СПОСОБ ВВОДА РЕАГЕНТОВ В РАСПЛАВ, ПЕРЕМЕШИВАНИЯ РАСПЛАВА МЕТАЛЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR INCLUSION OF REAGENTS INTO MELT, METAL MELT MIXING AND FACILITY FOR IMPLEMENTATION OF THIS PROCEDURE

Изобретения относятся к металлургии и могут быть использованы при обработке расплавов, в частности стали и чугуна, в процессах их раскисления, ратинирования, легирования или модифицирования.
Известны способ и устройство для введения реагентов в расплав, когда в пустом разливочном ковше размешают футерованный стержень, на котором находятся контейнеры, содержащие реагенты [1]. При заливке жидкого металла контейнеры расплавляются и реагенты попадают в расплав. Данный способ не обеспечивает равномерного перемешивания и распределения добавок по всему объему. Кроме того, добавки, имеющие меньшую плотность, чем расплав, всплывают.
Известна чушка для раскисления стали алюминием, имеющая стальную оболочку, в которой размещен слой алюминия и два слоя чугуна, причем алюминий расположен в средней части чушки асимметрично между слоями чугуна [2]. Вследствие большой плотности чушка проходит сквозь шлак и погружается в расплав металла. Растворение чушки происходит в глубинных слоях металла, а асимметрично размещенные реагенты обуславливают ее вращение, что ускоряет процесс растворения. Раскисление металла осуществляется сначала углеродом, содержащимся в чугуне, а затем начинается раскисление алюминием. При использовании этого технического решения расход алюминия уменьшается в два раза /вместо 0,16 кг/т расходуется 0,08 кг/т/. Угар алюминия составляет 30%, что также в два раза меньше, чем при использовании кускового алюминия. Однако вследствие непредвиденной траектории движения чушки, обработка расплава осуществляется неравномерно по всему объему. Кроме того, недостаточна интенсивность перемешивания.
Известна технология раскисления и легирования стали и сплавов, реализованная с помощью перемешивателя, включающего диск, выполненный из металла, керамики или другого материала [3]. На диск нанесен методом наплавления, напыления или налива слой легирующего материала или раскислителя. Эта технология состоит в том, что диск перемешивателя опускают в расплав на границу металл-шлак и приводят во вращение в горизонтальной плоскости. При этом ускоряется растворение раскислителя или легирующей добавки и одновременно перемешивается расплав. Недостатками этой технологии и устройства является то, что количество нанесенного раскислителя и других реагентов ограничено площадью поверхности диска и поэтому проблематично дозированное введение добавок, не всегда достаточна адгезия между материалом диска перемешивателя и нанесенным реагентом. Кроме того, вращение рабочего тела перемешивателя на границе металл-шлак не обеспечивает однородности расплава по всему объему, это достигается лишь в верхних его слоях.
Известно устройство для легирования металла в ковше, с помощью которого осуществляют обработку расплава [4]. Обработка включает перемешивание жидкого металла продувкой его инертным газом, введение в расплав легирующих элементов и раскислителей с помощью трубы с огнеупорным покрытием. На нижнем конце трубы концентрически ей закреплен блок реагентов в виде контейнера с отсеками, куда загружены реагенты. Блок реагентов выполнен многоярусным, причем количество ярусов в блоке соответствует количеству видов реагентов, которые вводятся. Сначала легирующие элементы и раскислители погружают в металл на 3-5 с на глубину 50-200 мм от поверхности расплава, поднимают и выдерживают на воздухе в течение 2-3 минут, потом снова периодически погружают их в металл на глубину, увеличивающуюся с каждым погружением на 200-400 мм, до образования монолитного блока из кусков легирующих, который погружают на глубину 100-200 мм от дна ковша при одновременной продувке инертным газом. Недостатком такой технологии является то, что при многократных погружениях и поднятиях значительное количество реагентов усваивается шлаком вследствие прохождения сквозь него блока реагентов. Недостатком являются и значительные затраты инертного газа, а также необходимость установки оборудования для его подведения.
Известны также способ ввода в расплавы металлов легкоплавких и легко окисляемых легирующих компонентов [5] и устройство для реализации этого способа, выполненное в виде капсулы для легирования металлических расплавов [6]. Способ ввода легирующих и раскисливающих реагентов, физико-химические свойства которых отличаются от соответствующих физико-химических свойств расплава, включает послойное размещение расчетного количества этих реагентов в контейнеры в виде металлических капсул, конструкционные элементы которых выполнены из материала на основе одного или нескольких компонентов металлического расплава, погружение загруженных контейнеров в расплав и выдерживание их там до расплавления реагентов. Одновременно происходит перемешивание расплава реактивными газожидкостными струями, вытекающими из отверстий в контейнере в тангенциальных направлениях по отношению к нему. При этом усиливается эффект "разбрызгивания" жидких легирующих элементов. Капсула для реализации этого способа выполнена в форме контейнера, который имеет стенки из металла, являющегося основой расплава, либо из металлов, входящих в состав расплава. Контейнер загружен послойно размешенными реагентами с температурой плавления ниже, чем температура расплава. Стенки контейнера выполнены с осевыми, радиальными и тангенциальными отверстиями диаметром 1-3 мм. Сквозь эти отверстия под напором газов, образующихся в процессе расплавления реагентов, контейнер разбрызгивает их. При прохождении реагентов сквозь тангенциальные отверстия возникают круговые реактивные силы, заставляющие контейнер вращаться, то есть тангенциальные каналы вместе со струями реагентов, которые из них выбрасываются, представляют собой реактивный движитель. Вместе с контейнером начинают вращаться и близкие к нему слои расплава.
Недостатком такой технологии является необходимость применения большого количества капсул, что, однако, не решает проблемы обеспечения однородности распределения реагентов в расплаве из-за неконтролированных и неуправляемых траекторий движения капсул в расплаве. Необходимы точные расчеты и жесткие допуски, касающиеся плотности капсул при их изготовлении, чтобы они, вращаясь самопроизвольно, зависали на средней глубине расплава. При этом согласование необходимой плотности капсулы и требуемого состава реагентов - сложная техническая задача.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретениям, которые заявляются, является способ ввода реагентов в расплав и перемешивания расплава металла, осуществляемый с помощью устройства, включающего рабочее тело, снабженное реактивным движителем и представляющее собой струйно-вихревой смеситель [7]. Данный способ включает послойное размещение дозированного количества реагентов в контейнере рабочего тела, конструкционные элементы которого выполнены из материала на основе одного или нескольких компонентов металлического расплава, принудительное погружение загруженного контейнера в расплав с помощью вертикальной опоры и выдерживание его там до расплавления реагентов с одновременным перемешиванием расплава струйными и вихревыми течениями, создаваемыми возвратно-поступательным движением смесителя в вертикальном направлении, и реактивными газожидкостными струями, вытекающими из контейнера в тангенциальных относительно него направлениях под действием импульсов кинетической энергии за счет последовательного расплавления и испарения групп слоев реагентов. В качестве источника кинетической энергии для формирования реактивных струй используют магний.
Устройство для осуществления этого способа содержит рабочее тело, снабженное воздействующим на обрабатываемый расплав реактивным движителем, и является струйно-вихревым смесителем, формирующим ограниченные направляющими элементами каналы для истечения реагентов в виде импульсных газожидкостных реактивных струй. Рабочее тело выполнено в форме контейнера из металла, являющегося основой расплава, или из металлов, входящих в его состав, заполненного послойно размещенными реагентами в виде коаксиально расположенных групп кольцевых элементов, каждый из которых выполнен из определенного реагента. Все реагенты имеют температуру плавления ниже, чем температура расплава, а один из реагентов, например магний, служащий источником кинетической энергии для формирования реактивных струй, имеет температуру испарения меньшую, чем температура расплава. Рабочее тело концентрично расположено и жестко закреплено на вертикальной опоре, имеющей возможность возвратно-поступательного движения в вертикальном направлении. Устройство имеет тепловой экран в виде торцевых дисков переменной толщины, ступенчато уменьшающейся с наружной стороны от центра к периферии. Каждой группе реагентов соответствует определенная толщина теплового экрана, обеспечивающая требуемую скорость подведения тепла из расплава к реагентам с целью последовательного их расплавления. Толщина экрана выбирается из условий расплавления его последней ступени одновременно с последним центральным слоем реагентов.
Недостатком данной технологии и устройства является недостаточная эффективность перемешивания реагентов в расплаве из-за уменьшения площади контактирования рабочего тела с расплавом в процессе его растворения ослаблением действия реактивных сил, что ухудшает химическую однородность расплава.
Задачей, на решение которой направлены изобретения, является разработка эффективной и экономичной технологии введения добавок в расплав металлов с повышением их качества.
Заявленный способ введения реагентов в расплав, его перемешивание и устройство, созданные для решения поставленной задачи, позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении качества расплава за счет более равномерного распределения в его объеме вводимых добавок и лучшего их усвоения вследствие более эффективного перемешивания расплава с реагентами новой конструкцией рабочего тела предложенного устройства.
Сущность предложенного способа состоит в вводе реагентов в расплав металла и его перемешивание, включающее послойное заполнение контейнера рабочего тела, являющегося струйно-вихревым смесителем, дозированным количеством реагентов в виде коаксиально расположенных групп кольцевых элементов, выполненных из материала на основе одного или нескольких компонентов металлического расплава, принудительное погружение рабочего тела с заполненным реагентами контейнером в расплав металла при помощи вертикальной опоры, выдерживание его там до расплавления реагентов и рабочего тела с одновременным перемешиванием расплава струйным и вихревым течениями, образованными возвратно-поступательным движением в вертикальном направлении рабочего тела и вытекающими из него газожидкостными реактивными струями, образованными импульсами кинетической энергии, при этом группы кольцевых элементов в виде реагентов располагают в контейнере горизонтальными слоями и расплавляют реагенты последовательно, начиная с внешних верхнего и нижнего и заканчивая средним горизонтальным слоем и расплавлением рабочего тела, а газожидкостные реактивные струи образуют импульсами кинетической энергии над и под контейнером рабочего тела.
Поставленный технический результат реализуется также тем, что в заявленном способе в качестве источника кинетической энергии используют магний, за счет последовательного расплавления и испарения которого образуют газожидкостные реактивные струи.
Указанный технический результат достигается также заявленным устройством. Сущность его состоит в том, что устройство для ввода реагентов в расплав металла и его перемешивания, содержащее рабочее тело, являющееся струйно-вихревым смесителем, имеющее контейнер, выполненный в виде горизонтальных стенок в обечайке из металла, являющегося основой расплава, или из металлов, входящих в его состав, заполненного послойно реагентами, в виде коаксиально расположенных групп кольцевых элементов, с температурой плавления ниже, чем температура расплава металла, причем рабочее тело снабжено реактивным движителем для образования газожидкостных реактивных струй, концентрично и жестко закрепленного на вертикальной опоре с возможностью возвратно-поступательного движения в вертикальном направлении и имеет тепловой экран для слоев реагентов, толщина которого выполнена ступенчато уменьшающейся от среднего до внешних слоев реагентов с обеспечением требуемой скорости подведения тепла из расплава металла к внешним и среднему слоям реагентов и выбрана из условия расплавления последней ступени теплового экрана одновременно с последним средним слоем реагентов, при этом группы кольцевых элементов в виде реагентов расположены в контейнере рабочего тела горизонтальными слоями в отсеках, которые образованны перегородками из компонентов расплава, разделяющими слои реагентов, а обечайка контейнера рабочего тела выполнена с уступами, обращенными внутрь контейнера, и служит в качестве теплового экрана слоев реагентов, при этом реактивный движитель выполнен в виде соосно расположенных над и под контейнером двух реакторов, каждый из которых содержит источник кинетической энергии, направляющие элементы для формирования газожидкостных реактивных струй и охватывающий их ступенчатый тепловой экран, количество ступеней которого соответствует количеству горизонтальных слоев реагентов, а толщина их выбрана из условия одновременного растворения с вышеупомянутыми слоями.
Поставленный технический результат достигается также тем, что в заявленном устройстве в качестве источника кинетической энергии использован реагент, имеющий температуру испарения меньшую, чем температура расплава, например, магний.
Также поставленный технический результат достигается тем, что в заявленном устройстве тепловой экран слоев реагентов выполнен составным в виде колец разной толщины, количество которых равно числу слоев реагентов.
Поставленный технический результат достигается также и тем, что заявленное устройство снабжено алюминиевыми пластинами, расположенными между контейнером и реакторами.
Поставленный технический результат достигается также и тем, что в заявленном устройстве реакторы снабжены защитными кожухами.
Введение реагентов в расплав металла и его перемешивание предложенным способом можно осуществлять только с помощью заявленного устройства, то есть изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом. Решений, которые характеризуются совокупностью признаков заявленных изобретений, в доступных заявителю источниках информации не обнаружено и сравнительный анализ предложенных способа и устройства с ближайшими аналогами из уровня техники позволяет сделать вывод о том, что они отличаются от известных наличием новых существенных признаков.
При изучении других технических решений в данной отрасли металлургии не выявлено влияния совокупности отличительных признаков заявляемых изобретений на лучшее усвоение реагентов и обусловленное этим уменьшение затрат, а также на повышение качества расплава из-за более эффективного перемешивания его с добавками.
На приведенных чертежах изображена конструкция заявленного устройства: на фиг.1 представлен его общий вид в начале процесса обработки расплава с осевым разрезом вертикальной плоскостью; на фиг.2 показано рабочее тело устройства, закрепленное на вертикальной опоре /вид сбоку с частичным сечением его вертикальной осевой плоскостью/; на фиг.3 и 4 показаны сечения рабочего тела горизонтальными плоскостями по осям А-А и Б-Б.
Устройство для ввода реагентов в расплав металла и его перемешивания /фиг.1/ включает в себя рабочее тело, концентрично размещенное и жестко закрепленное на нижнем конце вертикальной опоры, которой служит стальной стержень 1 с надетыми на него футеровочными термостойкими втулками 2. Опора установлена с возможностью возвратно-поступательного движения в вертикальном направлении. Рабочее тело выполняет функцию струйно-вихревого смесителя, используемого, например, в устройстве для обработки расплава стали, и содержит стальной цилиндрический контейнер, горизонтальные стенки 3 которого соединены составной обечайкой, имеющей форму колец 4 разной толщины, являющихся тепловым экраном для слоев реагентов. Контейнер заполнен коаксиально расположенными кольцевыми элементами 5 из различных реагентов, размещенными горизонтальными слоями в кольцеобразных отсеках, образованных перегородками 6, являющимися стенками отсеков. Среднее кольцо обечайки расплавляется последним, поэтому оно имеет наибольшую толщину. Реактивный движитель, формирующий газожидкостные реактивные струи, выполнен в виде находящихся вне контейнера двух реакторов, соосно расположенных между собой и контейнером. Один из реакторов размещен над контейнером, а другой - под ним. Каждый реактор включает в себя слой магния 7, служащий источником кинетической энергии, и направляющие элементы 8 /фиг.3/ для формирования спиральных реактивных струй, а также охватывающий их ступенчатый тепловой экран 9. Толщина ступеней экрана выбирается из условия одновременного их растворения с соответствующими слоями реагентов. Направляющие элементы 8 выполнены в виде вертикальных пластин, проходящих сквозь слой магния 7 от центральной его части до периферии. Для получения эффекта завихрения направляющие составляют с радиальным направлением острый угол. Для корректировки дозы раскислителей служат алюминиевые пластины 10, расположенные между контейнером и реакторами. Рабочее тело может быть закреплено на опоре 1 посредством резьбового соединения, например с помощью гаек 11. Чтобы предохранить гайки и реактивный движитель от преждевременного расплавления и залипания шлаком, они снабжены защитными кожухами 12 и 13 соответственно.
Устройство работает следующим образом. После выпуска расплава из сталеплавильного агрегата в разливочный ковш 14 рабочее тело устройства /фиг.1-4/, предназначенное для обработки стали и содержащее дозированное количество реагентов в форме послойно расположенных групп коаксиальных кольцевых элементов 5, погружают в расплав 15 и осуществляют возвратно-поступательные движения струйно-вихревого смесителя в вертикальном направлении. Сначала расплавляются корректирующие алюминиевые пластины 10 и защитные кожухи 13 реакторов. Открывается доступ расплава к крайним верхнему и нижнему горизонтальным слоям и одновременно начинает плавиться, кипеть и испаряться периферийная часть слоя магния 7, охваченная наитоньшей ступенью теплового экрана 9. Газообразный магний, проходя по каналам, образуемым направляющими элементами 8 и тепловым экраном 9, выходит в расплав в виде реактивных струй, формирующих спирально завихренные течения. Под их воздействием близлежащие слои расплава начинают вращаться вокруг устройства. Тем временем плавятся реагенты крайних горизонтальных слоев вместе с охватывавшими их участками обечайки 4. Процесс ступенчато повторяется, и реагенты вытекают из рабочего тела в виде импульсных вихревых струй, действующих на обрабатываемый расплав как струи реактивного движителя. Поскольку в процессе обработки расплава рабочее тело осуществляет возвратно-поступательные движения, то в массе расплава формируются тороидальные турбулентные вихри, содействующие интенсификации перемешивания металла. Процесс ввода реагентов в расплав и его перемешивания продолжается до расплавления последнего среднего слоя реагентов и последней центральной части слоя магния 7 вместе с их участками тепловых экранов 4 и 9 соответственно. После этого опору удаляют из ковша.
Предложенная технология по сравнению с прототипами позволяет повысить качество расплава за счет улучшения его гомогенизации эффективным перемешиванием расплава по всему объему ковша с помощью реактивного движителя новой конструкции и дозированного растворения реагентов. Кроме того, повышается экономическая эффективность путем уменьшения затрат реагентов и огнеупоров.
Предложенная технология обработки расплава стали предусматривает предварительное введение в расплав алюминия, который окисляется, извлекая кислород из расплава. Подача вслед за алюминием магния обуславливает образование его окислов за счет связанного кислорода окислов алюминия и, таким образом, восстановление алюминия, который повторно окисляется кислородом расплава. Усвоение алюминия составляет более чем 50%, тогда как при стандартной технологии введения алюминия в ковш с расплавом стали, его усвоение сталью составляет в среднем 20%. Это обусловлено высокой химической активностью алюминия и его малой плотностью. При подаче чушек в ковш они всплывают и окисляются при контакте со шлаком и атмосферой.
Способ ввода реагентов в расплав металла с помощью струйно-вихревого смесителя реализуется в следующей последовательности:
- изготавливают струйно-вихревой смеситель, который представляет собой контейнер - рабочее тело в виде цилиндрического корпуса - обечайки из стали ЗСП или любой углеродистой стали, например, У8, У10, У12, в зависимости от требуемого времени расплавления, которое экспериментально определено и составляет 1,5-15 мин. Внутренняя полость контейнера имеет ребра жесткости, обращенные к его центральной оси и образующие полые внутренние сектора. Корпус-обечайка может быть выполнен из двух разъемных половин, которые после загрузки наполнителя плотно стыкуются друг с другом или укрепляются любым известным способом;
2
- в контейнере - рабочем теле располагают наполнитель в указанных внутренних секторах (образованных ребрами жесткости), при этом сначала во внутренние (ближние к центральной оси контейнера) сектора, как наполнитель, загружают десульфуратор и модификатор, располагая их, например, попеременно в указанные сектора, затем закрывают наполненные сектора стальными экранами и в наружные, относительно центральной оси контейнера, сектора загружают, например, также попеременно раскисляющие и легирующие добавки. Наполнитель используют в виде сыпучих дисперсных материалов. Как уже было изложено ранее, в качестве десульфуратора используют твердые шлакообразующие смеси ТШС - CaF+СаО в соотношении 1:(3-4), как модификатор - силикокальций СК10 - СК30, в качестве раскисляющих добавок, которые загружают во внешние сектора, например, попеременно с легирующими добавками, ферромарганец, ферросилиций, алюминий, легирующей добавкой, как наполнитель, служат загружаемый ферротитан, алюминий, феррованадий, ферромолибден, ферровольфрам, феррониобий. Все ребра жесткости выполнены с внутренним пространством, в которое загружают активный элемент - магний и силикокальций из расчета 0,08 кг/т расплава металла и 0,5-2,5 кг/т расплава металла. После их загрузки загруженные пространства ребер жесткости закрывают крышками, и половины корпуса-обечайки скрепляют между собой;
- готовый и снаряженный наполнителем контейнер - рабочее тело, представляющий собой струйно-вихревой смеситель, крепится снизу к стальной вертикальной опоре, которая вокруг своей оси футерована набираемыми в виде катушек и плотно одеваемыми на нее огнеупорными цилиндрами;
- струйно-вихревой смеситель, укрепленный на вертикальной стальной опоре, с помощью подъемно-транспортного устройства вводят в расплавленный металл, например, ковша для введения реагентов наполнителя в него;
- возвратно-поступательное перемещение в вертикальном направлении и перемещение от выброса газожидкостных реактивных струй (паров магния) струйно-вихревого смесителя может производиться, например, как с началом его погружения в расплав металла, так и по достижению им заданной глубины расплава до полного расплавления в обрабатываемом расплаве металла с последующим возвратом вертикальной стальной опоры в начальное положение перед опусканием.
Экспериментально установленные оптимальные параметры конструкции и эксплуатации струйно-вихревого смесителя:
- время перемешивания расплава металла в процессе работы струйно-вихревого смесителя 1,0-13 мин, в зависимости от массы загружаемого наполнителя и объема обрабатываемого металла;
2
2
- величина импульса кинетической энергии от выброса газожидкостных струй паров магния 0,5-1,0 кгм/сек;
- толщина горизонтальных слоев реагентов 0,5-1,5 м каждого, в зависимости от высоты расплава металла в, например, ковше;
- количество ступеней тепловых экранов (см. Фиг.1) - 4, если считать в горизонтальной плоскости от внешнего корпуса-обечайки к центральной оси, 9, если считать их снизу вверх;
- время расплавления горизонтальных слоев реагентов 1,5-15 мин;
- угол, под которым расположены направляющие элементы реактора струйно-вихревого смесителя, 10-45°.
Использование этой технологии дает возможность получить существенную экономию ферросплавов.
Достигнутая благодаря заявляемым способу и устройству оптимизация процессов раскисления, легирования, модифицирования и рафинирования расплавов сокращает время на усреднение массы металла в ковше по температуре и химическому составу, а это, в свою очередь, содействует ускорению процессов дальнейшей обработки металла в машинах непрерывной разливки стали. В результате возрастает пропускная способность кристаллизатора (новая технология обеспечивает проведение 9 плавок вместо 5 стандартным способом до разрушения футеровки кристаллизатора). При этом экономится значительное количество огнеупорных материалов. Новая технология позволяет также осуществлять десульфурацию металла в приемлимых пределах без дополнительных затрат.
Значительным преимуществом предложенной технологии ввода реагентов является улучшение экологии окружающей среды за счет уменьшения угара реагентов, в частности ферросплавов, и связанных с этим выбросов вредных газов в атмосферу.
Промышленная применяемость этого технического решения подтверждена изготовлением опытного образца устройства, который прошел испытания на базе профильного научно-исследовательского института.
Такая технология не требует сложного оборудования, а заявленное устройство может быть изготовлено и использовано в любом сталеплавильном цеху.
Источники информации
1. US, 3784177, A, C21C 7/04, 1974,
2. RU, 2152440, C2, C21C 7/06, 2000,
3. SU, 529227, A, C21C 7/00, 1976,
4. RU, 2082765, C2, C21C 7/06, 1997,
5. RU, 2148658, C2, C21C 7/00, 2000,
6. RU, 2148657, C2, C21C 7/00, 2000,
7. UA, 53484, A, C21C 7/00, 7/04, 7/06, C22B 9/00, 9/10, 2003.