2.3. Конструкция современных промежуточных ковшей.

В начале внедрения процессов непрерывной разливки стали промежуточный ковш играл роль распределительного устройства, обеспечивающего постоянство напора металла, поступающего в кристаллизаторы МНЛЗ. Опыт показал, что использование промежуточных ковшей простейшей конструкции без учета характера потоков жидкого металла, его повторного окисления в результате взаимодействия с атмосферой, огнеупорами, шлаком может привести к ухудшению качества стали. Рациональное устройство и дополнительное оснащение ковша превращают его в металлургический агрегат непрерывного действия, предназначенный для дополнитель­ного внепечного рафинирования стали и повышения ее качества.

Современный промежуточный ковш (см. рис. 8) снабжен приспособлениями, позволяющими: устранить влияние таких источников загрязнения, как эрозия огнеупоров, повторное окисление, взаимо­действие с ковшевым шлаком; обеспечить всплывание и отделение неметаллических включений путем правильной организации движения металла, исключающей появление застойных зон и укороченных путей; обеспечить использование дополнительных технологических приемов – продувки нейтральными газами, применения специальных крышек и покровных флюсов, размещения порогов и фильтров.

Рис. 8. Общий вид промежуточного ковша с наливной футеровкой арматурного слоя и торкрет-массой в рабочем слое, оснащенный турбогасителем, фильтрационными перегородками и порогами для управления гидродинамикой ванны

Флотация и фильтрация включений при обработке металла в промежуточном ковше определяются целым рядом одновременно действующих факторов: 1) размерами включений, их составом, температурой плавления и плотностью; 2) способностью включений к укрупнению; 3) величинами межфазного натяжения на границах «металл–включение» и «шлак–включение»; 4) интенсивностью перемешивания ванны и характером движения металла; 5)_физическими характеристиками металла и шлака (состав, температура, вязкость); 6) физическими характеристиками и составом контактирующей с перемешиваемым металлом твердой поверхности футеровки ковша, перегородок и т.д.

Управление потоком металла в промежуточном ковше достигается применением таких устройств, как бойные плиты с рифленой поверхностью, устройства для гашения турбулентности, перегородки с различной конфигурацией отверстий и донные фурмы для подачи инертного газа.

Бойные плиты с рифленой поверхностью снижают начальное расплескивание металла в начале серии разливки плавок, устраняя негативное влияние на качество головного сляба капель железа, окисленных на поверхности огнеупорной футеровки промежуточного ковша, но они не решают проблему загрязнения непрерывнолитого слитка неметаллическими включениями.

Бойные плиты с отражателем – турбогасители – имеющие боковые стенки с выступом позволяют гасить энергию входящего потока. Основной принцип данного метода заключается в сочетании боковой поверхности стенки и нависающего выступа, при этом происходит рассеивание входящего потока стали из сталеразливочного ковша и тем самым снижается воздействие отраженного потока на объём стали в ковше.

Применение турбогасителей обеспечивает следующие преимущества:

• снижение расплескивания металла в начале разливки;

• повышение первоначальной чистоты стали;

• уменьшение износа футеровки промежуточного ковша в зоне падения струи металла.

Фильтрационные перегородки широко применяются для эффективной очистки стали от крупных неметаллических включений размером более 20 мкм. Принцип очистки осно­ван на организации движения потоков металла в ковше, инициирующего флотацию (всплытие) неметаллических включений, при этом качество очистки в немалой степени зависит от места расположения перегородок по отношению к приемной части промежуточного ковша, а также размера отверстий и угла их наклона к горизонтальной плоскости . Авторами работы [9] отмечается, что эффективность флотации частиц одинакова при круглых и щелевых отверстиях в перегородке. Для обеспечения обычных скоростей непрерывной разливки стали суммарная площадь сечения всех переточных каналов должна быть не менее 300_см². Существенное сокращение суммарной площади их сечения приводит к уменьшению скорости непрерывной разливки, вместе с тем значительное увеличение суммарной площади сечения переточных каналов нежелательно, так как заметно уменьшается скорость затопленных струй. Поэтому желательно обеспечить большое число каналов, равномерно расположенных в области перегородки.

При прохождении металла из приемной камеры через отверстия в раздаточной камере возникает ряд затопленных турбулентных струй, содержащих дисперсные включения огнеупоров и продуктов раскисления стали. Истечение струй происходит вследствие разности уровней металла в приемной и раздаточной камерах. Скорость движения металла по мере удаления от отверстия в перегородке уменьшается вследствие присоединения соседних объёмов металла. Если осевая скорость в начальном и основном участках струй больше, чем скорость металлического расплава в прилегающих областях, то по оси струи создаются области пониженного давления (разрежение), в которые затягиваются включения. Этим и объясняется рафинирующая роль затопленных струй.

Для достижения максимального эффекта желательно обес­печить большее число каналов, равномерно расположенных по высоте перегородки. Равнодействующая сил, воздействующих на истекающую из канала струю, всегда направлена вверх, т.е. к поверхности шлакового покрова, которым и адсорбируются всплывающие включения. Цилиндрические каналы формируют прямые потоки, которые защищают металл от затягивания покровного шлака.

Удаление из стали мелких (менее 20 мкм) неметаллических включений достигается созданием за вертикальной перегородкой промежуточного ковша сплошной завесы из газа, подаваемого вертикально через пористый блок, установленный в днище промежуточного ковша за перегородкой.

При возникновении вихревого движения в области стопора возможно затягивание шлака в кристаллизатор. Для подавления преждевременного возникновения вихревого движения в промежуточном ковше по торцам на его дне предложено устанавливать огнеупорные гасители.

Для активизации и максимально полного удаления включений в промежуточном ковше на поверхности металла должен находиться покровный шлак, ассимилирую­щий включения и предотвращающий окисление металла.

Были проведены обширные эксперименты по изучению влияния состава покровного шлака на его взаимодействие с металлом. Состав шлаков изменяли от СаО-А1₂Оз (по 50% каждого компонента) до 100% MgO. Установлено, что шлак должен иметь температуру плавления, позволяющую ему быть жидким при температуре жидкой стали, т.е. ровным слоем покрывать поверхность стали в ковше и, кроме того, в шлаке должно быть минимальное содержание компонентов, имеющих меньшее сродство к кислороду, чем алюминий (например, SiO₂), для предотвращения окисления алюминия. При использовании флюса, содержащего 48% СаО, 37% А1₂О₃ и 15% MgO (температура плавления 1530 °С), общее содержание кислорода в стали оказалось в 10 раз меньшим, чем при использовании флюса из чистого MgO.

Немаловажное значение имеет контакт с атмосферой струи металла, вытекающей из сталеразливочного ковша в промежуточный. Для предотвращения окисления этой струи и поглощения ею газов повсеместное распространение получили защитные трубы между ковшами, изолирующие металл от атмосферы, в которые в последние годы для большей эффективности стали вдувать инертный газ – аргон.