Результат интеллектуальной деятельности: Способ циркуляционного вакуумирования металлического расплава

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при внепечной обработке металла способом циркуляционного вакуумирования.

Известен способ внепечного рафинирования металлического расплава, включающий создание разрежения над поверхностью расплава и продувку расплава снизу инертным газом, при этом интенсивность продувки снижают с окончанием ее в момент 0,5-0,8 всего времени разрежения, при этом дополнительно накладывают пульсирующее разрежение, амплитуда пульсаций разрежения от 0,002 до 0,005 МПа, а частота - в интервале от 5-50 до 200-350 Гц в течение 0,9-0,95 общего времени разрежения, затем частоту пульсаций снижают до 5-50 Гц и сохраняют ее до окончания процесса (Патент РФ №1547323, МПК С21С 7/10, опубл. 30.12.1994).

Недостаток: внутри каждого цикла обработки порций расплава не происходит обновление расплава внутри вакууматора, что снижает интенсивность выделения газов из расплава.

Известен способ внепечного рафинирования металлического расплава, включающий создание над поверхностью расплава в вакууматоре пульсирующего, модулированного по частоте и амплитуде разрежения, достаточного для получения парциальных давлений газов над расплавом ниже парциальных давлений газов в расплаве и одновременную продувку расплава инертным газом, подаваемым по крайней мере двумя струями асимметрично оси вакууматора в нижней его части, причем вдув газа производят периодически с частотой в диапазоне 0,03-5 Гц с настройкой на резонанс колебаний уровня расплава в ковше, одновременно с этим в рабочее пространство над поверхностью расплава в вакууматоре дополнительно вдувают газ регулируемого состава с частотой в диапазоне 30-300 Гц в те интервалы времени, которые соответствуют фазе повышения давления пульсаций низкой частоты (Патент РФ №2074896, МПК С21С 7/10, опубл. 10.03.1997).

Данный способ не позволяет достичь высокой интенсивности удаления растворенных в расплаве газов, так как пульсационное воздействие разрежения на расплав происходит в ограниченной зоне вдувания газов.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является способ циркуляционного вакуумирования жидкого металла, включающий создание глубокого разрежения в вакуумной камере, заполненной металлом, и ввод инертного газа рассредоточенно по высоте всасывающего патрубка, при этом ввод инертного газа осуществляют в смешанном режиме на двух уровнях: сначала задают постоянный расход газа на нижнем уровне, затем на верхнем уровне на расстоянии от нижнего уровня, равном 0,65-0,75 высоты всасывающего патрубка, вводят инертный газ с частотой 1-10 Гц до положения, когда приращение объема отходящих газов станет равным нулю. Введение периодически меняющегося газового потока в диапазоне 1-10 Гц с различной степенью эффективности изменяет структуру потока, поднимающегося над соплами, интенсифицируя массообменные процессы: увеличение реакции обезуглероживания, выделение водорода, образование окислов (Патент РФ №2002817, МПК С21С 7/10, опубл. 15.11.1993).

Недостатками прототипа являются неэкологичное воздействие вибрации в указанном диапазоне частот на человеческий организм по медицинским показаниям; кроме того, при невысоком давлении может произойти заметалливание фурм.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение качества металлического расплава за счет уменьшения содержания в нем твердых частиц, повышение однородности расплава и сокращение необходимой длительности обработки за счет усиления воздействия на частицы расплава.

Указанный результат достигается тем, что в способе циркуляционного вакуумирования жидкого металла, включающем создание глубокого разрежения в вакуумной камере, заполнение ее металлом через всасывающий патрубок и ввод инертного газа рассредоточенно по высоте всасывающего патрубка, где ввод инертного газа осуществляют в смешанном режиме: постоянного и пульсационного потоков, при этом постоянный и пульсационный потоки газа предварительно смешивают, давление первого потока составляет 15 атм, а давление второго потока подается с пульсирующей частотой 100-1000 Гц, объем газа пульсирующего потока варьируется от 10 до 90% от объема общего потока, при этом окончательное давление составляет не менее чем на 30% больше, чем давление на уровне высоты столба металла, с частотой от 100 до 1000 Гц и амплитудой 10-20% от усредненного давления подаваемого газа.

Совмещение потока газа происходит в преобразователе потока газа. Постоянный поток в 15 атм смешивают с пульсирующим потоком с частотой 100-1000 Гц, объем газа пульсирующего потока варьируется от 10 до 90% от объема общего потока. Вибровоздействие на расплав усиливает дегазацию: колебания скорости потока приводят к локальным вихрям в зоне смешивания и выше, сопровождаемым увеличением площади контакта между газовой и жидкой фазами и перепадом давления в сторону газовой фазы, что позволяет уменьшить содержание в металле твердых частиц и повысить однородность расплава: повышается степень удаления кислорода, азота и водорода. Такое вибрационное воздействие на расплав вызывает большую подвижность частиц расплава и, следовательно, его гомогенизацию, обеспечивает дробление твердых частиц в расплаве, ускоряя их химическое взаимодействие с расплавом и тем самым сокращая необходимую продолжительность обработки, усиливает выделение из расплава газовой фазы. Время обработки металла сокращается на 10%, кроме того, при пульсирующей подаче газа не происходит заметалливание фурм, за счет подачи совмещенного потока газа.

При частоте менее 100 Гц низка эффективность измельчения твердых включений. Увеличение частоты выше 1000 Гц может привести к кавитации, способной разрушить футеровку вакуум-камеры. Несоблюдение условия 30%-ного превышения давления газа над давлением столба металла и не превышения сверх 20% давления газа от среднего повлечет заметалливание фурм.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Обработку стали проводят в автоматическом режиме. Вакуумная камера имеет два патрубка: всасывающий (подъемный) и сливной. В рабочем положении нижние концы обоих патрубков погружаются в металл, а камера остается неподвижной. Сопла подачи газа расположены так, что обеспечивается равномерное распределение газа по сечению трубы. В преобразователе газа происходит смешение газа, после чего подается в сопла смешанный (совмещенный) из потока постоянного давления в 15 атм и пульсирующего - с частотой 100-1000 Гц, объем газа пульсирующего потока варьируется от 10 до 90% от объема общего потока. После смешения разных потоков газа газ принимает пульсирующее движение.

Циркуляцию металла ковш-камера-ковш обеспечивает смешанная подача газа, пузыри которого, разрыхляя металл, снижают его плотность в патрубке, вызывая тем самым всасывание дополнительного количества металла, вызывающего повышение его уровня в камере. По достижении определенного уровня (несколько более 1,4 м над уровнем в ковше) плотный металл вытекает по сливному патрубку в ковш, поскольку имеет большую плотность.

Скорость циркуляции металла зависит от создаваемого в камере разрежения, диаметра всасывающего патрубка и расхода аргона. Обычно эти параметры выбирают так, чтобы через вакуумную камеру можно было пропустить весь металл один раз за 3-5 мин. Следовательно, при коэффициенте циркуляции пять, продолжительность вакуумирования будет составлять 15-25 мин.

Предлагаемый способ позволяет повысить предел прочности металла на 5-7%, повысить пластичность металла на 3-5% и снизить время вакуумирования на 10%.