Способ обработки металла

1. СПОСОБ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА, включающий периодическую подачу расплава во внутреннюю предварительно нагретую полость вращающейся печи, обработку высокотемпературной плазмой и выпуск расплава, отличающийся тем, что, с целью повышения качества металла и экономии материальных затрат, расплав подают с массовой скоростью, определяемой выражением
М = КхS,
где К - коэффициент удельного расхода расплава металла на один квадратный метр рабочей поверхности вращающейся печи и в единицу времени прохождения металлом рабочего пространства печи, кг/м² с;
S - площадь, покрываемая обрабатываемым металлом, м².
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку жидкого расплава осуществляют на 0,1 - 0,5 длины рабочего пространства вращающейся печи.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам получения и обработки чугуна, стали и сплавов во вращающемся футерованном реакторе с использованием в качестве исходных материалов для обработки однофазных расплавов.
Целью изобретения является повышение качества металла и экономии материальных затрат.
На фиг. 1 дана печь, общий вид; на фиг.2 - узел I на фиг.1; на фиг.3 - вектор скорости расплава, подаваемого в печь; на фиг.4 - график зависимости удельного расхода расплава на квадратный метр рабочей теплопроводности; на фиг.5 - график зависимости коэффициента удельного расхода расплава от длины печи.
Вращающаяся печь содержит вращающийся корпус 1 с огнеупорной футеровкой 2, на которую через неподвижную крышку 3 от емкости (печи) 4 по металлопроводу 5 подают жидкий металл 6, который, растекаясь по полости вращающейся печи, дает тонкий слой 7 (тело) металла. Последний подвергается обработке с помощью плазменного устройства 8.
Футеровка 2 состоит из теплоизоляционного слоя 9 и рабочего огнеупорного слоя 10. Толщина слоя обрабатываемого металла, что в положении 7, что в положении 11, практически одинакова. После обработки металл поступает в неподвижный разгрузочный конец 12 вращающейся печи. Из разгрузочного конца 12 металл поступает в изложницу 13 или в кристаллизатор. Изложница установлена на поддоне 14. На чертеже показана также плазма 15, воздействующая на металл.
При подаче расплава 6 во вращающуюся печь растекание металла по рабочей футеровке 10 полости печи осуществляется за счет разности линейной скорости расплава V_вр¹ к линейной скорости вращения рабочей поверхности реактора V_вр (фиг. 3), при этом линейная скорость вращения поверхности футеровки 10 печи V_вр в 10-100 раз более чем V_вр¹подаваемого расплава, при соотношении <10 резко увеличивается время растекания расплава 6 в виде тонкого тела 7, свыше 100 требует очень больших оборотов самой печи, что приводит к нерациональному режиму работы печи и повышенным нагрузкам на реперные точки элементов вращения и т.д., т.е. ухудшаются условия эксплуатации самой печи. Указанные пределы обеспечивают растекание металла 6 в виде тонкого тела 7 за 1-2 с. Время растекания расплава в виде тонкого тела 7 должно быть минимальным независимо от размеров рабочего пространства вращающейся печи и массовой скорости подачи в него расплава.
Тонкий слой 7 (тело) обрабатываемого однородного расплава образуется под действием центробежных сил, при этом чем больше скорость вращения, тем сильнее обрабатываемый расплав с большей линейной скоростью прижимается к рабочей футеровке 10 вращающейся печи.
Определено, что толщина тонкого тела для различных расплавов имеет свои максимальные значения, что зависит от коэффициента теплопроводности обрабатываемого расплава. Как показано на фиг.3, чем больше коэффициент теплопроводности обрабатываемого расплава, тем большее количество металла можно обрабатывать на одном квадратном метре рабочей поверхности 10 вращающейся печи. Удельный расход расплава составляет при этом = 0,5-50 кг/м² рабочей поверхности 10 вращающейся печи. При этом величине ниже 0,5 кг/м² большие участки рабочей футеровки 10 не прикрыты обрабатываемым металлом 7, что отрицательно сказывается на ее стойкости, а при удельном распаде свыше 50 кг/м² тепловое сопротивление слоя 7 обрабатываемого расплава становится значительным, что недопустимо, так как согласно определения тонкого тела для теплового сопротивления R обрабатываемого слоя металла 7 должно соблюдаться равенство.
= t/ =0 где t - градиент температуры слоя обрабатываемого тонкого тела;
- тепловой поток, Вт. Определено значение коэффициента удельного расхода расплава 6 на один квадратный метр рабочей поверхности (полости) вращающейся печи.
При этом массовая скорость подачи расплава во вращающуюся печь определяется выражением.
M = KxS
O < K < 16,7 - коэффициент удельного расхода расплава металла на один квадратный метр рабочей поверхности вращающейся печи и в единицу времени прохождения металлом рабочего пространства печи, кг/м² с;
S - площадь, покрываемая обрабатываемым расплавом в печи, м².
Приведенная зависимость получена из выражения массовой скорости
M= 0,5-50 где l - длина рабочего пространства вращающейся печи, м;
d₁ - диаметр рабочего пространства печи, м;
- продолжительность пребывания расплава во вращающейся печи, с;
0,5-50 - коэффициент удельного расхода расплава металла на один квадратный метр рабочей поверхности, кг/м².
Произведение хd₁ x l = S - площадь рабочей поверхности вращающейся печи, м². А частное от деления 0,5-50/ обозначим через К, т.е. К = 0,5-50/ . Так как минимальное значение = 3, то К < 16,7, в то же время очевидно, что независимо от значения К > 0. Таким образом, значение К находится в пределах O < K < 16,7 и является коэффициентом удельного расхода расплава металла на один квадратный метр рабочей поверхности вращающейся печи и в единицу времени прохождения металлом рабочего пространства печи. Коэффициент К имеет размерность кг/м² с. Выражение массовой скорости подачи расплава в реактор примет вид М = К S (1)
Время пребывания металла в печи определяется отношением = l/V_n(2), где l - длина рабочей поверхности вращающейся печи, м; V_n - линейная скорость, с которой расплав проходит полость печи от момента входа до момента выхода, м/с.
При лабораторном опробовании было обнаружено, что при угле наклона оси вращающейся печи (фиг. 1) к горизонтали 1-3^о определяющим скорость прохождения (V_n) расплавом полости вращающейся печи является исходная составляющая линейной скорости расплава (V_рс), (фиг,2), V_n¹ - коаксиальная ось вращения печи, производительность низкая. При > 7^овлияние V_n¹ на V_n уменьшается, а при > 85^о V_n определяется ускорением свободного падения обрабатываемого металла ( = 1-85^о).
Время обработки расплава в печи можно представить выражением t = t₁ + ' + t_2, (3) где t₁ - продолжительность подачи обрабатываемого металла во вращающуюся печь, с;
' - продолжительность обработки металла в реакторе, выражаемая отношением
= (4) где М¹ - общее количество металла, подвергаемое обработке, кг;
t₂ - продолжительность прохождения металлом пути от вращающейся печи до различной емкости, с.
Общая продолжительность прохождения расплавом пути от подачи во вращающуюся печь до достижения им разливочной емкости (13) определяется выражением ₁ = t₁ + + t_2, (5) где =
В табл. 1 представлены данные по длительности прохождения металлом пути от момента начала подачи во вращающуюся печь до момента достижения им разливочной емкости 13.
Как видно из данных табл.1, значения t₁ и t₂ должны быть минимальны, что позволит сократить время прохождения расплавом пути от емкости 4 до разливочной емкости 13.
На фиг. 3 показан максимально возможный удельный расход обрабатываемого расплава на один квадратный метр рабочей поверхности футеровки 10 в зависимости от теплопроводности обрабатываемого металлического расплава 7.
В табл. 2 представлены экспериментальные данные по влиянию параметров обработки на процесс азотирования стали Ж 835 при различных значениях удельного расхода расплава кг/м² рабочей поверхности реактора.
Даны дополнительно расчетные данные для вращающейся печи, имеющей рабочую площадь 12 м², т.е. промышленной печи. Как показано в табл.2 по способу-прототипу получить гарантированное в узких пределах содержание азота в стали затруднительно, что приводит к перерасходу никеля на 3%, при этом получение более высоких значений содержания азота, как в предлагаемом способе, по способу-прототипу получить нельзя, что объясняется более полным протеканием реакции азотирования в предлагаемом способе, который позволяет получать более высокое содержание азота в готовом металле, что без ухудшения качества стали, позволило снизить расход никеля на 3 мас.%.
Управление процессом обработки жидкого расплава при случайных отклонениях от установившегося режима обработки, в частности изменение толщины обрабатываемого слоя расплава в виде "тонкого тела" затруднено, так как нужен оперативный прием для устранения негативного влияния случайных факторов, приведших к нарушению установившегося режима обработки, позволяющем получать требуемое качество, т.е. поддержание режима обработки на требуемом уровне, что в свою очередь обеспечивает свойства металла в слитках и т.д.
Указанный недостаток устраняется тем, что обработку жидкого металла осуществляют в интервале 0,1-0,5 длины рабочего пространства печи.
Как показано на чертеже (фиг.1) внутренняя полость вращающейся печи от плоскости, перпендикулярной оси вращения печи и обозначенной точками 16, имеют конусное расширение диаметра рабочего пространства печи до плоскости, обозначенной точками 17, что также отражено углом , на этом участке величина удельного расхода, расплава на квадратный метр рабочей поверхности вращающейся печи от точки 16 до точки 17 уменьшается на 5-50%. Поэтому, перемещая плазменное устройство из положения 8' в положение 8, можно компенсировать отрицательное влияние тех или иных параметров (расхода металла М, снижение температуры металла и т.д.). При этом регулирование на расстояние меньшее чем 0,1 длины рабочего пространства вращающейся печи приводит к увеличению нагрузки на крышку печи 3, ухудшает условия растекания расплава на внутренней полости вращающейся печи, а перенос воздействия плазмы на расстояние более чем 0,5 длины рабочего пространства вращающейся печи усложняет процесс управления перемещением плазменного устройства 8, которое легче вести с разгрузочного конца печи.
Изменение величины на участке конусного расширения диаметра внутренней полости печи менее чем на 5% затрудняет процесс регулирования параметров обработки, а изменением величины на указанном участке более чем на 50% нежелательно из-за резкого уменьшения толщины футеровки.
В случае, когда вращающаяся печь имеет изменяющуюся геометрию рабочего пространства, получают регулируемое изменение толщины слоя обрабатываемого расплава в виде "тонкого тела" в процессе обработки, а следовательно, данный прием позволяет создать условия для гибкого регулирования при нарушениях установившегося режима обработки.
Ниже даны примеры конкретного осуществления предлагаемого способа. Металл для обработки 100-150 кг выплавляли в лабораторной индукционной печи.
П р и м е р 1. Во вращающуюся печь из емкости 4 подавали по металлопровод 6 расплав 5 через неподвижную крышку 3 на рабочий слой 10 футеровки 2, при этом расплав 5 попадает на поверхность металла 7, защищающего поверхность футеровки 10 от размывания. Векторы скорости V_n'и V_вр' являются составляющими векторам скорости подаваемого металла 5 V_рас = V_n'+ | V_вр' | . Как показано на фиг. 3, максимальный удельный распад расплава на один квадратный метр рабочей поверхности вращающейся печи зависит от теплопроводности обрабатываемого расплава.
При удельном расходе 10 кг/м² рабочей поверхности вращающейся печи (футеровки 10) приведены затраты времени на обработку расплава чугуна с температурой 1300^оС (с 3,1% С, 0,5% Mn, 0,6% Si) обработка кислородсодержащей плазмой показана в табл.1, из которой видно, что оптимальное время обработки (пребывания металла) во вращающейся печи составляет 5-30 с, при большом времени снижается производительность агрегата. Время пребывания расплава в реакторе ( ) по предлагаемому способу на 1-2 порядка меньше, чем по способу-прототипу. Качество получаемого металла более высокое.
Несмотря на то, что толщина слоя обрабатываемого расплава на два порядка и более меньше ( 0,1-3 мм) при расходе расплава 1,0-20 кг/м²получают высокое качество металла в сочетании с достаточно большой производительностью. Конечный продукт - железо содержит 0,01-0,02% С, марганец отсутствует, кремния - следы. Начиная с = 50 кг/м² и выше качество металла ухудшается.
П р и м е р 2. Включающий пример 1, отличающийся тем, что во вращающуюся печь подавали расплав стали ЭИ 835 с исходным содержанием азота 0,8-0,1 мас. %, где производили обработку азотсодержащей плазмой. Обработка металла в виде тонкого тела позволила достичь азотирования расплава металла до 0,7-0,75 мас.%, а в способе-прототипе 0,15-0,20%.
Во вращающейся печи при заданных параметрах обработки (табл.2) получали стабильное содержание азота в расплаве металла при обработке его азотсодержащей плазмой (подача жидкого азота). За счет получения стабильного содержания азота (0,7 мас.%) оказалось возможным снизить содержание никеля в стали на 3-4% из расчета 0,1% азота заменяют 1% никеля. Поэтому в предлагаемом способе (табл.2) за время обработки 1-10 с получают 0,70-0,75 мас.% азота, что означает, что обработка металла позволила достичь высокого качества (стабильное содержание азота) при экономии никеля и азотированного ферросплава для долегирования металла до содержания азота до 0,25-0,45 мас.% согласно марочному составу стали ЭИ 835.
В табл.2 приведена также расчетная производительность промышленной вращающейся печи (***) с площадью рабочей поверхности полости вращающейся печи, равной 12 м². При = 50 кг/м² азотирование стали несколько ухудшается и составляет 0,55-0,6 мас.%.
П р и м е р 3. Включающий пример 1, 2, отличающийся тем, что от точек 16, обозначающих прямую (плоскость), перпендикулярную оси вращения печи, до точек 17, обозначающих линию (плоскость), рабочее пространство вращающейся печи имеет конусное расширение, обозначаемое также углом . Точки 16 находятся на 0,1 длины рабочего пространства вращающейся печи, а точки 17 на 0,5 длины рабочего пространства вращающейся печи. На указанном интервале удельный расход расплава металла на квадратный метр рабочей поверхности уменьшается на 5-50% . При этом, перемещая плазменное устройство 8' в положение 8, обрабатывают расплав металла, когда его удельный расход искусственно снижен на 5-50%. Очевидно, что возможность снижения на 50% и определяет возможную величину его изменений в сторону движения при подаче во вращающуюся печь. При изменении стали 835 на 25% производили соответствующее перемещение плазматрона в положение 8, которое позволяло производить обработку при заданном значении удельного расхода расплава металла.
На фиг. 4 показана зависимость изменения величины на участке 0,1-0,5 длины рабочего пространства вращающейся печи при монотонном изменении (уменьшении) на 50% на указанном отрезке длины рабочего пространства печи, т.е. при заданном или реальном удельном расходе расплава на квадратный метр рабочей поверхности вращающейся печи можно поддерживать требуемый режим обработки ( ), меняя место плазменного нагрева металла в соответствии с графиком на фиг.4.
Следовательно, независимо от колебаний массовой скорости подачи расплава во вращающуюся печь, имеется возможность поддерживать параметры процесса в требуемых пределах, обеспечивая получение более высокого качества и с наименьшими затратами.
В предложенном способе регулировка производится без изменения других параметров (плазменного нагрева и т.д.) перемещением места нагрева расплава на длине 0,1-0,5 рабочего пространства печи, где за счет конусного расширения величина уменьшается монотонно на 5-50%, что обеспечивает достаточные пределы для практического регулирования процесса.
П р и м е р 4. Включающий пример 1-3, отличающийся тем, что на выходе из вращающейся печи понизилась температура металла. Для того, чтобы компенсировать понижение температуры, плазменное устройство 8 перемещают на отрезке 0,1-0,5 длины (1) рабочего пространства вращающейся печи в сторону меньшего значения , достигая требуемой температуры металла на выходе из печи.
Предложенный способ обеспечивает более полное протекание химических процессов при обработке в виде тонкого тела; независимость результатов обработки металлов при его обработке в виде тонкого тела от времени воздействия на него плазменного устройства; получение более высокого качества металла, а также снижение затрат; высокую производительность процесса обработки металла; возможность регулировки процесса для получения требуемого качества металла и температуры металла на выходе без изменения параметров плазменного нагрева.
Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к способам обработки расплавленного металла во вращающейся печи. Целью изобретения является повышение качества металла и экономии материальных затрат. Способ включает периодическую подачу расплава в предварительно нагретую полость вращающейся печи с массовой скоростью, определяемый выражением M=K S, где 0 < К < 16,7 - коэффициент удельного расхода расплава на единицу площади рабочей поверхности вращающейся печи, кг/м² с - площадь внутренней поверхности печи покрытия обрабатываемым металлом, м² . Обработку жидкого металла осуществляют на 0,1 - 0,5 длины рабочего пространства вращающейся печи. Поскольку обработку расплава осуществляют в виде "тонкого тела" производительность вращающейся печи возрастает. 2 табл, 5 ил.