ПРОДУВОЧНЫЙ БЛОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОДУВКИ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА ГАЗОМ В КОВШЕ (ВАРИАНТЫ)

Группа полезных моделей относится к черной металлургии, в частности к устройствам для обработки в ковше жидкого металла газом.
Ковшовая доводка жидкого металла до необходимой кондиции различными способами прочно заняла свое место в технологической цепочке по производству качественных сталей. На удаление неметаллических включений при продувке стали инертным газом решающую роль оказывает гидродинамика системы «металл - шлак».
В технически развитых странах, начиная с 1949 года, проводятся работы по исследованию влияния гидродинамических условий прохождения газового потока на технологические и качественные показатели. При исследовании процессов, протекающих при прохождении газовых потоков через жидкость, и анализе полученных результатов установлена закономерность: степень использования продуваемого газа в основном зависит от величины поверхности и времени контакта газа с жидкостью. Установлено, что в идеале газовый поток должен состоять из мелких невзаимодействующих друг с другом пузырьков. Опыты показали, что в случае равномерного распределения газа по всему объему расплава в виде пузырьков радиусом до 1,0 см, при обычно применяемых его расходах, возможна более чем двукратная флотационная очистка стали от включений всех фракций.
Преимущество технологии продувки расплава в мелко пузырьковом режиме настолько очевидно, что, начиная с конца 60-х годов XX века предпринимались неоднократные попытки ее конструктивного воплощения.
Результаты исследований позволяют сделать однозначный вывод: на эффективность продувки металла газами влияет не только общий объем затраченного газа, но и способ его ввода. Так для эффективного удаления неметаллических включений, продувку жидкого металла, необходимо производить рассредоточено.
Исходя из этих положений, были предложены различные конструктивные решения ввода газа в жидкий металл с целью его внепечной обработки. При всем многообразии конструктивных внешних отличий этих устройств, все они решали одни и те же задачи: увеличение площади контакта газ-жидкость, повышение безопасности и надежности процесса.
Наиболее ранние способы заключались во вводе газа через ложный стопор, установленный в ковш, или специальный стенд с погружной футерованной фурмой, (например, Авт.св.. СССР №632734 за 1978 г., Авт.Св. СССР №648120 за 1979 г.).
В этих устройствах подача газа осуществляется по центральной металлической трубе, защищенной огнеупорными трубками (катушками), а в металл вдувается через концевой пористый блок или сопло.
Все устройства такого типа (погружные фурмы с соплами) обладают одним основным недостатком - крайне низкой эффективностью из-за ограниченного объема обрабатываемого расплава и подвода газа не в нижний объем ковша, а на расстоянии 0,5-1,0 м от днища, что и приводит к тому, что расплав обрабатывается только в околофурменном объеме.
С целью повышения эффективности работы подобных продувочных устройств, предложены конструкции, работающие на принципе эрлифтного насоса (напр., Авт.св. СССР №401725, 1971 г., Авт.св. СССР №523941, 1976 г.)
Эрлифтные насосы надежно работают в холодных средах, а при работе с расплавленным металлом, конструктивная прочность таких устройств оказывается крайне низкой из-за тепловых ударов, происходящих при их погружении и извлечении из жидкого металла. Циркуляция в ограниченном пространстве приводит к ускоренному размыванию огнеупора (износу рабочих поверхностей) после каждой продувки и загрязнению жидкого металла неметаллическими включениями. Кроме того, при интенсивном бурлении металла со шлаком, оголение зеркала металла приводит к развитию процесса вторичного окисления и потере температуры расплава.
Более технологичным, с точки зрения гидродинамики и удобства обслуживания, является установка продувочных устройств в донной части ковша. При этом газовый поток, поднимаясь с поверхности днища, взаимодействует с придонными объемами жидкого металла. Именно это обстоятельство привело к широкому распространению продувочных устройств такого типа.
Наиболее простым, на первый взгляд, является установка трубчатых вставок в шиберный стакан (например, Авт.св. СССР №1232371 за 1986 г. или Авт.св. СССР №1373469 за 1988 г.). В нашей стране продувка через шиберный затвор началась внедряться в 1983 г. Практика использования такой конструкции показала довольно низкую эффективность и ненадежность. Имеют место случаи прорыва металла, что приводит к аварийным ситуациям при разливке. Расход газа, обеспечиваемый конструкцией такого устройства, явно недостаточен для заметного рафинирования стали и по сути дела не оправдывает себя. Увеличение расхода газа приводит к образованию факельного режима, сильно развитого буруна на зеркале металла и выплескам из ковша жидкого шлака и стали.
Заслуживает внимания также применение продувки жидкого металла через газопроницаемые швы футеровки днища ковша, при которой газовый поток имеет вид отдельных шлейфов, состоящих из пузырьков диаметром 0,5-1,0 см (например, Авт.св. СССР №452428 за 1973 г.)
Однако при этом газ проходит между кладкой и кожухом благодаря заметной газопроницаемости раствора, на котором ведется кладка кирпичей. Все это усугубляется высоким ферростатическим давлением, которое
препятствует выходу газа по вертикальным швам рабочего слоя. Так, при высоте налива металла около 3-х метров, ферростатическое давление составляет 4,0 атм. Учитывая необходимые 1,5-2,0 атм. на преодоление сопротивления движению газа по порам швов, окончательное давление, которое подается под футеровку днища, равно 6,0 атмосфер. При таком давлении неизбежны неконтролируемые потери газа. Таким образом, при очевидной простоте такого ввода газа, внедрение его столкнулось со значительными трудностями.
Более сложный вариант предложен в Авт.св. СССР №590081 за 1978 г., где на арматурный слой уложены пористые блоки, а рабочий слой выполнен с пористыми швами. Но в этом устройстве, к сожалению, не указана конструкция подвода газа к каждому из блоков.
Наиболее удачным способом подвода газа к пористым швам футеровки днища ковша предложен в Авт.св. СССР №578160 за 1977 г. Данная конструкция представляет собой сталеразливочный ковш, на металлическое днище которого уложен слой гранулированного материала, например щебень доломита, шамотный бой и т.д. Этот слой выполняет две функции: первая - теплоизоляция и выравнивание, вторая - распределение газа под кладкой. Газ подается по штуцеру непосредственно в гранулированный слой. Газопроницаемость гранулята значительно выше, чем пористой массы, из которой производится футеровка днища, следовательно, давление газа под кладкой распределено равномерно. Кроме того, отсутствие полости под футеровкой днища позволяет не только снизить тепловые потери, но и повысить эксплуатационную надежность работы ковша. Но гранулированный слой, толщиной 60-100 мм, имеет тенденцию смещаться при кантовании ковша, что ухудшает его эксплуатационные качества.
Более перспективными и эффективными являются пористые пробки и блоки установленные в днище ковша, применение которых описано, например, в брошюре «Шлейфовая продувка расплава в мелкопузырьковом режиме», автор Живченко B.C., изд. «Дон ГАСА», Донецк, 2004 г., 38 с.
Одним из преимуществ таких устройств является то, что продувку можно производить уже после начала наполнения ковша, то есть нет необходимости производить продувку пустого ковша, следующим преимуществом является более высокая эксплуатационная надежность и безопасность пористых пробок и блоков, так как они являются составной частью футеровки днища, следовательно, отсутствуют сквозные каналы. Кроме того, газ вводится в расплав в пузырьковом режиме, работа шиберного затвора не нарушается.
Применение пористых пробок и блоков нашло довольно широкое применение. Изготавливают их из высокоглиноземистых или магнезитовых порошков определенной фракции методом прессования и обжига при температурах (1600-1700)°С. При этом поверхность зерен оплавляется и сваривается. Вставки имеют форму усеченного конуса с уклоном образующей до 15°. Вставляют их в кассеты, зазор забивают огнеупорной глиной. Для монтажа
кассеты в днище вырезается отверстие образующие люк. Кассета приваривается по периметру люка, а люк, после установки пробки, закрывается крышкой. Подобные устройства широко применялись в 70...80 г.г. на металлургических предприятиях СССР. Преимуществом таких установок является возможность быстрой смены пористых вставок. Фирмой DIDIER (рекламный продукт DIDIER information 1997) предлагается аналогичное устройство удобное в эксплуатации, но более сложное в обслуживании и ремонте.
Преимуществом таких установок является возможность быстрой смены пористых вставок. Крупным недостатком такой конструкции является необходимость нарушения целостности брони днища ковша.
Для устранения указанного недостатка были предложены устройства для продувки, состоящие из пористых пробок, заключенных в кассеты с приваренным патрубком. Один из вариантов такой конструкции описан в изобретении «Устройство для продувки расплавленного металла в ковше» по Авт.св. СССР №648343, опубликованному 25.09.1979 г., В 22 D 41/00, который выбран в качестве прототипа заявляемого устройства. Аналогичная конструкция устройства для продувки металла газом приведена в рекламном продукте немецкой фирмы DIDIER (изображение приведено на фиг.8).
Такие пробки устанавливают автономно без нарушения целостности брони. При повторной установке такой пробки необходимо охлаждение ковша для извлечения изношенной пробки и повторная набивка газонепроницаемой глиной вокруг пробки.
Пропускная способность такого устройства с газопроницаемой пробкой по сравнению с трубкой значительно выше, однако, расход газа ограничен поведением зеркала металла, т.к. появление буруна приводит к разрыву шлакового покрытия со всеми вытекающими отрицательными последствиями в виде развития процессов вторичного окисления и прекращения удаления неметаллических включений, захвата шлака и переноса его в объем расплава.
С целью разрыхления газового потока немецкая фирма DIDIER предложила серию продувочных пробок, описанных в указанной выше брошюре Живченко B.C. «Шлейфовая продувка расплава в мелкопузырьковом режиме», изд. «Дон ГАСА», Донецк, 2004 г., стр.23.
Конструкция таких пробок выбрана в качестве прототипа заявляемого продувочного блока. Они представляют собой продувочные пробки с плотным огнеупором и газопроводящими каналами щелевой или капиллярной формы, расположенные с некоторыми промежутками между собой (с шагом).
Эти промежутки обеспечивают автономность газовых потоков. Однако, пропускная способность таких пробок, по сведению фирмы, не более 1 м.куб/мин. Кроме того, в конце разливки переохлажденный металл замораживается на поверхности днища, в том числе и на рабочих поверхностях пористых пробок с образованием настылей, снижающих их газопроницаемость. При очистке рабочей поверхности продувочных устройств, происходит их сильное разрушение. Часто стойкость одной пробки равна одной плавке.
Задачей заявляемой группы полезных моделей - устройства для продувки металла газом и используемого в нем продувочного блока, является повышение их эффективности и надежности.
Задача решается за счет конструктивных параметров продувочного блока, а также размеров и расположения внутри блока газопроводящих каналов капиллярной формы.
Заявляемый продувочный блок, выполненный из плотного огнеупора с газопроводящими каналами капиллярной формы, имеет в основе форму прямоугольного параллелепипеда, у которого верхняя часть по крайней мере одной боковой поверхности выполнена с наклоном в 20°-40° от вертикали к его центру, а верхняя скошенная часть блока составляет 50±10% общей его высоты. При этом на нижней поверхности основания блока расположена сеть из пересекающихся рядов борозд, параллельных сторонам основания, с шагом этой сети 35-45 мм и шириной каждой борозды 5-10 мм. Причем газопроводящие каналы выполнены в виде вертикальных капиллярных отверстий диаметром 0,10-0,25 мм во всю высоту блока, которые расположены с шагом 1,0-2,0 мм по крайней мере в один ряд над некоторыми из борозд основания блока.
В зависимости от размера сталеразливочного ковша и конкретных задач продувки металла газом (перемешивание, рафинирование, и т.д.) продувочные блоки могут объединяться в рабочие секции. В этом случае прямоугольная нижняя половина продувочного блока дает максимальное примыкание блоков при их объединении в рабочую секцию.
При этом внутри секции продувочные блоки примыкают друг к другу разным количеством сторон:
- одной стороной (блоки в секции из двух блоков, а также крайние блоки в секции, где блоки расположены в один ряд из более чем двух блоков);
- двумя сторонами (средние блоки в секции, где блоки расположены в один ряд, состоящий более чем из двух блоков; крайние блоки в секции, где блоки расположены в два ряда, состоящих более чем из двух блоков в ряд, а также крайние угловые блоки в секции, где блоки расположены более чем в два ряда, каждый из которых состоит более чем из двух блоков);
- тремя сторонами (средние блоки в секции, где блоки расположены в два ряда, каждый из которых состоит более чем из двух блоков, а также не угловые крайние блоки в секции, где блоки расположены более чем в два ряда, каждый из которых состоит более чем из двух блоков);
- четырьмя сторонами (внутренние блоки в секции, где блоки расположены более чем в два ряда, каждый из которых состоит более чем из двух блоков).
Скошенная боковая поверхность или поверхности (одна, две, три или все четыре) верхней части продувочного блока выполняет роль замка, т.к. благодаря ее наличию при объединении нескольких блоков в секцию, после ее установке в ковш и заливки огнеупорным материалом, тот заполняет именно пространство, образовавшееся между скосами боковых поверхностей блоков, что обеспечивает монолитность секции в целом.
При этом экспериментально было установлено, что оптимальным вариантом является, когда высота верхней скошенной части блока составляет 50% общей его высоты, с допустимым отклонением от указанного на ±10%. Также экспериментально было установлено, что оптимальный угол наклона лежит в интервале 20°-40° от вертикали. Указанные параметры обеспечивают с одной стороны монолитность секции, а с другой - достаточную прочность и надежность работы блоков.
Выполнение газопроводящих каналов в виде вертикальных капиллярных отверстий диаметром 0,10-0,25 мм во всю высоту блока позволяет, с одной стороны, обеспечить мелко пузырьковый режим при продувке металла газом, а с другой стороны, не позволяет проникать металлу внутрь капиллярных отверстий газопроводящих каналов, т.е. - препятствует их заметалливанию.
Выполнение вертикальных капиллярных отверстий газопроводящих каналов по крайней мере в один ряд с шагом 1,0-2,0 мм позволяет обеспечить режим продувки металла газом, при котором потоки его пузырей не сливаются между собой, т.е. автономны.
Наличие на нижней поверхности блока сети из пересекающихся рядов борозд, параллельных сторонам основания, над некоторыми из которых и вдоль них расположены вертикальные газопроводящие капиллярные каналы, помогает быстрому подводу ко всем газопроводящим каналам газа, подаваемому для продувки металла, равномерно распределяющемуся с помощью этих борозд по всему основанию блока.
Кроме того, борозды используются как проемы для фиксации строп при монтаже продувочных блоков в ковше с помощью кран-балки или тельфера.
При этом экспериментально установлено, что оптимальный шаг сети борозд основания блока составляет 35-45 мм, а ширина каждой борозды 5-10 мм. При меньшем шаге происходит нежелательное ослабление блока, ухудшение его прочности, а при большем шаге - понижение газопропускной способности блока и снижение эффективности продувки металла.
Таким образом, конструкция заявляемого блока позволяет осуществлять продувку жидкого металла газом с высокой эффективностью, т.е. с большой пропускной способностью при обеспечении разрыхленного потока вводимого газа, т.е. при эффективном мелко пузырьковом режиме.
В частном случае выполнения продувочного блока вертикальные капиллярные отверстия над некоторыми из борозд основания блока расположены рядами на расстоянии между ними не менее 1,0 мм.
Расположение вертикальных газопроводящих капиллярных каналов над некоторыми из борозд в несколько рядов увеличивает газопропускную способность блока, а соблюдение указанного расстояния позволяет сохранить режим, при котором линейные области из мелких пузырьков остаются автономными, а не сливаются между собой в факел.
В частном случае выполнения продувочного блока вертикальные капиллярные отверстия расположены над каждой бороздой вдоль большей стороны основания блока.
При таком расположении вертикальных газопроводящих капиллярных каналов конструкция продувочного блока является технологичной и позволяет обеспечить эффективный мелкопузырьковый режим при продувке металла.
В частном случае выполнения продувочного блока сеть пересекающихся рядов борозд выполнена с отступом на один ее шаг от краев основания, расположенных не под частично скошенными боковыми поверхностями блока.
Экспериментально было установлено, что выполнение сети борозд с отступом от краев основания увеличивает прочность основания продувочного блока, предохраняя его от сколов при монтаже в ковше. Но при объединении блоков в секцию борозды у краев, которыми блок примыкает к другим блокам (поверхностями со скосами), должны соединяться между собой и образовывать единые каналы для подвода газа ко всем блокам секции, поэтому отступы могут быть только от краев основания, расположенных не под скошенными боковыми поверхностями блока.
В частном случае выполнения продувочного блока вертикальные капиллярные отверстия над каждой бороздой вдоль большей стороны основания блока расположены в два ряда на расстоянии друг от друга не менее 1,0 мм и выполнены выходящими только на его верхнюю горизонтальную площадку.
При таком расположении вертикальных газопроводящих капиллярных каналов в два ряда конструкция продувочного блока является самой технологичной и обеспечивает высокую пропускную способность газа при мелко пузырьковом режиме продувки металла. Кроме того, вертикальные капиллярные отверстия выходят только на горизонтальную верхнюю поверхность блока и не выходят на скошенные боковые поверхности, которые в рабочем состоянии заливаются газонепроницаемым бетоном и не работают.
В частном случае выполнения продувочного блока борозды в основании блока выполнены со скругленным профилем свода.
Такое выполнение борозд является оптимальным, т.к. максимально обеспечивает их целостность при монтаже продувочных блоков, а также
предохраняет от появления сколов в рабочем режиме под воздействием высоких температур в ковше.
Поставленная задача повышения эффективности и надежности устройства для продувки жидкого металла газом в ковше, решается за счет того, что оно содержит встроенный в рабочий слой футеровки днища ковша газопроницаемый модуль, установленный в металлическую кассету, соединенную с патрубком для подвода газа.
При этом газопроницаемый модуль состоит по крайней мере из одной секции, в которой объединены несколько или содержится один из продувочных блоков, описанных выше. Металлическая кассета выполнена в виде металлического поддона с максимальной высотой вертикальных бортиков 50 мм для каждой секции из продувочных блоков.
При этом в одном из вариантов выполнения устройства каждая секция из продувочных блоков имеет свой патрубок для подвода газа с подсоединенным к нему с внешней стороны ковша ресивером с обратным клапаном, а в другом варианте - все секции из продувочных блоков с помощью труб, расположенных внутри арматурного слоя футеровки днища ковша, соединены с одним патрубком для подвода газа, который с внешней стороны ковша соединен с ресивером с обратным клапаном.
В заявляемом устройстве используются описанные выше продувочные блоки из плотного огнеупора в форме прямоугольного параллелепипеда, у которых верхняя часть по крайней мере одной боковой поверхности с половины высоты блока выполнена скошенной, а во всю высоту блока выполнены газопроводящие вертикальные капиллярные каналы, расположенные с определенным шагом рядами на некотором расстоянии друг от друга над некоторыми из борозд основания блока.
В зависимости от размера сталеразливочного ковша и конкретных задач продувки металла газом (для обеспечения режима перемешивания, рафинирования, и т.д.) продувочные блоки объединяются в секции. При этом внутри секции, в зависимости от ее размера и местоположения блоков, они примыкают друг к другу разным количеством сторон: одной, двумя, тремя или всеми четырьмя. При заливке секции из продувочных блоков, огнеупорный материал заполняет пространство между скосами боковых поверхностей блоков, что обеспечивает монолитность секции в целом.
Продувочные блоки, объединенные в секции, устанавливаются на кассету, выполненную в виде металлического поддона с вертикально отогнутыми невысокими бортиками. При этом экспериментально установлено, что максимальная высота вертикальных бортиков составляет 50 мм, иначе из-за высоких температур в верхней части рабочего слоя футеровки ковша металлические бортики выгорают сверху и в образовавшиеся отверстия затекает расплавленный металл, разрушая футеровку.
В заявляемом устройстве патрубок для подвода газа с внешней стороны ковша подсоединен к ресиверу с обратным клапаном. В начале подачи газа, под воздействием его давления, клапан ресивера открывается и газ через патрубок поступает к секциям из продувочных блоков. После прекращения подачи газа в ресивере остается остаточный газ, который удерживается закрывшимся обратным клапаном, тем самым создавая газовую пробку в капиллярах газопроводящих вертикальных каналах продувочных блоков и защищая их от всасывания металла внутрь каналов. Таким образом, указанное исполнение устройства защищает газопроницаемые вертикальные капиллярные каналы продувочных блоков от их заметалливания.
При исполнении устройства в первом варианте, когда каждая секция из продувочных блоков имеет свой патрубок для подвода газа с подсоединенным к каждому из них ресивером с обратным клапаном, разводка газовой системы осуществляется снаружи ковша, что упрощает монтаж системы. Однако установка нескольких подводящих газ патрубков, нарушающих целостность брони днища ковша, влияет на его надежность. Поэтому устройство в исполнении по первому варианту используется при небольшом количестве секций из продувочных блоков: одной, двух или трех.
При исполнении устройства во втором варианте все секции из продувочных блоков соединены с одним патрубком для подвода газа с помощью труб, расположенных внутри арматурного слоя футеровки днища ковша, т.е. разводка газовой системы осуществляется внутри ковша. Устройство газоходов внутри футеровки затрудняет работу каменщиков, влияет на качество и надежность футеровки. Но, поскольку при этом требуется только один нарушающий целостность брони днища ковша патрубок для подвода газа, это положительно влияет на надежность в целом, в связи с чем устройство в исполнении по второму варианту используется при количестве трех и более секций из продувочных блоков.
Оба варианта заявляемого устройства позволяют располагать секции из продувочных блоков в любом требуемом месте днища ковша с образованием необходимой конфигурации и площади газопроницаемого модуля в зависимости от емкости ковша и требований по режиму продувки отдельных участков металла или всего его объема. При этом конструкция устройства обеспечивает высокую надежность и эффективность работы.
В частном случае исполнения устройства для продувки жидкого металла газом верхняя поверхность описанных выше продувочных блоков газопроницаемого модуля, после их установки в виде секций в ковше и заливки огнеупорным бетоном, выступает над поверхностью рабочего слоя футеровки днища на 30-100 мм. Экспериментально установлено, что указанные выступы продувочных блоков над футеровкой позволяют значительно продлить срок использования устройства, т.е. указанное выполнение повышает износостойкость устройства. Кроме того, выступающая над футеровкой ковша скошенная боковая поверхность (одна, две, три или все четыре) верхней
части продувочных блоков, позволяя при сливе сползать по ней/ним остаточному металлу, препятствует заметалливанию сверху блоков устройства.
В частном случае исполнения устройства для продувки жидкого металла газом секции из описанных выше продувочных блоков газопроницаемого модуля расположены в любом месте ковша, за исключением сектора с центральным углом в 60-90°, по центру которого расположено «бойное» место (место подачи металла в ковш). Экспериментально установлено, что в указанном секторе вокруг места подачи металла в ковш наблюдается максимально быстрая изнашиваемость продувочных блоков, а их размещение за пределами этого сектора повышает износостойкость заявляемого устройства.
В частном случае исполнения устройства для продувки жидкого металла газом по крайней мере две секции из описанных выше продувочных блоков газопроницаемого модуля установлены симметрично по разные стороны от «бойного» места (места подачи металла в ковш) на расстоянии от центра ковша до центра секции, равном 0,5-0,7 радиуса ковша.
Экспериментально установлено, что указанное расположение секций из продувочных блоков является оптимальным для обеспечения равномерной продувки металла в ковше.
В частном случае исполнения устройства для продувки жидкого металла газом каждая из двух секций из описанных выше продувочных блоков газопроницаемого модуля установлена так, что радиус ковша, проходящий через центр секции перпендикулярно длинной ее стороне, образует с радиусом, проходящем через центр «бойного» места, угол 135°.
Экспериментально установлено, что указанное расположение секций из продувочных блоков является оптимальным для обеспечения режима перемешивания и рафинирования жидкого металла в ковше.
Конструкция заявляемого продувочного блока и устройства для продувки металла газом в ковше поясняется следующими чертежами:
на фиг.1 представлен продувочный блок (виды) в общем случае его исполнения с одной скошенной боковой поверхностью и расположением газопроницаемых вертикальных капиллярных каналов  над бороздами основания в один ряд;
на фиг.2 представлен продувочный блок (виды) в частном случае его исполнения со всеми скошенными боковыми поверхностями и расположением газопроницаемых вертикальных капиллярных каналов над бороздами основания в три ряда;
на фиг.3 представлены виды продувочного блока в частном случае его исполнения с двумя скошенными боковыми поверхностями,
расположением газопроницаемых вертикальных капиллярных каналов над каждой бороздой вдоль длинной стороны основания в два ряда, выходящими только на верхнюю горизонтальную поверхность блока, с отступами борозд в основании от краев;
на фиг.4 представлены типы секций из разного количества продувочных блоков газопроницаемого модуля заявляемого устройства;
на фиг.5 представлен вариант 1 устройства для продувки металла газом в ковше, когда каждая секция из продувочных блоков имеет свой патрубок для подвода газа и ресивер с обратным клапаном;
на фиг.6 представлен вариант 2 устройства для продувки металла, когда все секции из продувочных блоков с помощью системы труб внутри арматурного слоя футеровки днища ковша соединены для подвода газа с одним патрубком и ресивером с обратным клапаном;
на фиг.7 приведены схемы расположения секций газопроницаемого модуля в ковше в частных случаях исполнения заявляемого устройства:
а) с расположением секций из продувочных блоков в любом месте ковша, за исключением сектора с центральным углом в 60-90°, по центру которого расположено «бойное» место;
б) с расположением по крайней мере двух секций из продувочных блоков симметрично по разные стороны от «бойного» места на расстоянии от центра ковша, равном 0,5-0,7 радиуса ковша;
в) с расположением каждой из двух секций из продувочных блоков таким образом, что радиус ковша, проходящий через центр секции перпендикулярно длинной ее стороне, образует с радиусом, проходящем через центр «бойного» места, угол 135°;
на фиг.8 представлены прототипы заявленных технических решений:
а) продувочного блока;
б) устройства для продувки металла газом в ковше.
Заявляемая конструкция продувочного блока в общем и в частных случаях исполнения (Фиг.1, 2, 3) содержит перечисленные ниже элементы.
Продувочный блок 1, выполненный из плотного огнеупора с газопроводящими каналами капиллярной формы, имеющий в основе своей формы прямоугольный параллелепипед, у которого верхняя часть по крайней мере одной боковой поверхности 2 с половины высоты блока выполнена с наклоном в 20°-40° от вертикали к центру. При этом на нижней поверхности основания блока расположена сеть из пересекающихся рядов борозд 3, параллельных сторонам основания, с шагом этой сети 35-45 мм и шириной каждой борозды 5-10 мм. Причем газопроводящие каналы 4 выполнены в виде вертикальных капиллярных отверстий диаметром 0,10-0,25 мм во всю высоту
продувочного блока, которые расположены с шагом 1,0-2,0 мм в один или несколько рядов (с расстоянием между рядами не менее 1,0 мм) над некоторыми (в зависимости от исполнения) из борозд 3 основания блока.
В частном случае исполнения (Фиг.3) сеть из пересекающихся рядов борозд 3 выполнена с отступом на один шаг сети от краев основания, расположенных не под частично скошенными боковыми  поверхностями блока, вертикальные капиллярные отверстия выполнены выходящими только на верхнюю горизонтальную площадку блока, а борозды в основании блока выполнены со скругленным профилем свода.
При объединении продувочных блоков в секции (Фиг.4) требуемого размера и конфигурации, блоки в зависимости от их местоположения внутри секции примыкают друг к другу разным количеством сторон: одной, двумя, тремя или всеми четырьмя.
Заявляемое устройство для продувки жидкого металла газом в ковше в обоих вариантах его осуществления (Фиг.5, 6) содержит встроенный в рабочий слой футеровки днища ковша газопроницаемый модуль 5, состоящий по крайней мере из одной секции, в которой объединены несколько или содержится один из продувочных блоков 1, описанных выше (Фиг.1), установленный на металлический поддон 6 с максимальной высотой вертикальных бортиков 50 мм, соединенный с патрубком 7 для подвода газа и подсоединенным к нему ресивером 8 с обратным клапаном.
При этом в варианте 1 заявляемого устройства (Фиг.5) каждая секция из продувочных блоков 1 имеет свой патрубок 7 для подвода газа с подсоединенным к нему с внешней стороны ковша ресивером с обратным клапаном 8.
В варианте 2 заявляемого устройства (Фиг.6) все секции из продувочных блоков 1 с помощью труб, расположенных внутри арматурного слоя футеровки днища ковша, соединены с одним патрубком 7 для подвода газа, который с внешней стороны ковша соединен с ресивером 8 с обратным клапаном.
В частном случае исполнения заявляемого устройства верхняя поверхность продувочных блоков 1 выступает над поверхностью рабочего слоя футеровки днища ковша на 30-100 мм, как это показано на фиг.6.
В других частных случаях исполнения устройства с различным расположением секций из продувочных блоков 1 газопроницаемого модуля 5 в ковше, представленных на фиг.7, заявляемое устройство содержит те же конструктивные элементы, что и в общем случае.
Заявляемое устройство для продувки жидкого металла газом в ковше (фиг.5, 6), в качестве составной части которого использован заявляемый продувочный блок во всех случаях его исполнения (Фиг.1, 2, 3) из плотного огнеупора, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда 1, у которого верхняя часть хотя бы одной боковой поверхности блока с половины высоты имеет скос 2, с газопроводящими вертикальными каналами во всю высоту
блока капиллярной формы 4, расположенными рядами вдоль борозд 3 в основании, в общем случае работает следующим образом.
В зависимости от конкретных задач продувки металла газом (перемешивание, рафинирование, и т.д.) и размера сталеразливочного ковша для газопроницаемого модуля 5 выбирают необходимое и достаточное количество секций из продувочных блоков 1, количество в каждой секции продувочных блоков, а также схему их расположения в ковше. После этого происходит формирование газопроницаемого модуля 5, для чего в соответствии с выбранной схемой в рабочий слой футеровки днища ковша встраивают по количеству секций металлические поддоны 6 с бортиками. К поддонам 6 для подвода газа в устройство подсоединяют трубы, заканчивающиеся патрубком 7, выходящим во внешнюю сторону ковша, с подсоединенным к нему ресивером с обратным клапаном 8. Продувочные блоки 1 при помощи строп, продетых в проемы борозд 3 в основании блоков, кран-балкой или тельфером устанавливают на соответствующие металлические поддоны 6, образовывая секции, в которых за счет прямоугольной формы нижней половины продувочных блоков 1 обеспечивается максимальное их примыкание друг к другу. Затем сформированный таким образом газопроницаемый модуль 5 заливают огнеупорным материалом, который заполняет пространство между скосами 2 примыкающих друг к другу боковых поверхностей продувочных блоков 1 в рабочих секциях, что обеспечивает их монолитность и прочность.
После начала поступления жидкого металла в ковш, газ для его продувки под давлением через открытый клапан ресивера 8 и патрубок 7 подается к секциям газопроницаемого модуля 5, а именно в пространство между поверхностью металлических поддонов 6 и сводами борозд 3 основания продувочных блоков 1.
При этом в варианте 1 заявляемого устройства (Фиг.5), где каждая секция из продувочных блоков 1 имеет свой патрубок 7 с подключенным ресивером в обратным клапаном 8, газ подводится и подается через каждый из имеющихся патрубков 7.
А в варианте 2 заявляемого устройства (Фиг.6), где все секции из продувочных блоков 1 с помощью сети труб внутри арматурного слоя футеровки днища ковша соединены с одним патрубком 7 с подключенным к нему ресивером с обратным клапаном 8, газ подводится и подается через этот один патрубок 7.
Подаваемый для продувки металла газ благодаря наличию на нижней поверхности продувочных блоков 1 борозд 3, быстро и равномерно распределяясь по всему основанию блока, подводится ко всем газопроводящим вертикальным каналам капиллярной формы 4, расположенным рядами вдоль борозд 3 во всю высоту блока. Дальше газ под воздействием давления проходит по капиллярным отверстиям газопроводящих вертикальных каналов продувочных блоков 1 и поступает в жидкий металл. Конструктивные параметры продувочного блока, размеры диаметра отверстий газопроводящих вертикальных каналов, расстояний между ними подобраны таким образом, что газ
поступает в жидкий металл в виде разрыхленного потока мелких автономных пузырьков, осуществляя перемешивание металла, его рафинирование и т.д. Кроме того, подобранные размеры препятствуют заметалливанию продувочных блоков 1, т.к. внутрь капиллярных отверстий газопроводящих каналов металл обратно не проникает.
По окончании продувки металла и прекращении подачи газа в устройство, в ресивере 8 остается остаточный газ, который удерживается его обратным клапаном, тем самым создавая газовую пробку в капиллярах газопроводящих вертикальных каналов 4 продувочных блоков 1 и защищая их от «всасывания» металла внутрь каналов 4, т.е. защищая газопроницаемые вертикальные капиллярные каналы 4 продувочных блоков 1 от заметалливания.
Замена продувочных блоков производится при капитальном ремонте рабочего слоя футеровки ковша.
В частном случае исполнения заявляемого устройства, когда продувочные блоки 1 выступают над поверхностью рабочего слоя футеровки днища ковша (Фиг.6), после слива металла из ковша, остаточный металл сползает по скосам боковых поверхностей блоков 1, препятствуя заметалливанию сверху рабочих поверхностей продувочных блоков.
В других частных случаях исполнения устройства с различным расположением в ковше секций из продувочных блоков 1 газопроницаемого модуля 5, представленных на фиг.7, заявляемое устройство работает так же, как и в общем случае.
Для осуществления группы полезных моделей - продувочного блока и устройства для продувки металла газом как в общем случае, так и в частных случаях выполнения, могут быть использованы известные технологические процессы и материалы.
Пример 1. На заводе «Северсталь» при выплавке стали были испытаны и хорошо себя зарекомендовали продувочные блоки из высокоглиноземистого огнеупорного бетона марки INTOVAL SF85-10/11 в форме бруска с размерами основания 400×400 мм, высотой 350 мм, имеющие скосы двух противоположных боковых поверхностей под углом 30° с половины высоты. В основании блоков была выполнена сеть из проходящих параллельно его сторонам и пересекающихся рядов борозд с шагом 40 мм, шириной каждой борозды 10 мм и скругленным профилем свода (фиг.3). При этом газопроводящие вертикальные капиллярные каналы во всю высоту продувочных блоков с диаметром отверстий 0,19 мм были расположены над каждой бороздой вдоль стороны основания без скосов с шагом 2,0 мм, выполнены в два ряда (фиг.3) с расстоянием между рядами также 2,0 мм.
Указанные продувочные блоки были испытаны при продувке стали в ковше диаметром 3600 мм. Футеровка днища ковша имела два слоя: арматурный - из гранулята (например, битого кирпича) и двух слоев шамотного кирпича, общей высотой 200 мм; и рабочего слоя высотой 300 мм - из высокоглиноземистого огнеупорного бетона марки INTOVAL SF85-10/II.
Устройство для продувки металла газом в этом случае было выполнено по варианту 1 (фиг.5) следующим образом. В рабочий слой футеровки днища ковша были встроены две секции, каждая их которых состояла из 4-х продувочных блоков в ряд (фиг.4), причем секции были расположены на расстоянии 0,7 радиуса ковша симметрично по разные стороны от «бойного» места так, что радиус ковша, проходящий через центр секции перпендикулярно длинной ее стороне, образует с радиусом, проходящем через центр «бойного» места, угол 135° (фиг.7в). Секции из продувочных блоков были установлены на поддоны из нержавеющей стали размерами 400×1600 мм с вертикальными бортиками 50 мм. К каждой секции был подведен свой патрубок из нержавеющей стали, выходящий за броню ковша, к каждому из которых был подсоединен ресивер с обратным клапаном, используемый, например, в воздушном фильтре типа CAMOZZI N104-F00. Продувка стали осуществлялась нейтральным газом - аргоном под давлением 4-6 атм., который подавался от газораспределительной установки по коллекторным сетям.
Использование указанных блоков и устройства позволило осуществлять продувку металла в ковше при эффективном мелко пузырьковом режиме при обеспечении хороших эксплуатационных характеристик.
Пример 2. На заводе «Северсталь» для рафинирования выплавляемой стали при условиях, описанных в примере 1, использовали одну секцию из 2-х продувочных блоков, имеющих начиная с 60% общей высоты по одному скосу на боковых поверхностях под углом 20° от вертикали. В основании блоков была выполнена сеть из проходящих параллельно его сторонам и пересекающихся рядов борозд с шагом 35 мм, шириной каждой борозды 5 мм и треугольным контуром свода борозд (фиг.1).
При этом газопроводящие вертикальные капиллярные каналы во всю высоту продувочных блоков с диаметром отверстий 0,25 мм были расположены над каждой из борозд основания в один ряд (фиг.1) и выполнены с шагом 1,0 мм.
Секция из указанных продувочных блоков была установлена на поддон из нержавеющей стали размерами 400×800 мм с вертикальными бортиками 40 мм и использована при условиях, описанных в примере 1, а устройство для продувки металла газом было смонтировано аналогично тому, как указано в примере 1, причем секция из двух продувочных блоков была расположена в центре ковша (фиг.7а).
Использование указанных блоков и устройства позволило осуществлять эффективное рафинирование металла при его продувке в ковше инертным газом в мелко пузырьковом режиме без срыва на «факельный» режим.