Расчет и конструирование оборудования для внепечной обработки и разливки стали

 

Многообразие разработанных и внедренных в производство способов внепечной обработки выплавляемой стали требует внесения изменений в и  классификацию.

К методам внепечной обработки стали может быть отнесен всякий способ воздействия на расплав, прямо или косвенно обеспечивающий изменениеего физических или химических параметров, положительно влияющих на качество металла на любой стадии технологического процесса с момента  начала его выпуска из плавильного агрегата до момента окончания разливки.

 

Существующие способы внеагрегатного воздействия на сталь в зависимости и от поставленных целей условно можно разделить на пять групп . К первой группе относятся способы обработки вакуумом, предназначенные для снижения содержания газов в металле. Способы дегазациистали постоянно совершенствуются и развиваются. В настоящее время получили распространение способы  ковшового, порционного, циркуляционного, и струйного вакуумирования.

При ковшовом рафинировании разливочный ковш с жидкой сталью устанавливается в вакуумную камеру, в которой создается разрежение, способствующее удалению газов из расплава. Для интенсификации про­цесса дегазации во время вакуумирования металл продувают аргоном через пористую пробку, установленную в днище ковша. Схема установки ковшового рафинирования показана на рис. 2, а.

 

Рис. 2. Схемы основных способов вакуумирования стали:

а - ковшового; б - порционного; в - пульсационного; г - циркуляционного; д - струйного; е - непре­рывного при разливке стали на МНЛЗ

 

Процесс порционного вакуумирования осуществляют в разливочном ковше с использованием вакуумной камеры, в которую через погружной  патрубок засасывается порция металла, после чего камера периодически поднимается с таким расчетом, чтобы нижний конец патрубка оставался ниже уровня стали, как это показано на рис. 2, б. Затем металл сливается В ковш, а в камеру засасывается очередная порция жидкой стали, подвер­гаемая обработке.

К одной из разновидностей порционного вакуумирования может быть отнесен разработанный в Японии метод пульсационного переме­шивания, схематично представленный на рис. 2, в. Осуществляется по­очередное включение и отключение подачи аргона в полость погружае­мой в жидкую сталь огнеупорной трубы и вакуумного насоса, обеспечи­вающего откачку из нее газа с интенсивностью примерно 10 м³/мин. При этом жидкий металл в полости трубы, а следовательно, и в ковше начи­нает интенсивно пульсировать, в результате чего повышается степень его рафинирования [50].

Для реализации процесса циркуляционного вакуумирования камеру снабжают двумя погружаемыми патрубками. По одному из них в момент создания разрежения в камеру подается аргон, поэтому плотность метал­ла, находящегося в данном патрубке, снижается, что способствует подъ­ему стали в полость трубы, где происходит ее дегазация. Затем по слив­ному патрубку обработанная сталь возвращается в разливочный ковш, вследствие чего возбуждается циркуляция стали (рис. 2, г).

Струйное вакуумирование осуществляется в процессе перелива или разливки металла. При этом обработке вакуумом подвергается струя стали, переливаемой из ковша в ковш или из ковша в изложницу. В обоих случаях металлоприемник располагается в вакуумной камере (рис. 2, д).

Известно промышленное опробование метода непрерывного вакуу­мирования при разливке стали на МНЛЗ. Вакуумную дегазацию струи стали осуществляют в проточной камере, которую размещают между сталеразливочным и промежуточным ковшами (рис. 2, е). Этот метод позволяет одновременно осуществлять дегазацию и защиту стали от вто­ричного окисления, что следует отнести к его достоинствам.

 

Вторую группу составляют процессы, обеспечивающие интенсивное перемешивание жидкого металла в ковше за счет использования энергии сжатого газа, вводимого в расплав различными способами. Данный вид обработки стали применяют, в первую очередь, с целью усреднения ее температуры и химического состава перед последующей разливкой.

Наибольшее распространение на металлургических предприятиях получили способы перемешивания стали с помощью таких продувочных устройств, как погружаемые фурмы, пористые пробки, устанавливаемые в днище ковша, и приспособления, подающие газ через разливочный канал ковшового затвора [119].

 

 

Указанные способы инжекции газа в расплав схематично показаны на рис. 3, а-в. Любой из представленных методов ввода рафинирующего газа имеет свои достоинства и недостатки, прояв­ляющиеся в разной степени в зависимости от конкретных условий их при­менения: вместимости сталеразливочного ковша, конструкции устройств для дозированного выпуска металла, которыми оборудован ковш и т. д.

К альтернативным методам интенсификации массообменных процес­сов в ковшах следует отнести способы газлифтного и пульсационного перемешивания, разработанные сотрудниками Донецкого политехниче­скогоинститута (ныне ДонНТУ) под руководством В. И. Мачикина.

Газлифтное перемешивание (рис. 3, г) основано на направленной цир­куляции металла в специальной футерованной огнеупорным кирпичом

камере, снабженной всасывающим и сливным патрубками. При подаче газа во всасывающий патрубок, погруженный в жидкий металл, образует­ся газожидкостная смесь, кажущаяся плотность которой значительно меньше плотности расплава, в результате чего уровень двухфазной смеси в камере начинает подниматься. В момент достижения смесью уровня сливного отверстия в верхней части камеры, когда газометаллическая смесь начнет сливаться в ковш, происходит направленная циркуляция жидкого металла, способствующая снижению колебаний его химического состава и градиента температуры в объеме перемешиваемой ванны [49].

В отличие от зарубежного аналога разработанный в ДонНТУ способ пульсационного перемешивания, принципиальная схема которого показана на рис. 3, д, предусматривает заполнение полости огнеупорной трубы (ко­лонны) расплавом и периодическое его вытеснение в глубь ковша ней­тральным газом, подаваемым под избыточным давлением. Эффективность данного метода значительно повышается при обеспечении согласования собственных частот колебания металла в системе колонна-ковш и собст­венных частот упругих колебаний газометаллического столба [50, 87].

Указанные методы перемешивания жидкого металла успешно приме­няют и в сочетании с другими видами внепечной обработки, входящими в третью группу, которая объединяет способы рафинирования стали с помощью специально приготовленных шлакообразующих смесей, по­зволяющих снизить содержание в металле серы и кислорода [119].

В четвертую группу могут быть выделены способы обработки стали порошкообразными реагентами, вводимыми в металл с целью его дефосфорации, десульфурации, раскисления и легирования, а также науг­лероживания. Введение реагентов в металлическую ванну осуществляют вдуванием струей газа-носителя, "выстреливанием" капсул или подачей материала в виде проволоки.

Для осуществления технологии инжекционной обработки стали газо­порошковыми смесями необходимы устройства, обеспечивающие дози­рование, устойчивую транспортировку и ввод порошкообразных реаген­тов в жидкий металл. Наиболее целесообразно для этих целей использо­вание погружных и донных фурм, посредством трубопроводов связан­ных с аэрационными питателями (рис. 4, а).

 

 

 

 

Поскольку многие порошкообразные материалы взрывоопасны, то при их использовании необходимо применение особых мер предосторожности. По этой причине для подачи в расплав высокоактивных порошков в настоящее время применяют либо специальные пневматические устройства, "выстреливающие" в металл капсулы в виде цилиндров массой до 0,8 кг, изготовленные из соответствующих материалов, либо начиненную ими стальную проволоку. Для ввода проволоки в расплав с расчетной ско­ростью разработаны трайб-аппараты, снабженные подающими ролика­ми, вращаемыми электромеханическим или пневматическим приводом (рис. 4, б).

Пятая группа объединяет способы модифицирования, микролегирования и инокулирования стали, предполагающие дозированный ввод в нее лигатур или модификаторов во время разливки [25, 98, 148].

Подачу необходимых компонентов в изложницу или центровую Осуществляют с помощью стационарных установок, размещенных на разливочной площадке (рис. 5, а), либо с использованием навесных уст­ройств, устанавливаемых на время разливки на корпус ковша как показанона рис. 5, б.

Наряду с рассмотренными способами воздействия на жидкий металл в настоящее время применяют такие дополнительные меры, как отсечка конечногошлака во время выпуска плавки и защита стали от вторичного окисленияв процессе разливки.

При наличии в ковше большого количества высокоокисленного шлака  резко увеличиваются потери раскислителей и лигатур из-за их угара, но и растет интенсивность разрушения ''шлакового пояса" футеровки ковша. В связи с этим ведут поиск эффективных решений проблемы отсечки конечного шлака при выпуске стали из плавильных печей и конвер­теров. С этой целью предло­жено использовать специ­альные конструкции жело­бов, отводящих шлак в чашу во время схода металла из мартеновской печи в разли­вочный ковш [102, 108], или отсечных элементов поплав­кового типа, вводимых в ванну кислородного конвер­тера и блокирующих его вы­пускной канал при подходе к нему слоя шлакового рас­плава.

Заметное влияние на ка­чественные показатели по­лучаемой металлопродукции оказывают газогидродинамические явления, происходящие во время раз­ливки при взаимодействии истекающей из ковша струи металла с окру­жающей атмосферой.

В настоящее время для устранения негативного воздействия кисло­рода воздуха на разливаемый металл применяют различные способы эк­ранирования струи, включающие использование специальных огнеупор­ных труб или создание кольцевой газовой завесы [132].