УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ, ПЕРЕМЕШИВАНИЯ И ПОДОГРЕВА ЖИДКОЙ СТАЛИ ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ

Полезная модель относится к области литейного производства, в частности к непрерывному литью металлов и конкретно к устройствам для подачи и обработки расплава в промежуточном ковше машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
Известно устройство для подачи жидкой стали в МНЛЗ, содержащее сталеразливочный ковш со сливным стаканом, сообщающимся с промежуточным ковшом, в котором установлены верхние и подовые электроды, подключенные соответственно к отрицательному и положительному полюсам источника постоянного тока (см. пат. Франции №2573682, МПК B22D 11/10, опубл. 30.05.1986).
Известное устройство, предназначенное для регулирования температуры жидкой стали и оптимизации работы МНЛЗ, в свете современных тенденций (см. Процессы непрерывной разливки: Монография / А.Н.Смирнов, В.Л.Пилюшенко, А.А.Минаев и др. - Донецк: ДонНГУ, 2002. - С.456) развития непрерывной разливки по увеличению вместимости промежуточных ковшей до 50 т и более, а также в связи с переносом в них некоторых металлургических операций, например раскисления, десульфурации и легирования, не обеспечивает быстрое и равномерное перемешивание и нагрев металла, особенно при больших скоростях разливки на многоручьевых установках. При этом не обеспечивается оптимальная тепловая работа промежуточного ковша со значительным снижением температуры жидкой стали, поступающей в кристаллизатор, при ее изменении в процессе разливки в сталеразливочном ковше. При переменной температуре металла, поступающего в кристаллизатор, не обеспечивается высокая стабильность процесса разливки и качество непрерывнолитой заготовки. Скорость изменения температуры металла, выходящего из сталеразливочного ковша по сливному стакану в промежуточный ковш, зависит от переменных величин тепловых потерь и функций распределения температуры по высоте сталеразливочного ковша. В связи с этим постоянство температуры металла
в промежуточном ковше можно поддерживать в небольших пределах изменением уровня металла в нем, а в значительных пределах - применением регулируемого обогрева мениска металла. Однако перемешивание и нагрев металла с усреднением температуры и состава в известной установке с большегрузными промежуточными ковшами и с высокой скоростью разливки при помощи стационарно проходящего через жидкую ванну электрического тока затруднено и не гарантирует гомогенизации разливаемого металла, что снижает качество непрерывнолитых заготовок.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для подачи, перемешивания и подогрева жидкой стали при непрерывной разливке, содержащее сталеразливочный ковш со сливным стаканом и датчиком скорости разливки, промежуточный ковш с перегородкой со сквозным каналом, разделяющей его на приемную камеру, сообщающуюся со сливным стаканом сталеразливочного ковша, и разливочную камеру, снабженную разливочным стаканом, сообщающимся с кристаллизатором, и датчиком температуры металла, а также верхние и подовые электроды, установленные в каждой из камер и подключенные соответственно к отрицательному и положительному полюсам источника постоянного тока (см. заявку Японии №4-26933, МПК B22D 11/10, опубл. 05.05.1992).
Известное устройство обеспечивает нагрев и кондуктивное перемешивание металла в промежуточном ковше за счет прохождения тока по расплаву через сквозной канал в перегородке. При этом не достигаются оптимальные интервалы температур, однородность металла, стабильная разливка и высокое качество непрерывнолитой заготовки. Это связано с тем, что не учитывается влияние скорости разливки и температура металла на параметры электрического тока, проходящего через расплав. В известном устройстве действие электрического тока распространяется только на 1/3 часть расплава, находящегося в промежуточном ковше. Прохождение тока в стационарном режиме между верхними и подовыми электродами не обеспечивает эффективного перемешивания и подогрева металла, поэтому в промежуточном ковше наблюдаются застойные зоны, не вовлекаемые в процесс разливки, например у его боковых торцевых стен. При больших скоростях разливки известное устройство не обеспечивает гомогенизацию разливаемого металла по
температуре и составу, а также точное регулирование температуры разливки в узком диапазоне. Это снижает качество поверхности и внутренних объемов непрерывнолитой заготовки. Поэтому известное устройство не гарантирует достижение стабильного температурного режима на МНЛЗ, а недогрев или слишком низкая температура металла вызывают нарушения и перерывы в процессе разливки, что приводит к поверхностным и внутренним дефектам в непрерывнолитом слитке, например к сегрегации и пористости (см. Зубарев А.Г. Теория и технология производства стали для МНЛЗ. - М.: Металлургия, 1986. - С.207).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство для подачи, перемешивания и подогрева жидкой стали при непрерывной разливке, является повышение качества непрерывнолитой заготовки.
Техническим результатом от использования предлагаемого устройства является стабилизация скорости разливки металла, увеличение интенсивности и зоны воздействия на расплав, что уменьшает образование и развитие поверхностных и внутренних дефектов в непрерывнолитой заготовке.
Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для подачи, перемешивания и подогрева жидкой стали при непрерывной разливке, содержащем сталеразливочный ковш со сливным стаканом и датчиком скорости разливки, промежуточный ковш с перегородкой со сквозным каналом, разделяющей его на приемную камеру, сообщающуюся со сливным стаканом сталеразливочного ковша, и разливочную камеру, снабженную разливочным стаканом, сообщающимся с кристаллизатором, и датчиком температуры металла, а также верхние и подовые электроды, установленные в каждой из камер и подключенные соответственно к отрицательному и положительному полюсам источника постоянного тока, добавлены новые элементы и изменены связи между узлами. Устройство дополнительно снабжено четырьмя регуляторами тока с микропроцессорной системой управления и блоками согласования и задания переключения тока, причем силовые входы регуляторов тока попарно соединены с полюсами источника постоянного тока, силовые выходы первого и второго регуляторов тока, подключенных к отрицательному полюсу источника постоянного тока, соединены с верхними электродами
соответственно в приемной и разливочной камерах, силовые выходы третьего и четвертого регуляторов тока, подключенных к положительному полюсу источника постоянного тока, соединены с подовыми электродами соответственно в разливочной и приемной камерах, управляющие входы всех регуляторов тока подключены к выходу из микропроцессорной системы управления, к входу которой подсоединены блок задания переключения тока и выход блока согласования, вход блока согласования соединен с датчиками скорости разливки и температуры металла.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображен поперечный разрез устройства для подачи, перемешивания и подогрева жидкой стали при непрерывной разливке и схема его управления.
Устройство для подачи, перемешивания и подогрева жидкой стали при непрерывной разливке содержит сталеразливочный ковш 1 со сливным стаканом 2 и датчиком скорости разливки 3, например тензометрическим или электромагнитным. Сливной стакан 2 сообщается с приемной камерой 4, образованной в промежуточном ковше 5 перегородкой 6, выполненной из огнеупорного материала и имеющей сквозной канал (каналы) 7. Разливочная камера 8, отделенная от приемной камеры 4 перегородкой 6, снабжена датчиком температуры 9, например пирометром или термопарой, и разливочным стаканом 10, сообщающимся с кристаллизатором 11. В приемной камере 4 промежуточного ковша 5 установлены верхний электрод 12, например металлический, графитовый или выполненный в виде плазмотрона, и подовый электрод 13, а в разливочной камере 8 - верхний электрод 14 и подовый электрод 15. Все электроды 12, 13, 14 и 15 подключены через четыре регулятора тока 16, 17, 18 и 19 (тиристорные или транзисторные) к источнику постоянного тока 20. При этом отрицательный полюс источника постоянного тока 20 подключен к силовым входам 21 и 22 соответственно первого 16 и второго 17 регуляторов тока, а его положительный полюс - к силовым входам 23 и 24 соответственно третьего 18 и четвертого 19 регуляторов тока. Силовой выход 25 первого регулятора тока 16 подключен к верхнему электроду 12 в приемной камере 4, а силовой выход 26 второго регулятора тока 17 - к верхнему электроду 14 в разливочной камере 8 промежуточного ковша 5. Силовой выход 27 третьего регулятора тока 18 подключен к
подовому электроду 15 в разливочной камере 8, а силовой выход 28 четвертого регулятора тока 19 - к подовому электроду 13 в приемной камере 4 промежуточного ковша 5. Управляющие входы 29, 30, 31 и 32 регуляторов тока 16, 17, 18 и 19 подключены к выходам 33 из микропроцессорной системы управления 34, вход 35 которой соединен с блоком задания переключения тока 36 и выходом 37 блока согласования 38. Вход 39 блока согласования 38 подключен к датчику скорости разливки 3 на сталеразливочном ковше 1 и датчику температуры металла 9, установленному на разливочной камере 8 промежуточного ковша 5.
Устройство для подачи, перемешивания и подогрева жидкой стали при непрерывной разливке работает следующим образом. Из сталеразливочного ковша 1 жидкая сталь поступает по сливному стакану 2, с измерением ее расхода с помощью датчик скорости разливки 3, в приемную камеру 4 промежуточного ковша 5. Из приемной камеры 4 расплав поступает (траектория движения потоков на чертеже показана длинными линиями со стрелками) через перегородку 6 со сквозным каналом 7 в разливочную камеру 8. Температура расплава в разливочной камере 8 контролируется датчиком температуры металла 9 и далее жидкая сталь разливается через разливочный стакан 10 в кристаллизатор 11. Для перемешивания и нагрева металла на верхний электрод 12 и подовый электрод 13 в приемной камере 4, а также на верхний электрод 14 и подовый электрод 15 в разливочной камере 8 подается напряжение через соответственно первый 16, второй 17, третий 18 и четвертый 19 регуляторы тока от источника постоянного тока 20 на их силовых входы соответственно 21, 22, 23 и 24. С силовых выходов 25, 26, 27 и 28 регуляторов тока 16, 17, 18 и 19 напряжение подается соответственно на верхний электрод 14 в приемной камере 4, на верхний электрод 15 в разливочной камере 8, на подовый электрод 15 в разливочной камере 8 и на подовый электрод 13 в приемной камере 4 промежуточного ковша 5. При этом возможна реализация трех вариантов работы верхних электродов 12 и 14. В первом варианте они могут быть расположены над поверхностью металла в промежуточном ковше 5 с генерацией электрических или плазменных дуг (на чертеже не обозначены) между ними и металлом. Во втором варианте нижние концы верхних электродов 12 и 14 погружают в слой шлака на поверхности металла в промежуточном ковше 5. В третьем варианте нижние концы верхних
электродов 12 и 14 погружают в металл, находящийся в промежуточном ковше 5 (выполнение второго и третьего вариантов на чертеже не показано). Возможны комбинации трех перечисленных вариантов работы для каждого из верхних электродов 12 и 14 для создания благоприятных условий нагрева металла в приемной 4 и разливочной 8 камерах. Верхние электроды 12 и 14 могут быть выполнены: графитированными или металлическими; сплошными или полыми, с подачей через них газа; водоохлаждаемыми нерасходуемыми или неохлаждаемыми расходуемыми, с расплавлением или выгоранием. В зависимости от условий перемешивания и нагрева металла в промежуточном ковше 5 реализуется девять режимов прохождения тока (на чертеже показаны линиями с короткими штрихами со стрелками) через металл, которые перечислены по мере увеличения мощности нагрева: 1) между верхним электродом 12 и подовым электродом 13 в приемной камере 4; 2) между верхним электродом 14 и подовым электродом 15 в разливочной камере 8; 3) между верхним электродом 12 в приемной камере 4 и подовым электродом 15 в разливочной камере 8; 4) между верхним электродом 14 в разливочной камере 8 и подовым электродом 13 в приемной камере 4; 5) между верхним электродом 12 и подовым электродом 13 в приемной камере 4 и одновременно подовым электродом 15 в разливочной камере 8; 6) между верхним электродом 14 и подовым электродом 15 в разливочной камере 8 одновременно подовым электродом 13 в приемной камере 4; 7) одновременно между верхними электродами 12 и 14 и подовым электродом 13 в приемной камере 4; 8) одновременно между верхними электродами 12, 14 и подовым электродом 15 в разливочной камере 8; 9) одновременно между верхними электродами 12, 14 и подовыми электродами 13, 15. При последнем девятом режиме реализуются максимальные мощность источника постоянного тока 20 и скорость нагрева металла в промежуточном ковше 5. В последних семи режимах электрический ток полностью или частично проходит по металлу через сквозной канал 7 в перегородке 6. Перечисленные режимы прохождения тока через металл могут комбинироваться с тремя вариантами работы верхних электродов 12 и 14. Реализация различных режимов прохождения тока через металл в промежуточном ковше 5 осуществляется переключением тока с помощью регуляторов тока 16, 17, 18 и 19 путем подачи исполнительных сигналов на их управляющие входы соответственно
29, 30, 31 и 32 от выходов 33 микропроцессорной системы управления 34. Алгоритм переключения (последовательность, частота и амплитуда тока) регулируется при подаче на вход 35 микропроцессорной системы управления 34 задающих сигналов от блока задания 36 и обратных управляющих сигналов с выхода 37 блока согласования 38. При этом параметры переключения тока согласуются с температурой металла и скоростью разливки в соответствие с сигналами, поступающими на вход 39 блока согласования 38, от датчика скорости разливки 3 и датчика температуры 9. Заявляемое устройство позволяет повысить стабильность температуры металла в промежуточном ковше 5 за счет плазменно-дугового, электродугового, электрошлакового и/или прямого джоулевого нагрева (перечислены в порядке снижения эффективности нагрева), а также увеличить чистоту и однородность металла за счет его кондуктивного электромагнитного перемешивания (см. Ячиков И.М. Интенсификация массопереноса в электропечах постоянного тока: Монография. - Магнитогорск: МГТУ, 2002. - С.110). При этом в приемной 4 и разливочной 8 камерах создаются благоприятные термокинетические условия, способствующие рафинированию металла и стабилизации его температуры на разливочном стакане 10, что повышает качество непрерывнолитой заготовки, формирующейся в кристаллизаторе 11. При замыкании тока между электродами 12 и 15, при открытых первом 16 и третьем 18 регуляторах тока и закрытых втором 17 и четвертом 19 регуляторах тока, или при замыкании тока между электродами 14 и 13, при открытых втором 17 и четвертом 19 регуляторах тока и закрытых первом 16 и третьем 18 регуляторах тока, реализуется прохождение тока через сквозной канал (каналы) 7 в перегородке 6. Если плотность тока в сквозном канале 7 достигает значений достаточных для пережатия расплава за счет сил пинч-эффекта, то происходит испарение металла и возникает плазменный разряд. Это вызывает разрыв в электрической цепи источника постоянного тока 20 и последующее ее восстановление с возникновением электрогидравлического эффекта и возбуждением вибрации в расплаве, что дополнительно способствует его перемешиванию и нагреву (см. Семкин И.Г., Коптев А.П., Морозов А.П. Внепечная плазменная металлургия: Монография. - Магнитогорск: МГТУ, 2000. - С.84). Перемешивание и нагрев расплава с помощью электрического тока, реализуемого при переключении регуляторов тока 16, 17, 18 и 19,
обеспечивает эффективное регулирование температуры жидкого металла в промежуточном ковше 5 и постоянство его температуры при поступлении во все ручьи МНЛЗ. Использование в заявляемом устройстве предлагаемой системы управления перемешиванием и температурным режимом в значительной степени улучшает условия разливки и повышает качество заготовок, поскольку температура на начальных стадиях сталеплавильного процесса может быть снижена. При этом повышается гибкость системы перемешивания по отношению к условиям нагрева и особенностям геометрии промежуточного ковша 5. На основе текущих сигналов с датчиков скорости разливки 3 и температуры металла 9 изменяются режимы переключения тока между электродами 12, 13, 14 и 15 по программе, заложенной в микропроцессорной системе управления 34, которая предусматривает изменение или сохранение на постоянном уровне величины передаваемой металлу энергии в процесс разливки. Переключение тока между верхними электродами 12, 14 и подовыми электродами 13, 15 с помощью регуляторов тока 16, 17, 18 и 19, управляемых микропроцессорной системой управления 34, с учетом текущей скорости разливки и температуры металла позволяет проводить нагрев и перемешивание расплава с равномерным распределение реагентов (раскислителей, лигатур и модификаторов), вводимых в промежуточный ковш 5, с усреднением его химического состава и температуры. При этом реализуется подача на кристаллизатор 11 стали строго определенного состава и температуры, что способствует повышению однородности структуры получаемых непрерывнолитых заготовок. При использовании заявляемой установки увеличивается надежность разливки и продолжительность рафинирования стали в промежуточном ковше 5. Это способствует более эффективному отделению от металла неметаллических включений, в частности частиц оксида алюминия, что позволяет получать заготовки более высокого качества. Заявляемое устройство обеспечивает при повышенных скоростях разливки ускоренную гомогенизацию разливаемого металла по температуре и составу, а также точное регулирование температурного режима разливки в широком диапазоне подводимых мощностей, что повышает качество поверхности и сердцевины непрерывнолитой заготовки. Таким образом, применение заявляемого устройства с регулируемым объемным кондуктивным перемешиванием и нагревом (плазменным, дуговым или
электрошлаковым) металла в промежуточном ковше 5 позволяет обеспечить высокое качество непрерывнолитых заготовок и поверхности холоднокатанных листов, полученных из них.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что заявляемое устройство для подачи, перемешивания и подогрева жидкой стали при непрерывной разливке обеспечивает повышение качества непрерывнолитых заготовок, работоспособно и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе. Соответственно, заявляемое устройство может быть применено в литейном производстве с целью повышения качества непрерывнолитых заготовок, а, следовательно, соответствует условию «промышленной применимости».