Способ циркуляционного вакуумирования жидкого металла и устройство для его осуществления

 

Изобретение может быть использовано при внепечной обработке металла способом циркуляционного вакуумирования. Сущность: в способе циркуляционного вакуумирования ввод инертного газа осуществляют в смешанном режиме на двух уровнях сначала задают постоянный расход газа на нижнем уровне, затем на верхнем уровне на расстоянии от нижнего уровня равном 0,65 - 0,75 высоты всасывающего патрубка, вводят инертный газ с частотой 1 - 10 Гц, производят оценку приращения объема отходящих газов, после чего по знаку приращения изменяют частоту вводимого газа на верхнем уровне ввода в диапазоне, не превышающем 50 Гц, до положения, когда приращение объема отходящих газов станет равным нулю, в устройстве , включающем вакуум-камеру со сливным и всасывающим патрубками, сопла для ввода инертного газа выполнены на двух уровнях, причем сопла верхнего уровня выполнены щелевыми и направлены навстречу друг другу, расположены на оси поперечного сечения всасывающего патрубка на расстоянии от сопла нижнего уровня, равном 0,65 - 0.75 высоты всасывающего патрубка, преобразователь постоянного расхода инертного газа в пере менный расположен на аргонной линии верхнего уровня и соединен с исполнительным механизмом контура автоматического управления по отклонению отходящих газов. 2 с.п.ф-лы.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

ЬЭ

С

М, ОО

«4

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5051545/02 (22) 08.07.92 (46) 15.1193 Бюл. ФЬ 41 — 42 (71) Московский институт стали и сплавов (72) Фохтин АГ„. Хитриков Ю.С;; Абдупахов ЗХ (73) Московский институт стали и сплавов (54) СПОСОБ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ВАКУУМИРОВАНИЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение может быть использовано при внепечной обработке металла аюсобом циркуляционного вакуумирования. Сущность: в способе циркуляционного вакуумирования ввод инертного газа осуществляют в смешанном режиме на двух уровнях сначала задают постоянный расход газа на нижнем уровне, затем на верхнем уровне на расстоянии от нижнего уровня, равном 065 — 075 высоты всасывающего патрубка, вводят инертный газ с частотой 1 — 10 Гц, производят оценку прираще(В) RU (1Ц 2002817 Cj. (51) 5 С21С7 10 ния объема отходящих газов, после чего по знаку приращения изменяют частоту вводимого газа на верхнем уровне ввода в диапазоне, не превышающем 50 Гц, до положения, когда приращение объема отходящих газов станет равным нулю, в устройстве, включающем вакуум-камеру со спивным и всасывающим патрубками, сопла для ввода инертного газа выполнены на двух уровнях причем сопла верхнего уровня вьитопнены щелевыми и направлены навстречу друг другу, расположены на оси поперечного сечения всасывающего патрубка на расстоянии от сопла нижнего уровня, равном 0,65—

0,75 высоты всасывающего патрубка, преобразователь постоянного расхода инертного газа в переменный расположен на аргонной линии верхнего уровня и соединен с исполнительным механизмом контура автоматического управления по отклонению отходящих газов. 2 слф-лы.

2002817

Изобретение относится к области черной металлургии и, в частности, может быть использовано при внепечной обработке металла способо л циркуляционного вакуумирования.

Известен способ циркуляционного вакуумирования жидкого металла, заключающийся в том, что принудительно осуществляют движение металла через вакуум-камеру за счет ввода инертного газа в ее всасывающий патрубок, причем режим дегаэации металла через камеру регулируют путем изменения ввода инертного газа (1), Известно устройство для циркуляционного вакуумирования металла, содержащее вакуум-камеру, всасывающий и сливной патрубки. газовое сопло, причем вакуум-камера представляет собой цилиндрический формы герметизированный сосуд, в нижней части которого встроены патрубки, а в верхней через вакуумопровод он подсоединен к насосу (1).

Недостатком этих способа и устройства является то, что s результате одноуровневого ввода инертного газа в режиме постоянного расхода ограничивается выбор режимов обработки для различных по химическому составу марок сталей вследствие различного рода взаимодействия вводимого газа и жидкого металла, обусловливающих как скорость движения жидкого металла через камеру, так и интенсивность процесса дегазации, Эти способ циркуляции и устройство для его осуществления не позволяют надежно и в достаточной степени стабильности получать готовый металл с высокими показателями качества.

Наиболее близким техническим решением является способ циркуляционного вакуумирования жидкого металла, включающий создание глубокого разрежения в вакуумной камере, заполнение ее металлом через всасывающий патрубок и ввод инертного газа рассредоточенно по высоте всасывающего патрубка на трех уровнях, причем на втором уровне ввод инертного газа осуществляют с определенными амплитудой и частотой, а затем по мере роста аргонных пузырей вводят в пульсирующем режиме инертный газ на третьем уровне (2), Наиболее близким техническим решением является также устройство для циркуляционного вакуумирования стали, содержащее вакуум-камеру со сливным и всасывающим патрубками, сопла для ввода инертного газа, расположенные на трех уровнях на всасывающем патрубке и подключенные K автономным аргонным линиям с вентилями, и преобразователи постоянно расхода инертного газа в переменный (2).

Недостатком этих способы циркуляционного вакуумирования и устройства для его осуществления является то, что организовать мелкодисперсную фазу гаэометаллического потока во всасывающем патрубке устройства эа счет ввода аргона на трех уровнях не возможно. Последовательный ввод инертного газа в пульсирующем режиме на втором и третьем уровнях с определенными частотой и амплитудной не удавалось синхронизировать по частоте и амплитуде. Действие высокой температуры жидкого металла, уменьшающееся давление по мере подъема пузырьков вдоль патрубка по-разному оказывают влияние на динамику развития пузырьков. Эксплуатация устройства показала, что ввод инертного газа на трех уровнях по частоте и амплитуде сопровождалось завариванием сопл при малых амплитудах вводимого газа вследствие малых расходов инертного газа, а при больших амплитудах не удавалось осуществлять регулирования по частоте и синхронизировать их взаимодействие на двух уровнях в соответствие со структурой газометаллического потока, в результате чего происходил срыв мелко дисперсного режима на снарядной (пробковый), что приводило к большим выбросам металла и образованию настылей на стенках камеры или к завариванию вкуум-провода. Во всех случаях это приводило к выходу камеры из, эксплуатации и последующему ремонту.

Сущность изобретения заключается в

З5 том, что в способе циркуляционного вакуумирования стали, включающем создание глубокого разрежения в вакуумной камере, заполнение ее металлом через всасывающий патрубок и ввод инертного газа рассре40 доточенно llo высоте всасывающего патрубка, согласно изобретению ввод инертного газа осуществляют в смешанном режиме на двух уровнях: сначала задают постоянный расход газа на нижнем уровне, затем на верхнем уровне на расстоянии от нижнего уровня, равном 0,65 — 0,75 высоты всасывающего патрубка, вводят инертный газ с частотой 1-10 Гц, производят оценку приращения объема отходящих газов, после

50 чего по знаку приращения изменяют частоту вводимого газа на верхнем уровне ввода в диапазоне, не превышающем 50 Гц, до положения, когда приращение объема отходящих газов станет равным нулю.

55 Сущность изобретения заключается также в том, что в устройстве, содержащем вакуум-камеру со сливным и всасывающим патрубками, сопла для ввода инертного газа, подключенные к автономным аргонным линиям с вентилями, преобразователи по2002817

55 стоянного расхода инертного газа в переменный, согласно изобретению сопла для ввода инертного газа выполнены на двух уровнях, причем сопла верхнего уровня выполнены щелевыми и направлены навстречу друг другу, расположены на оси поперечного сечения всасывающего патрубка на расстоянии от сопла нижнего уровня, равном 0,65 — 0,75 высоты всасывающего патрубка, преобразователь постоянного расхода инертного газа в переменный рас положен на аргонной линии верхнего уровня и соединен с исполнительным механизмом контура автоматического управления по отклонению отходящих газов.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 — графики результатов вакуумной обработки.

В нижней части вакуум-камеры 1 выполнены сливной 2 и всасывающий 3 патрубки, каждый длиною около 950 мм. Во всасывающем патрубке 3 выполнены сопла 4 первого уровня диаметром 4 мм на расстоянии

130 — 150 мм от нижнего торца патрубка.

Второй уровень сопл 5 выполнен на высоте

830 мм или на расстоянии 680 мм от нижнего уровня сопл 4, что составляет 0,72 высоты всасывающего патрубка 3. Два сопла 5 второго уровня выполнены щелевыми шириной

1,7 — 1,8 мм, площадью сечения 7,2 мм и г расположены по одной из осей поперечного сечения патрубка 3 навстречу друг другу, Подвод инертного газа к соплам 4 и 5 ïåðвого и второго уровней осуществляется по отдельным аргонным линиям б и 7, К аргонной линии 7 второго уровня сопл 5 подключены два механизма 8 для преобразования постоянного расхода инертного газа в переменный, путем попеременного включения каждого из них. В аргонных линиях 6 и 7 и вакуум-проводе включены расходомеры 911 типа ДМ для контроля за расходами вво аэо в. LUTo KH механизмов 8 обьединены пластиной 12, которая соединена с помощью сварки с зубчатой рейкой 13 с шагом резьбы М10 и длиной

150 мм, Рейка 13 соединена с редуктором исполнительного механизма 14. К валу редуктора через переходник подсоедлнена ось переменного сопротивления 15 типа

CA-11. К переменному сопротивлению 15 подключен стабилизированный источник питания 16 с напряжениями на выходе 100 м В, -12 В, Между источником 16 и переменным сопротивлением 15 подключен стрелочный прибор 17 типа М4201 на 100 мВ и нуль-орган 18, выполненный на микросхеме типа К570САЗ. На второй вход нуль-органа

18 подключен выход расходомера 11, Выход нуль-органа 18 подключен к входу электрон5

45 ного ключа 19, выполненного на двух транзисторах типа КТ315 и реле типа РЭС вЂ” 22, Одна пара контактов К 1.1 реле электронного ключа 19 подключена к регулятору 20 типа P.25.2;2, а другая пара контактов К 1.2 — к исполнительному механизму 21, который соединен с вентилем 22 аргонной линии б.

Выход регулятора 20 подключен к исполнительному механизму 14. Стабилизированный источник питания 16, нуль-орган 18, электронный ключ 19 выполнены в одном блоке, на лицевую панель которого вынесен прибор 17. Коммутация блока с другими элементами устройства осуществляется с помощью электрических кабелей через разъемы. В качестве исполнительных органов используются исполнительные механизмы типа МЭМ 1/10, Устройство работает следующим образом, Перед вакуумированием устанавливают начальный расход инертного газа через сопла 4, равный 50 — 60 л/мин, а эателгопускают камеры 1 в ковш с расплавом, подвергаемым вакуумной обработке. При выборе режима обработки, заключающегося в определении рационального расхода инертного газа в соответствии с исходной раскисленностью металла, производят пробно вчедение газа через сопла 5 с частотой 1-5 Гц при исходном давлении 7 — 8 ат и постоянном расходе 60 — 75 л/мин в линии

6. Изменение интенсивности дегазации, как реакции на воздействие вводимого газа, воспринимается и фиксируется расходомером 11, По разнице сигналов с выходов расходомера 11 и переменного сопротивления

15, поступающих на входы нуль-органа 18, производят оценку истинного приращения отходящих газов в вакуум-камере 1 на произведенное воздействие инертного газа с частотой 1-5 Гц через сопла 5, При принятой подаче инертного газа через сопла 4 структура формирующегося потока черезвычайно чувствительна к количественному вводу инертного газа. Это обстоятельство в значительной мере ограничивает количество вводимого газа и вместе с тем диапазон регули,ования массовой скорости металла через камеру, ибо, с одной стороны, малый расход вводимого газа приводит к завариванию сопл 4, а с другой стороны, — к перенасыщеннию металлического потока газом, что приводит к снижению массовой скорости циркуляции. Снижение массовой скорости циркуляции неразрывно связано с динамикой развития газометаллического потока, в частности с развитием и ростом газовой фазы в объеме металлического потока, По мере роста объема газовой фазы за

2002817

50 счет реакции обезуглероживания, влияния температуры, снижения гидростатического давления растет влияние коэффициента проскальзывания между фазами, приводящего к перераспределению соотношения скоростей газовой и жидкой сред. Заполнение газовыми пузырьками всей площади (объема) патрубка завершается в области, расположенной на расс1оянии 0,65-0,75 первого уровня ввода инертного газа. Эта область становится переходной (критической) в формировании потока, после которой происходит трансформация патока в пробковый или пенно-турбулентный, следовательно, происходит перестройка гаэометаллического потока, сопровождающегося уменьшением массовой скорости металла.

Воздействие периодически меняющегося потока (c частотой 1 — 50 Гц) через сопла 5 приводит, с одной стороны, к резкому торможению восходящего потока, а, с другой стороны, в момент отсутствия этого воздействия — к восстановлению начальной скорости потока, но с некоторым ускорением вследствие уменьшения потерь на смешение потоков и сопротивления пузырьков, меньших по обьему, образовавшихся в результате дробления при смешении потоков, Таким образом, в результате взаимодействия вводимого газа с начальной частотой

° 1-5 Гц через сопла 5 с восходящим снизу газометаллическим потоком происходит как торможение потока, так и ускорение его, причем характер переходных процессов в зоне смешения в большой степени зависит от частоты меняющегося потока вводимого газа. Введение периодически меняющегося газового потока в диапазоне 1-50 Гц с различной степенью эффективности изменяет структуру потока, поднимающегося над соплами 4 и 5, интенсифицируя массообменные процессы (увеличение реакции абеэуглероживания, выделение водорода, образование окислов), а также увеличивая массовый расход металла через камеру.

Массовый расход металла при этом подчиняется эмпирическому выражению, полученному в ходе лабораторных и промышленных исследований:

1,366 10 в (— M ) х — 3 2 х — F" - Р Д, (1 —.а ) 1

dc где cu — частота преобразования вводимого газа, с

-1.

Рг, — давление вводимого аргона, кг/м с;

Рпат — площадь патрубка, м; г, dc — диаметр сопла, м;

h — длина патрубка, м; а — коэффициент газосодержания.

Такая органиэация ввода инертного газа позволяет производить гибкое регулирование режимом циркуляции в соответствии с выражением,„.„„„, М,"A. - }

Рк магм (2) где Р1дг, Ргдг давление вводимого инертного газа на первом и втором уровнях, кг/м .с;

Рк — давление в камере, кг/м. с; . г. рг — плотность газометаллической смеси, кг/м .

Выбор режимов вакуумирования легко производится flo выражению (2), что позволяет получать готовый металл с прогноэируемым качеством по содержанию остаточного кислорода и водорода и неметаллических включений, однородностью перемешивания (гомогенностью) эа счет периодически изменяющегося режима, перестройки потока с большей степенью.турбулизирующега движения металла, максимальное удаление газов в каждом конкретном случае вакуумирования, рациональное использование инертного газа.

Первый шаг ввода инертного газа в режиме частотного преобразования производится при расходе 60 — 75 л/мин по показаниям расхадомера 10. Частота преобразования вводимого газа определяется сжатием пружин в эолотниковом механизме 8 с помощью рейки 13, подсоединенной к редуктору исполнительного механизма 14, который подключен к выходу регулятора 20.

Показания частоты преобразования фиксируются по измерительному прибору l7, подключенному к переменному сопротивлению

15 (I кОм), вал которого жестко соединен с рейкой 13. На переменное сопротивление

15 подключено напряжение 100 мВ от стабилизированного источника 16 так, что угол поворота вала сопротивления 15 пропорционален сообщаемому усилию на пружины механизмов 8 и соответствующей частоте преобразования постоянного расхода инертного газа, На фиг. 2 представлена зависимость

U/f где U — напряжение (усилие), фиксируемое прибором 17, мВ; f — частота преобразования постоянного расхода, Гц. После воздействия инертным газом через сопла 5 при частоте 1-5 Гц наблюдают за показаниями расходомера 11, фиксирующего количество отходящих газов. При этом на один

2002817

25

35

55 из входов нуль-органа 18 поступает сигнал с выхода расходомера 11, а на другой его вход — сигнал от переменного сопротивления 15. Реакция объема дегазируемого металла в пространстве камеры на произведенное воздействие со стороны переменного расхода через сопла 5 сопровождается положительным приращением в объеме удаляемых газов, По мере увеличения частоты вводимого газа приращения в объеме удаляемых газов стремится к нулю и затем перейти в область отрицательных значений. При уменьшении амплитуды газовыделения на возрастающее воздействие со стороны газа в частотно-преобразованном виде на выходе нуль-органа 18 формируется сигнал, который запирает электронный ключ 19, При этом положение контактов К 1.1 и К 1,2 соответствует отключению регулятора 20, на его выходе появляется напряжение, включающее двигатель исполнительного механизма 14 на реверс.

Одновременно с этим включается исполнительный механизм 21 управления вентилем на увеличение расхода инертного газа через сопла 5 с начальной частотой 1 — 50 Гц, Увеличение расхода вводимого газа через сопла 5 приводит к некоторому увеличению газовыделения. На входе нуль-органа 18 вновь появляются сигналы одной полярности, в результате чего на его выходе возникает сигнал, открывающий электронный ключ, и производится переключение контактов К 1,1 и К 1.2. подключающих регулятор

20 к выходному напряжению нуль-органа

18, и отключение исполнительного механизма 21, что означает повторную операцию изменения усилия сжатия пружин механизмов 8 и повторную перестройку частоты в диапазоне до 50 Гц. По мере роста частотного преобразования, но уже при повышенном расходе инертного газа наблюдают за приращением по расходомеру 11 в обьеме удаляемых газов. Повышение частоты вводимого инертного газа происходит до значения, когда на входах нуль-органа 18 появляющиеся сигналы с расходомера 11 и с выхода переменного сопротивления 15 не будут равны друг другу по величине. При этом соотношении сигналов на выходе нульоргана 18 появляется напряжение, запирающее электронный ключ 19, что приводит к отключению регулятора 20 и подключения исполнительного механизма 21 управления вентилем 22 постоянного расхода в линии 6 сопл 5. Время переключения контактов К 1.1 и К 1,2 на порядок превышает постоянные времени двигателей исполнительных механизмов 14 и 21. При равенстве входных сигналов от расходомера 1I и переменного сопротивления 15 нуль-орган 18 находится в режиме постоянного переключения относительно оптимального значения, отслеживая отклонение сигнала с расходомера 11 на изменение величины сигнала с переменного сопротивления 15. Выбор режима циркуляции может производится и вручную путем изменения значения как постоянного расхода инертного газа через сопла 4, так и через сопла 5 в любой момент времени по ходу вакуумной обработки. Ручной и автоматический режимы управления вакуумной обработкой дополняют друг друга в выборе необходимого технологического процесса вакуумирования для достижения конкретных показателей качества металла.

Пример. Обработку сталей 09Г2С и

ОХН1МФа проводили в автоматическом режиме. Графики расхода вводимого газа по каждому каналу представлены на фиг. 2; при давлении аргона по каналу сопл 4 не более

4 ат., а для канала сопл 5 ввод осуществляли при давлении около 8ат., начальный расход инертного газа через сопла 4 был установлен для стали 09Г2С 50 л/мин, а через сопла .

5 ввод газа осуществляли при расходе 80 л/мин. При частоте преобразования 15 Гц проводили цикличное переключение вводимого газа по каналу сопл 5. Оптимальное значение удаляемых газов составил в начале 4,6, а в конце 1,1 м /мин при частоте ввода инертного газа в конце вакуумирования 32 — 35 Гц, при расходе аргона 270 л/мин.

При вакуумировании стали 0Х1МФа начало вакуумирования было таким, как и для стали 09Г2С, но по ходу вакуумировгния были отклонения как в частотном преобразовании, так и по количеству вводимого газа на втором уровне, Для этой стали характерно повышенное частотное преобразование вводимого газа и меньшее его количество.

Цикличное переключение вводимого газа началось с расхода 80 л/мин и частоты 28—

30 Гц, к концу вакуумирования расход составлял 180 л/мин при частоте преобразования 38 — 41 Гц. Анализ проб свидетельствует о качественном улучшении полученного металла как по структуре и содержанию неметаллических включений, так и по содержанию остаточных газов кислорода и водорода, Средний балл неметаллических включений для оксидов составлял 0,65, а для сульфидов — 1,36, что привело к улучшению пластических свойств обрабатываемых сталей. Так, в продольных образцах пластичность улучшилась на 10-12%, в поперечных образцах — на 40-45%. Опытный металл имел значительно меньшую анизот2002817 ропию механических свойств, ударная вязкость возросла на 35%.

Использование предлагаемых способа и устройства позволит получить 10 сравнению с прототипом следующие технико-зкономические преимущества; удаление остаточных газов увеличилась для кислорода на 22% для водорода на 27%; улучшение пластических свойств обрабатываемого металла для продольных образцов на 10-12%; поперечных образцов на 40-45%; ударная

Формула изобретения

1, Способ циркуляционного вакуумирования жидкого металла, включающий создание глубокого разрежения в вакуумной камере, заполнение ее металлом через всасывающий патрубок и ввод инертного газа рассредоточенно по высоте всасывающего патрубка, отличающийся тем, что ввод инертного газа осуществляют в смешанном режиме на двух уровнях: сначала задают постоянный расход газа на нижнем уровне, затем - на верхнем уровне на расстоянии от нижнего уровня, равном 0,65"

0,75 высоты всасывающего патрубка, вводят инертный газ с частотой 1 - 10 Гц, оценивают приращения обьема отходящих газов, после чего по знаку приращения изменяют частоту вводимого газа на верхнем уровне ввода в диапазоне, не превышающем 50 Гц, до положения, когда приращение объема отходящих газов станет равным нулю. скорость на 35%; средние потери тепла обрабатываемого металла сократились на 9 С или на 20% по сравнению с прототипом, 5 (56) 1. Морозов A.À. Внепечное вакуумирование стали. — M.: Металлургия, 1973, с. 235.

2. Кадиров M.Ê. и др. Физико-гидродинамические основы организации продувки на 3-х уровнях при циркуляционном вакуу10 мировании стали. — М. . "Металлургия", М 3, 1987, 2. Устройство для циркуляционного ва15 куумирования жидкого металла, содержащее вакуум-камеру со сливным и всасывающим патрубками, сопла для ввода инертного газа, подключенные к авто- номным аргонным линиям с вентилями, и

20 преобразователь постоянного расхода инертного газа в переменный, отличающееся тем, что сопла для ввода инертного газа выполнены на двух уровнях, причем сопла верхнего уровня выполнены щеле25 ными и направлены навстречу друг другу, расположены на оси поперечного сечения всасывающего патрубка на расстоянии от сопла нижнего уровня, равном 0,65 - 0,75 высоты всасывающего патрубка, преобра30 зователь постоянного расхода инертного газа в переменный расположен на аргонной линии верхнего уровня и соединен с исполнительным механизмом контура ав35 томатического управления по отклонению отходящих газов.

2002817

= l2а л

750

250

Одг, !н (ицу) Л

I,Й ) 015

007Р

Составитель А.Фохтин

Редактор Е.Полионова Техред M.Moðãåíòàë КорреКТор Н Милюкова

Заказ 3217

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101! ,0

Х0 45 g 7Х мт3

Фиг. Я

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5