Стакан-дозатор для непрерывной разливки металла на машинах непрерывного литья заготовок закрытой струей
METERING NOZZLE FOR CONTINUOUS METAL CASTING ON MACHINES FOR CONTINUOUS CASTING OF WORKPIECES WITH A CLOSED JET

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сталеплавильному производству, и может быть использовано при непрерывной разливке стали закрытой струей.
Известна конструкция стаканов-дозаторов [1] c внутренним диаметром канала 35 мм марки DSA-TN-B/TN60 (Дополнительное соглашение № 19 к контракту № DGNТЗТ000111 от 01.02.2006 г.) и 45 мм марки DSA-SENBDY705 [2]  (Технический проект № NTMK-TNN-2034 от 10.10.2019 г.), у которых рабочая поверхность приемных воронок стаканов-дозаторов в поперечном сечении имеет один радиус скругления.
Недостатком данных конструкций является отсутствие обеспечения необходимого примыкания стопора-моноблока к стакану-дозатору при разливке металла на узких по сечению заготовки форматах, в результате чего повышается риск возникновения неуправляемого подтека металла – некрытия, приводящего к необходимости замораживания и прекращению разливки стали в кристаллизатор конкретного ручья, а при разливке малых форматов отмечаются случаи замерзания металла в канале металлопроводки при запуске машины непрерывного литья заготовок или после замены промежуточного ковша методом разливки «плавка на плавку».
Наиболее близким по техническому решению и достигаемым результатам является приемная воронка погружного стакана [3] (патент РФ № 23809 «Приемная воронка погружного стакана», ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат», МПК B22D11/00, опубл. 20.07.2002, бюл. № 20) изготовленная в виде конуса, при этом внутренняя стыковочная приемная воронка выполнена комбинированной, причем верхняя часть имеет форму конуса, а нижняя - сферы, которая плавно переходит по касательной к образующей конической части приемной воронки.
Недостатком известной приемной воронки является один радиус скругления в поперечном сечении. При данной конструкции стакана-дозатора в начале или в процессе разливки металла непрерывным методом «плавка на плавку» может возникнуть неплотное прилегание головки стопора-моноблока к приемной воронке стакана-дозатора, что может вызвать неуправляемый подтек металла – некрытием, что приводит к длительным аварийным простоям машины непрерывного литья стальных заготовок.
Техническим результатом настоящего изобретения является снижение рисков замерзания металла в канале стакана-дозатора в начале разливки металла через промежуточный ковш; унификация дизайна двух или нескольких типоразмеров стаканов-дозаторов, применяемых при разливке металла для нескольких форматов поперечных сечений заготовок машин непрерывной разливки стали в один типоразмер, снижение случаев некрытий сопряжения стакана-дозатора и стопора моноблока.
1
2
Указанный технический результат достигается тем, что в стакане-дозаторе, состоящем из верхней и нижней частей, имеющей в верхней части приемную воронку, выполненную в виде усеченного конуса с металлоподводящим каналом по оси, предусмотрены следующие отличия: боковая поверхность приемной воронки в поперечном разрезе имеет дугообразную форму, образованную сопряжением основного радиуса R и дополнительного радиуса Rсо стороны нижней части стакан-дозатора, который исчисляются по формуле:
2
1
R= R ⋅ K (1),
где:
1
R - основной радиус боковой поверхности приемной воронки 3 (мм);
2
R - дополнительный радиус боковой поверхности приемной воронки 3 (мм);
K - постоянный коэффициент, равный не менее 1,05,
1
2
при условии, чтобы диаметр окружности D примыкания рабочих поверхностей головной части 6 стопора моноблока 5 соответствовал диаметру S окружности кольцевого сопряжения основного радиуса R с дополнительным радиусом R.
Кроме того, в предложенном стакане-дозаторе, верхняя и нижняя части выполнены из огнеупорных материалов, причем в качестве огнеупорного материала в верхней части используют периклазоуглеродистый материал, а в нижней части - корундографитовый материал.
1
2
1
2
Кроме этого, диаметр окружности D примыкания рабочих поверхностей головной части стопора моноблока больше диаметра S окружности кольцевого сопряжения основного радиуса R с дополнительным сопряжениемR, а такжедиаметр окружности D примыкания рабочих поверхностей головной части стопора моноблока меньше диаметра S окружности кольцевого сопряжения основного радиуса Rс дополнительным сопряжениемR.
1
n
1
2
n
Кроме этого, боковая поверхность приемной воронки стакана-дозатора в поперечном разрезе имеет дугообразную форму с радиусом R, исходящим от внутреннего края торцевой поверхности верхней части в кольцевое сопряжение диаметром S и последующим множеством радиусов R, образуя множество последующих сопряжений диаметром Sn, при этом последний радиус соединен с внутренним каналом, а количество кольцевых сопряжений Sn не превышает значения 100, а величина глубины hпримыкания головной части стопора моноблока к рабочей поверхности приемной воронки верхней части стакана-дозатора меньше величины глубиныhпримыкания головной части стопора моноблока к рабочей поверхности приемной воронки верхней части стакана-дозатора и величины глубины hпримыкания головной части стопора-моноблока к рабочей поверхности приемной воронки верхней части стакана-дозатора.
1
2
n,
,
n
Кроме этого, боковая поверхность усеченного конуса рабочей поверхности приемной воронки верхней части стакана-дозатора выполнена в виде множества усеченных конусов, боковые поверхности которых имеют плоские конические формы с основным углом отклонения а от торцевой поверхности верхней части стакана дозатора, дополнительного угла отклонения а,множества дополнительных углов отклонения aрасположенных таким образом, что поэтапно образуют кольцевые сопряжения S S, причем количество кольцевых сопряжений не превышают значения 100.
,
n
n
n
Кроме этого, боковая поверхность усеченного конуса рабочей поверхности приемной воронки верхней части стакана-дозатора выполнена в виде множества усеченных конусов, боковые поверхности которых имеют плоские конические формы с углами отклонения от торцевой поверхности верхней части стакана дозаторамножества дополнительных углов a, сопряженных с боковыми поверхностями в виде дугообразной формы с множеством радиусов R, расположенных таким образом, что поэтапно образуют кольцевые сопряжения S, причем количество кольцевых сопряжений плоских конических и дугообразных форм, размещенных в любой последовательности, не превышают значения 100.
А также внутренний канал верхней части стакана-дозатора радиально расширен относительно района нижнего торца нижней части стакана дозатора, причем его диаметр исчисляется по формуле:
в
н
d= d ⋅ k (2),
где:
в -
d диаметр внутреннего канала стакана дозатора в верхней части 1 (мм);
н -
d диаметр внутреннего канала нижнего торца нижней части 2 стакана дозатора (мм);
k - постоянный коэффициент, равный 1,01÷1,30.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
Фиг. 1 - Общая схема стакана дозатора (разрез);
Фиг. 2 - Приемная воронка стакана-дозатора с двумя радиусами скругления (разрез);
Фиг. 3 - Приемная воронка стакана-дозатора с множеством радиусов скругления (разрез);
Фиг. 4 - Приемная воронка стакана-дозатора с множеством боковых поверхностей усеченных конусов плоской конической формы (разрез).
Описание ссылочных позиционных номеров:
1 - верхняя часть стакан-дозатора;
2 - нижняя часть стакан-дозатора;
3 - приемная воронка;
4 - внутренний канал;
5 - стопор-моноблок;
6 - головная часть стопора-моноблока;
7 - торцевая поверхность стакан-дозатора;
8 - внутренний край торцевой поверхности.
D - диаметр окружности примыкания рабочих поверхностей головной части стопора-моноблока 5 к приемной воронке 3 стакана-дозатора;
1
R - основной радиус боковой поверхности приемной воронки 3 дугообразной формы;
2
R - дополнительный радиус боковой поверхности приемной воронки 3 дугообразной формы;
n
R - множество радиусов боковой поверхности приемной воронки 3, выполненной в виде дугообразной или плоской конической формы;
K - постоянный коэффициент, равный не менее 1,05;
1
2
1
n
S - диаметр окружности кольцевого сопряжения основного радиуса R с дополнительным R в случае применения рабочей поверхности приемной воронки 3 дугообразной формы и плоских конических поверхностей, образованными под основным углом a и вспомогательными a;
n
1
n
1
n
S - диаметр окружности кольцевого сопряжения основного радиуса R с множеством дополнительных R в случае применения рабочей поверхности приемной воронки 3 дугообразной формы и плоских конических поверхностей, образованными под основным углом a и множеством вспомогательных a;
1
h - глубины примыкания головной части 6 стопора-моноблока 5 к рабочей поверхности приемной воронки 3 верхней части 1 стакана дозатора (п. 4);
2
h - глубины примыкания головной части 6 стопора-моноблока 5 к рабочей поверхности приемной воронки 3 верхней части 1 стакана дозатора (п. 4);
n
h - глубины примыкания головной части 6 стопора-моноблока 5 к рабочей поверхности приемной воронки 3 верхней части 1 стакана дозатора (п. 4);
1
a - основной угол, образованный между торцевой поверхностью верхней части и боковой поверхностью усеченного конуса плоской конической формы приемной воронки;
1
a - дополнительный угол, образованный между торцевой поверхностью верхней части и боковой поверхностью усеченного конуса плоской конической формы приемной воронки;
n
a - множество дополнительных углов, образованных между торцевой поверхностью 7 верхней части 1 и боковыми поверхностями усеченного конуса плоской конической формы приемной воронки 3;
в
d - диаметр внутреннего канала 4 стакана дозатора в верхней части1;
н
d - диаметр внутреннего канала 4 нижнего торца нижней части 2 стакана дозатора;
k - постоянный коэффициент, равный 1,01÷1,30.
Стакан-дозатор, выполнен неразъемным изделием, состоящим из верхней 1 и нижней частей 2, в верхней ее части плотно состыкован со стопором-моноблока 5, имеющим головную часть 6, нижнее основание   которой имеет сферическую форму.
Выполнение верхней 1 и нижней части 2 стакана-дозатора из огнеупорного материала (в качестве огнеупорного материала в верхней части 1 используют периклазоуглеродистый материал, а в нижней части 2 – корундографитовый материал), а головной части 6 – из периклазоуглеродистых огнеупорных материалов, позволяет выдерживать высокие температуры при разливке металла из промежуточного ковша – более 1450°С.
в
н
Стакан-дозатор, выполнен неразъемным изделием, при этом верхняя 1 и нижняя части 2 его соединены таким образом, что по оси имеют общий внутренний канал 4. В верхней части 1 стакана-дозатора предусмотрена приемная воронка 3 с торцевой поверхностью 7 и внутренним краем торцевой поверхности 8, которая выполняет роль формирования потоков жидкого металла из промежуточного ковша машины непрерывной разливки стали во внутренний канал 4 стакана-дозатора диаметром d верхней части 1 и d нижнего торца нижней части стакана дозатора 2 (Фиг. 1).
1
2,
в
1
2
Рабочая поверхность приемной воронки 3 стакана-дозатора контактирует с головной частью 6 стопора-моноблока 5 и жидким металлом и представляет собой усеченный конус, боковая поверхность которого имеет дугообразную форму с основным радиусом R, исходящим от внутреннего края 8 торцевой поверхности 7 верхней части стакана-дозатора 1 в кольцевое сопряжение диаметром S и дополнительным радиусом Rисходящим из кольцевого сопряжения с поверхностью внутреннего канала 4 верхней части 1 диаметром dпри условии, что диаметр D кольцевогопримыкания рабочих поверхностей стопора моноблока 5 и стакана дозатора соответствует диаметру S кольцевого сопряжения основного Rи дополнительного Rрадиусов дугообразной формы поверхности приемной воронки 3 (Фиг. 2,Фиг. 2.1, Фиг. 2.2, Фиг. 3).
1
2
Наличие двух радиусов скругления R и Rна рабочей поверхности приемной воронки 3 стакана-дозатора обеспечивает плотное примыкание головной части 6 стопора моноблока 5 к верхней части 1 стакана - дозатора при разливке жидкого металла.
2
1
В процессе разработки стакана-дозатора для непрерывной разливки металла на машинах непрерывного литья заготовок закрытой струей определено оптимальное соотношение размеров дополнительного радиуса Rв зависимости от основного радиусаRна верхней части 1 стакана дозатора.
2
В частности, проведенные исследования позволяют констатировать, что для снижения рисков замерзания металла во внутреннем канале 4 стакана-дозатора в начале разливки металла через промежуточный ковш дополнительный радиус Rбоковой поверхности приемной воронки 3исчисляется по формуле (1):
2
1
R= R ⋅ K (1)
Данные основываются на результатах ряда испытаний, проводимых в конвертерном цехе АО «ЕВРАЗ НТМК». В ходе испытаний было выявлено, что:
2
1
- дополнительный радиус Rбоковой поверхности приемной воронки 3 менее 1,05 R основного радиуса боковой поверхности приемной воронки 3, приводит к не плотному сопряжению приемной воронки стакана-дозатора 3 и головной части стопора моноблока 6, в связи с этим отмечаются случаи подтека металла и некрытий.
2
1
- дополнительный радиус Rбоковой поверхности приемной воронки 3 более 1,05 R основного радиуса боковой поверхности приемной воронки 3, приводит к более плотному сопряжению приемной воронки стакана-дозатора 3 и головной части стопора - моноблока 6, в связи с этим исключаются случаи подтека металла и некрытий, кроме этого снижаются риски возникновения аварийных ситуаций и их последствия.
1
2
1
2
На Фиг. 2.1 и Фиг. 2.2 приведены различные варианты выполнения приемной воронки 3 с двумя радиусами скругления, например, (Фиг. 2.1), если диаметр окружности D примыкания рабочих поверхностей головной части 6 стопора моноблока 5 больше диаметра S окружности кольцевого сопряжения основного радиуса Rс дополнительным радиусом R(D>S) и, например, (Фиг. 2.2), если диаметр окружности D примыкания рабочих поверхностей головной части 6 стопора моноблока 5 меньше диаметра S окружности кольцевого сопряжения основного радиуса Rс дополнительным радиусом R(D<S).
1
n
,
Возможно выполнение боковой поверхности приемной воронки 3 стакана-дозатора, имеющего в поперечном разрезе дугообразную форму с радиусом R, исходящего от внутреннего края 8 торцевой поверхности верхней части 1 в кольцевое сопряжение диаметром S и последующим множеством радиусов R(Фиг. 3)образуя множество последующих сопряжений диаметром Sn, при этом последний радиус соединен с каналом, а количество кольцевых сопряжений Sn не превышает значения 100, т.к. при увеличении значений кольцевых  сопряжений более 100, вызывает сложность в изготовлении  верхней части стакана-дозатора 1, который выполнен из огнеупорного изделия в виде периклазоуглеродистого материала, подготовки оснастки для производства огнеупорных изделий, проверке геометрических размеров огнеупорных изделий при выходном контроле производителя и входном контроле потребителя.
1
2
n
Возможны различные варианты выполнения величины глубины hпримыкания головной части 6 стопора-моноблока 5 к рабочей поверхности приемной воронки 3 верхней части 1 стакана-дозатора и величины глубиныhпримыкания головной части 6 стопора моноблока 5 к рабочей поверхности приемной воронки 3 верхней части 1 стакана-дозатора 3 и величины глубины hпримыкания головной части 6 стопора-моноблока 5 к рабочей поверхности приемной воронки 3 верхней части 1 стакана-дозатора относительно торцевой поверхности 7 верхней части 1 стакана-дозатора.
1
2
На Фиг. 1 величина глубины hпримыкания головной части 6 стопора моноблока 5 к рабочей поверхности приемной воронки 3 верхней части 1 стакана-дозатора меньше величины глубиныh(Фиг. 2) примыкания головной части 6 стопора моноблока 5 к рабочей поверхности приемной воронки 3 верхней части 1 стакана-дозатора 3.
n
На Фиг. 3 величина глубины hпримыкания головной части 6 стопора-моноблока 5 к рабочей поверхности приемной воронки 3 верхней части 1 стакана-дозатора.
На Фиг. 4 приведены различные варианты выполнения приемной воронки 3 верхней части 1 стакана дозатора с множеством боковых поверхностей усеченных конусов плоской конической формы:
1
- с основным углом отклонения а от торцевой поверхности верхней части 1 стакана дозатора;
2
- с дополнительным углом отклонения а от торцевой поверхности верхней части 1 стакана дозатора;
n
,
n
1
2
n
- множества дополнительных углов отклонения a, расположенных таким образом, что поэтапно образуют кольцевые сопряжения S S, причем количество кольцевых сопряжений не превышают значения 100, т.к. при увеличении значений кольцевых  сопряжений более 100, вызывает сложность в изготовлении  верхней части стакана-дозатора 1, который выполнен из огнеупорного изделия в виде периклазоуглеродистого материала, подготовки оснастки для производства огнеупорных изделий, проверке геометрических размеров огнеупорных изделий при выходном контроле производителя и входном контроле потребителя; при этом максимальный угол отклонения а, а или а будет составлять не менее 0,1°, т.к. проверка на соответствие значений данной величины менее 0,1° огнеупорного изделия будет проблематична, и не более 180°, т.к. возникает отсутствие целесообразности изготовления данной конструкции огнеупорного изделия.
На Фиг. 4 приведены различные варианты выполнения боковой поверхности усеченного конуса рабочей поверхности приемной воронки 3 верхней части 1 стакана-дозатора:
1
2
- в виде множества усеченных конусов, боковые поверхности которых имеют плоские конические формы с углами отклонения аи аот торцевой поверхности верхней части 1 стакана дозатора;
n
- множества дополнительных углов a, сопряженных с боковыми поверхностями в виде дугообразной формы;
n
n
- с множеством радиусов R (Фиг. 1), расположенные таким образом, что поэтапно образуют кольцевые сопряжения S, причем количество кольцевых сопряжений плоских конических и дугообразных форм, размещенных в любой последовательности, не превышают значения 100,
1
2
n
т.к. при увеличении значений кольцевых сопряжений более 100, вызывает сложность в изготовлении  верхней части стакана-дозатора 1, который выполнен из огнеупорного изделия в виде периклазоуглеродистого материала, подготовки оснастки для производства огнеупорных изделий, проверке геометрических размеров огнеупорных изделий при выходном контроле производителя и входном контроле потребителя; при этом максимальный угол отклонения а, а или а будет составлять не менее 0,1°, т.к. проверка на соответствие значений данной величины менее 0,1° огнеупорного изделия будет проблематична, и не более 180°, т.к. возникает отсутствие целесообразности изготовления данной конструкции огнеупорного изделия.
Предпочтительно выполнение внутреннего канала 4 верхней части 1 стакана-дозатора радиально расширенным относительно района нижнего торца нижней части 2 стакана дозатора и исчисляется по формуле (2):
в
н
d = d ⋅ k (2)
Данные зависимости основываются на результатах испытаний, проводимых в конвертерном цехе АО «ЕВРАЗ НТМК». В ходе испытаний было выявлено, что:
в
н
- величина d диаметр внутреннего канала стакана дозатора в верхней части 1 менее 1,01d, приводит к разноориентированному истечению потока металла из внутреннего канала стакана дозатора во внутренний канал погружного стакана с возможностью размытия внутренней поверхности последнего с нарушением качества непрерывно-литой заготовки, созданием аварийной ситуации, например, прогара погружного стакана, подтека металла в сопряжении стакана-дозатора и погружного стакана;
в
н
- величина d диаметр внутреннего канала стакана дозатора в верхней части 1 более 1,30d, т.к. данное соотношение, формируемое такую конструкцию внутреннего канала, не представляется целесообразным в ее применении.
Стакан-дозатор для непрерывной разливки металла на машинах непрерывного литья заготовок закрытой струей работает следующим образом.
1
Стакан-дозатор устанавливается в днище промежуточного ковша. Разливаемый жидкий металл из промежуточного ковша через совмещенные каналы стакана-дозатора и погружного стакана при помощи приемной воронки 3 поступает в кристаллизатор, где затвердевает, и вытягивается в виде заготовки. Дозирование металла из промежуточного ковша производится с помощью вертикально перемещающегося стопора моноблока 5 с головной частью 6. Стопор моноблок 5 и стакан-дозатор образуют канал огнеупорной металлопроводки. Прекращение подачи металла по внутреннему каналу 4 металлопроводки достигается плотным примыканием рабочей поверхности головной части 6 стопора моноблока 5 к приемной воронке 3 стакана-дозатора 3 по окружности диаметром D на глубину h нижней точки головной части 6 стопора-моноблока 5 относительно поверхности торца 7 верхней части 1 стакана-дозатора.
1,
2
в,
1
2
Выполнение рабочей поверхности приемной воронки 3 верхней части 1 стакана-дозатора в виде усеченного конуса, боковая поверхность которого имеет дугообразную форму с основным радиусом Rисходящим от внутреннего края 8 торцевой поверхности 7 верхней части 1стакана-дозатора в кольцевое сопряжение S и дополнительным радиусом R(Фиг. 2), исходящим из кольцевого сопряжения с поверхностью внутреннего канала 4 верхней части 1 диаметром dпри условии, если диаметр D кольцевого примыкания рабочих поверхностей стопора-моноблока 5и верхней-части 1 стакана-дозаторасоответствует диаметру кольцевого сопряжения основного Rи дополнительного Rрадиусов дугообразной формы поверхности приемной 3 воронки S, позволяет снизить риски замерзания металла во внутреннем канале 4 стакана-дозатора в начале разливки металла через промежуточный ковш.
Применение предлагаемого изобретения позволяет: снизить аварийность процесса непрерывной разливки стали в заготовки методом «плавки на плавку» в части снижения неуправляемых подтеков металла (некрытий), приводящего к необходимости замораживания и прекращению разливки стали в кристаллизатор конкретного ручья, снизить случаи замерзания металла в канале металлопроводки при запуске машины непрерывного литья заготовок или после замены промежуточного ковша, увеличить производство металла, снизить потери металлошихты и количества нескольких типоразмеров стаканов-дозаторов, применяемых при разливке металла для нескольких форматов поперечных сечений, в том числе типоразмеров погружных стаканов.
Достоинством предложенного стакана-дозатора является обеспечение устойчивой подачи жидкого металла в кристаллизатор МНЛЗ и длительная работа стакана-дозатора без его замены.
На сегодняшний день испытана опытная партия стаканов-дозаторов из 12-ти опытных огнеупорных изделий, получены следующие результаты:
- отсутствие некрытий при непрерывной разливке стали;
- сопоставимый с серийно-применяемыми стаканами-дозаторами износ канала опытных изделий;
- отсутствие замечаний при разливке металла на разных по поперечному сечению непрерывно-литых блюмовых заготовок.
Таким образом, заявляемое техническое решение полностью выполняет технический результат.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно- технической информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого технического решения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источников, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявляемого изобретения.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию "новизна" и «изобретательский уровень».
Источники информации
[1] Дополнительное соглашение № 19 к контракту № DGNТЗТ000111 от 01.02.2006 г.;
[2] Технический проект № NTMK-TNN-2034 от 10.10.2019 г.;
[3] патент РФ № 23809 «Приемная воронка погружного стакана», ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат», МПК B22D11/00, опубл. 20.07.2002, бюл. № 20.