способ продувки металла

Формула изобретения

Способ продувки металла, включающий подачу газа для продувки металла через отверстия-сопла, расположенные в днище ковша, и возбуждение подаваемого через отверстия-сопла газа упругими колебаниями, генерируемыми в резонаторе колебаний струйного резонатора, отличающийся тем, что отверстия-сопла выполняют в огнеупорной пробке, которую располагают в днище ковша, частоту упругих колебаний регулируют за счет изменения глубины и объема резонатора колебаний, при этом глубину резонатора колебаний определяют с учетом требуемого диаметра газовых пузырей по соотношению

где h_p - требуемая глубина резонатора колебаний, мм;

d_П - требуемый по условиям наиболее эффективной продувки диаметр газового пузыря, мкм;

d_П.О - исходный диаметр газового пузыря, определяемый диаметром отверстий-сопел в огнеупорной пробке, мкм;

h_p.o. - глубина резонатора колебаний, соответствующая базовой частоте упругих колебаний газа, определяющей исходный диаметр газового пузыря, мм;

К_р - коэффициент, определяющий соотношение между частотой упругих колебаний газа и размером газовых пузырей, К_р=0,2-0,6 мкм/Гц;

b_o - коэффициент связи частоты упругих колебаний газа и глубины резонатора колебаний, b_o=43300-43400;

n - показатель степени, n=0,8-0,9.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике внепечной обработки жидкого металла путем продувки газами.

Известны способы продувки металла газами, в процессе которых используют продувочные фурмы, расположенные в днище ковша и имеющие выходные сечения в виде отверстий различной формы, расположенных в огнеупорных ковшевых пробках [1]. Однако при этом отсутствует возможность воздействовать на размер пузырей, выделяющихся через отверстия, которые, как правило, достаточно мелкие и могут оставаться в металле. Кроме того, при снижении расходов продувочного газа в моменты начала и конца продува происходит проникновение металла в отверстия огнеупорных пробок с засорением пор и растрескиванием футеровки. Это резко снижает срок службы дорогостоящих продувочных пробок.

Известны также способы и конструкции продувочных фурм, в которых используют установку соосно с газоотводящим трактом струйного резонатора для возможности уменьшить образование мелких пузырей за счет их слияния [2].

Однако при этом возрастают габаритные размеры в поперечном сечении, увеличивается газодинамическое сопротивление на пути движения газов и отсутствует возможность воздействия на размер пузырей в процессе продувки.

В известной степени эти недостатки устраняются в конструкции фурмы [3], в которой струйный резонатор, состоящий из сопла Лаваля и резонатора колебаний, размещен перпендикулярно оси газоотводящего тракта и выполнен с возможностью создания прямого действия упругих акустических колебаний из зоны их генераций на поток газа в газоотводящем тракте. Данная конструкция фурмы позволяет эффективно использовать также и отражатель, так как зона генерации упругих акустических колебаний совпадает с фокусом сферического отражателя.

Однако данная конструкция и способ продувки имеют недостатки. При организации прямого воздействия акустических колебаний на металл возникают проблемы охлаждения продувочной фурмы. Особенно эта проблема осложняется при продувке ковшей большой емкости, более 100-200 т. В случае прогара фурмы металл может прорывать днище и возникает чреватая многими последствиями авария, особенно при использовании водяного охлаждения. Кроме того, формирование размера пузырей и режима их движения в этом случае полностью ложится на работу струйного резонатора, при этом объем резонатора колебаний должен быть связан с диаметром выходного сечения сопла Лаваля достаточно жестким соотношением. При продувке отсутствует начальный задающий размер пузырей и при колебании рекомендуемого объема резонатора колебаний в широких пределах (в пределах от 25 до 1550 , d_c - диаметр сопла Лаваля) могут возникать пузыри самых различных неконтролируемых размеров. В конструкции также отсутствует возможность регулировать объем резонатора колебаний в процессе эксплуатации.

Эти недостатки частично компенсируются при использовании огнеупорных пробок с заданием начальных размеров выходных отверстий-сопел, определяющих исходный размер пузырей.

Как уже отмечалось, при неизменных заданных размерах отверстий-сопел огнеупорных пробок при продувке металла, размер пузырей газа остается неизменным, фиксированным. Однако в процессе разливки стали в ковши могут изменяться марки стали, состав металла, содержание неметаллических и газовых включений, а также температура металла вследствие возможных различных степеней его перегрева перед разливкой. Кроме того, температура металла изменяется (снижается) и в процессе самой продувки. Все эти обстоятельства требуют соответствующих воздействий на режим продувки, в частности на размер пузырей газа, что невозможно при продувке металла через огнеупорные пробки, так и при других способах продувки. Кроме того, стойкость огнеупорных пробок невелика из-за попадания металла в поры, что приводит к растрескиванию огнеупорной массы пробок, резко увеличивается газодинамическое сопротивление на пути движения газа.

Таким образом, наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату следует считать способ продувки и продувочную фурму [3], которая и выбрана в качестве прототипа. Недостатки данного способа заключаются в отсутствии исходных, задающих исходные размеры пузырей размеров сопел, значительной неопределенности задания фиксированного объема резонатора колебаний (в пределах от 25 до 1550 ), что не позволяет достаточно определенно подбирать режим продувки при изменении состава и температуры металла. Кроме того, требуется организовывать охлаждение фурмы, что увеличивает риск ее прогара и прорыва металла через отверстие в днище ковша.

Предлагаемое техническое решение позволяет устранить указанные недостатки, а именно: вносит начальную определенную компоненту в режим продувки в виде задающих отверстий-сопел, что определяет исходный размер пузырей газа и одновременно обеспечивает возможность дополнительного воздействия на размер пузырей через создание упругих акустических колебаний, принимающих от струйного резонатора колебания через отверстия-сопла пробки. Выполнение отверстий-сопел именно в огнеупорной пробке резко снижает возможность прогара фурм и аварийных прорывов металла.

Это достигается тем, что газоподводящий тракт выполняется в виде отверстий-сопел с диаметром d=0,1-0,3 мм и общей площадью сечения _Г, определяющими требуемый продувочный расход газа V_Г

где W_Г - скорость газа в выходном сечении отверстий-сопел.

При этом число отверстий-сопел n_Т равно

Отверстия-сопла выполняются в массе огнеупорной пробки, вставляемой в днище ковша.

Струйный резонатор, состоящий из сопла Лаваля и резонатора колебаний, размещен перпендикулярно оси отверстий сопел, при этом резонатор колебаний снабжается регулировочной пробкой, позволяющей изменять глубину (длину) резонатора h_p и, следовательно, при заданном диаметре резонатора d_p, его объем V_p

При таком способе продувки с помощью отверстий-сопел требуемого оптимального диаметра d_Г задается исходный, близкий к оптимальному значению исходный размер пузырей d_П.О., пропорциональный диаметру отверстий-сопел:

В струйном резонаторе при этом за счет сверхзвуковой струи генерируются упругие колебания газовой среды, частота которых f изменяется в зависимости от свободного объема резонатора V_p, а при данном диаметре резонатора колебаний d_p от глубины резонатора h_p по соотношению

где b_о=43300-43400 - постоянный коэффициент;

n - показатель степени; n=0,8-0,9;

f - основная несущая частота резонатора.

При этом из отверстий-сопел пробки вытекает газ, подвергаемый воздействию упругих акустических колебаний от струйного резонатора колебаний, а размер пузырей газа определяется не только начальным исходным диаметром отверстий-сопел пробки, но и частотой упругих акустических колебаний газа.

В общем виде размер получаемых пузырей определяется как диаметром самих отверстий-сопел пробки, так и частотой упругих акустических колебаний газа и может быть представлен с учетом формул (4) и (5) в виде соотношения

где К_п - коэффициент пропорциональности для задающего диаметра сопла пробки;

К_р - коэффициент связи частоты упругих акустических колебаний и размера пузырей;

К_р=0,2-0,6 мкм/Гц; f_о - базовая частота, являющаяся резонансной к исходному размеру пузырей d_П.О.;

- соответствующая этой частоте глубина резонатора.

При изменении глубины резонатора колебаний по соотношению (5) изменяется частота упругих акустических колебаний газа и, следовательно, размер получаемых пузырей d_П.

Из формулы (6) следует, что необходимая глубина резонатора колебаний h определяется по соотношению:

В формуле (7) знак "+" при , знак "-" при

В практических условиях размер пузырей d_П целесообразно поддерживать в диапазоне от 50 до 5000 мкм, но конкретные требуемые величины d_П зависят от содержания неметаллических включений и газов в стали данной марки, а также от температуры жидкого металла и в конкретной обстановке требуют корректировки путем регулирования глубины резонатора колебаний.

На чертеже представлено устройство, реализующее данный способ. Устройство фурмы содержит огнеупорную пробку 1, устанавливаемую в днище ковша 2 с задающими отверстиями-соплами 3, диффузор 4, сопло Лаваля для подачи газа 5, резонатор колебаний 6, регулировочную пробку резонатора 7, регулировочный винт 8 корпус и отражатель 10.

Данное устройство работает следующим образом. Продувочный газ под давлением 0,8-1,5 МПа подается в сопло 5 и поступает в резонатор колебаний 6. В резонаторе 6 генерируются упругие акустические колебания газовой среды, при этом с помощью регулировочной пробки резонатора колебаний 7 и винта 8 регулируется глубина резонатора колебаний h_p, a следовательно, и частота упругих акустических колебаний. Отражатель 10 обеспечивает направленность акустических колебаний в сторону диффузора 4 и пробки 1.

Продувочный газ с возбужденными упругими акустическими колебаниями через диффузор 4 подается в продувочные отверстия-сопла 3 в огнеупорной пробке 1. На выходе из отверстия-сопла 3 поток газа дробится на пузыри в жидком металле, размер которых зависит от диаметра сопла d_Г и частоты колебаний газа, определяемых глубиной резонатора _р.

При заданном диаметре сопла d_Г подбор требуемых размеров пузырей газа осуществляется перемещением регулировочной пробки резонатора колебаний h_p с помощью регулировочного винта 8. Устройство устанавливается в днище ковша 2.

Подбор требуемых размеров пузырей при их колебательном за счет упругих акустических колебаний движении в металле обеспечивает улучшение качества металла из-за удаления неметаллических включений и дегазации металла, выравнивания его химического состава и температур. Размещение отверстий-сопел в огнеупорной массе обеспечивает высокую стойкость фурмы при отсутствии водяного охлаждения. Колебательные движения газа на выходе сравнительно мелких отверстий-сопел препятствуют проникновению металла в отверстия-сопла при изменении режима продувки и способствуют увеличению срока службы огнеупорных пробок и снижению газодинамического сопротивления на пути движения продувочного газа.

Источники информации

1. Черметинформация “Вестник”. - М., 1996, № 7-8, с.38.

2. Тарновский Г.А., Смирнов Л.А., Темирбулатов Б.А. и др. Фурма для нестационарной продувки. Патент 2025498. Патенты на изобретения, № 24, 1994, с.104.

3. Воронов Г.В., Засухин А.Л., Козлов В.Н. и др. Фурма для продувки металла. Патент 2165986. БИ № 12, 27.04.2001.