Способ раскисления и модифицирования металла и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при раскислении и модифицировании стали. Способ раскисления и модифицирования металла включает нагрев и расплавление реагента в виде смеси, содержащей измельченные металлический алюминий и, по крайней мере, один щелочноземельный металл (ЩЗМ), подачу реагента в струе газа из, по крайней мере, одного бункера через фурму, погружаемую под уровень металла, создание в фурме и бункере давления, избыточного над ферростатическим, возникающим на глубине в месте подачи реагента в металл, и обеспечение контакта металла и реагента в расплавленном виде. Нагрев и расплавление смеси осуществляют на глубине в месте подачи ее в металл. Величину избыточного давления в фурме и бункере поддерживают на уровне, обеспечивающем расплавление смеси перед контактом с металлом без кипения ее составляющих. Устройство содержит футерованную емкость для расплава, по крайней мере один бункер для измельченного реагента, соединительный узел, установленный с возможностью вертикального перемещения относительно емкости, штангу с колоколом и фурму, установленную концентрично внутри штанги, соединенную с бункером и магистралью подачи газа. Штанга и фурма закреплены на соединительном узле. Устройство снабжено системой, регулирующей величину избыточного давления в фурме и бункере, и камерой для расплавления реагента, выполненной в виде емкости с произвольно ориентированными отверстиями в стенках и днище, характерный размер которых меньше минимального размера измельченного реагента, и установленной на фурме под колоколом. Отношение объема колокола к объему камеры равно 1,2-3,1. Технический результат - снижение расхода реагента, повышение качества металла и исключение затрат энергии на расплавление реагента и его транспортировку в жидком виде. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам обработки стали и сплавов активными добавками и устройствам, применяемым для этого, и может быть использовано при раскислении и модифицировании стали.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ ввода жидкого реагента под уровень расплавленного металла, в котором раскрыт способ раскисления металла, предусматривающий нагрев и расплавление реагента, подачу реагента в струе газа из по крайней мере одного бункера через фурму, погружаемую под уровень металла, создание в фурме и бункере давления, избыточного над ферростатическим, возникающим на глубине в месте подачи реагента в металл, и обеспечение контакта металла и реагента в расплавленном виде (SU 1242528 А1, МПК⁷ С 21 С 7/00, опубл. 07.07.1986) /1/.

Способ позволяет за счет подачи реагента в металл в жидком виде добиваться равномерного распределения его в объеме металла и более точно регулировать его расход. Однако, вследствие того, что в известном способе жидкий реагент подготавливается, расплавляется и сохраняется в жидком виде в дополнительном дозаторе за пределами высокотемпературной зоны установки, то при транспортировке к расплавленному металлу жидкого реагента наблюдаются значительные его потери из-за намораживания на стенках трубопроводов. Способ предусматривает большие энергетические затраты - на питание индуктора при нагреве, плавлении и хранении реагента и на питание электромагнитного насоса при транспортировке расплавленного реагента.

Для реализации способа могут использоваться различные устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для ввода реагента под уровень расплавленного металла, содержащее футерованную емкость для расплава, по крайней мере один бункер для измельченного реагента, соединительный узел, установленный с возможностью вертикального перемещения относительно емкости, штангу с колоколом и фурму, установленную концентрично внутри штанги и соединенную с бункером и магистралью подачи газа, при этом штанга и фурма закреплены на соединительном узле (US 5413315, МПК⁷ С 21 С 7/04, 09.05.1995) /2/.

Устройство позволяет подавать реагент в требуемую зону расплавленного металла, но не обеспечивает предварительного расплавления реагента перед его контактом с металлом и не позволяет поддерживать регламентированное избыточное давление газа, что приводит к неравномерному распределению реагента в объеме обрабатываемого металла.

Задачей изобретения является создание способа обработки металла и устройства для его осуществления, обладающего пониженными энергетическими и материальными затратами.

Ожидаемый технический результат - снижение расхода реагента, повышение качества металла за счет снижения содержания вредных примесей, неметаллических включений и изменения их формы. Другим результатом, достигаемым при использования изобретения, является снижение энергетически затрат.

Технический результат достигается тем, что в известном способе раскисления и модифицирования металла, включающем нагрев и расплавление реагента, подачу реагента в струе газа из по крайней мере одного бункера через фурму, погружаемую под уровень металла, создание в фурме и бункере давления, избыточного над ферростатическим, возникающим на глубине в месте подачи реагента в металл, и обеспечение контакта металла и реагента в расплавленном виде, по изобретению в качестве реагента используют смесь, содержащую измельченные металлический алюминий и по крайней мере один щелочноземельный металл (ЩЗМ), нагрев и расплавление смеси осуществляют на глубине в месте подачи ее в металл, а величину избыточного давления в фурме и бункере поддерживают на уровне, обеспечивающем расплавление смеси перед контактом с металлом без кипения ее составляющих.

Для реализации способа предложено известное устройство для раскисления и модифицирования металла, содержащее футерованную емкость для расплава, по крайней мере один бункер для измельченного реагента, соединительный узел, установленный с возможностью вертикального перемещения относительно емкости, штангу с колоколом и фурму, установленную концентрично внутри штанги и соединенную с бункером и магистралью подачи газа и закрепленную вместе со штангой на соединительном узле, снабдить системой, регулирующей величину избыточного давления в фурме и бункере, и камерой для расплавления реагента, выполненной в виде емкости с произвольно ориентированными отверстиями в стенках и днище, характерный размер которых меньше минимального размера измельченного реагента, и установленной на фурме под колоколом, при этом отношение объема колокола к объему камеры равно 1,2-3,1.

Устройство может быть снабжено приводом вращения, установленным на соединительном узле и соединенного со штангой, при этом штанга должна быть установлена на соединительном узле вертикально с возможностью вращения относительно ее оси. Фурма может быть установлена с возможностью вертикального перемещения относительно соединительного узла и штанги, а камера для расплавления реагента выполнена съемной.

Предложение основано на том, что в качестве реагента используют смесь, содержащую измельченные металлический алюминий и по крайней мере один щелочноземельный металл (ЩЗМ). Введение алюминия совместно с по крайней мере одним щелочноземельным металлом при обязательном их расплавлении в одной камере с образованием жидкого сплава приводит к повышению раскисляющей способности алюминия, повышению растворимости ЩЗМ в металле и значительному снижению степени его испарения. Наличие окислов ЩЗМ в продуктах раскисления способствует получению легкоплавких, а в рассматриваемых условиях жидких, алюминатов щелочноземельных металлов, в результате чего _(Al2O3) в оксидной фазе уменьшается.

Образующиеся жидкие алюминаты щелочноземельных металлов коалесцируют и легко удаляются из металла. Оставшиеся включения приобретают глобулярную форму и при последующей обработке (прокатке) не деформируются. Это приводит к увеличению ударной вязкости, готовой стали до 3 раз (при -50С, 0С и 50С) и относительного сужения поперечного сечения образцов в 2-3 раза по сравнению с раскислением чистым алюминием.

Предложенная смесь реагентов может состоять как из чистых металлов (Al, Ca, Mg, Ba и др.), так и содержать наполнитель в виде, например, железной стружки или чугунной дроби. Степень измельчения материалов, то есть фракционный состав входящих в смесь реагентов, определяется используемой в устройстве насадкой, конструкция которой, в первую очередь, характерный размер отверстий должны быть согласованы. Смесь может содержаться в одном бункере. В этом случае предпочтительно материалы должны быть измельчены до одинакового фракционного состава. Материалы, составляющие смесь, могут подаваться из различных бункеров.

Для того чтобы уменьшить энергетические и тепловые потери в изобретении предлагается нагрев и расплавление смеси реагентов осуществлять на глубине в месте подачи ее в металл, то есть за счет тепла металла, при этом предусмотрено исключить контакт твердых частиц реагента с жидким металлом. Для этого разработана камера для расплавления реагента, выполненная в виде емкости с произвольно ориентированными отверстиями в стенках и днище. Отверстия в камере могут быть выполнены различной формы, при этом минимальный (характерный) размер, не препятствующий прохождению материала, должен быть меньше минимального размера измельченного реагента. Камера установлена на фурме под колоколом. Попадающий в камеру в струе газа-носителя реагент отделяется от газа, плавится, а образующийся жидкий сплав поступает в металл.

Поскольку щелочноземельные металлы обладают пониженной по сравнению с температурой обрабатываемого металла температурой кипения, то это должно приводить к большим потерям ЩЗМ на испарение. Для исключения этого явления в изобретении предусмотрено поддерживать величину избыточного давления в фурме и бункере на уровне, обеспечивающем расплавление смеси перед контактом с металлом без кипения ЩЗМ, входящих в ее состав. Величина избыточного давления, а также расход газа и реагента выбирается таким, чтобы обеспечить расплавление металлов ЩЗМ и нагрев полученного сплава до температуры обрабатываемого металла без кипения и испарения. Величина давления во многом определяется глубиной погружения и взаимным расположением камеры, металла и колокола и расходами материала. Оптимально используемые сочетания этих факторов позволяют получить указанный технический результат.

Для поддержания давления созданное устройство предлагается оснастить системой, регулирующей величину избыточного давления в фурме и бункере. Тип и наличие тех или иных элементов системы для реализации изобретения не является принципиальным. Необходимым является наличие системы и возможность реализации признаков регулировки и поддержания избыточного давления.

Не является принципиальным наличие тех или иных видов бункеров. Необходимым условием является лишь возможность создания в бункере избыточного давления и возможность подачи из него реагента. Например, можно использовать пневмокамерный насос или любой из видов пневмотранспортных установок.

Штанга с колоколом может быть установлена вращающейся с расположением привода на соединительном узле. Создание дополнительного перемешивания металла в результате вращения штанги с колоколом позволяет еще более равномерно распределять реагент в объеме металла, а установка фурмы с возможностью вертикального перемещения позволяет облегчить настройку устройства для обработки расплава и создает условия для быстрой смены камер фурмы.

Для реализации способа в предложенном устройстве необходимо соблюдения соотношения рабочих объемов колокола и камеры в интервале 1,2-3,1. При отношении рабочего объема колокола и камеры менее 1,2 наблюдается загромождение камеры из-за закрытия жидким металлом ее отверстий, а при отношении рабочего объема колокола и камеры более 3,1 поступающий реагент не успевает расплавляться, образуя сплав, и забивает отверстия камеры и подводящие каналы. В обоих случаях работа устройства нарушается.

На фиг.1 представлена схема устройства для раскисления и модифицирования металла; на фиг.2 - схема камеры для расплавления реагента.

Устройство для раскисления и модифицирования металла содержит футерованную емкость 1 для обрабатываемого металла, полую штангу 2 с закрепленным на одном ее конце колоколом 3, установленную концентрично внутри штанги 2 фурму 4 и соединенную с бункером 5 и магистралью 6 подачи газа. Устройство снабжено системой, регулирующей величину избыточного давления в фурме и бункере (на фиг.1 не показано) и съемной камерой 7 для расплавления реагента, выполненной в виде емкости (фиг.2), с произвольно ориентированными отверстиями 8 в стенках и днище, характерный размер которых меньше минимального размера измельченного реагента. Камера 7 установлена на фурме 4 под колоколом 3. Устройство содержит соединительный узел 9, установленный с возможностью вертикального перемещения относительно емкости 1, при этом штанга 2 и фурма 4 закреплены на соединительном узле 9. Устройство может быть снабжено приводом 10 вращения, установленным на соединительном узле 9 и соединенным передачей 11 со штангой 2, при этом штанга 2 установлена вертикально с возможностью вращения относительно ее оси на соединительном узле 9. Фурма 4 может быть установлена с возможностью вертикального перемещения относительно соединительного узла 9 и штанги 2.

Устройство работает следующим образом.

В предварительно заполненную жидким металлом емкость 1, в металл начинают погружать штангу 2 с установленным на ней колоколом 3 и камерой 7, соединенной с фурмой 4. При этом для предупреждения попадания шлака в камеру и колокол перед погружением низ колокола закрывают футерованной крышкой, удаляемой после погружения, или чехлом из тонколистового металла, растворяющегося после погружения. После погружения колокола на глубину 0,05-0,15 высоты ковша, при этом камера находится над поверхностью металла, через фурму 4 и камеру 7 начинают подавать газ. По мере дальнейшего погружения колокола и камеры в металл давление газа в бункере 5 и в фурме 4 увеличивают пропорционально росту ферростатического давления, не допуская контакта камеры 7 и жидкого металла. При достижении колоколом и камерой нижнего положения, равного 0,6-0,95 высоты ковша, погружение колокола с камерой прекращают. Определяют величину необходимого для предотвращения кипения ЩЗМ избыточного давления и устанавливают указанное давление в фурме, камере и бункере. С помощью, например, пневмокамерного насоса в фурму 4 и камеру 7 подают реагент, который, обладая большими, чем отверстия в камере, размерами, задерживается в камере 7 и плавится. Образующийся жидкий сплав алюминий - ЩЗМ прогревается до температуры обрабатываемого металла и за счет струй газа поступает в металл. Продолжительность обработки устанавливается в зависимости от расхода реагента. По окончании подачи реагента давление постепенно снижают и колокол и фурму извлекают из металла. В случае оборудования штанги 2 средством вращения во время погружения, подачи реагента и извлечения штанги производят ее вращение, что обеспечивает дополнительное перемешивание металла.

Пример

Сталь марки 14Г2 обрабатывали в 140-тонном ковше. Металл перед обработкой имел температуру 1590С и следующий состав, мас.%: углерод 0,15; кремний 0,29; марганец 1,55; сера 0,025; фосфор 0,028; азот 0,005; кислород 0,0072. В качестве реагента использовали алюминий в виде сечки в количестве 0,6 кг/т и гранулированный магний в количестве 0,12 кг/т. Фракционный состав реагентов 1,6-2,3 мм. Материалы смешивались в бункере пневмоустановки и подавались через погруженные в металл на глубину 2,4 м штангу, фурму и камеру, которые для защиты были футерованы огнеупорным кирпичом. Штанга, фурма и камера погружались в расплав металла со скоростью не более 1,5 м/мин при одновременной продувке аргоном и росте давления по манометру бункера пневмоустановки 0,17-0,18 атм/с. При достижении глубины 2,4 м устанавливали избыточное давление в бункере и камере приблизительно 5,8 ати и подавали реагент с помощью пневмонасоса. Реагент расплавлялся, образуя сплав в жидком виде, который по отверстиям камеры диаметром 1,5 мм поступал в жидкий металл. Расход аргона составил 1,6 м³ на 1 кг вводимого магния. Продолжительность ввода реагента 5,2 мин. После ввода реагента пневмонасос отключали, но подачу аргона продолжали еще 1,5-2 мин. Штангу, фурму и камеру извлекали из металла со скоростью 1,5-2 м/мин, при этом давления снижали таким образом, чтобы исключить контакт металла с камерой. После обработки металл имел температуру 1550С и следующий состав, мас.%: углерод 0,15; кремний 0,28; марганец 1,55; сера 0,009; фосфор 0,025; азот 0,0028; кислород 0,003; магний 0,015.

В результате обработки содержание примесей понизилось на следующее количество: серы 0,016; кислорода 0,0042; азота 0,0022.

Проверка образцов готового металла показала:

Ударную вязкость KCU=0,65 МДж/м².

Относительное сужение =62%.

Приведенный пример является характерным и не исчерпывает все возможные варианты способа и выполнения устройства в рамках изобретения. Для сравнения результатов проведена обработка металла алюминием по технологии ближайшего аналога.

Сравнение показывает, что расход реагента снизился на 46% при повышении ударной вязкости KCU в 2,1 раза и относительного сужения в 2,8 раза.

Использование изобретения позволяет снизить расход реагента, повысить качество металла и сократить энергетические затраты, так как при реализации способа исключены затраты энергии на расплавление реагента и его транспортировку в жидком виде.

Формула изобретения

1. Способ раскисления и модифицирования металла, включающий нагрев и расплавление реагента, подачу реагента в струе газа из, по крайней мере, одного бункера через фурму, погружаемую под уровень металла, создание в фурме и бункере давления избыточного над ферростатическим, возникающим на глубине в месте подачи реагента в металл, и обеспечение контакта металла и реагента в расплавленном виде, отличающийся тем, что в качестве реагента используют смесь, содержащую измельченные металлический алюминий и, по крайней мере, один щелочноземельный металл, нагрев и расплавление смеси осуществляют на глубине в месте подачи ее в металл, а величину избыточного давления в фурме и бункере поддерживают на уровне, обеспечивающем расплавление смеси перед контактом с металлом без кипения ее составляющих.

2. Устройство для раскисления и модифицирования металла, содержащее футерованную емкость для pacплава, по крайней мере, один бункер для измельченного реагента, соединительный узел, установленный с возможностью вертикального перемещения относительно емкости, штангу с колоколом и фурму, установленную концентрично внутри штанги и соединенную с бункером и магистралью подачи газа, при этом штанга и фурма закреплены на соединительном узле, отличающееся тем, что оно снабжено системой, регулирующей величину избыточного давления в фурме и бункере, и камерой для расплавления реагента, выполненной в виде емкости с произвольно ориентированными отверстиями в стенках и днище, характерный размер которых меньше минимального размера измельченного реагента, и установленной на фурме под колоколом, при этом отношение объема колокола к объему камеры равно 1,2-3,1.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено приводом вращения, установленным на соединительном узле и соединенного со штангой, а штанга установлена вертикально с возможностью вращения относительно ее оси.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что фурма установлена с возможностью вертикального перемещения относительно соединительного узла и штанги.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что камера для расплавления реагента выполнена съемной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:Общество с ограниченной ответственностью "ПРОМИС"(ООО "ПРОМИС")

(73) Патентообладатель:Наконечный Анатолий Яковлевич (UA)

(73) Патентообладатель:Урцев Владимир Николаевич

(73) Патентообладатель:Хабибулин Дим Маратович

(73) Патентообладатель:Аникеев Сергей Николаевич

(73) Патентообладатель:Штоль Вадим Юрьевич

Договор № РД0008765 зарегистрирован 11.05.2006

Извещение опубликовано: 27.06.2006        БИ: 18/2006

---