УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОННОЙ ПРОДУВКИ МЕТАЛЛА ГАЗОМ В КОВШЕ
DEVICE FOR BOTTOM BLOWING OF METAL BY GAS IN LADLE

Изобретение относится к металлургии и может применяться при внепечной обработке жидкого металла в ковше путем донной продувки его инертным газом.
Известно устройство для донной продувки жидкого металла газом в ковше, состоящее из гнездового блока и расположенной в нем продувочной фурмы со щелевыми каналами и с газоподводящей трубкой, патент RU №2356691, В22Д 41/58 от 09.01.2007. Такое устройство устанавливается в футеровке дна сталеразливочного ковша, который заполняется жидким металлом. Для ведения процесса внепечной обработки стали в газоподводящую трубку под определенным давлением подается инертный газ, например, аргон, который поступает в фурму и по ее щелевым каналам движется к жидкому металлу на дне ковша. В виде мелких пузырьков газ всплывает на поверхность металла, вызывая тем самым его перемешивание.
Для обеспечения высокой термостойкости гнездовой блок и продувочная фурма изготавливаются из огнеупорного материала, который, однако, является достаточно хрупким материалом. Верхние торцевые (рабочие) поверхности их расположены в одной плоскости, которая находится выше рабочей поверхности дна ковша. Выступающая над поверхностью дна ковша часть продувочного устройства в период ведения плавки находится в жидком металле и поэтому нагревается до максимальной температуры. В прямых углах выступающей части термические напряжения от вертикальной и горизонтальной поверхностей складываются. Суммарные напряжения могут превышать прочность огнеупора, что приводит к скалыванию углов. Это является недостатком такой конструкции.
С противоположной стороны устройства, со стороны газоподводящей трубки, торцевые поверхности фурмы и гнездового блока также находятся в одной плоскости. По причине максимальной удаленности от жидкого металла температура материала гнездового блока в этом месте минимальная. Возникающий вследствие этого большой температурный градиент по длине гнездового блока вызывает высокие термические напряжения, что приводит к образованию в нем продольных трещин. Такие продольные трещины лежат в плоскости, совпадающей с продольной осью гнездового блока, и пересекают его боковую поверхность. Они простираются на всю его длину, от верхнего рабочего торца к нижнему торцу. Количество их может быть три или четыре и они располагаются в плоскостях под углом друг к другу соответственно, примерно, 120° или 90°.
Назначение гнездового блока - удерживать продувочную фурму при жестких условиях высокой температуры жидкого металла и высокого давления инертного газа (до 20 атм). Образование продольных трещин нарушает работоспособность устройства. Это также является недостатком такой конструкции.
В патенте RU №173109 В22Д 41/58 от 09.08.2016 (принят в качестве прототипа) в устройстве для донной продувки жидкого металла выступающие углы выступающей части имеют максимально возможные значения, что снижает суммарные термические напряжения. При этом оно установлено в дне ковша таким образом, что часть блока, выступающая над уровнем дна ковша, имеет минимальный объем. Это снижает температурный градиент по длине гнездового блока. С противоположной стороны устройства, со стороны газоподводящей трубки, торцевые поверхности фурмы и гнездового блока находятся в одной плоскости. При выплавке стали в дуговых электропечах и при использованием в сталеразливочных ковшах таких гнездовых блоков сколы выступающей части практически отсутствуют. Однако количество продольных трещин уменьшается незначительно. Это является недостатком указанного патента.
Задачей предлагаемого технического решения является снижение температурного градиента между верхней и нижней торцевыми поверхностями гнездового блока и уменьшение за счет этого количества образующихся в нем продольных трещин.
Технический эффект достигается за счет того, что в устройстве для донной продувки металла газом в ковше, содержащем гнездовой блок и продувочную фурму со щелевыми каналами и с газоподводящей трубкой, рабочая поверхность гнездового блока расположена ниже рабочей поверхности фурмы на величину, равную 0,20-0,90 высоты фурмы (занижение), при этом гнездовой блок имеет донную часть высотой равной 0,10-0,45 высоты фурмы. В донной части гнездового блока имеется холодильник для кристаллизации аварийно вытекающего жидкого металла, который выполнен из металлической трубки, изогнутой по форме не полного кольца и соединяющей фурму и газоподводящую трубку.
Предлагаемое устройство для донной продувки металла газом в ковше, установленное в футеровке 2 дна ковша, представлено на Фиг 1. Оно состоит из гнездового блока 6, в котором находится фурма 3 с газоподводящей трубкой 9. Через огнеупорный материал фурмы проходят щелевые каналы 4 для подачи газа от нижнего торца 11 фурмы к ее верхнему рабочему торцу 1 и затем в жидкий металл 16 в ковше. Для контроля степени износа фурмы в процессе эксплуатации в ней установлен индикатор износа 13. В нижней части гнездового блока выполнена донная часть 10, в которой находится холодильник 8 для кристаллизации аварийно вытекающего жидкого металла.
В предлагаемом техническом решении верхняя рабочая поверхность 5 гнездового блока расположена ниже верхней рабочей поверхности 1 фурмы на величину А, а, следовательно, ниже верхней рабочей поверхности 15 дна ковша. Сверху на рабочей поверхности 5 гнездового блока находится огнеупорный материал 2 дна ковша, который и воспринимает воздействие максимальной температуры от жидкого металла. Вследствие низкой теплопроводности огнеупорных материалов верхняя поверхность гнездового блока нагревается в значительно меньшей степени, чем при прямом воздействии жидкого металла. Температурный градиент по длине гнездового блока резко уменьшается, а соответственно уменьшаются и термические напряжения, вызывающие образование продольных трещин.
На практике в процессе эксплуатации ковша происходит износ его футеровки и поэтому уровень рабочей поверхности продувочного устройства в разные периоды эксплуатации может быть выше или ниже уровня рабочей поверхности дна ковша в интервале: (+20) мм ÷ (-40) мм. С учетом этого по экспериментальным данным минимальная величина занижения верхнего уровня гнездового блока А выбрана равной 0,20 от значения высоты фурмы. Учитывая особо жесткие условия эксплуатации фурма и гнездовой блок должны иметь максимально возможное сцепление между собой, выполняемое по специальной технологии и определяемое в том числе величиной их поверхности соприкосновения 7. При увеличении занижения верхней поверхности гнездового блока А величина поверхности соприкосновения, а соответственно и величина сцепления уменьшаются. Исходя из экспериментальных данных минимально допустимое сцепление между фурмой и гнездовым блоком, а также сцепление огнеупорной футеровки дна ковша с поверхностью фурмы 14 и с поверхностью гнездового блока 12, гарантирующие надежность работы устройства для продувки металла газом, обеспечивается при максимальном значении занижения верхнего уровня гнездового блока равном 0,90 от высоты фурмы.
Ниже уровня нижнего основания 11 фурмы в нижней части гнездового блока из аналогичного огнеупорного материала выполнена его донная часть 10 высотой В. Ее назначение - обеспечение необходимой прочности гнездового блока в случаях возникновения повышенных нагрузок на него. Такие случаи бывают чаще всего при значительном износе футеровки дна ковша, а также при повышенной температуре жидкого металла. Высота донной части гнездового блока определяется указанными причинами и выбирается исходя из результатов практического опыта. Используя данные эксплуатации продувочных устройств в сталеразливочных ковшах конверторного цеха высота донной части выбрана равной 0,10-0,45 от высоты фурмы.
По различным причинам имеют место случаи аварийного вытекания жидкого металла из ковша, например, через аварийно возникающие трещины в фурме и далее через газоподводящую трубку. В результате такой аварии из ковша может вытечь весь жидкий металл. Для предотвращения таких проходов жидкого металла иногда ниже нижнего основания фурмы устанавливают холодильник различных конструкций, в котором первые порции вытекающего жидкого металла закристаллизовываются и его дальнейшее вытекание прекращается, например, SU 2180279 В22Д 41/58 от 13.03.2000.
В предлагаемом техническом решении холодильник 8 установлен в футеровке донной части гнездового блока. Он представляет собой толстостенную металлическую трубку, изогнутую в форме не полного кольца, Фиг 2, расположенную по периметру нижнего основания фурмы и соединенную одним концом с фурмой, а другим концом с газоподводящей трубкой, Фиг 1. По этой трубке газ поступает от газоподводящей трубки в фурму. Трубка должна иметь как можно меньший внутренний диаметр с таким условием, чтобы, с одной стороны, обеспечить прохождение необходимого количества газа, а с другой стороны, пропускать как можно меньшее количество аварийно вытекающего металла. При прохождении по такой трубке жидкий металл соприкасается с ее толстыми металлическими стенками и вследствие высокой теплопроводности металла стенок и жидкого металла он интенсивно остывает и кристаллизуется. Закристаллизовавшийся металл перекрывает просвет в трубке и вытекание его прекращается. Высокая эффективность такой конструкции холодильника обеспечивается большой толщиной стенок, малым внутренним диаметром и большой длинной трубки. Кроме того, ее надежность дополнительно повышается вследствие того, что металлическая трубка заключена в огнеупорный материал донной части гнездового блока, который является дополнительным препятствием для аварийного вытекания металла.
Пример конкретного выполнения.
Предлагаемое устройство использовали при производстве конверторной стали. Оно было установлено в дно ковша емкостью 150 тн. Фурма конусной формы имела следующие размеры: высота 340 мм, диаметр оснований - нижнее 190 мм, - верхнее (рабочее) 135 мм. Размеры гнездового блока: высота с донной частью 160 мм, диаметр 360 мм, толщина стенок на уровне нижнего основания фурмы 85 мм. Высота донной части гнездового блока составляла 60 мм. В нее был установлен холодильник, изготовленный из стальной трубки с наружным диаметром 14 мм, с толщиной стенок 2 мм и представляющий собой не полное кольцо диаметром 170 мм, соединенное с одной стороны с газоподводящей трубкой, а с другой стороны со стальным дном фурмы. На боковой поверхности гнездового блока параллельно друг другу и на расстоянии 20 мм и 40 мм от его нижнего основания выполнены две кольцевые фиксирующие канавки глубиной 10 мм и шириной 15 мм, которые при установке в дно ковша заполняются огнеупорной массой. Это позволило повысить надежность крепления устройства для продувки металла газом в дне ковша. После окончания эксплуатации устройства продольные трещины в гнездовом блоке не выявлены.