, на часть поверхности расплава, находящегося внутри погружной камеры, при этом в процессе обработки металла инертным газом глубину h_px погружения камеры в металлический расплав регулируют согласно зависимости
,
где P_a - атмосферное давление, Па;
P_i - текущее давление внутри погружной камеры, Па;
ρ_м - плотность обрабатываемого металла, кг/м³;
ρ_ш - плотность шлака в ковше, кг/м³;
g - ускорение свободного падения, м/с²;
h_ш - толщина шлака до вакуумирования, м;

где Д_к - внутренний диаметр ковша, м;
Д - наружный диаметр погружной камеры, м;
d - внутренний диаметр погружной камеры, м,
а расход инертного газа через продувочные устройства в стенке погружной камеры изменяют от 0,006-0,014 м³/т•ч в начале вакуумирования до 0,33-0,51 м³/т•ч в конце вакуумирования, а через фурмы, установленные в днище ковша - изменяют от 0,029-0,043 м³/т•ч в начале вакуумирования до 0,17-0,33 м³/т•ч в конце вакуумирования.

2. Устройство для обработки металлического расплава, содержащее ковш, в днище которого расположены фурмы, футерованную погружную камеру, выполненную в виде цилиндра без дна и связанную с вакуумным насосом, механизм передвижения погружной камеры, отличающееся тем, что в стенке погружной камеры выполнены продувочные устройства для подачи инертного газа на часть поверхности металла, находящегося внутри погружной камеры, при этом продувочные устройства расположены по периметру поперечного сечения погружной камеры на длине дуги, равной 0,1-0,75 длины данного периметра, а фурмы в днище ковша расположены таким образом, что их центр в проекции поперечного сечения расположен от футеровки погружной камеры со стороны продувочных устройств на расстоянии, равном 0,1-0,7 радиуса погружной камеры и ось симметрии расположения фурм в днище ковша совпадает с осью симметрии расположения продувочных устройств, расположенных в стенках погружной камеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2