Способ продувки жидкого металла в ковше и устройство для продувки металла газом

Изобретение относится к области металлургии, а именно к обработке расплавленных металлов и сплавов инертными газами и конструкции литейных ковшей. В способе струйные потоки формируют под углом α к нормали рабочей части продувочного устройства, лежащим в пределах от +45° до -45°, а пузырьковые потоки формируют путем деления единичных струйных потоков на элементарные с использованием профилирования их поперечных сечений. Устройство содержит керамический блок, являющийся составной частью футеровки ковша, продувочный узел со сквозными каналами для прохода струйных и пузырьковых потоков инертного газа, выходящих со стороны его рабочей части, и устройство подвода инертного газа к продувочному узлу, выполненное в виде металлической емкости с замурованной в керамический блок стенкой и присоединительным патрубком, расположенным со стороны ее основания, при этом сквозные каналы для формирования струйных потоков инертного газа выполнены расположенными под углом α к нормали рабочей части продувочного узла, лежащим в пределах от +45° до -45°, а каналы для формирования пузырьковых потоков инертного газа выполнены с периодическими профилями поперечных сечений. Изобретение позволяет создать простой способ и надежное устройство, которые увеличат возможности технологии продувки жидкого металла в литейном ковше, а также обеспечат высокую производительность и дальнейшее улучшение качества выплавляемого металла. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретения относятся к области металлургии, а именно к обработке расплавленных металлов и сплавов инертными газами и конструкции литейных ковшей.

При производстве металлов и сплавов актуальна проблема получения однородной структуры путем ликвидации концентрационных микронеоднородностей, образующихся при их неравновесной кристаллизации из расплавленного состояния. Следствием этого является улучшение пластичности полученных материалов, повышение стабильности их механических свойств и уменьшение анизотропии. Этому способствует сопутствующее удаление из расплавов разнообразных примесей. Перечисленные параметры можно обеспечить, в частности, посредством продувки жидкого металла инертным газом в ковше непосредственно перед его разливкой.

Традиционно продувка металла осуществлялась путем подвода инертного газа через сквозные каналы трубы, опускаемой в ковш. Характерным техническим решением этого является технология продувки, описанная в российском патенте "Устройство для продувки металла в ковше нейтральным газом" [Описание изобретения к патенту РФ №2089620 от 05.07.1995, МПК⁶ С21С 7/072, опубл. 10.09.1997]. Продувку осуществляют сверху ковша по всей высоте расплава металла.

При всей простоте известной технологии она имеет недостатки, связанные прежде всего со сложностью ее осуществления, когда используемое оборудование, а именно металлическая труба с огнеупорной обечайкой, подвергается интенсивному износу, значительно превосходящему скорость износа футеровки котла.

Таким образом, существует объективная потребность в создании технологии продувки жидкого металла инертным газом, в результате осуществления которой будет соблюдаться принцип равномерности износа используемого оборудования. Оптимальным случаем этого является технология обработки жидкого металла с использованием продувочного устройства, являющегося составной частью футеровки ковша.

Существуют технологии продувки металла, включающие подвод инертного газа через сквозные каналы в рабочей части продувочного устройства, являющегося составной частью футеровки днища ковша, и формирование множества пузырьковых потоков или струйных потоков, или их комбинации на границе футеровка - жидкий металл. Характерными примерами этому могут служить следующие технологии, описанные:

- в европейском патенте "Металлургическая печь или металлургический ковш" [Описание изобретения к патенту ЕР №0105868 от 28.09.1983, МПК⁴ С21С 7/072, опубл. 15.01.1986], где речь идет о рафинировании металла посредством его продувки пузырьками инертного газа;

- в авторских свидетельствах СССР: "Фурма для донной продувки металла в сталеплавильном агрегате" [Описание изобретения к а.с. СССР №1293234 от 05.10.1985, МПК⁴ С21С 5/48, опубл. 28.02.1987. Бюл. №8] и "Устройство для подачи нейтрального газа через днище конвертера" [Описание изобретения к а.с. СССР №1381171 от 27.10.1986, МПК⁴ С21С 5/48, опубл. 15.03.1988. Бюл. №10], где речь идет о гомогенизации расплава металла посредством его продувки струями инертного газа, направленными по нормали к рабочей части продувочного устройства - вертикально вверх;

- в российском патенте "Огнеупорная газопроницаемая конструкция для подачи газа через футеровку емкости для расплава металла" [Описание изобретения к патенту РФ №1255057 от 24.06.1981, МПК⁴ С21С 5/48, опубл. 30.08.1986. Бюл. №32] - гомогенизация посредством струй инертного газа;

- в европейском патенте "Газовый продувочный блок" [Описание изобретения к патенту ЕР №0329645 от 17.02.1989, МПК⁴ С21С 7/072, опубл. 24.04.1991], где речь идет также о гомогенизации расплава металла посредством его продувки струями инертного газа, меняющими свою направленность в зависимости от износа продувочного устройства.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемому способу является способ продувки жидкого металла в ковше, описанный в европейском патенте "Огнеупорный керамический газовый продувочный блок" [Описание изобретения к патенту ЕР №1101825 от 26.09.2000, МПК⁷ С21С 7/072, опубл. 16.07.2003]. Способ включает подвод инертного газа через сквозные каналы в рабочей части продувочного устройства, являющегося составной частью футеровки ковша, и одновременное формирование множества струйных и пузырьковых потоков на границе футеровка - жидкий металл.

Недостатком способа является низкая производительность газовой обработки и сложность в его осуществлении.

Задача, на решение которой направлено первое изобретение группы, и получаемый технический результат заключаются в создании очередного способа продувки жидкого металла в ковше с использованием инертного газа, повышении его производительности и упрощении схемы реализации, следствием чего будет дальнейшее улучшение качества выплавляемого металла.

Для решения поставленной задачи и получения заявленного технического результата в известном способе продувки жидкого металла в ковше, включающем подвод инертного газа через сквозные каналы в рабочей части продувочного устройства, являющегося составной частью футеровки ковша, и формирование множества струйных и пузырьковых потоков на границе футеровка - жидкий металл, струйные потоки формируют под углом к нормали рабочей части продувочного устройства, лежащим в пределах от +45° до -45°, а пузырьковые потоки формируют путем деления единичных струйных потоков на элементарные с использованием профилирования их поперечных сечений.

Кроме этого, струйные и пузырьковые потоки формируют одновременно, по меньшей мере, в двух, разнесенных друг от друга местах внутреннего объема ковша.

Уровень техники, приведенный для первого изобретения группы применим и для второго изобретения - конструкции устройства для продувки металла газом.

В патенте РФ №2089620 описана конструкция устройства для продувки металла в ковше нейтральным газом, которая содержит металлическую трубу с огнеупорной обечайкой и пробкой на конце. По высоте устройства выполнены равномерно распределенные по периметру обечайки, наклоненные вниз сквозные отверстия для формирования струй газа.

Учитывая, что расплавленный металл является агрессивной средой, металлическая труба с огнеупорной обечайкой подвергается интенсивному износу, превосходящему скорость износа футеровки ковша.

В патенте ЕР №0105868 описана конструкция составного керамического блока, являющегося частью донной футеровки ковша, который включает продувочное устройство, выполненное в виде конической или призматической пробки с направленной пористостью для формирования пузырьков инертного газа и устройство подвода инертного газа к продувочному узлу.

Устройство подвода газа выполнено таким образом, чтобы в случае полного износа пробки расплавленный металл не вытек за пределы ковша.

В авторских свидетельствах СССР №1293234, №1381171 и в российском патенте №1255057 речь идет о конструкции устройства для продувки металла газом, каждое из которых включает призматический керамический блок, являющийся составной частью донной футеровки ковша, и продувочный узел со сквозными каналами для прохода струйных потоков инертного газа, выходящих со стороны его рабочей части по нормали к ней, и устройство подвода инертного газа к продувочному узлу, выполненное в виде металлической оболочки (или кожуха), в которой, собственно, и располагается керамический блок, с присоединительным патрубком, расположенным со стороны основания металлической емкости.

Наличие в донной футеровке ковша различных материалов приводит к их неравномерному износу, а в некоторых случаях способствует механическому разрушению футеровки за счет разности, например, коэффициентов температурного расширения используемых материалов, причем это не обязательно будет граница металл - керамика, но также керамика - керамика, каждая из которых обладает сколько-нибудь отличными от другой физико-химическими показателями составов.

В патенте ЕР №0329645 описано устройство для продувки металла газом, включающее составной керамический блок, являющийся частью футеровки ковша, и продувочную коническую пробку со сквозными спиралеобразными каналами для прохода струйных потоков инертного газа, выходящих со стороны его рабочей части, и устройство подвода инертного газа к продувочному узлу, выполненное в виде охватывающей пробку и замурованной в керамический блок металлической оболочки с присоединительным патрубком, расположенным со стороны ее основания. Спиралеобразная форма каналов предназначена для увеличения их длины, препятствующей проникновению расплавленного металла, и формирования хаотичных струйных потоков инертного газа, интенсифицирующих процесс очистки металла. По выполняемой функции данное устройство аналогично описанному в патенте ЕР №0105868.

Наиболее близким по выполняемой функции заявляемому в качестве изобретения техническому решению устройства для продувки металла газом является устройство, включающее составной керамический блок, являющийся частью футеровки ковша, и конический продувочный узел с призматическими вставками, верхняя из которых имеет сквозные каналы для прохода струйных и пузырьковых потоков инертного газа, выходящих со стороны его рабочей части по нормали к ней, и устройство подвода инертного газа к продувочному узлу, выполненное в виде охватывающей пробку и замурованной в керамический блок металлической оболочки с присоединительным патрубком, расположенным со стороны ее основания [См. патент ЕР №1101825].

К недостаткам устройства следует отнести сложность конструкции и ее недостаточную надежность, которая находится в зависимости от разнообразия используемых материалов, таких как пористая и обычная керамика и металл, и их специфической сочетаемостью, которая проявляет себя в процессе эксплуатации в условиях перепада температур.

Задача, на решение которой направлено второе изобретение группы, и получаемый технический результат заключаются в создании очередного устройства продувки жидкого металла инертным газом, отличающегося простотой и надежностью в работе и которое обеспечивает высокую производительность и дальнейшее улучшение качества выплавляемого металла.

Для решения поставленной задачи и получения заявленного технического результата в известном устройстве для продувки металла газом, включающем керамический блок, являющийся составной частью футеровки ковша, и продувочный узел со сквозными каналами для прохода струйных и пузырьковых потоков инертного газа, выходящих со стороны его рабочей части, и устройство подвода инертного газа к продувочному узлу, выполненное в виде металлической емкости с замурованной в керамический блок стенкой и присоединительным патрубком, расположенным со стороны ее основания, при этом сквозные каналы для формирования струйных потоков инертного газа выполнены расположенными под углом к нормали рабочей части продувочного узла, лежащим в пределах от +45° до -45°, а каналы для формирования пузырьковых потоков инертного газа выполнены с периодическими профилями поперечных сечений.

Кроме этого:

- устройство выполнено в виде монолитного блока;

- высота стенки замурованной в керамический блок металлической емкости составляет 0,75 высоты устройства, оставшейся после полного износа его рабочей части;

- стенка замурованной в керамический блок металлической емкости выполнена с перфорацией;

- стенка замурованной в керамический блок металлической емкости выполнена профилированной;

- рабочая часть продувочного узла снабжена металлическим индикатором, выполненным с утолщением на замурованном в рабочую часть конце и расположенным между сквозными каналами для прохода инертного газа, при этом между металлическим индикатором и керамикой продувочного узла выполнен зазор, лежащий в пределах 0,08-0,10 мм;

- керамический блок со стороны рабочей части продувочного узла снабжен, по меньшей мере, двумя втулками с внутренней резьбой для размещения в них грузовых болтов.

Изобретения иллюстрируются чертежами, где

- на фиг.1 показан общий вид устройства для продувки металла газом;

- на фиг.2 - вид устройства сверху;

- на фиг.3 - вид А устройства фиг.1 - конструкция канала для прохода струйных потоков инертного газа;

- на фиг.4 - вид Б устройства фиг.1 - конструкция канала для прохода пузырьковых потоков инертного газа;

- на фиг.5 изображена конструкция устройства подвода инертного газа к продувочному узлу;

- на фиг.6 показан вид сверху устройства подвода инертного газа фиг.5

- на фиг.7 изображен вариант конструкции устройства подвода инертного газа к продувочному узлу;

- на фиг.8 показан вид сверху варианта устройства подвода инертного газа фиг.7.

Устройство для продувки металла газом включает монолитный керамический блок 1, являющийся составной частью футеровки ковша (условно не показана), и продувочный узел 2, являющийся частью монолитного керамического блока 1, со сквозными каналами 3 и 4 для прохода струйных (3) и пузырьковых (4) потоков инертного газа, выходящих со стороны его рабочей части 5, и устройство 6 подвода инертного газа к продувочному узлу 2, выполненное в виде металлической емкости с замурованной в керамический блок 1 стенкой 7 и присоединительным патрубком 8, расположенным со стороны ее основания 9, при этом сквозные каналы 3 для формирования струйных потоков инертного газа выполнены расположенными под углом α к нормали N рабочей части 5 продувочного узла 2, лежащим в пределах от +45° до -45°, а каналы 4 для формирования пузырьковых потоков инертного газа выполнены с периодическими профилями поперечных сечений.

Высота стенки 7 замурованной в керамический блок 1 металлической емкости 6 составляет 0,75 высоты устройства, оставшейся после полного износа его рабочей части 5, при этом стенка 7 выполнена с перфорацией 10, как показано на фиг.1, фиг.2, фиг.5 и фиг.6, или выполнена профилированной 11, как показано, например, на фиг.7 и фиг.8.

Рабочая часть 5 продувочного узла 2 снабжена металлическим индикатором 12, выполненным с утолщением 13 на замурованном в рабочую часть 5 конце и расположенным между сквозными каналами 3 и 4 для прохода инертного газа, при этом между металлическим индикатором 12 и керамикой продувочного узла 2 выполнен зазор δ, лежащий в пределах 0,08-0,10 мм.

Керамический блок 1 со стороны рабочей части 5 продувочного узла 2 снабжен, по меньшей мере, двумя втулками 14 с внутренней резьбой для размещения в них грузовых болтов 15.

Способ продувки жидкого металла в ковше, включает подвод инертного газа через сквозные каналы 3 и 4 в рабочей части 5 продувочного устройства (эквивал. - устройство для продувки металла газом), являющегося составной частью футеровки ковша, и формирование множества струйных и пузырьковых потоков на границе футеровка - жидкий металл, при этом струйные потоки формируют под углом α к нормали N рабочей части продувочного устройства, лежащим в пределах от +45° до -45°, а пузырьковые потоки формируют путем деления единичных струйных потоков на элементарные с использованием профилирования их поперечных сечений. Возможно формирование струйных и пузырьковых потоков одновременно, по меньшей мере, в двух, разнесенных друг от друга местах внутреннего объема ковша.

Остановимся подробнее на некоторых признаках изобретений.

Выполнение сквозных каналов 3 для формирования струйных потоков инертного газа, расположенными под углом α к нормали N рабочей части 5 продувочного узла 2, лежащим в пределах от +45° до -45°, позволяет сформировать направленную струю газа, обладающую способностью не просто перемешивать жидкий металл, но и закручивать его. На фиг.1 показан случай, когда угол α к нормали N равен, например, от -30° до +30° это будет означать, что каналы 3 направлены в противоположную относительно нормали N сторону. Следует иметь в виду, что устройство для продувки металла газом может иметь комбинацию каналов 3, направленных как в одну сторону, так и в разные, и под разными углами - в зависимости от осуществляемой технологии продувки (данные варианты исполнения устройства условно не показаны).

В отличие от каналов 3, каналы 4 для формирования пузырьковых потоков инертного газа выполнены в направлении нормали N с периодическими профилями поперечных сечений. Благодаря тому, что канал 4 образован несколькими элементарными каналами, соединенными между собой при помощи более узких каналов, обеспечивается разделение единичной струи на элементарные струйки, способствующие интенсивной очистке металла от примесей.

При заявленном исполнении каналов 3 и 4 они имеют минимальную длину, которая обеспечивает минимальное сопротивление движению газа и унифицированные геометрические размеры.

Выполнение керамического блока 1 монолитным позволяет упростить технологию производства устройства и обеспечивает равномерный и менее интенсивный износ рабочей поверхности 5. Существуют технические решения устройств для донной продувки, выполненных в виде моноблока [например, описание изобретения к патенту РФ №2255118 от 08.12.2003, МПК⁷ С21С 5/48, опубл. 27.06.2005], однако под термином "моноблок" понимается комбинация различных керамических материалов, таких как собственно керамика блока, пористая керамическая пробка, керамическая рабочая пробка с соответствующими каналами, разнообразные вставки и т.д., включая их соединения между собой при помощи соответствующих связующих смесей. В заявленном решении используется керамика одного вида, что ослабляет, например, влияние температурных перепадов и пр.

Устройство 6 подвода инертного газа к продувочному узлу 2 выполнено в виде металлической емкости, стенка 7 которой замурована в керамический блок 1, при этом высота стенки 7 составляет 0,75 высоты устройства, оставшейся после полного износа его рабочей части 5. Таким образом, стенка 7, как один из слабых и быстроизнашивающихся элементов устройства, выведена из зоны непосредственного контакта с жидким металлом.

Форма устройства 6 подвода газа может быть не только телом вращения, но и любой другой, например в виде емкости с прямоугольной формой стенок 7 со скругленными краями и др. Надежность фиксации устройства 6 подвода обеспечивается соответствующей перфорацией 10 на стенке 7 или ее профилированной формой 11. Безусловно, перфорацию лучше делать на прямолинейных или цилиндрических стенках 7, а профилирование 11 - на стенках, выполненных в виде тел вращения, таких как, например цилиндр, конус, их сочетание и т.д. Фиксацию можно производить и другими методами, например с использованием локальных деформаций на поверхности стенок, оснащением стенок штифтами перед заливкой керамики и т.д.

Снабжение рабочей части 5 продувочного узла 2 металлическим индикатором 12, замурованным в керамику с зазором, необходимо для контроля износа рабочей части 5 керамического блока. По наличию пятна интенсивного свечения, после того как металл будет разлит, судят о возможности дальнейшей эксплуатации ковша. Отсутствие свечения говорит о необходимости замены футеровки ковша. Учитывая, что коэффициент линейного (температурного) расширения металла индикатора 12 значительно больше, чем соответствующий коэффициент керамики, его устанавливают с зазором, достаточным для компенсации этих расширений. В то же время, величина зазора такова, что жидкий металл не способен проникнуть в него.

Наличие в керамическом блоке 1 втулок 14 для размещения грузовых болтов 15 делает более удобным и надежным манипулирование тяжелым устройством при его перемещениях и установке в ковш. После того как устройство будет установлено в соответствующем месте футеровки, грузовые болты 15 могут быть извлечены и вновь использованы по прямому назначению. В дальнейшем, после заливки металла в ковш втулки 14 сразу же расплавляются.

Устройство для продувки металла газом может быть изготовлено с использованием традиционных технологий, материалов и оснастки, которые не являются предметом настоящих изобретений.

Способ продувки жидкого металла в ковше рассмотрим на примере работы устройства для продувки металла газом.

Устройство для продувки металла газом работает следующим образом.

В патрубок 8 под давлением поступает инертный газ и через каналы 3 и 4 выходит со стороны рабочей части 5 монолитного керамического блока 1. Каналы 3 формируют струйные потоки на границе футеровка - жидкий металл (соответствует верхнему торцу монолитного керамического блока 1 на фиг.1). Их направленность под углом α, лежащим в пределах от +45° до -45°, обеспечивает интенсивное перемешивание с закручиванием жидкого металла и частично очищает его от примесей, которые всплывают вместе с пузырьками газа. Каналы 4, благодаря своим периодическим профилям поперечного сечения формируют пузырьковые потоки, которые предназначены для очистки жидкого металла от примесей и частично для перемешивания металла в ковше.

Если в ковше установить, например, два одинаковых устройства для продувки металла газом на некотором удалении друг от друга, процессы гомогенизации и рафинирования будут происходить более интенсивно, что позволит существенно снизить общее время обработки жидкого металла и соответственно сократить время его нахождения в ковше. При этом следует иметь в виду, что ориентация устройств для продувки жидкого металла в сторону стенок ковша может способствовать размыванию их футеровки.

Что касается расположения устройства (или устройств) для продувки, то они могут быть установлены в любой части футеровки: на дне, на боковых стенках со стороны дна и т.д. в зависимости от технологических особенностей процесса обработки металла. В этом заключаются преимущества данных технических решений по сравнению с аналогичными решениями.

Использование изобретений увеличивает возможности технологии продувки жидкого металла в ковше инертным газом и расширяет номенклатуру простых и надежных устройств для ее осуществления, в результате чего увеличивается производительность обработки и качество выплавляемого металла.

1. Способ продувки жидкого металла в ковше, включающий подвод инертного газа через сквозные каналы в рабочей части продувочного устройства, являющегося составной частью футеровки ковша, и формирование множества струйных и пузырьковых потоков на границе футеровка - жидкий металл, отличающийся тем, что струйные потоки формируют под углом α к нормали рабочей части продувочного устройства, лежащим в пределах от +45° до -45°, а пузырьковые потоки формируют путем деления единичных струйных потоков на элементарные с использованием профилирования их поперечных сечений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что струйные и пузырьковые потоки формируют одновременно, по меньшей мере, в двух, разнесенных друг от друга местах внутреннего объема ковша.

3. Устройство для продувки жидкого металла газом, содержащее керамический блок, являющийся составной частью футеровки ковша, продувочный узел со сквозными каналами для прохода струйных и пузырьковых потоков инертного газа, выходящих со стороны его рабочей части, и устройство подвода инертного газа к продувочному узлу, выполненное в виде металлической емкости с замурованной в керамический блок стенкой и присоединительным патрубком, расположенным со стороны ее основания, при этом сквозные каналы для формирования струйных потоков инертного газа выполнены расположенными под углом α к нормали рабочей части продувочного узла, лежащим в пределах от +45° до -45°, а каналы для формирования пузырьковых потоков инертного газа выполнены с периодическими профилями поперечных сечений.

4. Устройство по п.3, в котором керамический блок выполнен в виде монолитного блока.

5. Устройство по п.3, в котором высота стенки, замурованной в керамический блок металлической емкости, составляет 0,75 высоты устройства, оставшегося после полного износа его рабочей части.

6. Устройство по п.5, в котором стенка, замурованная в керамический блок металлической емкости, выполнена с перфорацией.

7. Устройство по п.5, в котором стенка, замурованная в керамический блок металлической емкости, выполнена профилированной.

8. Устройство по п.3, в котором рабочая часть продувочного узла снабжена металлическим индикатором, выполненным с утолщением на замурованном в рабочую часть конце и расположенным между сквозными каналами для прохода инертного газа, при этом между металлическим индикатором и керамикой продувочного узла выполнен зазор, лежащий в пределах 0,08-0,10 мм.

9. Устройство по п.3, в котором керамический блок со стороны рабочей части продувочного узла снабжен, по меньшей мере, двумя втулками с внутренней резьбой для размещения в них грузовых болтов.