Способ циркуляционного вакуумирования жидкого металла и устройство для его осуществления

ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К ПАТЕНТУ Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(71) Московский институт стали и сплавов(73) Московский институт стали и сплавов(54) СПОСОБ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ВАКУУМИРОВАНИЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение может быть использовано привнепечной обработке металла аюсобом циркуляционного вакуумирования. Сущность: в способециркуляционного вакуумирования ввод инертногогаза осуществляют в смешанном режиме на двухуровнях сначала задают постоянный расход газа нанижнем уровне, затем на верхнем уровне на расстоянии от нижнего уровня, равном 065 - 075 высоты всасывающего патрубка, вводят инертный газс частотой 1 - 10 Гц, производят оценку прираще(В) ИУ (11) 2002817 СХ(51) 5 С 21 С 7 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 вьотопнены 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.Изобретение относится к области черной металлургии и, в частности, может быть использовано при внепечной обработке металла способол 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 Ц,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 11,Недостатком этих способа и устройства является то, что в 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 рассредотоценно 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 21,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 к 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 опреде ленными частотой и амплитудной неудавалось синхронизировать по частоте и амплитуде. Действие высокой температуры жидкого металла, уменьшающееся давление по мере подъема пузырьков вдоль пат рубка по-разному оказывают влияние надинамику развития пузырьков. Эксплуатация устройства показала, что ввод инертного газа на трех уровнях по частоте и амплитуде сопровождалось завариванием 20 сопл при малых амплитудах вводимого газавследствие малых расходов инертного газа, а при больших амплитудах не удавалось осуществлять регулирования по частоте и синхронизировать их взаимодействие на двух 25 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 З 0 образованию настылей на стенках камерыили к завариванию вкуум-провода. Во всех случаях это приводило к выходу камеры из, эксплуатации и последующему ремонту.Сущность изобретения заключается в З 5 том, что в способе циркуляционного вакуумирования стали, включающем создание глубокого разрежения в вакуумной камере, заполнение ее металлом через всасывающий патрубок и ввод инертного газа рассре доточенно по высоте всасывающегопатрубка, согласно изобретению ввод инертного газа осуществляют в смешанном режиме на двух уровнях: сначала задают постоянный расход газа на нижнем уровне, 45 затем на верхнем уровне на расстоянии отнижнего уровня, равном 0,65 - 0,75 высоты всасывающего патрубка, вводят инертный газ с частотой 1-10 Гц, производят оценку приращения объема отходящих газов, после50 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 заключаетсятакже 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 по 200281750 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 расположен 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 иг расположены по одной из осей поперечного сечения патрубка 3 навстречу друг другу, Подвод инертного газа к соплам 4 и 5 первого 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 9- 11 типа ДМ для контроля за расходами вводимого и ОтхОдящих ГЭЭОвШтоки механизмов 8 обьединены пластиной 12, которая соединена с помощью сварки с зубчатой рейкой 13 с шагом резьбы М 10 и длиной 150 мм, Рейка 13 соединена с редуктором исполнительного механизма 14. К валу редуктора через переходник подсоедлнена ось переменного сопротивления 15 типа СА. К переменному сопротивлению 15 подключен стабилизированный источник питания 16 с напряжениями на выходе 100 мВ, .12 В, Между источником 16 и переменным сопротивлением 15 подключен стрелочный прибор 17 типа М 4201 на 100 мВ и нуль-орган 18, выполненный на микросхеме типа К 570 САЗ. На второй вход нуль-органа 18 подключен выход расходомера 11, Выход нуль-органа 18 подключен к входу электрон 5 10 15 20 25 30 35 40 45 ного ключа 19, выполненного на двух транзисторах типа КТ 315 и реле типа РЭС - 22, Одна пара контактов К 1.1 реле электронного ключа 19 подключена к регулятору 20 типа Р.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 разьемы. 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 чрезвычайно чувствительна к количественному вводу инертного газа. Это обстоятельство в значительной мере ограничивает количество вводимого газа и вместе с тем диапазон регулир,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 сдинамикой развития газометаллического потока, в частности с развитием и ростом газовой фазы в объеме металлического потока, По мере роста обьема газовой фазы засчет 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 (обьема) патрубка завершается в области, расположенной на расс 1 оянии 0,65-0,75 первого уровня ввода инертного газа. Эта область становится переходной (критической) в формировании потока, после которой происходит трансформация потока в пробковый или ценно-турбулентный, следовательно, происходит перестройка гаэометаллического потока, сопровождающегося уменьшением массовой скорости металла. Воздействие периодически меняющегося потока (с 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 обеэуглероживания, 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 зв г( - )1 х- 3 - 2 х пат Р Д (1 т) 1Осгде ю - частота преобразования вводимогогаза, сРгу, - давление вводимого аргона,кг/м с;50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Гнат - площадь патрубка, м;г,бс - диаметр сопла, м;и - длина патрубка,м;а - коэффициент газосодержания.Такая органиэация ввода инертного газа позволяет производить гибкое регулирование режимом циркуляции в соответствии с выражением И 1 ОРРгм(2) где Р 1 д Ргд, - 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 по 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.турбулизирующего 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 расходомера 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 17, подключенному к переменному сопротивлению 15 (1 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 О/Т где 0 - напряжение (усилие), фиксируемое прибором 17, мВ; 1 - 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 один20 25 30 35 40 50 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 нуль- органа 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 11 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,П р и м е р. Обработку сталей 09 Г 2 С и ОХН 1 МФа 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 8 ат., начальный расход инертного газа через сопла 4 был установлен для стали 09 Г 2 С 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 ОХ 1 МФа начало вакуумирования было таким, как и для стали 09 Г 2 С, 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 по 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 10-127,; поперечных образцов на 40-45;( ударная Формула изобретен и я 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 Сили на 20по сравнению с прототипом,5 (56) 1. Морозов А.А. Внепечное вакуумирование стали. - М,. Металлургия, 1973, с. 235,2. Кадиров М.К. и др, Физико-гидродинамические основы организации продувкина 3-х уровнях при циркуляционном вакуу 10 мировании стали. - М "Металлургия", М 3,1987,2. Устройство для циркуляционного ва 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 расходаинертного газа в переменный, отличающееся тем, что сопла для ввода инертного газа выполнены на двух уровнях, причем сопла верхнего уровня выполнены щеле 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, преобра зователь прстоянного расхода инертногогаза в переменный расположен на аргонной линии верхнего уровня и соединен с исполнительным механизмом контура автоматического управления по отклонению отходящих газов.