ПЕРЕМЕШИВАНИЕ МЕТАЛЛА В КОВШЕ

Перемешивание расплава при внепечной обработке обеспечивает интенсификацию рафинировочных процессов, повышая тепло и массоперенос, увеличивая межфазную поверхность, усредняя химический состав и температуру в объеме ванны. Ускоряется растворение и повышается эффективность использования рафинирующих реагентов, раскислителей, легирующих и охладителей. Обеспечивается дегазация металла, коалесценция и ассимиляция неметаллических включений покровным шлаком.

В зависимости от способа подвода энергии различают перемешивание металла падающей струей, механическими мешалками, вибромеханическое, барботажное, газлифтное, пульсационное, электромагнитное, с использованием газотворных реагентов или добавок к ним и др.

1. Перемешивание падающей струей. Обеспечивается за счет изменения потенциальной энергии. Такое перемешивание имеет место при выпуске плавки, переливе металла из ковша в ковш в процессах DH и RH. Энергия перемешивания металла падающей струей оценивается уравнением:

 

N = 0,163 · G · ΣH (7.22)

 

где N – мощность струи, к Вт; G – расход металла, т/мин; ΣH – суммарная высота свободного падения струи, гидростатического напора и барометрического столба за счет разности давлений над металлом в сливаемой емкости и на выходе металла из нее, м.

Во время выпуска металла из 100т стационарной печи удельная энергия составляет около 33 кДж/т, но процесс этот ограничивается продолжительностью выпуска и практически не регулируется. При переливе металла в емкость, находящуюся в вакуумном пространстве, мощность струи в среднем на 75% выше, чем при обычном переливе. Дополнительный эффект от использования мощности струи достигается при тангенциальном вводе ее в воронку в результате завихрения.

2. Механическое перемешивание металла мешалками. Обеспечивается наиболее эффективное использование подводимой энергии. Обычно мешалка представляет собой армированную керамику четырех лопастную или в форме диска. Дополнительный эффект при использовании мешалки с т-образным отверстием достигается в результате направленной циркуляции металла снизу вверх через т-образное отверстие. При вращении мешалки со скоростью до 300 об/мин огнеупорная обмазка мешалки изнашивается, загрязняя металл неметаллическими включениями. Поэтому механическое перемешивание неприемлемо для стали, но оно успешно применяется для обработки передельного чугуна. Температура чугуна на много ниже, чем температура обработки стали, а загрязнение его продуктами эрозии огнеупоров не опасно. В этом случае возможно применение мешалок в виде графитовых стержней, так как науглероживание чугуна не опасно.

3. Барботажное перемешивание продувкой металла в ковше аргоном рассмотрено в разделе 7.2. а примером газлифтного перемешивания является процесс RH.

4. Пульсационное перемешивание – процесс РМ (Pulsationg Mixing). В основу процесса взят принцип забора порций металла в вакууматоре DH и сброса его обратно в ковш. В отличие от способа DH забор и сброс порций металла обеспечивается изменением давления, а не подъемом и опусканием камеры, которая заменена огнеупорной трубой, рис. 7.31.

Для 250 т ковша длина трубы 3,7 м с внутренним диаметром 0,6 м. Торец трубы перед погружением в металл перекрывается стальным листом для отсечки шлака. Труба поворачивается на стенде и погружается в металл на глубину 1,4 м. Давление в трубе измеряют в пределах 50-150 кПа, нагнетая азот и понижая давление вакуумным насосом небольшой производительности (60 м³/мин). Длительность нагнетания 0,5 с, выдержка и сброс давления по 2-2,5 с, этот процесс автоматизирован.

Мощность перемешивания составляет 10 Вт/т. полное перемешивание достигается за 30-40 циклов в течение 3 мин.

Пульсация струи интенсифицирует перемешивание, сокращая продолжительность его в 2 раза. Отсутствие барботирования газовых пузырей предотвращает контакт металла с атмосферной и рефосфорацию, в 2 раза снижает потери температуры металла в сравнении с барботажным перемешиванием, обеспечивает почти 100%-ное усвоение присадок и позволяет заменить аргон дешевым азотом. Стойкость патрубка около 100 плавок. В сравнении с процессом DH процесс РМ менее затратный, но в сравнении с барботажным перемешиванием эксплуатационные расходы удваиваются, а дегазация не обеспечивается.

 

 

1 – ковш; 2 – огнеупорная труба; 3 – бункер для реагентов; 5 – распределительное устройство;

6 – система подвода газа; 7 – система удаления газа; 8 – гидросистема; 9 – пульт управления.

 

Рисунок 7.31 – Установка для пульсационного перемешивания стали в

ковшах

 

5. Индукционное перемешивание успешно применяется на установкахASEA – SKF. В системе индуктором служит статор, а ротором расплавленная сталь. Многофазный ток, протекающий через обмотки статора, индуцирует в жидком металле бегущее магнитное поле, которое увлекает за собой расплав, обеспечивая перемешивание. Для устранения экранирования магнитного поля кожух ковша в месте примыкания к статору выполняют из немагнитной стали или из композитного керамического материала Calidus.

Мощность индукторов в зависимости от массы металла в ковшах составляет 350-700 кВА. Для проникновения магнитного поля глубоко в металл статор питается током частотой 1-2 Гц. Потоки металла перемещаются со скоростью до 1м/с, обеспечивая быстрое растворение ферросплавов, и усреднение химического состава стали. Добавки в ковш вводят в зону перехода восходящего потока в нисходящий – по центру ковша.

На шлак магнитное поле не воздействует, и он вовлекается в движение только контактирующими с ним потоками металла. Это снижает отрицательное воздействие плавильных шлаков на качество металла, но не обеспечивает рафинирование синтетическим шлаком

Преимуществом электромагнитного перемешивания является отсутствие дополнительных приспособлений и реагентов, вводимых в металл, а также интенсивное перемешивание всего объема металла без сохранения застойных зон. Однако из-за высокой стоимости электрооборудования, необходимости изготовления ковшей с кожухами из немагнитных материалов и неблагоприятным высокоскоростным движением потоков металла у стенок футеровки, повышающим его износ и загрязнение металла неметаллическими включениями, применение этого способа ограничивается производством сталей с большим расходом ферросплавов в ковше.

6. Перемешивание газотворными реагентами.

В металлургии везде применяются меры предотвращения взаимодействия жидкого металла с водой, чтобы избежать взрывоопасногомгновенного парообразования с многократным увеличением объема. В тоже время в дозированных количествах вода успешно используется, например, для перемешивания чугуна при отливке изложниц. В качестве газотвотрных реагентов используются органические вещества, карбонаты, мазут, смолы, гидроокиси, полиэтилен и пр. Распространено использование газотворных добавок при десульфурации чугуна карбидом кальция.

В ДонНТУ под руководством профессора В.С. Сапиро разработаны и успешно применены в промышленных условиях (ЕМЗ) два варианта использования газотворных реагентов. В одном из них смесь порошков известняка и кокса в соотношении 6:1 затворяется на жидком стекле в количестве 10% (мас) и рассредоточено наносится на днище ковша. После сушки при температуре 500-900˚С ковш подается для приема плавки. При взаимодействии с жидким металлом и углеродом кокса известняк разлагается с выделением СО₂, а затем по реакции СО₂+С=2СО количество молей удваивается. При расходе смеси 2,3 кг/т стали, выход газов составляет около 1 м³/т. Интенсивное перемешивание металла в ковше длится в течение всего выпуска плавки, продолжается 5-8 мин после его окончания. Обеспечивается усреднение состава и температуры металла, а также рафинирование при создании восстановительной атмосферы над зеркалом металла.

Другим разработанным вариантом предусматривается погружение на ложном стопоре пористого углеродистого блока в недораскисленную сталь. Достигается стабилизация раскисленности металла с выделением 0,35-0,55 м³/т стали СО. Этого достаточно для гомогенизации расплава.