СТОПОР ДЛЯ ОТСЕЧКИ ПЕРВИЧНОГО КОНВЕРТЕРНОГО ШЛАКА, АППЛИКАТОР ДЛЯ ПОСАДКИ СТОПОРА В ЛЕТКУ КОНВЕРТЕРА, СИСТЕМА ОТСЕЧКИ ПЕРВИЧНОГО КОНВЕРТЕРНОГО ШЛАКА, СПОСОБ ОТСЕЧКИ ПЕРВИЧНОГО КОНВЕРТЕРНОГО ШЛАКА
STOPPER FOR CUT OFF OF CONVERTER PRIMARY SLAG, APPLICATOR FOR LANDING STOPPER INTO TAP HOLE OF CONVERTER, SYSTEM OF CONVERTER PRIMARY SLAG CUT OFF AND PROCEDURE FOR CONVERTER PRIMARY SLAG CUT OFF

Группа изобретений относится к области черной и цветной металлургии, использующей конвертерный передел металлов, а именно к технологическому комплексу взаимодействующих устройств, образующих систему для отсечки первичного шлака, и к технологии отсечки первичного шлака и могут быть использованы при выпуске плавки из конвертера.
Известны системы «стопор», в которых на начальной стадии выпуска стали используется пробка из огнеупорного материала для защиты выпускаемой стали от шлаковых загрязнений. После слива шлака в выпускное отверстие устанавливают стопор для отсечки первичного шлака.
Известна система со стопором CONE-PLAST-30. С помощью аппликатора (аппликатор - посадочное приспособление для вставления пробки в выпускное отверстие конвертера (летку) - часть системы, но в данном случае изготавливается под заказчика) стопор вставляется снаружи конвертера в горячую зону в конце летки и его пробка сжимается, таким образом, летка полностью закупоривается. Стопор можно использовать до начала продувки, сразу после выпуска стали, подготавливая следующую плавку или после того, как шлак выпускают из конвертера или после завалки скрапа или заливки чугуна. Но не перед выпуском плавки после продувки. При опрокидывании конвертера металл контактирует со стопором в верхней части летки, стопор разрушается под ферростатическим давлением за короткое время, оставляя летку чистой. Состав сухой пробы основного материала пробки, вес.%:
2
3
AlO - 39
2
SiO - 48
2
3
FeO - 3,5
CaO - 0,8
MgO - 0,2
2
KO - 0,2
2
NaO - 0,8
2
TiO - 3,5
C - 3.
3
Плотность основного материала пробки: 0,9 кг/дм; размер зерна: 0-0,5 мм; связующая система: неорган./орган - хим.; температура: 1550°С максимально. Выпускаются стопоры диаметром от 90 мм до 200 мм и стандартной длины от 280 мм. Для специальных леток возможны стопоры длиной до 350 мм и диаметром до 230 мм (http://www.agcarbon.com/sistema_shlaka.html).
Недостатком является высокая вероятность частичного разрушения огнеупорных стенок летки из-за проявления «веерного эффекта». Это приводит к повышению аварийности, удорожанию выпускаемой продукции и лишним трудозатратам.
Известно устройство для запирания летки конвертера, содержащее пластичный огнеупорный элемент из компонентов глины, воды, соединений углеводородов и других целевых добавок, выполненный с возможностью деформирования при посадке до прижатия к стенке летки, спекания с образованием определенной внутренней структуры при продувке плавки и вымывания потоком сливаемого металла. Пластичный огнеупорный элемент смонтирован на трубчатой металлической конструкции вокруг осевого проходного канала между опорной и прижимной поверхностями. Для посадки указанного запирающего устройства с ним взаимодействует известное посадочное приспособление, содержащее рабочую головку, приводной и передающий узлы, выполненное с возможностями ввода запирающего устройства в летку на определенную глубину, достаточную для отсечки первичного шлака, и последующей деформации пластичного огнеупорного элемента. Взаимодействуя между собой для временного запирания летки конвертера с последующим вымыванием запирающего устройства потоком сливаемого металла, они образуют известную систему отсечки первичного конвертерного шлака. Посадочное приспособление содержит вытяжной захват, который продвинут через выпускной канал запирающего устройства, и систему рычагов, через которую смещают торцевую прижимную металлическую поверхность в направлении основной поверхности, деформируя огнеупорный элемент. После посадки посадочное приспособление удаляют. При последующей продувке плавки материал деформированного огнеупорного элемента спекается с образованием определенной структуры. Известен также способ отсечки первичного конвертерного шлака (патент EA 008129, C21C 5/46, F27D 3/15, 2007). Принято за прототип группы изобретений. В течение первых 15 секунд выхода потока расплавленного металла из-за его вращения под действием гравитации образуется «веерный эффект» с гидродинамическим ударом в районе середины летки. При этом остаточный материал запирающего устройства выносится вытекающим жидким металлом в течение нескольких секунд. Поэтому в этом случае неизбежно повреждение огнеупорного материала летки, что увеличивает возможность возникновения аварийной ситуации в наиболее ответственный момент процесса. Таким образом, увеличиваются эксплуатационные затраты, а следовательно, и себестоимость продукции. Также посадочное приспособление не обладает универсальностью, его необходимо изготавливать под конкретного заказчика, что экономически не выгодно. Кроме этого использование в образующей пластичный огнеупорный элемент смеси термореактивных пластмасс также приводит к неоправданному удорожанию.
Учитывая значительный рост конкуренции на рынке металла, все более возрастает значение обеспечения оптимального сочетания цены и качества выпускаемой металлопродукции. Поэтому так важны отечественные разработки в этой области, способные составить конкуренцию зарубежным аналогам.
Задачей, решаемой в предложении заявителя, является повышение эффективности системы отсечки первичного шлака для увеличения эксплуатационной надежности и долговечности летки при снижении аварийности на выпускном отверстии конвертера, повышения экономичности и ресурсосбережения, повышения производительности агрегата путем разработки системы отсечки первичного конвертерного шлака, включающей разработку оригинальной конструкции огнеупорного элемента и всего запирающего устройства в целом, оптимизации состава пластичного огнеупорного элемента, разработки универсальной конструкции посадочного приспособления, оптимизации места позиционирования запирающего устройства в летке конвертера. Решение данной задачи позволит улучшить эксплуатационные характеристики запирающего устройства, повысить эксплуатационную надежность, а значит, и эффективность системы в целом, снизить нагрузку на стенку летки или леточные блоки, оградив их от гидродинамического удара, увеличить стойкость футеровки, удешевить производство, расширить арсенал технических средств, снизить трудоемкость процесса, снизить степень риска возникновения аварийных ситуаций на выпускном отверстии конвертера, снизить затраты на межплавочные ремонты, обеспечить достаточный контроль над первичной волной потока металла.
Сущность первого изобретения группы состоит в том, что в стопоре для отсечки первичного конвертерного шлака, содержащем смонтированный на трубчатой металлической конструкции пластичный огнеупорный элемент, выполненном из компонентов глины, воды, соединений углеводородов и других целевых добавок с возможностями: посредством посадочного приспособления деформироваться между опорной и прижимной поверхностями и пригоняться к стенке летки, спекаться в процессе выгорания с образованием определенной внутренней структуры при продувке плавки для фиксации в летке и вымываться потоком сливаемого металла, особенность состоит в том, что трубчатая металлическая конструкция выполнена в виде несущей трубки и снабжена опорным неподвижным нижним торцевым и прижимным подвижным верхним фланцами, между которыми вокруг несущей трубки смонтирован пластичный огнеупорный элемент в виде пробки, при этом пробка снабжена внутри делителем из органического углеродсодержащего материала с возможностью получения в процессе его выгорания при определенной температуре полости для целенаправленного разрушения пробки при вымывании, а снаружи по периферии - защитной оболочкой из углеводородсодержащего пленочного материала. Кроме этого пробка может иметь цилиндрическую или коническую формы. Осевое отверстие пробки преимущественно имеет диаметр 40 мм. Делитель может быть выполнен ступенчатым толщиной от 6 до 2 мм с наибольшим диаметром центральной части до 100 мм. Температура выгорания делителя предпочтительно составляет 300-350°C. Для этого углеродсодержащий материал делителя может быть выбран из ряда: картон, плотный картон, золокартон. Особенность и в том, что состав пластичного огнеупорного материала пробки содержит, в частности, следующие компоненты, вес.%:
Каолин
- 30-35;
Песок
25-30;
Соединения углеводородов
10-15;
Масло индустриальное
2,5-4,5;
Углерод
0,5-1;
Вода
10-12;
Органическое связующее
2-3;
Неорганическое связующее
2-3.
Причем указанный состав пластичного огнеупорного материала пробки может дополнительно содержать 0,5-1 вес.% пластификатора. При этом могут быть использованы: каолин высокочистый, фракция 0-1 мм; кварцевый песок отсев, фракция 0,1-0,63 мм; соединения углеводородов в виде гранулята и агломерата полиэтилена высокого давления, фракция 2-4 мм; углерод в виде графита или древесной угольной пыли; пластификатор на основе лингосульфата натрия; органическое связующее в виде многоатомного спирта; неорганическое связующее в виде гексаметафосфата натрия 68%. В качестве органического связующего желательно использовать глицерин. Кроме этого состав пластичного огнеупорного материала пробки предпочтительно подобрать с возможностью образования в процессе выгорания внутри пробки пористой, сотовой структуры со сквозными каналами диаметром до 1 мм направлением, примерно параллельным направлению выпускного отверстия. Защитная оболочка пробки может быть выполнена из полиэтилена и закреплена на пробке, например, слоем скотча.
Сущность второго изобретения группы состоит в том, что в аппликаторе для посадки стопора в летку конвертера, содержащем рабочую головку, приводной и передающий узлы, выполненном возвратно-поступательного типа с возможностью взаимодействия со стопором, особенность состоит в том, что рабочая головка снабжена поворотными эксцентриковыми кулачками, которые сложены в обойме и закреплены на опорной матрице с возможностью скольжения до раскрытия с направлением движения под углом 90 градусов при натяжении рычага, для чего корпус рабочей головки выполнен с прорезями, при этом рабочая головка выполнена с возможностью поступательного движения в тело аппликатора и возвратного движения в исходное положение, причем кожух аппликатора снабжен подвижным ограничителем, который закреплен с возможностью регулирования рабочего хода головки в пределах 50-150 мм посредством стягивающего болта, а сжатие стопора на более чем ½ длины обеспечено средним рабочим ходом головки 100 мм.
Сущность третьего изобретения группы состоит в том, что в системе отсечки первичного конвертерного шлака, включающей:
сменное запирающее устройство, содержащее смонтированный на трубчатой металлической конструкции пластичный огнеупорный элемент, выполненный из компонентов глины, воды, соединений углеводородов и других целевых добавок с возможностями: посредством посадочного приспособления деформироваться между опорной и прижимной поверхностями и пригоняться к стенке летки, спекаться в процессе выгорания с образованием определенной внутренней структуры при продувке плавки для фиксации в летке и вымываться потоком сливаемого металла; а также
съемное посадочное приспособление, содержащее рабочую головку, приводной и передающий узлы, выполненное с возможностью взаимодействия с запирающим устройством для его ввода в летку с позиционированием на определенном уровне, достаточном для отсечки первичного шлака, и с возможностью деформации пластичного огнеупорного элемента между опорной и прижимной поверхностями до пригонки к стенке летки;
особенность состоит в том, что в качестве запирающего устройства использован стопор, его трубчатая металлическая конструкция выполнена в виде несущей трубки и снабжена неподвижным нижним торцевым опорным и подвижным верхним прижимным фланцами, между которыми вокруг несущей трубки смонтирован пластичный огнеупорный элемент в виде пробки, при этом пробка снабжена внутри делителем из органического углеродсодержащего материала с возможностью получения в процессе его выгорания при определенной температуре полости для целенаправленного разрушения пробки при вымывании, и снаружи по периферии - защитной оболочкой из углеводородсодержащего пленочного материала, а посадочное приспособление выполнено возвратно-поступательного типа. Кроме этого пробка может иметь цилиндрическую или коническую формы. Стопор преимущественно позиционирован на уровне 2-3 блоков наборной летки или середины летки. Осевое отверстие пробки стопора предпочтительно имеет диаметр 40 мм. Делитель может быть выполнен ступенчатым толщиной от 6 до 2 мм с наибольшим диаметром центральной части до 100 мм. Температура выгорания делителя желательно составляет 300-350°C. Для этого углеродсодержащий материал делителя можно выбрать из ряда: картон, плотный картон, золокартон. Особенность и в том, что состав пластичного огнеупорного материала пробки содержит, в частности, следующие компоненты, вес.%:
Каолин
30-35;
Песок
25-30;
Соединения углеводородов
10-15;
Масло индустриальное
2,5-4,5;
Углерод
0,5-1;
Вода
10-12;
Органическое связующее
2-3;
Неорганическое связующее
2-3.
Данный состав пластичного огнеупорного материала пробки может дополнительно содержать 0,5-1 вес.% пластификатора. При этом могут быть использованы: каолин высокочистый, фракция 0-1 мм; кварцевый песок отсев, фракция 0,1-0,63 мм; соединения углеводородов в виде гранулята и агломерата полиэтилена высокого давления, фракция 2-4 мм; углерод в виде графита или древесной угольной пыли; пластификатор на основе лингосульфата натрия; органическое связующее в виде многоатомного спирта; неорганическое связующее в виде гексаметафосфата натрия 68%. В качестве органического связующего желательно использовать глицерин. Кроме этого состав пластичного огнеупорного материала предпочтительно подобрать с возможностью образования в процессе выгорания внутри пробки пористой, сотовой структуры со сквозными каналами диаметром до 1 мм направлением, примерно параллельным направлению выпускного отверстия. Защитная оболочка пробки может быть выполнена из полиэтилена и закреплена на пробке, например, слоем скотча. Особенность также и в том, что посадочное приспособление возвратно-поступательного типа может быть выполнено в виде аппликатора, его рабочая головка снабжена поворотными эксцентриковыми кулачками, которые сложены в обойме и закреплены на опорной матрице с возможностью скольжения до раскрытия с направлением движения под углом 90 градусов при натяжении рычага для создания жесткого зацепления при их упоре в опорный фланец стопора, для чего корпус рабочей головки выполнен с прорезями, при этом рабочая головка выполнена с возможностью поступательного движения в тело аппликатора и возвратного движения в исходное положение, причем кожух аппликатора снабжен подвижным ограничителем, который закреплен с возможностью регулирования рабочего хода головки в пределах 50-150 мм посредством стягивающего болта, а сжатие стопора на более чем ½ длины обеспечено средним рабочим ходом головки 100 мм.
Сущность четвертого изобретения группы состоит в том, что в способе отсечки первичного конвертерного шлака, включающем ввод в летку с позиционированием на определенном уровне, достаточном для отсечки первичного шлака, посредством посадочного приспособления с рабочей головкой, приводным и передающим узлами запирающего устройства в виде смонтированного на трубчатой металлической конструкции пластичного огнеупорного элемента, выполненного из компонентов глины, воды, соединений углеводородов и других целевых добавок с последующей деформацией пластичного огнеупорного элемента между опорной и прижимной поверхностями до пригонки к стенке летки, дальнейшее удаление посадочного приспособления, спекание в процессе выгорания с образованием внутри деформированного пластичного огнеупорного материала определенной внутренней структуры при продувке плавки для фиксации в летке и вымывание запирающего устройства потоком сливаемого металла, особенность состоит в том, что в качестве запирающего устройства используют стопор, его трубчатую металлическую конструкцию выполняют в виде несущей трубки и снабжают неподвижным нижним торцевым опорным и подвижным верхним прижимным фланцами, между которыми вокруг несущей трубки монтируют пластичный огнеупорный элемент в виде пробки, которую снабжают внутри делителем из органического углеродсодержащего материала, выгорающего при определенной температуре, а снаружи по периферии - защитной оболочкой из углеводородсодержащего пленочного материала, стопор вводят в летку и позиционируют на определенном уровне посредством посадочного приспособления возвратно-поступательного типа, с помощью которого затем деформируют пробку, далее в процессе выгорания во время продувки плавки обеспечивают образование внутри пробки определенной структуры, для этого подбирают определенный состав пластичного огнеупорного материала, а также получают после выгорания делителя при определенной температуре полость, с помощью которой после расплавления несущей трубки в процессе слива разделяют поток металла посредством его частичного вхождения в полость, чем оказывают дополнительное механическое воздействие на нижнюю часть пробки, и этим активно целенаправленно разрушают ее с отделением не менее 25-30% массы изделия в первые 7-10 секунд с одновременным уширением проходного отверстия стопора таким образом, что гасят «веерный эффект» и снижают нагрузку на примыкающие леточные блоки или стенку летки, разрушают далее пробку с потерей ее массы до 50-60% и окончательно вымывают остатки пробки стопора из канала летки, при этом полный цикл работы стопора осуществляют за 15-25 секунд. Также пробку можно выполнить цилиндрической или конической формы. Стопор предпочтительно позиционируют на уровне 2-3 блоков наборной летки или середины летки. Получают осевое отверстие пробки стопора в основном диаметром 40 мм. Делитель может быть выполнен ступенчатым толщиной от 6 до 2 мм с наибольшим диаметром центральной части до 100 мм. Температуру выгорания делителя выбирают желательно 300-350°C. Для этого углеродсодержащий материал делителя выбирают из ряда: картон, плотный картон, золокартон. Особенность и в том, что в состав пластичного огнеупорного материала пробки включают, в частности, следующие компоненты, вес.%:
Каолин
30-35
Песок
25-30
Соединения углеводородов
10-15
Масло индустриальное
2,5-4,5
Углерод
0,5-1
Вода
10-12
Органическое связующее
2-3
Неорганическое связующее
2-3.
В данный состав пластичного огнеупорного материала пробки дополнительно можно включить 0,5-1 вес.% пластификатора. При этом используют: каолин высокочистый, фракция 0-1 мм; кварцевый песок отсев, фракция 0,1-0,63 мм; соединения углеводородов в виде гранулята и агломерата полиэтилена высокого давления, фракция 2-4 мм; углерод в виде графита или древесной угольной пыли; пластификатор на основе лингосульфата натрия; органическое связующее в виде многоатомного спирта; неорганическое связующее в виде гексаметафосфата натрия 68%. В качестве органического связующего можно использовать глицерин. Также состав пластичного огнеупорного материала пробки преимущественно подбирают с возможностью образования в процессе выгорания внутри пробки пористой сотовой структуры со сквозными каналами диаметром до 1 мм и направлением, примерно параллельным направлению выпускного отверстия. Защитную оболочку пробки можно выполнить из полиэтилена и закрепить на пробке, например, слоем скотча. Кроме этого особенность состоит и в том, что посадочное приспособление предпочтительно выполнить в виде аппликатора, его рабочую головку снабжают поворотными эксцентриковыми кулачками, которые складывают в обойме и закрепляют на опорной матрице с возможностью скольжения до раскрытия с направлением движения под углом 90 градусов при натяжении рычага для создания жесткого зацепления при их упирании в опорный фланец стопора, для чего корпус головки выполняют с прорезями, при этом рабочую головку выполняют с возможностью поступательного движения в тело аппликатора и возвратного движения в исходное положение, причем кожух аппликатора снабжают подвижным ограничителем, который закрепляют с возможностью регулирования рабочего хода головки в пределах 50-150 мм посредством стягивающего болта, а сжатие стопора на более чем ½ длины обеспечивают средним рабочим ходом головки 100 мм. При этом пластичный огнеупорный материал деформируют таким образом, что смещают несущую трубку с опорным фланцем и пробкой стопора относительно верхнего фланца стопора, упирающегося в ограничитель аппликатора.
Заявляемая совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат.
Состав огнеупорного материала обеспечивает возможность деформировать пробку стопора. Также использование определенного состава компонентов смеси обеспечивает во время продувки плавки при спекании огнеупорного материала образование в пробке таких химико-керамических связей и параллельное выгорание жидких и порошковых углеводородных составляющих, которые способствуют получению пористой, сотовой структуры пробки со сквозными каналами диаметром до 1 мм и направлением, примерно параллельным направлению выпускного отверстия. Благодаря такой структуре и большому количеству газовых каналов, являющихся в данном случае концентраторами напряжения, происходит активное разрушение огнеупорного материала стопора. Это позволяет облегчить целенаправленный процесс вымывания стопора во время слива плавки. Кроме этого заявленный состав компонентов смеси обеспечивает значительное удешевление стопора по сравнению с прототипом. Использование пробки с делителем позволяет получить после его выгорания полость внутри пробки. Наличие в пробке стопора такой полости дает возможность разделить поток сливаемого металла, обеспечив целенаправленное разрушение пробки. Расположение такого стопора в месте наиболее вероятного направления гидродинамического удара (на уровне середины летки или 2-3 блоков наборной летки) позволяет погасить «веерный эффект», а следовательно, исключить гидродинамический удар на блоки или стенку летки. Это приводит к снижению вероятности возникновения аварийной ситуации с разрушением блоков или стенки летки, а значит, к повышению надежности и долговечности летки, снижению расходов на межплавочные ремонты, снижению эксплуатационных расходов. Использование в качестве выгорающего делителя органического углеродсодержащего материала, выбранного из группы: картон, плотный картон, золокартон, обеспечивает надежное выгорание во время плавки, с одной стороны, и обеспечивает высокую жесткость делителя, необходимую при производстве для формирования четко очерченной внутренней полости. Использование пленочной защитной оболочки предохраняет пробку от повреждений или деформаций во время ввода в летку и тем самым обеспечивает целенаправленную деформацию. Кроме этого предохраняет огнеупорную часть изделия от потери влаги и, как следствие, сохраняет эксплуатационные свойства изделия в течение 3-х месяцев. Выполнение осевого канала пробки диаметром 40 мм обеспечивает целенаправленное истечение первой порции металла, расплавление трубчатой основы стопора в течение 3-5 секунд и разделение потока при вхождении в зону полости делителя с возможностью гашения «веерного эффекта». Размещение стопора примерно на уровне 2-3 блоков наборной летки или примерно середине летки (возможно расположение стопора и в начале летки) дополнительно позволяет удобно визуально контролировать процесс установки и облегчает манипулирование аппликатором. Расположение регулируемого подвижного ограничителя на аппликаторе позволяет контролировать ход рабочей головки и, как следствие, изменять степень деформации стопора. Через верхний фланец, который при установке стопора на аппликатор упирается в ограничитель, происходит движение несущей трубы с пробкой стопора, с одновременной деформацией пробки. Направление движения раскрытия кулачков под углом примерно 90 градусов обеспечивает четкое, бесперебойное раскрытие кулачков и создание надежного зацепления с опорным фланцем стопора. Это обеспечивает надежное запирание летки. Таким образом, повышается эффективность работы системы отсечки шлака.
Все указанные особенности позволяют системе в целом получить преимущество в рыночной конкуренции с зарубежными аналогами. На фиг.1 представлена схема положения слоя металла и слоя шлака в конвертере во время плавки; на фиг.2 - схема прохождения слоя шлака через зону летки при выпуске плавки; на фиг.3 - схема положения слоя шлака в начале выпуска плавки; на фиг.4 представлен стопор до ввода в летку, общий вид; на фиг.5 - стопор после деформации в холодном состоянии вне летки, общий вид; на фиг.6 представлена схема расположения стопора в летке; на фиг.7 представлен аппликатор, общий вид; на фиг.8 представлен приводной узел аппликатора, общий вид; на фиг.9 - передающий узел аппликатора, общий вид; на фиг.10 представлена рабочая головка аппликатора, общий вид; на фиг.11 - то же, вид А на фиг.10; на фиг.12 - схема рабочей головки аппликатора в раскрытом состоянии; на фиг.13 - то же, вид Б на фиг.12; на фиг.14 представлен корпус рабочей головки, общий вид; на фиг.15 - то же, вид В на фиг.14; на фиг.16 представлена схема движения кулачков; на фиг.17 представлен поворотный кулачек, общий вид; на фиг.18 - то же, вид Г на фиг.17; на фиг.19 представлена опорная матрица, общий вид; на фиг.20 - то же, вид Д на фиг.19; на фиг.21 - обойма, общий вид; на фиг.22 - то же, вид Е на фиг.21; на фиг.23 представлен стопор после деформации в летке; на фиг.24 - схема расположения стопора в летке в деформированном и фиксированном состоянии и газовых каналов пробки стопора; на фиг.25 - схема движения первой порции металла через канал стопора в первые 3-5 секунд от начала слива; на фиг.26 - схема движения металла после растворения несущей трубки и начальной стадии разрушения пробки; на фиг.27 - то же, вид Ж на фиг.26; на фиг.28 - схема первоначального разрушения пробки стопора; на фиг.29 - схема окончательного разрушения пробки; на фиг.30 - схема вымывания разрушенной пробки.
Во время процесса плавки в конвертере 1, имеющем летку 2 для слива металла, слой 3 шлака располагается сверху расплава 4 металла из-за разной плотности металла и шлака. После окончания процесса плавки при наклоне конвертера 1 через летку 2 сначала одноразово выходит часть шлака слоя 3 (первичный шлак) и только после продолжения наклона через летку 2 начинает вытекать в разливочный ковш (не показано) расплав 4 металла. Для защиты выпускаемого металла от загрязнения первичным шлаком используют систему отсечки первичного шлака - комплекс технических средств, решающих общую техническую задачу. Система включает понятие о целом, состоящем из взаимосвязанных, взаимодействующих, взаимозависимых частей, причем свойства этих частей зависят от системы в целом, свойства системы - от свойств ее частей (Лопатников Л.И. Экономико-математический словарь: Словарь современной экономической науки. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Дело, 2003. - 520 с).
Заявляемая система отсечки первичного шлака включает стопор 5 в виде пробки 6 из пластичного огнеупорного материала на трубчатой металлической конструкции (не указано) и аппликатор 7. Пробка 6 выполнена с возможностями: деформироваться между опорной и прижимной поверхностями с пригонкой к стенке (не указано) летки 2, спекаться в процессе выгорания с образованием определенной внутренней структуры при продувке плавки для фиксации в летке 2 и вымываться потоком сливаемого металла. Аппликатор 7 выполнен с возможностями: взаимодействия со стопором 5 для ввода последнего в летку 2 с позиционированием на уровне, достаточном для отсечки первичного шлака, и последующей деформации пробки 6 между торцевой и опорной поверхностями до пригонки к стенке (не указано) летки 2, Взаимодействие стопора 5 и аппликатора 7 обеспечивает временное запирание летки 2.
Вне летки 2 до деформации пробка 6 стопора 5 имеет цилиндрическую или коническую форму. Пластичный огнеупорный материала пробки 6 выполнен из компонентов глины, воды, соединений углеводородов и других целевых добавок и, в частности, содержит следующие компоненты, вес.%:
Каолин высокочистый, фракция 0-1 мм
30-35
Химический состав каолина, вес.%:
SiO<sub>2</sub>
63-69
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
22-25
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,2-0,3
TiO<sub>2</sub>
0,3-0,4
CaO
до 0,5
MgO
до 0,1
K<sub>2</sub>O
до 0,2
Na<sub>2</sub>O
0,1
SO<sub>3</sub>
0,1
Кварцевый песок отсев, фракция 0,1-0,63 мм
25-30
Химический состав кварцевого песка, вес.%:
SiO<sub>2</sub> (не менее)
98,98
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (не более)
0,07
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (не более)
0,061
Содержание влаги
0,5
- Соединения углеводородов в виде смеси
гранулята и агломерата полиэтилена
высокого давления (ПВД), фракция 2-4 мм
10-15
- Масло индустриальное 2,5-4,5
- Углерод (С) в виде графита или древесной
угольной пыли 0,5-1
- Вода 10-12
(присаживается водный раствор пластификатора и смеси связующих);
- Органическое связующее в виде многоатомного
2
2
спирта (глицерина-CHOHCHOHCHOH) 2-3
- Неорганическое связующее в виде
гексаметафосфата натрия 68%
3
2
(соль Грахама- (NaPO)n·nHO) 2-3
Данный состав пластичного огнеупорного материала пробки может дополнительно содержать 0,5-1 вес.% пластификатора на основе лингосульфата натрия.
Огнеупорная компонента смеси пластичного огнеупорного материала пробки имеет следующий химический состав (на прокаленном веществе), вес.%:
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
6-10
SiO<sub>2</sub>
87-92
MgO
0,1-0,9
CaO
0,1-0,9
суммарное содержание примесей (Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+TiO<sub>2</sub>+Na<sub>2</sub>O и др)
1-3.
3
Пластичный огнеупорный материал стопора имеет следующие физические характеристики: плотность 0,9-1,0 г/см; размер зерна огнеупорных составляющих 0-1,0 мм; тип связки - органическая/химико-керамическая; температура разрушения под нагрузкой 1550°C.
Внутри пробка 6 снабжена делителем 8 из органического углеродсодержащего материала, выбранного, например, из ряда: картон, плотный картон, золокартон. Снаружи по периферии пробка 6 снабжена защитной оболочкой 9 из углеводородсодержащего материала, предпочтительно полиэтилена, которая закреплена, желательно, слоем 10 скотча. Содержание углерода (C) в пробке 12-17 вес.%. Трубчатая металлическая конструкция выполнена в виде несущей трубки 11, имеющей для выпуска первых порций металла при сливе проходной канал 12, которая снабжена неподвижным нижним торцевым опорным и подвижным верхним прижимным фланцами 13, 14 соответственно. Пробка 6 смонтирована вокруг несущей трубки 11 между фланцами 13, 14 и имеет осевой канал (не указано), в данном случае, 40 мм. Делитель 8 может иметь различные формы, в частности, может быть выполнен ступенчатым толщиной от 6 до 2 мм с наибольшим диаметром центральной части до 100 мм. Длина и диаметр стопора 5, а также толщина выгорающего делителя 8 подбираются в зависимости от диаметра выпускных отверстий (летки 2), средней температуры выпуска металла и вязкости шлака. В настоящий момент разработаны стопоры 5 для конвертеров 1 емкостью 160, 350, 400 тонн с длиной 240-270 мм, пробка 6 которых имеет высоту 180-220 мм, диаметр 120, 125, 140, 145, 160, 170 мм. Возможно изготовление стопора 5 длиной до 320 мм и диаметром до 220 мм.
При посадке стопор 5 сначала вводится в летку 2 с позиционированием на уровне, достаточном как для отсечки первичного шлака, так и для гашения «веерного эффекта». Место позиционирования стопора в летке 2 может быть практически любое. Но желательное место расположения стопора 5 - это примерно середина летки 2 или 2-3 блоки наборной летки 2. Возможна посадка стопора 5, в частности, вначале летки 2.
Посадка стопора 5 в летку 2 выполнена посадочным приспособлением возвратно-поступательного типа, в данном случае аппликатором 7. Аппликатор 7 содержит известные и широко применяемые в технике приводной и передающий узлы 15, 16 соответственно, а также рабочую головку 17 заявляемой конструкции. Отличительной особенностью рабочей головки 17 является наличие поворотных эксцентриковых кулачков 18, выполненных с возможностью скольжения до занятия искомого положения при натяжении рычага (не показано). Рабочая головка 17 включает корпус 19, в котором расположена обойма 20 со сложенными в ней поворотными эксцентриковыми кулачками 18, которые закреплены на опорной матрице 21. Корпус 19 имеет прорези 22 для скольжения по ним кулачков 18 до упора в опорный фланец 13 стопора 5 при натяжении рычага аппликатора 7. При этом обеспечено направление движения раскрытия кулачков 18 под углом 90 градусов. Рабочий ход головки 17 составляет 50-150 мм, преимущественно 100 мм, для обеспечения деформации стопора 5 на более чем ½ длины. Для обеспечения определенного рабочего хода на кожухе 23 аппликатора 7 закреплен подвижный ограничитель 24, который можно регулировать с помощью стягивающего болта (не показано).
Кулачки 18 и рычаг обеспечивают деформацию пробки 6 смещением несущей трубки 11 с опорным неподвижным фланцем 13 и пробкой 6 относительно фланца 14, упирающегося в ограничитель 24 аппликатора 7. Высокая температура в зоне летки 2 при продувке плавки обеспечивает спекание и фиксирование деформированной пробки 6 и стопора 5 в целом в летке 2, а также обеспечивает выгорание делителя 8 при определенной температуре, в частности 300-350°C с образованием полости 17. В данном случае, полость на месте выгоревшего делителя имеет ступенчатую форму, наибольший диаметр до 100 мм и толщину от 6 мм до 2 мм. Спекание пластичного огнеупорного материала происходит в процессе выгорания с образованием химико-керамической связи и параллельным выгоранием жидких и порошковых углеводородных составляющих. При этом внутри пробки 6 образуется пористая сотовая структура со сквозными каналами 25 диаметром до 1 мм и направлением, примерно параллельным направлению проходного канала 12, а также полость 17 после выгорания делителя 8.
Работа системы отсечки шлака заключается в следующем.
Для отсечки первичного конвертерного шлака сразу после выпуска плавки на рабочую головку 17 аппликатора 7 надевают стопор 5 и вводят его в выпускное отверстие конвертера 1 с позиционированием, желательно на уровне 2-3 блоков наборной летки 2, или середины летки 2, или, возможно, например, вначале летки 2. После позиционирования стопора 5 натягивают рычаг аппликатора 7 до соприкосновения прижимного фланца 14 с ограничителем 24. Положение ограничителя 24 определяет ход рабочей головки 17 и, следовательно, степень деформации пробки 6 стопора 5. При натяжении рычага через зубчато-цепочную передачу 26 происходит натяжение внутренней приводной штанги 27. На первом этапе движения происходит разворачивание стопорящих кулачков 18 в обойме 20. Развернувшиеся на 90 градусов кулачки 18 упираются в нижний опорный фланец 13 стопора 5, создавая с ним жесткое зацепление. Затем происходит поступательное движение внутренней рабочей трубки 28, сопровождающееся упругой деформацией малой пружины 29. Последующий ход сопровождается деформацией главной рабочей пружины 30 аппликатора 7 и поступательным движением рабочей головки 17 в тело аппликатора 7. Регулировка подвижного ограничителя 24, закрепленного на кожухе аппликатора 7 с помощью стягивающего болта, позволяет изменять рабочий ход в диапазоне деформации сжатием 50-150 мм. Средний ход головки аппликатора 7 составляет 100 мм, что позволяет производить сжатие стопора 5 на более чем ½ его длины. После достижения рычагом ограничивающего стопора 5 и соответственно его сжатия до определенной длины, отпускают рычаг, высвобождая главную и малую пружины 30, 29 соответственно из-под нагрузки. Под воздействием работы пружин 29, 30 все подвижные элементы аппликатора 7 возвращаются в исходное положение. После чего аппликатор 7 извлекается из стопора 5 и летки 2. Таким образом, эксцентриковые кулачки 18, скользящие по прорезям 22 до занятия определенного положения при натяжении рычага, являются конструктивной особенностью аппликатора 7.
3
3
При повороте конвертера 1 на выпуск плавки шлак с температурой плавления ~1350°C не может расплавить стопор 5 и заполняет канал летки 2 практически без истечения. При дальнейшем повороте конвертера 1 шлак в течение 3-5 секунд вытесняется металлом, например сталью. Процесс вытеснения происходит благодаря большой разнице плотности металла, в частности стали, и шлака. Плотность стали при температуре 1670-1700°C - 5,8 г/см, плотность шлака при данной температуре колеблется от 3,15 до 3,4 г/см. Таким образом, при контакте с металлом (в частности, сталью) шлак сразу вытесняется из канала металлоразливочного отверстия (летки 2). При занятии конвертером 1 положения для слива плавки начинается истечение металла через проходной канал 12 стопора 5. Через 3-5 секунд внутренняя трубчатая основа стопора 5 расплавляется и с металлом начинает контактировать непосредственно огнеупорный материал пробки 6. Сливаемый металл, принимая из-за гравитации вращение по часовой стрелке, оказывает на материал пробки 6 стопора 5 не только термическое, но и активное механическое воздействие. При вхождении в полость 17 выгоревшего делителя 8, поток металла разделяется, оказывая дополнительное механическое воздействие на нижнюю часть пробки 6 стопора 5. Благодаря пористой сотовой структуре и большому количеству газовых каналов 25, являющихся в данном случае концентраторами напряжения, происходит активное разрушение огнеупорного материала стопора 5, с отделением не менее 25-30% массы 31 изделия в течение первых 7-10 секунд. Выходное отверстие стопора мгновенно уширяется и «веерный эффект» струи металла, характерный при использовании стопоров другой конструкции, сразу гасится, что снижает нагрузку на примыкающие легочные блоки или стенку летки и увеличивает их стойкость. Далее под воздействием термомеханической нагрузки происходит дальнейшее разрушение пробки 6 с потерей массы (не показано) до 50-60%. По достижении данной величины пробка 6 стопора 5 более не может удерживать силу ферростатического давления и вымывается из канала летки под воздействием потока металла. Полный цикл работы стопора 5 составляет 15-25 секунд, а проявление «веерного эффекта» продолжается не более 3-5 секунд.
Преимущества системы
1. Снижение в готовом выплавляемом металле содержания неметаллических включений, восстанавливающихся из конвертерного шлака, в частности, фосфора (P) и серы (S).
2. Возможность выплавки металла с более узкими граничными требованиями по неметаллическим включениям, выплавка марок металла, ранее не возможных к выплавке в конвертере.
3. Снижение угара ферросплавов, алюминия и других модифицирующих металлов и сплавов при раскислении и модифицировании плавки.
4. 100% устранение вероятности запечатывания канала сталевыпускного отверстия конвертера шлаком во время продувки плавки, и как следствие, повышение производительности агрегата за счет исключения затрат времени на очистку летки перед выпуском плавки.
5. Совместно с системой конечной отсечки шлака обеспечение налива шлака из конвертера в ковш не более 70 мм, что повышает стойкость футеровки шлакового пояса сталеразливочного ковша и комплексную стойкость футеровки ковша в целом.
6. В сравнении с прототипом, 100% запирание выпускного отверстия без повреждения первого, второго блоков летки, как следствие, увеличение стойкости футеровки выпускного отверстия, снижение степени риска возникновения аварийных ситуаций на выпускном отверстии конвертера.
Заявленное решение обеспечивает сохранность летки за счет гашения «веерного эффекта», повышение качества и снижение себестоимости выпускаемой металлопродукции. Появляется возможность относительно простых решений по регулируемому сливу.