Способ непрерывной разливки жидкого металла и устройство для его осуществления

Способ непрерывной разливки жидкого металла и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к непрерывной разливке стали в ее классическом исполнении для литья прежде всего крупных слябовых и блюмовых заготовок из различных марок стали, включая высокоуглеродистые колесные и рельсовые стали.

Ближайшим аналогом заявленного способа является способ непрерывной разливки жидкого металла, в котором жидкий металл подают под уровень в кристаллизаторе через глуходонный погружной стакан. Потоки металла, исходящие из металлопровода, направляются относительно горизонтальной оси выходных отверстий стакана по касательной к наружной поверхности металлопровода (RU 2204461 C1, В 22 D 41/50, 20/05/2003).

Ближайшим аналогом заявленного устройства является устройство для непрерывной разливки жидкого металла, содержащее погружной стакан, имеющий подводящий и выходные каналы.

Недостаток известного способа и устройства для непрерывной разливки металла заключается в том, что в них не учитывается гидродинамика потоков и роль металлопровода, что сказывается на качестве литых заготовок.

Технический результат группы изобретений заключается в повышении качества литых заготовок и расширении технологических возможностей способа непрерывной разливки.

Технический результат достигается тем, что в способе непрерывной разливки жидкого металла, включающем подачу жидкого металла под уровень металла в кристаллизаторе через глуходонный погружной стакан, имеющий выходные каналы, направление исходящих из металлопровода потоков металла по касательной к наружной поверхности металлопровода относительно горизонтальной оси выходных каналов, подачу металла осуществляют при ферростатическом давлении на дно металлопровода, определяемым высотой столба металла в 750-1750 мм, при этом верхний срез выходных каналов размещают на уровне 100-200 мм от фиксированного уровня металла в кристаллизаторе, подводящий канал металлопровода выполняют ступенчатым или конусообразным при соотношении площади поперечного сечения нижней части металлопровода S₁, к площади верхней его части S₂, суммарной площади поперечного сечения на входе каналов S₃ и на выходе S₄ как 1:(1,07-1,3):(1,5-2,0):(2,5-4,5).

Для осуществления способа в устройстве непрерывной разливки жидкого металла, содержащем глуходонный погружной стакан для подачи жидкого металла в кристаллизатор, имеющий подводящий канал и выполненные в его боковой стенке выходные каналы, расположенные веерообразно по периметру металлопровода, подводящий канал выполнен ступенчатым или конусообразным при соотношении площади поперечного сечения нижней части металлопровода S₁, к площади верхней его части S₂, суммарной площади поперечного сечения на входе каналов S₃ и на выходе из них S₄ как 1:(1,07-1,3):(1,5-2,0):(2,5-4,5).

Сталь из сталеразливочного ковша подается в промежуточный ковш, в котором в процессе разливки поддерживается рабочий уровень в соответствии с конструкцией последнего и высотой в пределах 750-100 мм. Из промежуточного ковша жидкий металл через систему металлопровода, включающую стакан промежуточного ковша и погружаемый под уровень металла в кристаллизаторе удлиненный стакан, поступает в кристаллизатор. Погружной стакан глуходонный имеет выходные отверстия, выполненные в виде диффузоров с одной скошенной стенкой. Выходные отверстия расположены по периметру стакана веерообразно. Угол наклона стенок, образующих диффузорную зону, составляет от 20 до 85° к оси выходных каналов. При поступлении металла в кристаллизатор появляются тангенциальные составляющие потоков, которые обеспечивают устойчивое равнонаправленное вращение металла в верхней части кристаллизатора, способствующие всплытию неметаллических включений и их ассимиляции покровным шлаком на зеркале металла и, таким образом, повышению чистоты стали, а также повышению качества поверхности заготовок (снижение количества подповерхностных пузырей).

Создание горизонтальных вращательных элементов расплава в кристаллизаторах связано с созданием касательной (тангенсной) составляющей потока, которая в значительной степени зависит от скорости истечения расплава, т.е. от конфигурации и высоты металлопровода, от смещения центральной оси боковых каналов от радиального направления и от конфигурации боковых каналов. Таким образом, получение максимального вращательного эффекта возможно только при оптимальном соотношении технологических и конструктивных параметров в системе промковш - металлопровод - разливочный стакан - кристаллизатор.

Касательная составляющая скорости потока из боковых каналов определяется из выражения:

где ω - скорость потока в вертикальном металлопроводе;

ΔI - смещение оси бокового канала от его радиального направления;

r - радиус металлопровода;

Δr - толщина стенки канала;

R - наружный радиус стакана;

γ - угол отклонения оси бокового канала от нормального (радиального) направления n.

Скорость потока в нижней части металлопровода определяется площадью его сечения и ферростатическим давлением на дно металлопровода, зависящим от высоты столба металла, т.е.

или

где H, h - высота столба расплава от промковша до рассматриваемого сечения и высота погружения бокового отверстия стакана при отсчете от одного уровня;

Pam., Р - атмосферное давление и давление на рассматриваемом уровне;

Δh_nom.=ξω²/2g - гидравлические потери в канале;

ΔH=H-h,

ΔР=Р-Pam,

ρ, g, ξ - плотность расплава, ускорение свободного падения и коэффициент гидравлических потерь.

Для получения скоростей истечения потока на входе в боковые каналы ω=0,2-0,6 м/с и, соответственно, получения касательной составляющей ω_х=0,07-0,2 м/с высота столба металла в металлопроводе должна составлять Н=750-1750 мм при погружении разливочного стакана в кристаллизатор на Δh=110-200 мм от верхнего уровня выходных каналов.

Увеличение касательной составляющей ω_x может быть достигнуто также уменьшением площади сечения металлопровода в нижней его части, т.е. уменьшением r в выражении (1). Для этой цели сечение металлопровода выполняется ступенчатым или конусообразным с сужением книзу (чертеж). При этом соотношение площадей поперечного сечения металлопровода в нижней и верхней частях относятся как 1:(1,07-1,3).

Это обеспечивает более полное заполнение расплавом металлопровода и равномерное распределение его по боковым каналам.

Увеличение смещения ΔI боковых каналов достигается выбором их конфигурации и площади сечения. Наибольшее смещение канала ΔI до 2r и более достигается при выполнении наружной части выходных каналов в виде диффузорной зоны. Наличие диффузорной зоны со скошенной стенкой в сторону вращения позволяет повысить эффект вращения за счет обратного потока и его торможения вдоль этой стенки на выходе из канала. При этом наибольший эффект вращения, как показывают результаты физического моделирования, достигаются при протяженности диффузорной зоны 0,2-0,6 от общей длины выходных каналов при угле наклона диффузорной стенки до α=80-85° к оси канала. Суммарная площадь боковых каналов на входе и на прямолинейном участке составляет 1,5-2,0 к площади поперечного сечения металлопровода в нижней его части. На участке выхода из диффузорной зоны это соотношение составляет 2,5-4,5.

Таким образом, соотношение площади поперечного сечения нижней части металлопровода S₁, к площади верхней его части S₂, суммарной площади поперечного сечения на входе каналов S₃ и на выходе из них S₄ составляют 1:(1,07-1,3):(1,5-2,0):(2,5-4,5).

Пример осуществления способа.

Жидкая сталь из сталеразливочного ковша с температурой, соответствующей разливаемой марки стали, поступает в промежуточный ковш, в котором поддерживается рабочий уровень в пределах 750-800 мм. Из промежуточного ковша через систему металлопровода с четырьмя выходными отверстиями диффузорного типа в погружной части, оси которых имеют смещение относительно продольной оси стакана, жидкий металл поступает в кристаллизатор сечением 300×350 мм по касательной к наружной поверхности металлопровода относительно горизонтальной оси выходных отверстий. Расход металла при этом регулируется стопором, а зеркало металла в кристаллизаторе покрывается слоем шлакообразующей смеси.

В конкретном случае реализации способа металлопровод представляет собой сочетание разливочного стакана промежуточного ковша и удлиненного погружного стакана. При этом ферростатическое давление на дно металлопровода определяется высотой столба металла в промковше и металлопроводе, равной 1750 мм, верхний срез выпускных отверстий находится ниже уровня металла в кристаллизаторе на 150 мм.

Внутренний канал металлопровода выполнен с диаметром в нижней части 48 мм, в верхней части - 52 мм, сечение на входе в выпускной канал 20×45 мм, на выходе 35×45 мм. При этом сечение канала на выходе имеет форму диффузора со скошенной стенкой в сторону вращения и углом раскрытия 45°-50°. Такие внутренние размеры металлопровода обеспечивают соотношение сечений как 1:1,17:2:3,5. Указанные параметры металлопровода обеспечивают скорость касательной, составляющей в пределах 0,1-0,2 м/с, которая исключает захват шлаковых включений с зеркала металла.

Пример конкретного осуществления изобретения не исключает другие варианты его исполнения.

Благодаря тангенсному подводу жидкой стали, соблюдению размерных соотношений металлопровода обеспечивают равномерное устойчивое круговое движение металла в блюмовой заготовке, способствующее очищению металла от неметаллических включений и улучшающее качество поверхности.

1. Способ непрерывной разливки жидкого металла, включающий подачу жидкого металла под уровень металла в кристаллизаторе через глуходонный погружной стакан, имеющий выходные каналы, направление исходящих из металлопровода потоков металла по касательной к наружной поверхности металлопровода относительно горизонтальной оси выходных каналов, отличающийся тем, что подачу металла осуществляют при ферростатическом давлении на дно металлопровода, определяемом высотой столба металла 750-1750 мм, при этом верхний срез выходных каналов размещают на уровне 100-200 мм от фиксированного уровня металла в кристаллизаторе, подводящий канал металлопровода выполняют ступенчатым или конусообразным при соотношении площади поперечного сечения нижней части металлопровода S₁, площади верхней его части S₂, суммарной площади поперечного сечения каналов на входе S₃ и на выходе из них S₄ как 1:(1,07-1,3):(1,5-2,0):(2,5-4,5).

2. Устройство непрерывной разливки жидкого металла, содержащее глуходонный погружной стакан для подачи жидкого металла в кристаллизатор, имеющий подводящий канал и выполненные в его боковой стенке выходные каналы, расположенные веерообразно по периметру металлопровода, отличающееся тем, что подводящий канал выполнен ступенчатым или конусообразным при соотношении площади поперечного сечения нижней части металлопровода S₁, площади верхней его части S₂, суммарной площади поперечного сечения на входе каналов S₃ и на выходе из них S₄ как 1:(1,07-1,3):(1,5-2,0):(2,5-4,5).