PL246309B1 - Podstrumieniowy regulator przepływu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest podstrumieniowy regulator przepływu, stymulujący warunki hydrodynamiczne w kadzi pośredniej podczas ciągłego odlewania stali.

W procesie ciągłego odlewania stali wszystkie etapy produkcji prowadzące do otrzymania wlewka ciągłego muszą być ze sobą zsynchronizowane. Zarówno proces wytapiania stali (konwertor tlenowy, elektryczny piec łukowy) jak i proces obróbki poza piecowej muszą być dopasowane do wydajności urządzenia do odlewania. Dostarczana w rejon urządzenia do odlewania w kadzi głównej stalowniczej ciekła stal jest przelewana do kadzi pośredniej, której zadaniem jest rozdzielenie ciekłego metalu do poszczególnych krystalizatorów. Dostatecznie długi czas przebywania stali w kadzi pośredniej pozwala na inicjowanie procesów związanych z rafinacją ciekłego metalu. Skuteczność rafinacji stali w kadzi pośredniej uzależniona jest jednak od wielu czynników. Poprawę stopnia czystości stali związaną z usunięciem z niej wtrąceń niemetalicznych (WN) uzyskuje się poprzez zastosowanie: wysoko jakościowych materiałów ogniotrwałych na ściany i dno kadzi, płyt i zasypek kadziowych chroniących stal przed wtórnym utlenieniem, zasypek rafinujących oraz urządzeń sterujących przepływem stali. Do najczęściej stosowanych urządzeń sterujących przepływem zaliczamy tamy, przegrody, przelewy, podstrumieniowe regulatory przepływu oraz przegrody gazo-przepuszczalne. Zastosowanie w kadzi pośredniej wybranego urządzenia sterującego przepływem nie tylko powoduje ukierunkowanie strumienia stali w pożądanym kierunku, ale także przyczynia się do wzrostu czasu przebywania stali w kadzi pośredniej. Głównym zadaniem urządzeń sterujących przepływem jest sterowanie strumieniem stali mające na celu minimalizację stref stagnacyjnych i zwiększenie czasu przebywania stali w kadzi. Wzrost czasu przebywania jest zwykle korzystny dla poprawy stopnia czystości metalu [McPerson N. A., McLean A.: Continuous Casting - Non-Metallic Inclusions in Continuously Cast Steel, vol. 7 Iron&Steel Society, (1995)]. W ostatnich dwóch dekadach szczególnie silnie rozwijane są konstrukcje podstrumieniowych regulatorów przepływu. W literaturze podstrumieniowe regulatory przepływu występują pod następującymi nazwami: Pouring Chamber [Tripathi A., Ajmani S. K.: Numerical Investigation of Fluid Flow Phenomena in a Curved Shape Tundish of Billet Caster, ISD Int., 45 (2005), 1616-1625], Turbulence Inhibitor [Lopez-Ramirez S., Barreto J. De J., Palafox-Ramos J., Morales R. D., Zacharias D.: Modeling Study of the Influence of Turbulence Inhibitors on the Molten Steel Flow, Tracer Dispersion and Inclusion Trajectories in Tundishes, Metall. Mater. Trans. B, 32B (2001), 615-627], Turbostop [Vayrynen P., Vapalahti S., Louhenkilpi S., Chatburn L., Clark M., Wagner T.: Tundish Flow Model Tuning and Validation: Steady State and Transient Casting Situations, SteelSIM Conf., (2007), 147-152], Pouring Pad [Fan C. M., Pan S. M., Wang H. S., Hwang W. S.: Design of Single Element Flow Control Device in Twin Strand Billet Tundish for Continuous Casting of Steel Using flow Simulation Model, Ironmaking and Steelmaking, 29 (2002), 376-382], Pour Pad [Quick M., Morris J.: Optimization of a Five Strand Billet Caster with an Unshrouded Tundish-to-Mold Stream, AISTech Proceedings, Vol. II, (2006), 501-510], Turbo Stopper [Hulstrung J., Zeimes M., Au A., Oppermann W., Radusch G.: Optimization of the Tundish Design to Increase the Product Quality by Means of Numerical Fluid Dynamics, Steel Res., 76 (2005), 59-63 [Odenthal H.-J., Bolling R., Pfeifer H.: Numerical and Physical Simulation of Tundish Fluid Flow Phenomena, 11^th Japan-German Seminar on Fundamentls of Iron and Steelmaking, (2002), 86-98], Advance Pouring Box, czy Subflux Controller of Flow lub Subflux Controller of Turbulence [Cwudziński A., Jowsa J.: Przepływ stali w kadzi pośredniej z wbudowanym podstrumieniowym regulatorem turbulencji, Hutnik - Wiadomości Hutnicze, 73 (2006), 7-10]. Podstrumieniowy regulator przepływu w klasycznej formie jest urządzeniem podobnym do „skrzyni” o specjalnie wyprofilowanych ścianach i krawędziach górnych, dzięki którym możliwa jest zmiana kierunku przepływu strumienia stali wpływającego do kadzi. Wlewana do kadzi pośredniej stal uderza o dno i brzegi regulatora, efektem czego jest zawrócenie przepływu w kierunku przeciwnym do kierunku strumienia wpływającego do kadzi.

Konstrukcja regulatora może być scharakteryzowana odpowiednimi wartościami parametrów β i α wyrażającymi odpowiednio stosunek średnicy wylewu kadzi stalowniczej do powierzchni otworu, przez który wpływa stal do PRT oraz kąt nachylenia ścian wewnętrznych regulatora [Odenthal H.-J., Bolling R., Holzhauser J.-F., Wahlers F.-J.: Machanism of Fluid Flow in a Continuous Casting Tundish with Different Turbo-Stoppers, Steel Res., 72 (2001), 466-476]. Jednym z zadań urządzenia typu PRT jest minimalizacja zjawiska „spychania” zasypki kadziowej z powierzchni stali w strefie zalewania kadzi pośredniej. Dodatkowo regulator powinien zapobiegać powstaniu tzw. „czerwonego oka” obniżając możliwość przedostania się tlenu z atmosfery do ciekłego metalu. Stosowanie podstrumieniowego regulatora przepływu w kadzi pośredniej obniża zawartość tlenu w stali także podczas wymiany kadzi głównej stalowniczej w trakcie ciągłego odlewania, co zapobiega zarastaniu wylewów kadzi pośredniej i wydłuża czas pracy kadzi podwyższając jej „żywotność”, co ma znaczący wpływ na polepszenie wydajności i zmniejszenie kosztów związanych z pracą maszyny COS [Franco W. P., Wagner O. L. M.: Extended Trials with Turbostop™ New Flow Control System for Tundishes, www.foseco.steel.com]. Przykładem podstrumieniowych regulatorów przepływu mogą być rozwiązania PCT/GB00/00518 lub PCT/EP2017/068349, gdzie podstrumieniowy regulator przepływu w formie skrzynki z materiału ogniotrwałego ceramicznego o specjalnie wyprofilowanej przestrzeni oddziałującej na strumień ciekłej stali w strefie zalewania jest dodatkowo wyposażony w ceramikę gazo-przepuszczalną umożliwiającej wprowadzanie argonu do ciekłej stali. Znane są również podstrumieniowe regulatory przepływu zgodnie z rozwiązaniami nr PCT/GB1999/002233, PCT/GB2000/000518, PCT/GB00/02070, PCT/US02/16195 przyjmujące różne formy skrzyń.

Celem wynalazku jest opracowanie takiego podstrumieniowego regulatora przepływu, który będzie pozwalał na stymulację warunków hydrodynamicznych w kadzi pośredniej podczas ciągłego odlewania stali. Wynalazek modyfikuje ruch stali w strefie zasilania kadzi pośredniej oddziałując na kształt strumieni w całej objętości roboczej kadzi pośredniej. Wpływa na optymalizację przepływu, poprawiając homogenizację cieplną i chemiczną ciekłej stali, ograniczając erozję materiałów ogniotrwałych w strefie zasilania kadzi pośredniej oraz intensyfikuje warunki dla flotacyjnego wypływania wtrąceń niemetalicznych ku powierzchni swobodnej lustra metalu.

Istotą wynalazku jest podstrumieniowy regulator przepływu do kadzi pośredniej stalowniczej charakteryzujący się tym, że ma kształt półkuli osadzonej na walcu, których średnice są równe a w półkuli 5 na całej jej wysokości ma wybranie o kształcie walca, gdzie oś symetrii wybrania pokrywa się z osią symetrii półkuli oraz średnica podstawy półkuli równa jest iloczynowi współczynnika koryguj ącego o wartości w zakresie 1.5-4 i wartości średnicy zewnętrznej ceramicznej rury osłonowej montowanej do kadzi głównej stalowniczej. Odległość dna wgłębienia 1 od podstawy półkuli jest stała i równa 50 mm. Korzystnie minimalna wysokość walca równa jest iloczynowi współczynnika korygującego o wartości w zakresie 0.042-0.56 i wartości średnicy podstawy półkuli. Korzystnie wgłębienie ma kształt walca o średnicy podstawy równej iloczynowi współczynnika korygującego o wartości w zakresie 0.7-1.4 i wartości średnicy zewnętrznej ceramicznej rury osłonowej.

Stymulowanie hydrodynamiki optymalizuje pracę kadzi pośredniej, wydłużające jej „żywotność” w trakcie wielo-wytopowych sekwencji odlewania stali. Proponowane rozwiązanie będzie efektywnie oddziaływać na homogenizację chemiczną i cieplną odlewanej stali sposobem ciągłym poprzez ograniczenie stref przepływu stagnacyjnego. Wymienione korzyści będę efektem interakcji strumienia stali wypływającego z kadzi głównej poprzez wylew osłonowy z podstrumieniowym regulatorem przepływu w strefie zasilania kadzi pośredniej.

Regulator przepływu jest przeznaczony do każdego typu kadzi pośrednich tj. kadzi korytowych, delta, klinowych, asymetrycznych, czy o złożonym kształcie jak kadzie typu C lub H za pomocą, których odlewane są gatunki stali chronione wylewem osłonowym montowanym w kadziach głównych stalowniczych. Podstrumieniowy regulator turbulencji z materiału ogniotrwałego na bazie magnezu, glinu lub cyrkonu może być wytworzony klasycznymi metodami formowania i wypalania wyrobów ogniotrwałych. Regulator jest przeznaczony do montażu w strefie zalewania kadzi pośredniej. Przytwierdzony do dna kadzi pośredniej za pomocą kotw zbrojeniowych i masy ogniotrwałej będącej spoiwem pomiędzy regulatorem a dnem kadzi pośredniej. Z racji zastosowania mas ogniotrwałych roboczych w kadziach pośrednich na bazie materiałów magnezytowych lub korundowych zewnętrzna powierzchnia regulatora będzie w pełni kompatybilna z wyłożeniem roboczym kadzi pośredniej. Dla zwiększenia żywotności podstrumieniowego regulatora przepływu zaleca się wykonanie wgłębienia w postaci walca z materiału ogniotrwałego na bazie cyrkonu o grubości min. 1 cm.

Zastosowanie zaprojektowanego podstrumieniowego regulatora przepływu w kadzi pośredniej umożliwia zamianę warunków hydrodynamicznych w kadzi pośredniej. W kadzi pośredniej jedno-wylewowej o kształcie klina i nominalnej pojemności 30 Mg (fig. 1) przy odlewaniu wlewków płaskich o wymiarach 1.5x0.225 m z prędkością 0.9 m/min regulator umożliwia utrzymanie udziału przepływu stagnacyjnego w ogólnej strukturze hydrodynamicznej kształtującej się w przestrzeni roboczej obiektu na poziomie poniżej 30%. Ponadto dla w/w obiektu i warunków odlewania modyfikacja ruchu strumienia zasilającego przez zaprojektowany regulator powoduje wzrost przepływu tłokowego. Unikatowa struktura hydrodynamiczna uzyskana przez zaprojektowany regulator przepływu charakteryzuje się skróceniem strefy przejściowej przy sekwencyjnym odlewaniu wlewków płaskich z gatunków stali o różnym składzie chemicznym kolejno po sobie, przy minimalnej zmianie wypełnienia kadzi pośredniej do 5%. Dodatkowa zmiana początkowej temperatury ciekłej stali wpływającej do kadzi pośredniej w przedziale ±10°C lub wzrost prędkości odlewania o 20% w stosunku do prędkości odlewania 0.9 m/min przy zastosowaniu proponowanego regulatora przepływu nie powodują istotnych zmian w strukturze hydrodynamicznej kształtującej się w kadzi pośredniej (stabilizacja warunków odlewania). Ponadto wykreowany przez regulator w strefie zalewania kadzi pośredniej układ hydrodynamiczny nie inicjuje gradientów prędkości w strefie granicy międzyfazowej ciekła stal - zasypka kadziowa na poziomie 0.3-0.4 m/s które są wartościami granicznymi identyfikowanymi z możliwością wystąpienia zaciągania zasypek kadziowych do objętości ciekłej stali. Ukształtowane warunki hydrodynamiczne w przestrzeni roboczej kadzi pośredniej powinny również intensyfikować wypływanie wtrąceń niemetalicznych z ciekłej stali w kierunku fazy żużlowej formowanej z zasypki kadziowej.

Wynalazek pozwala na kumulowanie siły pędnej strumienia stali zasilającego kadź w strefie zaprojektowanego wgłębienia w podstrumieniowym regulatorze przepływu, ograniczając rozpraszanie strumienia zasilającego w interakcji z dnem kadzi pośredniej i ograniczenie stopniowego zużywania się warstwy roboczej kadzi pośredniej w strefie jej zasilania. Dodatkowo wytworzone zostaną strumienie wznoszące i modyfikacja przepływu ciekłej stali w przestrzeni roboczej kadzi pośredniej.

Wynalazek został uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 2 przedstawia regulator przepływu w widoku ogólnym, a fig. 1 regulator przepływu w kadzi pośredniej.

Przykład I. Podstrumieniowy regulator przepływu (4A) ciekłej stali montowany jest w dnie kadzi pośredniej (1A) w osi strumienia zasilającego (3A) wypływającego z ceramicznej rury osłonowej (2A) będącej częścią układu wylewowego kadzi głównej stalowniczej zasilającej kadź pośrednią podczas ciągłego odlewania stali. W celu stymulowania warunków hydrodynamicznych w kadzi pośredniej podstrumieniowy regulator przepływu o kształcie półkuli wyposażony jest w zagłębienie do którego wpływa strumień ciekłej stali. Wzajemna interakcja strumienia wypływającego z kadzi głównej poprzez ceramiczny wylew osłonowy z strumieniem stali odbijającym się od dna wgłębienia znajdującego się w regulatorze przepływu modyfikuje strukturę hydrodynamiczną w przestrzeni roboczej kadzi pośredniej. Podstrumieniowy regulator przepływu dedykowany jest dla kadzi pośrednich stosowanych w procesie ciągłego odlewania stali zasilanych ciekłą stalą poprzez ceramiczny wylew zanurzeniowy o średnicy zewnętrznej równej od 60 do 300 mm.

Podstrumieniowy regulator przepływu wykonany z materiałów ceramicznych na bazie Mg, Al lub Zr, cechujący się odpornością na temperaturę powyżej 1673 K, wykonany klasycznymi metodami wytwarzania elementów z materiałów ogniotrwałych, jest osadzony w dnie kadzi pośredniej i przytwierdzony do ceramicznej warstwy właściwej kadzi pośredniej za pomocą mas wiążących. Wgłębienie w warstwie właściwej ceramicznej kadzi pośredniej umożliwia naniesienie ceramicznej warstwy roboczej stosowanej w kadzi pośredniej wokół podstrumieniowego regulatora przepływu.

Podstrumieniowy regulator przepływu charakteryzuje się tym, że jego powierzchnię zewnętrzną stanowi półkula (5) i walec (2). Wymiar półkuli (5) to średnica podstawy półkuli, która równa się iloczynowi współczynnika korygującego o wartości w zakresie 1.5-4 i wartości średnicy zewnętrznej ceramicznej rury osłonowej montowanej do kadzi głównej stalowniczej. Do obliczeń średnicy podstawy półkuli przyjmuje się średnicę zewnętrzną ceramicznej rury osłonowej w przekroju poprzecznym na końcu wylewu od strony kadzi pośredniej, tj. w miejscu wypływu strumienia zasilającego kadź pośrednią z przestrzeni roboczej wylewu osłonowego. Wymiar walca (2) stanowi jego promień podstawy, który równy jest promieniowy półkuli a minimalna wysokość walca (2) równa jest iloczynowi współczynnika korygującego o wartości w zakresie 0.042-0.56 i wartości średnicy podstawy półkuli (5). Współczynnik korygujący dla minimalnej wysokości walca (2) obliczany jest zgodnie z wyrażeniem: c ά = ^φ gdzie: φ - współczynnik korygujący; c - stała równa: 50,4; d - średnica podstawy walca (2).

Miejscem montażu podstrumieniowego regulatora przepływu jest dno kadzi pośredniej. Położenie podstrumieniowego regulatora przepływu względem powierzchni roboczej kadzi pośredniej charakteryzuje tym, że cała powierzchnia zewnętrzna o kształcie walca (2) znajduje się poniżej poziomu ceramicznej masy roboczej naprowadzanej na dno kadzi pośredniej (5A). Oś wzdłużna (3A) ceramicznego wylewu osłonowego kadzi pokrywa się z osią wzdłużną wgłębienia (7) znajdującego się w podstrumieniowym regulatorze przepływu. Wgłębienie (1) podstrumieniowego regulatora przepływu charakteryzuje, tym, że jego kształt opisuje walec o średnicy podstawy równej iloczynowi współczynnika korygującego o wartości w zakresie 0.7-1.4 i wartości średnicy zewnętrznej ceramicznej rury osłonowej. Wysokość części roboczej podstrumieniowego regulatora przepływu opisana kulą (10) jak i głębokość (6) wgłębienia (1) jest limitowana miejscem przecięcia się obwodu walca z obwodem półkuli i ostatecznym ścięciem wierzchołka półkuli na wysokości przecięcia się obu płaszczyzn. Odległość (13) dna wgłębienia (8) od postawy półkuli (9) jest wartością stałą i wynosi 50 mm niezależnie od wymiarów podstrumieniowego regulatora przepływu limitowanych średnicą zewnętrzną wylewu osłonowego kadzi głównej stalowniczej.

Przykład II. Podstrumieniowy regulator przepływu do kadzi pośredniej stalowniczej ma kształt półkuli 5 osadzonej na walcu 2, których średnice są równe a w półkuli 5 na całej jej wysokości ma wybranie 10 o kształcie walca, gdzie oś symetrii wybrania 10 pokrywa się z osią symetrii półkuli 5. Średnica podstawy półkuli 5 równa jest iloczynowi współczynnika korygującego o wartości 1.5 i wartości średnicy zewnętrznej ceramicznej rury osłonowej montowanej do kadzi głównej stalowniczej wynoszącej 105 mm.

Minimalna wysokość walca 2 równa jest iloczynowi współczynnika korygującego o wartości 0.32 i wartości średnicy podstawy półkuli 5 wynoszącej 157.5 mm.

Wgłębienie 1 ma kształt walca o średnicy podstawy równej iloczynowi współczynnika korygującego o wartości 1 i wartości średnicy zewnętrznej ceramicznej rury osłonowej wynoszącej 105 mm.

Odległość 13 dna 8 wgłębienia 1 od podstawy 9 półkuli 5 jest stała i równa 50 mm.

Przykład III. Podstrumieniowy regulator przepływu do kadzi pośredniej stalowniczej ma kształt półkuli 5 osadzonej na walcu 2, których średnice są równe a w półkuli 5 na całej jej wysokości ma wybranie 10 o kształcie walca, gdzie oś symetrii wybrania 10 pokrywa się z osią symetrii półkuli 5. Średnica podstawy półkuli 5 równa jest iloczynowi współczynnika korygującego o wartości 4 i wartości średnicy zewnętrznej ceramicznej rury osłonowej montowanej do kadzi głównej stalowniczej wynoszącej 150 mm.

Minimalna wysokość walca 2 równa jest iloczynowi współczynnika korygującego o wartości 0,084 i wartości średnicy podstawy półkuli 5 wynoszącej 600 mm.

Wgłębienie 1 ma kształt walca o średnicy podstawy równej iloczynowi współczynnika korygującego o wartości 1,4 i wartości średnicy zewnętrznej ceramicznej rury osłonowej wynoszącej 150 mm.

Odległość 13 dna 8 wgłębienia 1 od podstawy 9 półkuli 5 jest stała i równa 50 mm.

Przykład IV. Podstrumieniowy regulator przepływu do kadzi pośredniej stalowniczej ma kształt półkuli 5 osadzonej na walcu 2, których średnice są równe a w półkuli 5 na całej jej wysokości ma wybranie 10 o kształcie walca, gdzie oś symetrii wybrania 10 pokrywa się z osią symetrii półkuli 5. Średnica podstawy półkuli 5 równa jest iloczynowi współczynnika korygującego o wartości 2,5 i wartości średnicy zewnętrznej ceramicznej rury osłonowej montowanej do kadzi głównej stalowniczej wynoszącej 200 mm.

Wysokość walca 2 równa jest iloczynowi współczynnika korygującego o wartości 0,1008 i wartości średnicy podstawy półkuli 5 wynoszącej 500 mm.

Wgłębienie 1 ma kształt walca o średnicy podstawy równej iloczynowi współczynnika korygującego o wartości 1,2 i wartości średnicy zewnętrznej ceramicznej rury osłonowej wynoszącej 200 mm.

Odległość 13 dna 8 wgłębienia 1 od podstawy 9 półkuli 5 jest stała i równa 50 mm.

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Podstrumieniowy regulator przepływu do kadzi pośredniej stalowniczej, znamienny tym, że ma kształt półkuli 5 osadzonej na walcu 2, których średnice są równe a w półkuli 5 na całej jej wysokości ma wybranie 10 o kształcie walca, gdzie oś symetrii wybrania 10 pokrywa się z osią symetrii półkuli 5 oraz średnica podstawy półkuli 5 równa jest iloczynowi współczynnika korygującego o wartości w zakresie 1.5-4 i wartości średnicy zewnętrznej ceramicznej rury osłonowej montowanej do kadzi głównej stalowniczej, a odległość 13 dna 8 wgłębienia 1 od podstawy 9 półkuli 5 jest stała i równa 50 mm.

2. Podstrumieniowy regulator przepływu według zastrz. 1, znamienny tym, że minimalna wysokość walca 2 równa jest iloczynowi współczynnika korygującego o wartości w zakresie 0.0420.56 i wartości średnicy podstawy półkuli 5.

3. Podstrumieniowy regulator przepływu według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że wgłębienie (1) ma kształt walca o średnicy podstawy równej iloczynowi współczynnika korygującego o wartości w zakresie 0.7-1.4 i wartości średnicy zewnętrznej ceramicznej rury osłonowej.