Металлургическая емкость

Полезная модель относится к емкостям, применяемым в металлургии, например сталеплавильном или чугуноплавильном производстве, и может быть использована при обработке металла газами.
Известно устройство для продувки металла газами в ковше, содержащее гнездовой блок, установленный в футеровке подины ковша, продувочную фурму, размещенную в металлической гильзе, газопроводную трубку и защитную пробку, установленную под продувочной фурмой, отличающееся тем, что оно снабжено защитным блоком, расположенным под гнездовым блоком и опирающимся через выравнивающий слой на кожух ковша, опорой, закрепленной посредством центрирующего стакана на кожухе ковша, и защитным клапаном, причем защитная пробка изготовлена монолитной и размещена в защитном блоке на противопригарной обмазке толщиной 0,5-2,5 мм и установлена на опору через регулировочные шайбы, а защитный клапан установлен на газоподводящей трубке под защитной пробкой и опорой (RU 2180279 C2, МПК B22D 41/58, опубл. 10.03.2002).
Недостатком аналога является низкий уровень надежности устройства для продувки металла газами в ковше, вызванный отсутствием характеристик для выполнение футеровки подины ковша, а также выполнение гнездовых блоков на всю высоту продувочной фурмы узла донной продувки, так, что они являются верхней частью футеровки дна ковша, что не может обеспечить долгую эксплуатацию ковша. Это обусловлено тем, что при заливке струя расплавленного металла в первую очередь попадает на донную часть, в связи с чем донный слой футеровки, включающий узел донной продувки, наиболее подвержен износу. Таким образом, заявленная футеровка донной части ковша не обеспечивает долгий срок службы.
Наиболее близким техническим решением является устройство для выплавки стали с одновременным донным выдувом и нижним электродом дуговой печи постоянного тока по. 1, причем: нижний выдувной элемент содержит изолирующий нижний выдувной воздушный кирпич, уложенный на шасси с образованием колонны, множество капиллярных труб, расположенных в середине изоляционного дна выдувного воздушного кирпича, и газовая буферная камера, сообщаемая с капиллярными трубками; газобарная камера соединена с одним концом нижней впускной трубы продувочного газа, а другой конец нижней впускной трубы продувочного газа соединен с источником газа через изоляционное соединение (CN 215713129 U, МПК C21C-005/52, C21C-007/072, опубл. 01.02.2022).
Недостаток наиболее близкого технического решения проявляется в отсутствии определения оптимальных характеристик донной части футеровки и стенок в зависимости от внешних факторов, влияющих на их износ, также снижает надежность устройства выполнение гнездовых блоков на всю высоту продувочной фурмы узла донной продувки, так, что они являются верхней частью футеровки дна ковша, что не может обеспечить долгую эксплуатацию ковша. Это обусловлено тем, что при заливке струя расплавленного металла в первую очередь попадает на донную часть, в связи с чем донный слой футеровки подвержен износу, входящий в его состав узел донной продувки ещё больше подвержен износу. При этом не определение характеристик донной части и стенок приводит к повышенной материалоемкости и удорожанию конструкции.
Технической проблемой, решаемой заявляемой полезной моделью, является создание надежной металлургической емкости с возможностью продувки металла газами, с оптимальными характеристиками донной части и стен футеровки, а также с более надежным исполнением узлов донной продувки, способной к большему количеству плавок.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении надежности металлургической емкости.
h
Под высотой  гнездового блока в настоящей заявке понимается непосредственно высота гнездового блока, если он применен один в узле донной продувки,  или же суммарная высота гнездовых блоков, если в узле донной продувки применено более одного гнездового блока.
h
k
2
Указанный технический результат достигается тем, что металлургическая емкость, содержащая кожух, на внутреннюю поверхность которого установлена футеровка, включающая стенки, выполненные из огнеупорного кирпича, дно, заполненное подовой массой, установленный в футеровку донной части металлургической емкости узел донной продувки, включающий гнездовой блок, в который установлена продувочная фурма, согласно полезной модели высота  гнездового блока узла донной продувки составляет не менее 50%, но не более 85% высоты  фурмы узла донной продувки, а пространство выше гнездового блока до уровня с подовой массой донной части футеровки заполнено подовой массой, узел донной продувки между продувочной фурмой и гнездовым блоком заполнен буферной массой, а подовая масса донной части футеровки выполнена из огнеупорного материала, при этом размер фракционного состава буферной массы до 25% менее размера фракционного состава огнеупорного материала подовой массы, стенки футеровки выполнены из кирпича с прочностью более 20 Н/мм, причем огнеупорность стенки футеровки, подовой массы и буферной массы составляет не менее 1650°С.
Стенки футеровки могут быть выполнены из огнеупорного магнезиально-углеродистого кирпича на основе синтетической спеченной магнезии, закаленной на связке.
В донной части металлургической емкости может быть установлено 1-3 узла донной продувки.
Высота фурмы может находиться в диапазоне 850-900 мм.
Высота гнездового блока может находиться в диапазоне 100-800 мм.
В узле продувке установлено 1-8 гнездовых блоков.
Гнездовой блок может иметь форму, приближенную к окружности.
Гнездовой блок может иметь форму, приближенную к прямоугольнику.
Гнездовой блок может иметь форму, приближенную к квадрату.
Кирпичная кладка стен может быть погружена в подовую массу.
Кирпичная кладка стен может быть не погружена в подовую массу.
В частности, подовая масса выполнена из одного или более слоев.
В частности, буферная масса выполнена из одного или более слоев.
В частности, стенки футеровки выполнены из одного или более слоев.
В частности, подовая масса выполнена из одного материала.
В частности, буферная масса выполнена из одного материала.
В частности, стенки футеровки выполнены из одного материала.
В частности, слои подовой массы выполнены из разных материалов.
В частности, слои буферной массы выполнены из разных материалов.
В частности, слои стенок футеровки выполнены из разных материалов.
Футеровка донной части металлургической емкости может быть уложена на высоту 700-1100 мм.
Буферная масса узла донной продувки между продувочной фурмой и гнездовым блоком может иметь размер фракционного состава 0-2 мм.
Огнеупорный материал подовой массы донной части футеровки может быть выполнен с размером фракционного состава, находящимся в диапазоне 0-8 мм.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - вид сверху на металлургическую емкость;
фиг. 2 - местный разрез А-А, сечение металлургической емкости.
Металлургическая емкость содержит (фиг. 1) кожух 1, на внутреннюю поверхность которого установлена футеровка 2, включающая стенки 3, выполненные из огнеупорного кирпича, дно 4, заполненное подовой массой 5, уложенной на арматурной слой 6 (фиг. 2), установленный в футеровку 2 донной части 4 металлургической емкости узел донной продувки 7, включающий  гнездовой блок 8 в который установлена продувочная фурма 9, расстояние между гнездовым блоком 8 и продувочной фурмой 9 заполнено буферной массой 10.
h
k
Высота  гнездового блока 8 узла донной продувки 7 составляет не менее 50%, но не более 85% высоты  фурмы 9 узла донной продувки 7, а остальное пространство выше гнездового блока 8 до уровня с подовой массой 5 донной части 4 футеровки 2 заполнено подовой массой 5.
Гнездовой блок 8 расположен вокруг фурмы 9 и необходим для надежной фиксации фурмы 9 в вертикальном (проектном) положении.
h
k
k
h
h
Выполнение гнездового блока 8 узла донной продувки 7 высотой , которая составляет, как менее 50% высоты  фурмы 9 узла донной продувки 7, так и более 85% высоты  фурмы 9 узла донной продувки 7 приведет к снижению надежности узла донной продувки 7 и, как следствие, к меньшей надежности и большему количеству ремонтных работ в металлургической емкости, что в первом случае (когда высота менее 50%) будет вызвано смещением фурмы 9 относительно своего проектного положения и выходу из строю узла донной продувки 7, а соответственно снижению надежности металлургической емкости, при этом гнездовой блок 8 изнашиваются быстрее, чем подовая масса 5, поэтому выполнение высоты  гнездового блока 8 более 85% приведет к более быстрому его оголению, после чего будет происходить быстрый износ гнездового блока 8 и необходимость замены, что снизит количество возможных плавок в металлургической емкости из-за её низкой надежности. Именно поэтому для высоты  гнездового блока 8 будет оптимальным указанный диапазон, а пространство выше гнездового блока 8 до верха донной части 4 футеровки 2 (уровня с подовой массой 5 донной части 4) заполняется подовой массой 5.
Укладка и трамбовка подовой массы 5, расположенной над гнездовым блоком 8 узла донной продувки 7 производится до уровня с подовой массой 5 донной части 4, например, с помощью виброинструмента.
Узел донной продувки 7 между продувочной фурмой 9 и гнездовым блоком 8 заполнен буферной массой 10, подовая масса 5 донной части 4 футеровки 2 выполнена из огнеупорного материала, при этом размер фракционного состава буферной массы 10 до 25% менее размера фракционного состава огнеупорного материала подовой массы 5.
Заполнение зазора в узле донной продувки 7 между продувочной фурмой 9 и гнездовым блоком 8  огнеупорной буферной массой 10 необходимо для придания дополнительной прослойки, которая служит для исключения  прохода металла вовнутрь узла донной продувки 7 и жесткой фиксации продувочной фурмы 9 в гнездовом блоке 8. Величина применяемого фракционного состава характеризует насыпной плотностью, фракционным составом, огнеупорностью. Чем ниже размер фракционного состава, тем выше насыпная плотность и свойства спекания, а при увеличении фракционного состава, хуже свойства спекания  массы.
Применение размера фракционного состава буферной массы 10 до 25% менее размера фракционного состава огнеупорного материала подовой массы 5, обуславливается тем, что при относительно небольшом зазоре, например, 50 мм, между гнездовым блоком 8 и продувочной фурмой 9 требуется буферная масса 10 с насыпной плотностью, обеспечивающей плотное прилегание частиц друг к другу, таким образом обеспечивается наилучшее спекание массы и удержание фурмы 9 в проектном положении, чтобы обеспечить надежность узла донной продувки 7. В противном случае при применении буферной массы 10 с фракционным составом аналогично или больше чем у подовой массы 5 наблюдается ухудшение требуемых параметров.
У подовой массы 5 фракционный состав применён размером большим, чем размер фракционного состава буферной массы 10, укладываемой в узки зазор. Это объясняется тем, что подовая масса 5 укладывается на большую площадь поверхности, в связи с чем применение для нее состава с маленьким размером фракционным состава приведет к ухудшению трамбовки и осыпанию/сползанию массы со стен металлургической емкости. Поэтому подовую массу 5 применяют с большим размером фракции, чтобы не ухудшить характеристики донной части металлургической емкости и обеспечить её надежность. Соблюдение применения размера фракционного состава буферной массы 10 до 25% менее размера фракционного состава огнеупорного материала подовой массы 5 позволяет обеспечить необходимую устойчивость и спекаемость, а также обеспечить фурме 9 необходимое проектное положение, увеличив надежность и длительность срока службы металлургической емкости.
Буферная масса 10 узла донной продувки 7 между продувочной фурмой 9 и гнездовым блоком 8 узла донной продувки может иметь размер фракционного состава, например, 0-2 мм, а огнеупорный материал подовой массы 5 донной части 4 футеровки 2 выполнен с размером фракционного состава, находящимся в диапазоне, например, 0-8 мм. Футеровка 2 донной части 4 металлургической емкости может быть уложена на высоту 700-1100 мм.
2
2
Стенки 3 футеровки 2 выполнены из кирпича с прочностью более 20 Н/мм, например, из огнеупорного периклазо-углеродистого кирпича на основе синтетической спеченной магнезии, закаленной на связке. Огнеупорность стенки 3 футеровки 2, подовой массы 5 и буферной массы 10 составляет не менее 1650°С. Данные решения в совокупности с другими являются необходимыми для повышения надежности металлургической емкости. Это связано с тем, что применение кирпича для стенок 3 футеровки 2 прочностью менее более 20 Н/мм, а также выполнение стенки 3 футеровки 2, подовой массы 5 и буферной массы 10 менее 1650°С не позволит долго выдерживать расплавленный металл, вызовет быстрый износ металлургической емкости, а соответственно снизит ее надежность. Верхние границы этих показателей не обозначены в связи с тем, что они определяются только экономическими показателями и возможностями производителей материалов. В дополнении подовая масса 5 уложена на арматурный слой 6 футеровки 2, которая в свою очередь окружена кожухом 1, например, металлическим, для создания надежного каркаса металлургической емкости.
Количество узлов донной продувки 7 в донной части 4, определяется размерами и конфигурацией конкретной металлургической емкости, их может быть установлено, например, 1-3 узла донной продувки. Высота фурмы 9 может быть разной высоты, например, находится в диапазоне 850-900 мм. Количество гнездовых блоков 8 и их высота также могут варьироваться, например, в одном узле донной продувки 7 может быть применено от 1 до 8 гнездовых блоков, высота одного гнездового блока 8 может быть, например 100-800 мм, при этом в одном узле донной продувки 7 могут быть применены, как блоки одной высоты, ровно как и высота гнездовых блоков 8 в одном узле донной продувки 7 может разнится.
Кирпичная кладка стенок 3 футеровки 2 может быть погружена в подовую массу 5 или не погружена и доходит до верхней части подовой массы 5.
Подовая масса 5, буферная масса 10, стенка 3 футеровки 2 может быть выполнена из одного и того же материала (один или несколько из перечисленных элементов металлургической емкости может быть выполнен каждый полностью из одного материала), а могут быть в несколько слоев из различных материалов (один или несколько из перечисленных элементов может быть выполнен из различных материалов), при условии выполнения всех существенных признаков, заложенных в формуле технического решения, посредством которых достигается технический результат. Также подовая масса 5, буферная масса 10, стенка 3 футеровки 2 может быть выполнена как однослойной, так и содержать два и более слоев.
Приведенные диапазоны и соотношения параметров были установлены опытным путем при проведение испытаний, они показали, что изготовленная металлургическая емкость с узлами донной продувки позволяет снизить износ узла донной продувки 7, включающего продувочную  фурму 9, являющимся наиболее подверженными к износу конструктивным элементом металлургической емкости, а также добиться оптимальных характеристик донной части 4 и стенок 3 футеровки 2 металлургической емкости, что приводит к снижению износа металлургической емкости на 9%, что позволяет увеличить ее стойкость дополнительно на 200 плавок, при этом с учетом ротации, применяемых в футеровки 2 элементов и характеристик, ее стоимость уменьшается на 3%. Этим решение обуславливается повышение надежности металлургической емкости, а также оптимальность выбранных для нее характеристик.
Примеры реализации
Первый вариант реализации
h
k
2
Металлургическая емкость содержит металлический кожух, на внутреннюю поверхность которого установлена футеровка, включающая стенки, выполненные из огнеупорного кирпича, дно, заполненное подовой массой, уложенной на арматурной слой, установленный в футеровку донной части металлургической емкости узел донной продувки, включающий  гнездовой блок, в который установлена продувочная фурма. Высота  гнездового блока узла донной продувки составляет 55% высоты  фурмы узла донной продувки, а пространство выше гнездового блока до уровня с подовой массой донной части футеровки заполнено подовой массой. Применен 1 гнездовой блок, высота которого составляет 500 мм. Узел донной продувки между продувочной фурмой и гнездовым блоком заполнен буферной массой с размером фракционного состава 2 мм, подовая масса донной части футеровки выполнена из огнеупорного материала с размером фракционного состава 5 мм, при этом выполнено условие, что размер фракционного состава буферной массы до 25% менее размера фракционного состава огнеупорного материала подовой массы. Стенки футеровки выполнены из кирпича с прочностью 50 Н/мм, причем огнеупорность стенки футеровки, подовой массы и буферной массы составляет 1750°С.
Второй вариант реализации
h
k
2
Металлургическая емкость содержит металлический кожух, на внутреннюю поверхность которого установлена футеровка, включающая стенки, выполненные из огнеупорного кирпича, дно, заполненное подовой массой, уложенной на арматурной слой, установленный в футеровку донной части металлургической емкости узел донной продувки, включающий  гнездовые блоки в которые установлена продувочная фурма. Высота  гнездовых блоков узла донной продувки составляет 66% высоты  фурмы узла донной продувки, а пространство выше гнездовых блоков до уровня с подовой массой донной части футеровки заполнено подовой массой. Применено 3 гнездовой блоков, высота которых составляет 600 мм. Узел донной продувки между продувочной фурмой и гнездовым блоком заполнен буферной массой, выполненной из двух материалов, причем размером фракционного состава первого слоя 1 мм, а второго - 2 мм, подовая масса донной части футеровки выполнена из двух огнеупорных материалов уложенных друг на друга, причем размер фракционного состава первого слоя составляет 6 мм, а второго слоя - 4 мм, при этом выполнено условие, что размер фракционного состава буферной массы до 25% менее размера фракционного состава огнеупорного материала подовой массы. Стенки футеровки выполнены из кирпича с прочностью 30 Н/мм, причем огнеупорность стенки футеровки, подовой массы и буферной массы составляет 1700°С.
Таким образом, различными сочетаниями и соотношением количественных характеристик, подтвержденных опытным путем и описанным в настоящей полезной модели, удалось обеспечить повышенную надежность металлургической емкости с донной продувкой, при этом добиться оптимальных характеристик износостойкости в сочетании со стоимостью металлургической емкости.