Способ поточного вакуумирования жидкой стали с регулируемой кратностью

СПОСОБ ПОТОЧНОГО ВАКУУМИРОВАНИЯ ЖИДКОЙ СТАЛИ С РЕГУЛИРУЕМОЙ КРАТНОСТЬЮ Боровик Валерий Васильевич,Алешин Юрий Васильевич, Зазян Александр Сергеевич (BY) Гончаров В.В. (BY)(дегазации) жидкой стали и может быть использовано для рафинирования качественных углеродистых, низкоуглеродистых и легированных марок стали непосредственно в процессе разливки на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) криволинейного или радиального типов для литья сортовых, блюмовых и слябовых заготовок. Задача, решаемая изобретением,заключается в повышении эффективности вакуумной обработки стали при проведении ее непосредственно в процессе разливки на машинах непрерывного литья заготовок и обеспечении полной управляемости процесса путем регулирования расхода транспортного и рафинировочного газа. Технический результат заключается в сокращении времени внепечной обработки металла, что обеспечивается способом поточного вакуумирования жидкой стали с регулируемой кратностью в процессе непрерывной разливки, характеризующимся тем, что движение металла организуют через промежуточный ковш, разделенный на две или три секции: приемную и разливочную или приемную, рафинировочную и разливочную; производят дегазацию и рафинирование стали в вакуумной камере циркуляционного типа, куда поступает сталь из приемной секции промежуточного ковша способом газлифта. При обработке стали в вакуумной камере задают коэффициент ее циркуляции и глубину рафинирования таким образом, чтобы металл поступал в разливочную или в рафинировочную и далее в разливочную секции промежуточного ковша со скоростью, определяемой весовой скоростью разливки и коэффициентом циркуляции. Достижение технического результата обеспечивается тем, что вакуумирование происходит непосредственно в процессе разливки стали с регулируемой кратностью циркуляции и глубиной рафинирования; при этом в зависимости от марки и степени окисленности обрабатываемой стали можно варьировать расходом транспортного и рафинировочного газа для достижения глубокого рафинирования без избыточного брызгообразования и потерь металла с пылью. Изобретение относится к черной металлургии, конкретно - к технологии вакуумирования (дегазации) жидкой стали, и может быть использовано для рафинирования качественных углеродистых, низкоуглеродистых и легированных марок стали непосредственно в процессе разливки на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) различных типов для литья сортовых, блюмовых, круглых, слябовых заготовок и специальных фасонных профилей, а также для отливки различных слитков в формы и изложницы. В современной черной металлургии наиболее распространенными способами вакуумной обработки(дегазации) стали, предназначенной для последующей непрерывной разливки, являются [1]: вакуумирование стали в ковше (VD-процесс и его разновидности); вакуумирование порций стали (DH иRH-процессы); вакуумирование струи стали при переливе из ковша в ковш или на выпуске из плавильного агрегата; особый интерес в контексте данного изобретения представляет вакуумирование жидкой стали с регулируемой кратностью (RH-IS процесс). Известен способ поточно-струйного вакуумирования жидкой стали в проточной камере, предложенный проф. Г.А. Соколовым [2] и являющийся вариантом вакуумирования стали в струе. Сталь, подлежащая рафинированию, поступает из сталеразливочного ковша в промежуточный ковш через вакуумную проточную камеру по металлопроводу, погруженному под уровень металла. В процессе вакуумирования разность уровней металла в промежуточном ковше и в камере уравновешивается внешним давлением. В данном способе вакуумированию подвергается струя жидкой стали и поверхностный "активный" слой металла толщиной 50-150 мм в переводе на плотный металл в вакуумной камере, установленной между сталеразливочным и промежуточным ковшами. Вариантом этого способа является обработка стали в промежуточном вакуумном ковше, рабочее пространство которого образовано стенами и сводом повышенной высоты. Недостаток данной технологии заключается в том, что вакуумная обработка металла в проточной камере производится в течение короткого промежутка времени, составляющего, по расчетным данным,для вакуумной камеры МНРС НЛМК 5 с. Небольшая длительность обработки не позволяет рассчитывать на эффективное удаление элементов с низким коэффициентом диффузии в жидкой стали, в частности азота. При использовании вакуумного промежуточного ковша длительность пребывания металла в активном слое значительно (до 34 с) возрастает, но возникает реальная угроза аварийной остановки МНРС в случае разгерметизации вакуумного ковша, вакуум-провода или выхода из строя вакуумных насосов. Это обусловлено тем, что на барометрическую высоту, составляющую около 1,47 м, поднята значительная масса жидкого металла, составляющая, например, для 300-тонной плавки при разливке на двухслябовой МНРС около 70 т. По этой же причине проблематично обеспечить стабильную высоту уровня металла в кристаллизаторе при колебаниях остаточного давления в вакуумной камере, что негативно отражается на качестве продукции. Еще одним существенным недостатком действующих систем поточного-струйного вакуумирования является сложность обеспечения вакуумплотного разъемного соединения (стыка) между вакуумной камерой и сталеразливочным ковшом, что приводит к снижению серийности разливки, повышенному газонатеканию, увеличению требуемой мощности насосов вакуумной системы для его компенсации и снижает эффективность процесса вакуумирования в целом. Вышеперечисленные недостатки являются основным препятствием для широкого распространения технологии поточного вакуумирования, несмотря на ее очевидные преимущества: непрерывное вакуумирование, совмещенное с разливкой, не требует дополнительного времени и, следовательно, не увеличивает технологическую паузу между выпуском и разливкой плавки. Известен способ поточного вакуумирования металла при непрерывной разливке [3], включающий подачу жидкого металла из разливочного ковша в вакуумную камеру, струйное поточное вакуумирование металла в вакуум-камере и подачу металла из нее через сливной патрубок в промежуточный ковш и далее в кристаллизаторы. Согласно способу металл подают из вакуум-камеры в промежуточный ковш с помощью дополнительного патрубка, в который подают инертный газ, после подъема уровня металла в промежуточном ковше выше нижних торцов патрубков и герметизации вакуум-камеры металлом дополнительно к струйному поточному вакуумированию осуществляют циркуляционное вакуумирование находящегося в промежуточном ковше металла. При этом расход инертного газа в дополнительном патрубке и величину диаметра струи металла в канале дополнительного патрубка устанавливают по прямым зависимостям от весового расхода жидкого металла из промежуточного ковша с учетом эмпирических коэффициентов, учитывающих закономерности транспортировки металла в канале дополнительного патрубка пузырьками нейтрального газа, и гидродинамические закономерности течения металла в канале дополнительного патрубка соответственно. Всем перечисленным способам вакуумирования свойственны два существенных недостатка, резко снижающих эффективность как самого процесса вакуумирования, так и всей технологической цепочки производства стали. Это, во-первых, дополнительные затраты времени на сталеплавильный передел от выплавки до разливки, составляющие от 15 до 50 мин; во-вторых - металл после проведения процесса вакуумирования подвергается транспортировке, подогреву, переливам из ковша в ковш, т.е. достаточно длительное время продолжает контактировать с огнеупорами, шлаком и атмосферой, что приводит к увеличению содержания неметаллических включений и росту концентрации газов в готовой стали; втретьих - температура металла после вакуумирования во время разливки при переливе из стальковша в промковш значительно снижается, в результате чего растворимости примесей или константы равновесия процесса взаимодействия между ними снижаются, происходит самораскисление стали с образованием вторичных оксидных неметаллических включений, т.е. происходит неизбежное загрязнение стали. Кроме того, в действующих системах поточного вакуумирования время обработки металла определяется весовой скоростью разливки и площадью активного слоя, в котором эффективно протекают процессы дегазации и раскисления, поэтому единственным регулируемым параметром, определяющим степень рафинирования металла, является величина остаточного давления в вакуумной камере (степень разрежения, или глубина вакуума). Как показано выше, достижение низких значений остаточного давления (менее 1 мбар) в данных системах проблематично из-за повышенного газонатекания, что ограничивает эффективность процесса вакуумирования. Известно принятое за прототип устройство для поточного вакуумирования металла при непрерывной разливке [4], которое содержит разливочный ковш, состыкованный с вакуумной камерой с цилиндрической формой рабочей полости, имеющей горловину и снабженной сливным патрубком в ее днище,входящим в рабочую полость промежуточного ковша, снабженного разливочными стаканами, входящими в кристаллизаторы. В днище вакуум-камеры установлен дополнительный патрубок, снабженный подводящим трубопроводом в его боковой стенке. Расстояние между осями патрубков составляет 4-10 диаметров канала дополнительного патрубка, горловина выполнена в виде цилиндрического канала длиной 0,2-0,6 высоты рабочей полости вакуум-камеры с диаметром, равным расстоянию между внутренними образующими каналов патрубков, и расположенного симметрично между этими образующими. Профиль ниже расположенной части рабочей полости вакуум-камеры выполнен конусной формы с высотой, равной 0,15-0,3 высоты рабочей полости вакуум-камеры. Устройство предназначено для реализации способа[3], следовательно, повторяет его принципиальные недостатки. Недостатки конструкции прототипа следующие: подача металла в вакууматор осуществляется через его верхнюю крышку, вследствие чего не обеспечивается достижение требуемого разрежения без дополнительной герметизации емкости вакууматора, что представляет определенные технические трудности. Непрерывность процесса вакуумирования обеспечивается только в течение перелива стали, содержащейся в объеме одного сталеразливочного ковша, вакуумирование вынужденно прерывается при каждой замене опустевшего сталеразливочного ковша заполненным ("перековшовке"). И, наконец, в прототипе отсутствует управление потоками металла между вакууматором и промежуточным ковшом (через одну либо через две перегородки). Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности вакуумной обработки стали при проведении ее непосредственно в процессе разливки на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и обеспечении полной управляемости процесса путем регулирования расхода транспортного и рафинировочного газа. Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, состоит в повышении качества непрерывно-литой заготовки, снижении удельных энергозатрат и росте производительности оборудования за счет сокращения времени внепечной обработки металла. Достижение технического результата обеспечивается способом поточного вакуумирования жидкой стали с регулируемой кратностью в процессе непрерывной разливки, заключающимся в том, что движение металла организуют через промежуточный ковш, разделенный на две или три секции - приемную и разливочную или приемную, рафинировочную и разливочную; производят дегазацию и рафинирование стали в вакуумной камере циркуляционного типа, куда поступает сталь из приемной секции промежуточного ковша способом газлифта. Согласно изобретению по способу при дегазации и рафинировании стали в вакуумной камере задают коэффициент ее циркуляции и глубину рафинирования таким образом,чтобы металл поступал в разливочную или в рафинировочную и далее в разливочную секции промежуточного ковша со скоростью, определяемой весовой скоростью разливки и коэффициентом циркуляции. Для достижения этого избыточный по отношению к разливаемому объем стали возвращают в приемную секцию промежуточного ковша, где он смешивается со свежими порциями металла, поступающими из сталеразливочного ковша, и подвергается повторной дегазации и рафинированию в вакуумной камере; при этом регулированием расхода аргона, подаваемого на газлифт, управляют кратностью вакуумирования или коэффициентом циркуляции и устанавливают степень рафинирования металла, обеспечивающую непрерывность процесса вакуумирования со скоростью, определяемой весовой скоростью разливки и коэффициентом циркуляции, причем длительность процесса лимитируется стойкостью футеровки промежуточного ковша. Для интенсификации рафинирования и дегазации металла в вакуумной камере подачу аргона осуществляют в продувочное устройство, представляющее собой пористый блок из огнеупорного материала, установленный в лещади вакуумной камеры. Подачу транспортного газа в погружной патрубок вакуумной камеры осуществляют через систему вмонтированных в патрубок фурм, выполненных в виде стальных трубок малого диаметра. Диаметр вакуумной камеры выполняют по ширине промежуточного ковша, а высоту определяют по высоте рабочего пространства камеры, включающего динамическую высоту подъема металла над ле-2 019567 щадью, высоту газометаллической пены и высоту вылета брызг металла. Расход транспортного газа и диаметр патрубков рассчитывают таким образом, чтобы максимальная весовая скорость циркуляции металла через вакуумную камеру превышала весовую скорость разливки металла, равную весовой скорости поступления металла из сталеразливочного ковша, в 1-5 раз, наиболее предпочтительно в 3-4 раза. Достижение значения коэффициента циркуляции от 1 до 4 обеспечивают путем повышения уровня металла и ферростатического давления в разливочной секции по отношению к уровню металла в приемной секции промежуточного ковша за счет принудительной циркуляции, вызываемой газлифтингом. Избыточный металл из разливочной камеры через переливное отверстие перегородки промежуточного ковша поступает обратно в приемную камеру, где он смешивается со свежими порциями металла, поступающими из сталеразливочного ковша, и подвергается повторной вакуумной обработке. Достижение технического результата посредством предлагаемого способа обеспечивается тем, что вакуумирование происходит непосредственно в процессе разливки стали с регулируемой кратностью циркуляции и глубиной рафинирования; при этом в зависимости от марки и степени окисленности обрабатываемой стали можно варьировать расходом транспортного и рафинировочного газа для достижения глубокого рафинирования (высокой степени рафинирования) без избыточного брызгообразования и потерь металла с пылью. Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображены общий вид системы вакуумирования и схема движения металла при поточном вакуумировании в камере циркуляционного типа RH-IS. На чертеже показаны: 1 - сталеразливочный ковш; 2 - вакуумная камера; 3 -промежуточный ковш МНРС; 4 - стакан-дозатор; 5 - кристаллизатор; А, В, С - соответственно приемная, рафинировочная и разливочная секции промежуточного ковша МНРС. Система вакуумирования может быть исполнена с одной или двумя перегородками промежуточного ковша. Одна перегородка разделяет его на две секции - приемную и разливочную. Две перегородки промежуточного ковша разделяют его на три секции - приемную, рафинировочную и разливочную. Поточное вакуумирование в камере циркуляционного типа с регулируемой кратностью осуществляется следующим образом: сталь поступает из сталеразливочного ковша 1 в промежуточный ковш 3 по металлопроводу, погруженному под уровень металла. Промежуточный ковш разделен на две или три секции (приемную А и разливочную С или приемную А, рафинировочную В и разливочную С) огнеупорными перегородками, высота которых превышает уровень металла и шлака при максимальном наполнении промковша. В нижней части перегородок расположено переливное отверстие или группа отверстий. Движение металла между секциями промежуточного ковша организовано по принципу сообщающихся сосудов. Сталь поступает в приемную секцию промежуточного ковша (секция А) с весовой скоростью, определяемой весовой скоростью разливки металла на МНРС, или суммарным расходом через дозаторы 4. Непосредственно над перегородкой, разделяющей приемную и рафинировочную секции промежуточного ковша 3 расположена вакуумная камера 2 с огнеупорной футеровкой, имеющая два футерованных огнеупорными материалами погружных патрубка, по одному из которых металл затекает в вакуумную камеру, а по другому вытекает, а также патрубок отвода горячих газов. Вакуумная камера 2 имеет вид удлиненного цилиндра и состоит из двух составных частей - верхней, со сводом и патрубком вакуумпровода, и нижней, с подиной и погружными футерованными патрубками. Разделение камеры на две части обусловлено неравномерным износом футеровки нижней и верхней частей и выполнено в виде фланцевого соединения. Перед началом вакуумирования вакуумная камера 2 опускается над промежуточным ковшом 3 таким образом, что подающий патрубок оказывается погруженным в приемную (А), а отводящий в рафинировочную (В) секции (в случаях с двумя секциями промежуточного ковша в приемную (А) и разливочную (С) промежуточного ковша. Начинается откачка воздуха из вакуумной камеры, в результате чего металл по погружным патрубкам под действием атмосферного давления поднимается в вакуумную камеру на барометрическую высоту Нб, составляющую при рабочем вакууме 1,47 м. Одновременно в подающий патрубок через систему фурм, выполненных в виде стальных трубок малого диаметра, подается транспортирующий газ - аргон. В подающем патрубке образуется газометаллическая эмульсия, и жидкий металл под воздействием газлифтного эффекта поднимается в вакуумную камеру, при этом уровень металла превышает барометрическую высоту на величину h и достигает динамической высоты. В вакуумной камере пузырьки транспортного газа отделяются от металла с образованием брызг, при этом как сами пузырьки аргона, так и образующаяся при разбрызгивании поверхность раздела металл-вакуум способствуют процессу дегазации стали. Избыточный по сравнению с барометрическим уровнем объем металла под действием сил гравитации перетекает через лещадь или подину вакуумной камеры по отводящему патрубку в рафинировочную секцию промковша. Таким образом, происходит непрерывная циркуляция металла через вакуумную камеру. Лещадь вакуумной камеры дополнительно оборудована газопроницаемой пористой вставкой из крупнозернистого огнеупора для организации рафинировочной продувки аргоном. Диаметр вакуумной камеры соответствует ширине промежуточного ковша, а высота определяется высотой рабочего пространства и составляет около 3 м (включая динамическую высоту подъема металла над лещадью + высоту газометаллической пены + высоту вылета брызг металла). Расход транспортного газа и диаметр патрубков рассчитаны таким образом, чтобы максимальная весовая скорость циркуляции металла через вакуумную камеру превышала весовую скорость разливки металла, равную весовой скорости поступления металла из сталеразливочного ковша, в 1-5 раз, наиболее предпочтительно в 3-4 раза. В данном случае соотношение весовых скоростей циркуляции и разливки металла называется кратностью вакуумирования или коэффициентом циркуляции. Следует отличать глубину рафинирования от степени рафинирования стали: глубина рафинирования определяется степенью разрежения вакуума в вакуумной камере в процессе вакуумирования, а степень рафинирования определяется глубиной рафинирования при определенном значении кратности вакуумирования или коэффициента циркуляции. При коэффициенте циркуляции, равном 1, металл из приемной секции может перетекать в разливочную только через вакуумную камеру; при коэффициенте циркуляции, достигающем значения от 1 до 4, избыточный металл из разливочной камеры через переливное отверстие перегородки промковша перетекает обратно в приемную камеру, где смешивается со свежими порциями металла, поступающими из сталеразливочного ковша, и подвергается повторной вакуумной обработке. Вакуумирование по способу осуществляется при разливке методом плавка на плавку, при этом количество плавок, разливаемое за одну серию, ограничивается только стойкостью огнеупорного припаса и футеровки промежуточного ковша. При замене сталеразливочного ковша вакуумирование может продолжаться в устоявшемся режиме; в случае падения уровня металла в промежуточном ковше вакуумная камера опускается автоматически по показаниям датчика уровня; в случае аварийного падения уровня металла в промежуточном ковше и завершения разливки серии плавок срабатывает аварийный клапан и происходит сброс вакуума путем подачи в вакуумную камеру азота, затем следует отключение системы вакуумных насосов. Вакуумирование поточным методом с регулируемой кратностью по предложенному способу принципиально отличается от вакуумирования по прототипу (посредством RH-процесса) тем, что продолжается не 10-15 мин, а в течение разливки всей плавки или серии плавок; при этом весовая скорость циркуляции металла и соответственно объемная скорость газовыделения снижаются в 5-7 раз. Соответственно снижается потребляемая мощность насосов вакуумной системы. Камера RH-IS-вакууматора, предложенного в изобретении, спроектирована специально для вакуумирования стали в промежуточном ковше с минимальной затратой времени и максимальной производительностью. Производительность же RH-вакууматора определяется скоростью циркуляции или весовым расходом металла и должна обеспечивать обработку всей плавки при коэффициенте циркуляции 3-4 в течение 10-12 мин. Это означает, что для 100-тонной плавки скорость циркуляции должна составлять не менее 35 т/мин. Скорость циркуляции металла в вакуум-камере определяется по формуле, полученнойR.K. Hanna: где Du - внутренний диаметр подающего патрубка, см;Dd - внутренний диаметр сливного патрубка, см;G - расход транспортного газа (аргона); Н - высота патрубка, используемая для продувки (расстояние от места ввода аргона до подины вакуумной камеры), см. Стремление достичь максимальной производительности привело к максимально возможному увеличению диаметра патрубков и расхода транспортного газа при проектировании новых вакуумных камер для RH-процесса. Поскольку высота вакуумной камеры вакууматора RH определяется высотой вылета брызг металла, повышение расхода транспортного газа привело к увеличению габаритных размеров камеры. Вакуумная камера для рассматриваемого способа поточного вакуумирования с регулируемой кратностью отличается высотой рабочего пространства, составляющей 1/3 часть от высоты рабочего пространства камеры вакууматора RH при сопоставимой массе плавок. Такие размеры вызваны ограничением габаритов для возможности монтажа вакуумной системы на действующих МНЛЗ (МНРС) и обеспечиваются соответствующим снижением скорости газовыделения и расхода транспортного газа и компенсируются временем обработки и кратностью вакуумирования. Источники информации 1. Г. Кнюппель. Раскисление и вакуумная обработка стали. Ч. II. Основы и технология ковшевой металлургии. - М.: "Металлургия", 1984. - 414 с. 2. Соколов Г.А. Внепечное вакуумирование стали. - М.: "Металлургия", 1977. - 206 с. 3. Патент RU 2085330, МПК B22D 11/10, опубл. 27.07.1997. 4. Патент RU 2085329, МПК B22 D11/10, опубл. 27.07.1997. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ поточного вакуумирования жидкой стали с регулируемой кратностью в процессе непрерывной разливки, согласно которому движение металла организуют через промежуточный ковш, разделенный на две или три секции - приемную и разливочную или приемную, рафинировочную и разливочную; производят дегазацию и рафинирование стали в вакуумной камере циркуляционного типа, куда обеспечивают поступление стали из приемной секции промежуточного ковша способом газлифта, отличающийся тем, что при дегазации и рафинировании стали в вакуумной камере задают коэффициент ее циркуляции и глубину рафинирования таким образом, чтобы металл поступал в разливочную или в рафинировочную и далее в разливочную секции промежуточного ковша со скоростью, определяемой весовой скоростью разливки и коэффициентом циркуляции, посредством того, что избыточный по отношению к разливаемому объем стали возвращают в приемную секцию промежуточного ковша, где он смешивается со свежими порциями металла, поступающими из сталеразливочного ковша, и подвергается повторно дегазации и рафинированию в вакуумной камере; при этом, управляя кратностью вакуумирования или коэффициентом циркуляции за счет регулирования расхода аргона, подаваемого на газлифт,устанавливают степень рафинирования металла, обеспечивающую непрерывность процесса вакуумирования со скоростью, определяемой весовой скоростью разливки и коэффициентом циркуляции, причем длительность процесса лимитируется стойкостью футеровки промежуточного ковша. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для интенсификации рафинирования и дегазации металла в вакуумной камере подачу аргона осуществляют в продувочное устройство, представляющее собой пористый блок из огнеупорного материала, установленный в лещади вакуумной камеры. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что подачу транспортного газа в погружной патрубок вакуумной камеры осуществляют через фурму, установленную в днище промежуточного ковша. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что диаметр вакуумной камеры соответствует ширине промежуточного ковша, а высота определяется высотой рабочего пространства, включающего динамическую высоту подъема металла над лещадью, высоту газометаллической пены и высоту вылета брызг металла. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что расход транспортного газа и диаметр патрубков рассчитывают таким образом, чтобы максимальная весовая скорость циркуляции металла через вакуумную камеру превышала весовую скорость разливки металла, равную весовой скорости поступления металла из сталеразливочного ковша, в 1-5 раз, наиболее предпочтительно в 3-4 раза. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что для достижения перетекания избыточного металла из разливочной камеры через переливное отверстие перегородки промежуточного ковша обратно в приемную камеру, где его смешивают со свежими порциями металла, поступающими из сталеразливочного ковша,и подвергают повторной вакуумной обработке, обеспечивают значение коэффициента циркуляции от 1 до 4.