способ выпуска расплавленного металла из металлургической печи и литок для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ выпуска расплавленного металла из металлургической печи, включающий подогрев металла в выпускном отверстии литка посредством индукционных токов, отличающийся тем, что подогрев металла осуществляют по его наружной поверхности на границе с внутренней стенкой литка непосредственно индукционными токами сверхвысокой и высокой частоты или индукционными токами сверхвысокой частоты.

2. Литок для выпуска расплавленного металла из металлургической печи, содержащий коаксиально расположенные полые цилиндры из огнеупорного материала, в кольцевой зазор между которыми помещен индукционный обогреватель выпускаемого металла, охватывающий выпускное отверстие литка на всю или большую часть его длины и соединенный с генератором электрического тока, отличающийся тем, что индукционный обогреватель соединен с генераторами токов сверхвысокой и высокой частоты или с генератором тока сверхвысокой частоты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к оборудованию для выпуска расплавленного металла из металлургических печей.

Преимущественная область применения плавка черных металлов.

Одной из главных проблем выпуска расплавленного металла из металлургической печи является наличие вероятности закупоривания выпускного отверстия, то есть возможность закозления плавки. Для прекращения закозления плавки обычно увеличивают температуру и время плавки, рискуя сохранностью печи, либо прекращают нагрев металла в печи, обрекая его на застывание. Оба варианта сопряжены с тяжелыми экономическими последствиями. В первом случае это сопряжено с опасностью разрушения свода и пода печи, с опасностью аварийного разлива расплавленного металла по территории цеха, последующего затвердевания его и порчи дорогостоящего оборудования в цеху, а также с дорогостоящим устранением последствий аварии малопроизводительными способами. В случае же закозления плавки и прекращения нагрева металла происходит замерзание металла в печи, удаление которого также производят малопроизводительными способами, например посредством охлаждения печи, разрезания застывшего металла на мелкие кусочки автогенной резкой и ручной выгрузки их из металлургической печи (домны, мартена, вагранки и т.п.).

Причинами закозления плавок являются:

а) постепенное охлаждение выпускаемого расплавленного металла по мере продвижения по литку (вследствие разницы температуры внутри и снаружи печи), сопровождающееся замазыванием внутренних стенок литка частицами охлаждающегося (менее жидкого и более вязкого) металла и следовательно уменьшением проходного сечения (внутреннего диаметра) литка;

б) постепенное замазывание внутренних стенок в процессе разлива довольно вязкими частицами полусваренного металла, сопровождающееся постепенным уменьшением внутреннего диаметра (то есть проходного сечения) литка до критического;

в) поступление в литок сравнительно крупных кусков нерасплавленных тугоплавких металлов, которые в процессе турбулентного (а не ламинарного) движения по литку совершают не прямолинейные, а сложные перемещения с поворотом или даже разворотом относительно продольной оси литка, сопровождающиеся заклиниванием кусков в литке;

г) одновременно сочетание двух или даже трех вышеперечисленных факторов.

Для предотвращения или ликвидации закозления плавки наиболее желательно расплавлять застывший металл по всей длине литка или наибольшей части ее, причем сделать это необходимо на такую глубину от поверхности, при которой исключалось бы заклинивание непроваренных кусков, поворачивающихся и разворачивающихся в литке.

Из патентной литературы известно устройство для обслуживания литка металлургической печи [1]

Недостатком этого устройства является то, что оно не исключает замерзания металла внутри литка.

Известна дуговая сталеплавильная печь, у которой для интенсификации плавки и уменьшения застойных зон в расплаве предусмотрена индукционная единица, установленная рядом со сливным отверстием [2]

Недостатком этого устройства является то, что оно не исключает замерзания металла внутри литка по причине расположения индукционного нагревателя около, а не вокруг выпускного отверстия, то есть в стороне от него. Для предотвращения закозления плавки в данном устройстве требуется высокотемпературная плавка всей массы разливаемого материала с целью расплавления всех фракций металлов, в том числе и тугоплавких, всегда вызывающих засорение отверстия и замазывание стенок его плохорасплавленными липкими частицами, т. е. для предотвращения закозления плавки вынужденно увеличивают температуру и длительность плавки до предельных значений, а это приводит к снижению производительности труда и повышению энергозатрат.

Известен металлургический агрегат (установка непрерывной разливки), выпускной стакан которого содержит расположенный вокруг него обогреватель, представляющий собой высокочастотный индукционный нагреватель [3]

Недостатком этого известного способа и устройства являются неоправданно высокие энергозатраты из-за необходимости нагрева расплавленного металла до высоких температур по всему диаметру стакана, выполняющего роль индукционной печи или рабочей камеры, а персональный нагрев металла всего лишь в сливном отверстии литка, расположенном в центре стакана, вообще не предусмотрен.

Известен литок для печей, обогреваемый электрическим током [4] Литок содержит коаксиально расположенные полые цилиндры из огнеупорного материала, в кольцевой зазор между которыми помещено тело сопротивления (например, криптоловая масса), накаливаемое электрическим током, подводимым угольными электродами с контактами.

Несмотря на ряд достоинств, известные способ и устройство не гарантируют разливку металла без закозления из-за того, что температура плавления криптоловой массы (2000^o) значительно ниже температуры плавления множества тугоплавких металлов, например молибдена (2620^o) и вольфрама (3420^o), почтит всегда присутствующих при большинстве плавок. В соответствии с этим всегда возможно застревание крупных кусков и/или постепенное замазывание внутреннего отверстия литка мелкими липкими частицами полурасплавленного молибдена и вольфрама с последующим закозлением плавки.

Наиболее близким техническим решением по назначению и количеству сходных признаков, принятым за прототип, является "литейный канал" [5] предусматривающий выпуск расплавленного металла из литейного канала металлургической печи при подогреве металла по наружной поверхности на границе с внутренней стенкой литка, воздействуя на литок индукционными токами. Это позволяет поверхностным слоям металла прогреваться до значительной температуры (в области, прилегающей к внутренним стенкам литка) и поддерживать температуру выпускаемого металла в выпускном канале на уровне его температуры в печи, частично предотвращает затвердевание металла в канале и, как следствие, увеличивает скорость истечения разливаемого металла.

Несмотря на ряд перечисленных достоинств, прототипу присущ ряд значительных недостатков, в частности:

недостаточно высокая температура подогрева выпускаемого металла в литке из-за использования не индукционного, а всего лишь индукционно-контактного способа нагрева, при котором нагрев металла осуществляют лишь посредством косвенного использования индукционных токов, а не непосредственно ими. Суть дела заключается в том, что муфта 20 и трубопровод 13 выполнены из токопроводящего материала, расположены внутри индуктора 17 и представляют собой вторичную цепь в системе индукции, поэтому замыкают на себя основную долю вторичного тока, нагревая выпускаемый металл в основном лишь контактным способом за счет конвекции. При этом нагрев металла посредством индуктора не контактным, а индукционным способом, оказывается крайне незначительным, особенно при использовании токов СВЧ с малой проникающей способностью в глубину;

возможность крупномасштабной экономической диверсии самыми дешевыми и примитивными способами, например путем подбрасывания в шихту порошка или кусков тугоплавких металлов, которые не могут быть расплавлены ни в печи, ни в литке и неизбежно вызывают закозление плавки;

возможность закозления плавки каждый раз при замерзании расплавленного металла в литке по причине недостаточно высокой температуры подогрева металла в печи и в литке (из-за неопытности или халатности обслуживающего персонала);

сравнительно высокие энергозатраты на подогрев выпускаемого металла вышеописанным индукционно-контактным способом;

недостаточно высокая производительность труда по причине снижения скорости истечения выпускаемого металла в случаях хотя бы частичного закупоривания выпускного отверстия литка (уменьшения внутреннего диаметра его) по причине недостаточно высокой температуры подогрева.

Целью настоящего изобретения является повышение производительности труда при выпуске расплавленного металла из печи за счет увеличения скорости истечения его, предотвращение закозления плавки посредством исключения замерзания расплавленного металла в литке, снижение энергозатрат на подогрев выпускаемого металла за счет возможности интенсивного обогрева лишь тонкой наружной оболочки его в соответствии с поверхностным эффектом нагрева до образования "горячей смазки" между внутренними стенками литка и наружной поверхностью расплавленного металла, движущегося по литку.

Поставленная цель по способу достигается тем, что в способе выпуска расплавленного металла из металлургической печи, включающем подогрев металла в выпускном отверстии литка посредством индукционных токов, подогрев металла осуществляют по его наружной поверхности на границе с внутренней стенкой литка непосредственно индукционными токами сверхвысокой и высокой частоты или индукционными токами сверхвысокой частоты.

Поставленная цель по устройству достигается тем, что в литке для выпуска расплавленного металла из металлургической печи, содержащем коаксиально расположенные полые цилиндры из огнеупорного материала, в кольцевой зазор между которыми помещен индукционный обогреватель выпускаемого металла, охватывающий выпускное отверстие литка на всю его длину и соединенный с генератором электрического тока, индукционный обогреватель соединен с генераторами токов сверхвысокой и высокой частоты или с генератором тока сверхвысокой частоты.

Предложенный способ и устройство для его осуществления соответствует всем критериям изобретения, в частности:

1. Представляют собой технические решения актуальной задачи.

2. Характеризуются промышленной применимостью из-за наличия высокого положительного эффекта.

3. Характеризуются изобретательским уровнем по тем причинам, что:

а) поверхностный эффект нагрева выпускаемого металла токами ВЧ и СВЧ использован для создания горячей смазки посредством получения в поверхностном слое более жидкого (менее вязкого и менее липкого) металла; это содействует ускорению истечения выпускаемого металла из печи и повышению производительности труда, а также предотвращает закозление плавки;

б) использование токов ВЧ и/или СВЧ одновременно обеспечивает возможность не только нахождения оптимальных режимов выпуска металла, но ускоряет сам процесс выпуска и снижает энергозатраты благодаря тому, что исключено заклинивание непроваренных кусков тугоплавких металлов в литке даже при турбулентном истечении, вследствие нагрева их токами СВЧ и ВЧ;

в) нагрев металла в литке до температуры гораздо большей, чем в печи, уменьшает вероятность закозления плавок, а в случае возникновения их позволяет успешно бороться с ними; в этом заключается суть нового принципа выпуска расплавленного металла из печи;

г) индукционный нагрев без каких-либо промежуточных элементов непосредственно воздействует коаксиально на металл, текущий по литку, что обеспечивает повышение температуры и создание эффекта "горячей смазки" простейшим способом и простейшими техническими средствами.

4. Обладает новизной из-за отсутствия в патентной и научно-технической литературе сведений о принципе "горячей смазки" при разливе металла.

Устройство для осуществления способа представляет собой литок, содержащий коаксиально расположенные полые цилиндры из огнеупорного материала, в кольцевой зазор между которыми помещен обогреватель выпускаемого металла, питаемый электрическим током и выполненный в виде индукционного нагревателя высокой и/или сверхвысокой частоты, при этом длина индукционного нагревателя сопоставима с длиной полых цилиндров (равна или соответствует большей части длины их).

На чертеже схематично показано предлагаемое устройство для выпуска расплавленного металла из металлургической печи.

Условные изображения, принятые на схеме: 1 кожух печи, выполненный, например, из прочного металла или высокопрочной керамики; 2 стенка печи из огнеупорного материала; 3, 4 полные цилиндры из огнеупорного материала; 5 - индукционный нагреватель высокой и/или сверхвысокой частоты в форме соленоида; 6 пустотелые, соленоидные проводники электрического тока в виде пустотелых электропроводных трубок с охлаждающей жидкостью внутри; 7 облицовка блока из полых цилиндров и индукционного нагревателя; 8 трубопроводы или шланги для подвода охлаждающей жидкости (например, воды, жидкого натрия, калия, азота, гелия) к пустотелым соленоидным проводникам; 9 электрические кабели для подвода к пустотелым соленоидным проводникам тока высокой и/или сверхвысокой частоты; 10 электрические контакты для соединения электрических кабелей с пустотелыми проводниками электрического тока.

В кладку печи 2 заделывают блок, состоящий из коаксиально расположенных полых цилиндров 3 и 4 (из огнеупорного материала), в кольцевой зазор между которыми помещен индукционный нагреватель высокой и/или сверхвысокой частоты 5 из пустотелых проводников электрического тока. На наружной (лицевой) стороне блока из полых цилиндров 3, 4 и индукционного нагревателя 5 закреплена облицовка, предназначенная для соединения с кожухом печи 1 (на время заделки блока в кладку), а также для соединения пустотелых соленоидных проводников 6 с трубопроводами или шлангами 8 подвода охлаждающей жидкости и с электрическими кабелями 9 подвода токов высокой и/или сверхвысокой частоты через посредство электрических контактов 10.

Индукционный нагреватель 5 может иметь различные конструкционные исполнения, в частности может иметь последовательное расположение соленоидов, либо на каждый соленоид может быть обеспечена подача токов высокой и/или сверхвысокой частоты.

При подключении индукционного нагревателя 5 к высокочастотному или сверхвысокочастотному генератору (на чертеже не показанному) происходит дополнительный нагрев выпускаемого металла по его наружной поверхности на границе с внутренней стенкой литка, сопровождающийся повышением температуры и уменьшением вязкости на поверхности металла в литке, в том числе дополнительной плавкой в литке контактирующих с ним поверхностей кусков из тугоплавких металлов, не расплавленных в металлургической печи, но поступивших при разливке металла в выпускное отверстие литка. Образующийся на границе внутренней поверхности литка и выпускаемого металла тонкий слой более жидкого металла выполняет роль "горячей смазки", уменьшающей трение выпускаемого металла о внутреннюю поверхность литка, что ускоряет процесс разливки, а также исключает замазывание выпускного отверстия литка плохосваренными (липкими) частицами тугоплавких металлов и застревание непроваренных кусков из них в литке.

Токи высокой частоты прогревают выпускаемый металл на несколько большую глубину, чем токи сверхвысокой частоты.

Токи сверхвысокой частоты используют для предотвращения закозления плавок в случае наличия в расплавленном металле лишь мелких частиц тугоплавких металлов, гораздо меньших внутреннего сечения литка (из-за расплавления лишь тончайшего поверхностного слоя выпускаемого металла).

Одновременный нагрев металла токами сверхвысокой и высокой частоты применяют для предотвращения закозления плавок в случае наличия в расплавленном металле даже сравнительно крупных кусков тугоплавких металлов, сопоставимых с внутренним сечением литка, а также для ликвидации закозления плавок (это становится возможным из-за дополнительного нагрева выпускаемого металла токами высокой частоты на несколько большую глубину, чем токами сверхвысокой частоты).

Предложенный способ и устройство для его осуществления в сравнении с прототипом и аналогами обладает значительным положительным эффектом, в частности:

1. Обеспечивается возможность разлива без закозления даже неполностью проваренного металла, который содержит тугоплавкие элементы с температурой плавления, превышающей температуру плавки в печи (даже в 1,5 2,5 раза).

2. Обеспечивается возможность предотвращения закозления плавок, а также возможность ликвидации закозления, благодаря исключению втирания полусваренного и липкого тугоплавкого металла на внутреннюю поверхность литка, то есть благодаря исключению постепенного замазывания его с последующим уменьшением проходного сечения, а также благодаря исключению заклинивания непроваренных кусков тугоплавких металлов в литке. За счет этого исключаются вредные последствия в случаях несоблюдения режимов плавки по причине недостаточно высокой квалификации или халатности обслуживающего персонала, а также блокируются вредные последствия любых попыток свершения экономической диверсии путем подбрасывания в шихту кусков или порошков тугоплавких металлов, неспособных расплавляться в печи и могущих вызвать засорение литка при выпуске металла.

3. Обеспечивается возможность высокопроизводительной разливки металла за счет возможности оптимизации режимов, благодаря:

а) использованию токов ВЧ и/или СВЧ применительно к разным условиям;

б) использованию принципа горячей смазки, обеспечивающего более быстрое истечение металла из печи (из-за меньшего трения более жидкого и менее липкого поверхностного слоя).

4. Обеспечивается возможность значительного повышения производительности труда за счет сокращения времени плавки благодаря отсутствию необходимости повышения температуры в печи до температуры плавки самых тугоплавких металлов, ведь температуру в печи целесообразно поднимать всего лишь до температуры плавления легкоплавких металлов.

5. Обеспечивается возможность значительного повышения долговечности пода и свода печи из-за меньшей температуры плавления металла в ней, например 1400^o, а не 3500^o (температуру поднимают до высоких значений не при первичном нагреве металла в печи, а при вторичном нагреве в литке). Снаружи расположенный литок отремонтировать всегда проще, чем под и свод печи.

6. Обеспечивается возможность значительного снижения энергозатрат из-за сокращения времени плавки металла в печи и времени на выпуск металла из нее.