Новая конструкция разливочного ковша

В настоящее время повышение качества продукции является приоритетом для металлургов большинства развитых стран, особенно важно это для украинских предприятий, работающих на экспорт. Показатели качества зависят от чистоты металла по газам и неметаллическим включениям, количество, состав и размеры которых определяются способами и режимами обработки стали. Для ковшовой металлургии, как одного из наиболее современных способов литья, предложена новая конструкция разливочного ковша с фильтрующей перегородкой. Она повышает степень очистки металла от газов и неметаллических включений.

Среди известных способов удаления неметаллических включений в металлургических агрегатах незаслуженно мало внимания уделяют установке в их объеме различного рода фильтрующих перегородок. Именно конструктивный характер исполнения таких устройств и их местоположение предопределяет успех операции очистки металла.

Эффективность применения фильтрующих перегородок в разливочных ковшах определяется увеличением интенсивности конвективных потоков жидкости. Для этого используют различного рода перемешиватели, в частности нейтрального газа, подаваемого через донные продувочные устройства.

Для математического описания гидродинамики расплава в разливочных ковшах был использован метод приближенного физического моделирования, основанный на положениях теории подобия. Схема установки моделирования приведена на рис.1.

Рис. 1. Схема установки для моделирования гидродинамики металла в разливочных ковшах

Исследования гидродинамики жидкости на физической модели разливочного ковша проведены при подаче в металл нейтрального газа посредством донных продувочных фурм с интенсивностью 1,2-3,2 л/мин на тонну жидкой стали. Конструктивное исполнение фурм позволяет свободно перемещать их по днищу модели ковша. Модель фильтрующей перегородки изготовлена из органического стекла, ее можно устанавливать в нужное место разливочного ковша. В качестве моделирующей жидкости использовали воду, нейтральный газ имитировали воздухом, покровный шлак - растительным маслом. Поток жидкости визуализировали с помощью шариков (трассеров) полистирола диаметром 0,3–1,5 мм, имеющих нулевую плавучесть, а также посредством ввода в «глаз» пятна на поверхности воды красящей жидкости.

Направление и скорости потоков жидкости и газа определяли визуальным наблюдением и фиксацией гидродинамической картины на цифровую видеокамеру. Время гомогенизации жидкой ванны находили по времени изменения электропроводности воды, в которую вводили электролит. Для обеспечения определения локальных мест износа футеровки днища ковша дно модели покрывали равномерным тонким слоем серебристого графита. В областях, подверженных интенсивному воздействию потоков жидкости, графит размывался, а в застойных зонах - накапливался.

Образцом для физического моделирования служил однотонный разливочный ковш. В дальнейшем результаты холодного моделирования с целью проверки адекватности сравнивали с результатами математического моделирования. Проведенная серия экспериментов позволила установить, что фильтрующая перегородка должна иметь форму половины горизонтального сечения ковша и ее нужно устанавливать над донными продувочными устройствами (рис. 1, 2). Определено, что характер поведения газожидкостных потоков зависит от уровня расположения перегородки над донной фурмой и конфигурации отверстий в перегородке (рис. 2).


а) вид сверху


б) фильтрующая перегородка в нижнем положении по высоте ковша


в) фильтрующая перегородка в среднем положении по высоте ковша


г) фильтрующая перегородка в верхнем положении по высоте ковша

Рис. 2. Распределение газожидкостных потоков в объеме ковша

Так же, как и в экспериментах при отсутствии фильтрующей перегородки, в объеме ковша новой конструкции наблюдается 6-8 достаточно стабильных замкнутых гидродинамических потоков. В целом, разница скоростей потоков жидкости в I, IV и II, III квадрантах (рис. 2 а) не превышала 14 %. Наличие перегородки привело к более равномерному течению жидкости во всех зонах ковша при одновременном уменьшении количества и объема застойных зон.

Во всех исследованных случаях время гомогенизации уменьшалось по мере роста интенсивности подачи газа при наилучшем расположении донной фурмы на расстоянии около половины радиуса ковша от его оси.

Общей тенденцией во всех исследованных случаях стало появление дополнительных потоков металла, огибающих перегородку в районе вертикального осевого сечения ковша (рис. 2 б-г). Важной положительной особенностью во всех случаях было практическое отсутствие оголенной от шлака поверхности металла над донной фурмой (так называемого «глаза») и «пробойных» режимов в исследованном диапазоне расходов газа, что объясняется «рассеивающим» эффектом фильтрующей перегородки. Рассредоточение выделения газовой фазы из объема металла, увеличение длительности пребывания пузырьков в жидкости и уменьшение площади оголенного зеркала металла однозначно положительно повлияют на качество стали, в частности, на удаление газовых и неметаллических включений.

Общепризнанно, что условиями, обеспечивающими направленное движение неметаллических включений, их слияние, укрупнение и подачу к шлаковому покрову является создание принудительной конвекции во всем объеме, направленной к зеркалу металла ковша, а также образование вихреобразной гидродинамической структуры в расплаве металла. Вихревая структура объемов металла позволяет максимально быстро укрупнять неметаллические включения. Она не только создает условия для выноса в шлаковую зону, но и способствует задержанию их фильтрующей перегородкой. Желательно задействовать вихреобразованием как можно больший объем металла, чтобы обеспечить контакт со шлаковым покровом и уменьшить вероятность образования застойных зон. Следовательно, для более полного и интенсивного процесса рафинирования металла от неметаллических включений желательно увеличить путь движения металла до шлакового покрова.

Определено, что для этого в фильтрующей перегородке должны быть выполнены отверстия с углами наклона к оси ковша 0-450, величины которых определяются местонахождением перегородки относительно вертикальной плоскости симметрии ковша и расстоянием от его днища.

При нахождения рациональной высоты расположения перегородки над днищем ковша было определено, что по мере удаления от него интенсивность потоков жидкости снижается при одновременном росте объемов циркуляционных потоков (рис. 2 б-г).

В результате экспериментов найдено, что установка фильтрующей перегородки по варианту б (рис. 2 б) является самым неблагоприятным с точки зрения разрушения футеровки и малого времени контакта металла с адсорбирующей поверхностью. В этом случае при истечении газожидкостного факела образуются достаточно сильные вихри, которые отжимаются перегородкой к ближайшей к продувочному узлу стенке ковша. При этом создаются условия для размывания слоя футеровки. При близком расположении перегородки ко дну ковша не в полной мере реализуется принцип ортокинетической коагуляции и, соответственно, адсорбирующая функция перегородки.

При установке перегородки по варианту г (рис. 2 г), суспензированные в стали включения проходят больший путь, количество крупных включений увеличивается и значительная их часть задерживается на поверхности перегородки, которая гасит восходящие потоки, снижая интенсивность перемешивания. К тому же, у дна ковша со стороны противоположной продувочному узлу возникает объемная застойная зона.

Наилучшим оказалось размещение фильтрующей перегородки на расстоянии примерно 0,5-0,6 высоты налива металла (рис. 2 в и 3). В этом случае возникает достаточная объемная реакционная зона с развитой вихревой гидродинамической структурой, что обеспечивает интенсификацию рафинирования стали от неметаллических включений.

Рис. 3. Схема разливочного ковша с фильтрующей перегородкой

Таким образом, при помощи методов моделирования исследованы особенности гидродинамики металла в литейном ковше, оборудованном фильтрующей перегородкой, при различной интенсивности продувки инертным газом через донное фурменное устройство. Найдены рациональное место расположения фильтрующей перегородки в объеме разливочного ковша и расходы инертного газа, позволяющие интенсифицировать удаление из расплава неметаллических включений и газов.

Авторы статьи:

  • А.В. Гресс, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой литейного производства черных и цветных металлов ДГТУ;
  • С.А. Стороженко, ассистент кафедры литейного производства черных и цветных металлов ДГТУ