RU2168390C1

RU2168390C1 - Method and apparatus for cooling steel pouring ladle cover

Info

Publication number: RU2168390C1
Application number: RU2000108493A
Authority: RU
Inventors: М.Г. Королев; Д.В. Захаров; В.И. Савченко; М.К. Филяшин; А.Н. Ковалев; С.В. Рогачев; Г.Б. Беремблюм; Д.Д. Козлов; А.А. Будюкин; А.Н. Васютин; В.С. Щелканов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Новолипецкий металлургический комбинат"
Priority date: 2000-04-04
Filing date: 2000-04-04
Publication date: 2001-06-10

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: method involves supplying refrigerant to cover via pipelines. Air-and-water mixture used as refrigerant is produced by atomization of water flow by compressed air at ratio of 0.1-5 kg of water per 1 kg of air which allows cover cooling to be intensified. Air-and-water mixture is supplied through pipelines at flow rate of 15-80 m/s providing uniformity of mixture. Apparatus has refrigerant production source and pipeline for supplying refrigerant to cover. Refrigerant production source has water nozzle and air nozzle axially aligned one with the other and provided with water and compressed air channels, diffuser and mixing cavity. Air nozzle has cylindrical neck embracing water nozzle cylindrical tip. EFFECT: increased efficiency by improved mixing of components and atomization of liquid into finely dispersed drops. 3 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к узлам охлаждения затворов для разливки стали и других жидких металлов. The invention relates to metallurgy, and more particularly to cooling units for valves for casting steel and other liquid metals.

Известен способ охлаждения узла шиберного затвора посредством хладоагента - компенсатора из сплава алюминия и меди (см. А.С. N 899272, М.Кл. B 22 D 41/08). A known method of cooling the gate valve assembly by means of a refrigerant compensator made of an alloy of aluminum and copper (see A.S. N 899272, M. C. B 22 D 41/08).

Указанный хладоагент обеспечивает температуру узла шиберного затвора в процессе эксплуатации на уровне 548^oC.The specified refrigerant provides the temperature of the gate valve assembly during operation at a level of 548 ^o C.

Однако указанная температура является недопустимой, например, для витых пружин, применяемых для прижатия плит затвора друг к другу. (Температура витых пружин не должна превышать 150-250^oC.)
В качестве наиболее близкого технического решения охлаждения узлов затвора выпускного отверстия металлургической емкости приняты способ и устройство охлаждения по А.С. N 871725, М.Кл. B 22 D 41/08. Согласно указанному способу охлаждения узлов затвора в качестве хладоагента используют либо охлаждающую жидкость, либо сжатый газ (воздух, аргон, азот).However, this temperature is unacceptable, for example, for coil springs used to press the shutter plates against each other. (The temperature of the coil springs should not exceed 150-250 ^o C.)
As the closest technical solution for cooling the shutter nodes of the outlet of the metallurgical tank, a method and cooling device according to A.S. N 871725, M. Cl. B 22 D 41/08. According to the indicated method of cooling the gate assemblies, either coolant or compressed gas (air, argon, nitrogen) is used as a refrigerant.

Однако хладоагент в виде жидкости невозможно использовать для элементов шибера, находящихся на открытом воздухе, так как при охлаждении жидкостью ее излишки будут попадать в ковш, что недопустимо. Использование же сжатых газов для охлаждения пружин не позволяет обеспечить их рабочую температуру в процессе эксплуатации ниже 250^oC из-за недостаточной способности газов снимать тепло с поверхностей охлаждения.However, the refrigerant in the form of a liquid cannot be used for gate elements that are in the open air, since when the liquid cools it, its excess will fall into the bucket, which is unacceptable. The use of compressed gases for cooling the springs does not allow to ensure their operating temperature during operation below 250 ^o C due to the insufficient ability of the gases to remove heat from the cooling surfaces.

Например, при использовании сжатого воздуха для охлаждения пружин шиберных затворов ковшей реальная температура пружин к концу разливки металла из ковша достигает 400^oC, что приводит к пластической деформации пружин, а следовательно, к уменьшению усилия прижатия плит друг к другу и выходу из строя затворов.For example, when using compressed air to cool the springs of the gate valves of ladles, the actual temperature of the springs by the end of the casting of metal from the ladle reaches 400 ^o C, which leads to plastic deformation of the springs and, consequently, to a reduction in the force of pressing the plates against each other and the failure of the gates.

Технической задачей изобретения является надежное охлаждение элементов затворов ковшей, обеспечивающих их работоспособность при разливке металла. An object of the invention is the reliable cooling of the elements of the gates of the ladles, ensuring their performance during casting of metal.

Указанная техническая задача решается тем, что в способе охлаждения затвора ковша, включающем подачу хладоагента к затвору через трубопровод в период разливки, в качестве хладоагента используют водовоздушную смесь, которую получают распылением струи воды сжатым воздухом, при соотношении воды и сжатого воздуха 0,1-5 кг воды на 1 кг сжатого воздуха, и подают полученную водовоздушную смесь по трубопроводам со скоростью 15-80 м/с. The specified technical problem is solved by the fact that in the method of cooling the shutter of the ladle, including the supply of refrigerant to the shutter through the pipeline during the casting period, a water-air mixture is used as a coolant, which is obtained by spraying a stream of water with compressed air, with a ratio of water and compressed air of 0.1-5 kg of water per 1 kg of compressed air, and the resulting air-water mixture is fed through pipelines at a speed of 15-80 m / s.

Соответственно, для решения указанной технической задачи устройство охлаждения, включающее трубопровод подвода хладоагента к затвору, снабжается источником получения хладоагента в виде водовоздушной смеси, содержащим коаксиально установленные водяное сопло и воздушный насадок с подводами, соответственно, воды и сжатого воздуха, при этом водяное сопло выполнено с цилиндрическим наконечником, а воздушный насадок содержит цилиндрическую шейку, охватывающую цилиндрический наконечник водяного сопла, диффузор и смесительную полость. Accordingly, to solve this technical problem, the cooling device, including the refrigerant supply line to the valve, is supplied with a source of refrigerant in the form of a water-air mixture containing a coaxially mounted water nozzle and air nozzles with inlets, respectively, of water and compressed air, while the water nozzle is made with a cylindrical tip, and the air nozzle contains a cylindrical neck, covering the cylindrical tip of the water nozzle, a diffuser and a mixing cavity.

Применение в качестве хладоагента воздушно-водяной смеси позволяет снимать с поверхности охлаждаемых изделий тепло с интенсивностью, превышающей в десятки раз съем тепла при использовании, например, безводного сжатого воздуха. The use of an air-water mixture as a coolant allows you to remove heat from the surface of the cooled products with an intensity exceeding ten times the heat removal when using, for example, anhydrous compressed air.

При этом уровень температуры элементов затвора, охлаждаемых указанным способом, не превышает 120-150^oC, так как испаряющаяся при 100^oC влага смеси покрывает в виде фрагментов пленки значительную часть охлаждаемой поверхности, препятствуя нагреву элемента поверхности выше 100^oC.In this case, the temperature level of the shutter elements cooled by this method does not exceed 120-150 ^o C, since the moisture of the mixture evaporating at 100 ^o C covers a significant part of the cooled surface in the form of film fragments, preventing the surface element from heating above 100 ^o C.

Указанная рабочая температура элементов затвора ковшей, к примеру пружин, обеспечивает их долговечность, превышающую стойкость несущего каркаса затвора. The specified operating temperature of the shutter elements of the buckets, for example springs, ensures their durability in excess of the resistance of the supporting frame of the shutter.

Подача хладоагента к элементам затвора ковшей осуществляется в период разливки металла, а по окончании разливки отключается. Учитывая, что хладоагент в виде двухфазной смеси (в данном случае из мелкодисперсных капель воды в воздухе) не может существовать в неподвижном состоянии (так как при отсутствии скорости двухфазная смесь расслаивается), хладоагент периодически получают на период разливки металла в узле смешения, распыляя струю воды сжатым воздухом. При сопараллельных потоках воды и сжатого воздуха (поток сжатого воздуха имеет в этом случае звуковую скорость 300 м/с и выше) струя воды, взаимодействуя с высокоскоростной струей сжатого воздуха, за счет сил трения распыляется на мелкодисперсные капли диаметром в сотые доли миллиметра и далее перемещается к затвору в трубопроводе. Энергетически наиболее благоприятно, если скорости потоков воды и сжатого воздуха одинаково направлены, так как параметры результирующего потока подчиняются законам сохранения количества движения и энергии (с учетом потерь на трение и каплеобразование). The supply of refrigerant to the shutter elements of the ladles is carried out during the casting of the metal, and is turned off at the end of the casting. Considering that a refrigerant in the form of a two-phase mixture (in this case, from finely divided drops of water in air) cannot exist in a stationary state (since in the absence of speed the two-phase mixture exfoliates), the refrigerant is periodically produced for the period of metal casting in the mixing unit by spraying a stream of water compressed air. In case of parallel flows of water and compressed air (the compressed air stream in this case has a sound velocity of 300 m / s and higher), a water jet interacting with a high-speed stream of compressed air is sprayed onto the finely dispersed droplets with a diameter of hundredths of a millimeter due to friction forces and then moves to the shutter in the pipeline. It is energetically most favorable if the flow rates of water and compressed air are equally directed, since the parameters of the resulting flow obey the laws of conservation of momentum and energy (taking into account friction and drop formation losses).

При этом в соответствии с законом сохранения энергии в результирующем потоке наблюдаются продольные колебания, в том числе колебательные движения частиц массы, обратные потоку. Moreover, in accordance with the law of conservation of energy in the resulting stream, longitudinal vibrations are observed, including the vibrational movements of mass particles that are inverse to the flow.

Эти продольные колебания элементов массы потока постоянно воспроизводят мелкодисперные капли жидкости и препятствуют слиянию капель при перемещении двухфазного потока в трубопроводе при скорости смеси 15-80 м/с. These longitudinal vibrations of the elements of the mass of the flow constantly reproduce finely divided liquid droplets and prevent the droplets from merging when moving the two-phase flow in the pipeline at a mixture speed of 15-80 m / s.

При скорости воздушно-водяного потока на уровне 15 м/с еще сохраняется его однородность, так как при указанной скорости частичек влаги еще происходит воспроизводство мелкодисперсных частичек жидкости. At an air-water flow rate of 15 m / s, its uniformity is still maintained, since at the indicated speed of moisture particles, fine particles of liquid are still reproduced.

Значения же скоростей потока более 80 м/с нецелесообразны, так как резко возрастают потери энергии на трение, увеличивается давление исходного сжатого воздуха и в трубопроводе (что приводит к преждевременному выходу его из строя). Values of flow velocities of more than 80 m / s are impractical, since energy losses due to friction increase sharply, the pressure of the original compressed air in the pipeline also increases (which leads to its premature failure).

Указанные параметры скорости потока должны нормально соотноситься с концентрацией влаги в смеси. Нижнее значение концентрации влаги в смеси устанавливают на уровне 0,1 кг на 1 кг сжатого воздуха. В этом случае интенсивность теплосъема от охлаждаемых поверхностей возрастает в несколько раз по сравнению с использованием безводного сжатого воздуха (что достаточно для охлаждения элементов затвора). The indicated parameters of the flow rate should normally correlate with the moisture concentration in the mixture. The lower value of the moisture concentration in the mixture is set at 0.1 kg per 1 kg of compressed air. In this case, the intensity of heat removal from the cooled surfaces increases several times in comparison with the use of anhydrous compressed air (which is sufficient to cool the shutter elements).

Верхнее значение концентрации влаги в смеси выше 5 кг на 1 кг сжатого воздуха, хотя и увеличивает интенсивность охлаждения в сотни раз по сравнению с использованием безводного воздуха, связано с неоправданно высокими энергетическими затратами на создание и транспорт смеси, что нецелесообразно. The upper value of the moisture concentration in the mixture is higher than 5 kg per 1 kg of compressed air, although it increases the cooling rate by hundreds of times compared with the use of anhydrous air, due to the unreasonably high energy costs for creating and transporting the mixture, which is impractical.

Устройство для реализации указанного способа охлаждения затвора сталеразливочного ковша снабжается источником получения хладоагента в виде водовоздушной смеси. A device for implementing the specified method of cooling the shutter of a steel pouring ladle is provided with a source for producing a refrigerant in the form of a water-air mixture.

Снабжение устройства указанным источником обусловлено периодическим режимом работы затворов ковшей (эксплуатируемых при сливе-разливке металла) и невозможности хранения двухфазной водовоздушной смеси ввиду выпадения в осадок влаги. The supply of the device with the specified source is due to the periodic operation of the gates of the ladles (operated during the discharge-casting of the metal) and the inability to store the two-phase air-water mixture due to the precipitation of moisture.

Указанное устройство содержит коаксиально установленные водяное сопло и воздушный насадок с подводами, соответственно, воды и сжатого воздуха. (Причем водяное сопло установлено внутри воздушного насадка.)
При установке водяного сопла указанным образом струя воды, истекающая из водяного сопла, изначально оказывается в объеме газа и отделена от стенок насадка, а далее - стенок трубопровода потоком воздуха, препятствующим конденсации влаги.The specified device contains a coaxially mounted water nozzle and air nozzles with inlets, respectively, of water and compressed air. (Moreover, a water nozzle is installed inside the air nozzle.)
When installing a water nozzle in this way, a stream of water flowing out of the water nozzle initially appears in the gas volume and is separated from the walls of the nozzle, and then the walls of the pipeline by an air flow that prevents moisture condensation.

Водяное сопло выполнено с цилиндрическим наконечником, а воздушный насадок содержит цилиндрическую шейку, охватывающую цилиндрический наконечник водяного сопла, диффузор и смесительную полость. The water nozzle is made with a cylindrical tip, and the air nozzle contains a cylindrical neck, covering the cylindrical tip of the water nozzle, a diffuser and a mixing cavity.

Указанное взаиморасположение и конфигурация элементов водяного сопла и воздушного насадка наиболее благоприятны для перемешивания составляющих смеси и дробления жидкости на мелкодисперсные капли. Иное расположение потоков жидкости и газа (например, параллельное) дает худшие результаты при повышенных затратах энергии. Наиболее мелкодисперсная смесь получается при скорости потока воздуха, охватывающего водяное сопло, по значению не ниже скорости звука (300 м/с). При смешивании потоков и дроблении струи воды скорость результирующего потока снижается тем значительнее, чем более концентрация влаги в смеси и потери энергии на трение и дробление струи. The indicated relative position and configuration of the elements of the water nozzle and the air nozzle are most favorable for mixing the components of the mixture and crushing the liquid into finely divided droplets. A different arrangement of fluid and gas flows (for example, parallel) gives worse results with increased energy costs. The finest dispersed mixture is obtained at a flow rate of air covering the water nozzle, the value is not lower than the speed of sound (300 m / s). When mixing flows and crushing a jet of water, the speed of the resulting stream decreases the more, the greater the concentration of moisture in the mixture and the energy loss due to friction and crushing of the jet.

Далее по трубопроводу сформировавшийся поток, включающий мелкодисперсные капли воды, пневмотранспортируется (в неизменном диаметре трубопровода), не испытывая деформаций к охлаждаемым элементам затвора. Further along the pipeline, the formed flow, including finely divided drops of water, is pneumatically transported (in the same diameter of the pipeline), without experiencing deformations to the cooled shutter elements.

На фиг. 1 изображен сталеразливочный ковш с предлагаемым устройством, не исключающий другие варианты охлаждения (шиберного) затвора водовоздушной смесью; на фиг. 2 показан узел 1 устройства - разрез источника получения водовоздушной смеси в увеличенном масштабе. In FIG. 1 shows a steel pouring ladle with the proposed device, not excluding other options for cooling (slide) shutter with a water-air mixture; in FIG. 2 shows a unit 1 of the device - a section of the source of the air-water mixture on an enlarged scale.

Устройство охлаждения шиберного затвора 1 включает в себя регулирующие краны 2 и 3, подводы 4 и 5 воды и сжатого воздуха к источнику получения водовоздушной смеси 6. К выходной смесительной полости 7 указанного источника 6 подсоединен транспортный трубопровод (шланг) 8 для транспорта водовоздушной смеси к шиберному затвору 1 через разъем 9 и трубопроводы 10 с соплами охлаждения 11. В составе источника получения водовоздушной смеси 6 имеются водяное сопло 12 и охватывающий его воздушный насадок 13. The gate valve cooling device 1 includes control valves 2 and 3, water and compressed air inlets 4 and 5 to the source of the air-water mixture 6. A transport pipe (hose) 8 for transporting the air-water mixture to the gate valve is connected to the outlet mixing cavity 7 of the specified source 6 the shutter 1 through the connector 9 and pipelines 10 with cooling nozzles 11. The source of the air-water mixture 6 includes a water nozzle 12 and an air nozzle 13 surrounding it.

Водяное сопло расположено по оси 14 источника получения водовоздушной смеси 6 и содержит цилиндрический наконечник 15 с тыльной частью 16. Указанный цилиндрический наконечник 15 охватывается элементом воздушного насадка 13 - цилиндрической шейкой 17 - образуя кольцевой зазор 18 между цилиндрами наконечника 15 и шейки 17. Указанный кольцевой зазор 18 за тыльной частью 16 наконечника 15 примыкает к камере 19, ограниченной диффузором 20 и смесительной полостью 7. Устройство охлаждения шиберного затвора сталеразливочного ковша работает следующим образом. The water nozzle is located on the axis 14 of the source of water-air mixture 6 and contains a cylindrical tip 15 with the rear 16. The specified cylindrical tip 15 is surrounded by an element of the air nozzle 13 - a cylindrical neck 17 - forming an annular gap 18 between the cylinders of the tip 15 and the neck 17. The specified annular gap 18 behind the back part 16 of the tip 15 is adjacent to the chamber 19, limited by the diffuser 20 and the mixing cavity 7. The cooling device for the slide gate of the steel pouring ladle works as follows .

Ковш с шиберным затвором 1 поступает на разливку. К трубопроводам 10 затвора 1 подключают шланг 8, подсоединенный к смесительной полости 7 источника получения водовоздушной смеси 6. Через подвод 5 к источнику получения водовоздушной смеси 6 подводят сжатый воздух, расход которого регулируется и устанавливается краном 3 в величине, обеспечивающей скорость в транспортном трубопроводе в пределах 15-80 м/с. The bucket with a slide gate 1 goes to the casting. To the pipelines 10 of the shutter 1, a hose 8 is connected, connected to the mixing cavity 7 of the source of receiving the air-water mixture 6. Through the supply 5 to the source of receiving the air-air mixture 6, compressed air is supplied, the flow rate of which is regulated and set by the crane 3 in a value that ensures the speed in the transport pipeline within 15-80 m / s.

Через подвод 4 к источнику получения водовоздушной смеси 6 подается вода, расход которой регулируется, и устанавливается краном 2 в количестве, обеспечивающем концентрацию влаги в воздухе в количестве 0,1-5 кг на 1 кг воздуха. Through the inlet 4, water is supplied to the source of the air-water mixture 6, the flow rate of which is regulated, and is set by the crane 2 in an amount providing a concentration of moisture in air in the amount of 0.1-5 kg per 1 kg of air.

Вода, подведенная к источнику получения водовоздушной смеси 6, истекает через водяное сопло с цилиндрическим наконечником в полость 19 воздушного насадка 13 струей 21 по оси 14 указанного источника 6. Через кольцевой зазор 18 в камеру 19 истекает (со скоростью звука) сжатый воздух потоком 22, образуя вокруг струи воды 21 стелющийся по стенкам трубопровода 8 поток воздуха. За тыльной частью 16 цилиндрического наконечника 15 образуется зона разрежения (так как за счет внутреннего трения частицы газа захватываются потоком 22 и уносятся в трубопровод 8). Указанная зона обуславливает знакопеременные перемещения массы в осевом направлении, способствующие при звуковой скорости истечения сжатого воздуха распылению воды на мелкодисперсные частицы размером 0,1-0,01 мм. The water supplied to the source of the air-water mixture 6 flows out through the water nozzle with a cylindrical tip into the cavity 19 of the air nozzle 13 by the jet 21 along the axis 14 of the specified source 6. Through the annular gap 18, compressed air flows into the chamber 19 (at the speed of sound) with a stream 22, forming around a stream of water 21 creeping along the walls of the pipeline 8 air flow. Behind the rear part 16 of the cylindrical tip 15, a rarefaction zone is formed (since due to internal friction, gas particles are captured by the stream 22 and carried away into the pipeline 8). The specified zone causes alternating mass displacements in the axial direction, which facilitates the dispersion of water into finely dispersed particles 0.1-0.01 mm in size at a sound velocity of compressed air.

При указанной схеме взаимодействия потоков составляющих смеси струя 21 жидкости контактирует своей поверхностью вдоль направления перемещения по трубопроводу 8 повсеместно с потоком газа (воздуха), стелющегося по поверхности смесительной камеры 7 и транспортного трубопровода 8. With this scheme of interaction of the flows of the constituent mixtures, the liquid jet 21 contacts its surface along the direction of movement through the pipeline 8 everywhere with the flow of gas (air) creeping along the surface of the mixing chamber 7 and the transport pipeline 8.

При своем движении по трубопроводу 8 поток сохраняет свою мелкодисперсность при скорости потока не ниже 15 м/с. During its movement through the pipeline 8, the flow retains its fineness at a flow velocity of at least 15 m / s.

Примеры охлаждения шиберного затвора проиллюстрированы таблицей. Examples of gate cooling are illustrated in the table.

При охлаждении пружин шиберного затвора сжатым воздухом их температура при разливке металла достигает 400^oC.When cooling the gate valve springs with compressed air, their temperature during casting reaches 400 ^o C.

Долговечность работы пружин из углеродистой стали согласно примеру 1 составляет 24 часа, из нержавеющей стали - 250 час. The durability of the carbon steel springs according to example 1 is 24 hours, stainless steel - 250 hours.

Указанные значения срока службы пружин не позволяют вести разливку металла без риска выхода из строя шиберного затвора и значительных потерь производства по этой причине. The indicated values of the service life of the springs do not allow casting of metal without the risk of failure of the slide gate and significant production losses for this reason.

При охлаждении затвора водовоздушной смесью концентрацией 0,1 кг влаги на 1 кг сжатого воздуха при скорости распыла в транспортном шланге 30-80 м/с достигается приемлемая долговечность (2000 час) службы пружин, работающих при допустимой температуре 150^oC.When the shutter is cooled with a water-air mixture with a concentration of 0.1 kg of moisture per 1 kg of compressed air at a spray speed in the transport hose of 30-80 m / s, acceptable durability (2000 hours) of the service of springs operating at an acceptable temperature of 150 ^o C. is achieved

При охлаждении затвора водовоздушной смесью концентрацией 1 кг влаги на 1 кг сжатого воздуха (оптимальный вариант) при всех режимах работы (скорости распыла в транспортном шланге от 15 до 80 м/с) имеет место наибольшая долговечность работы пружин. When the shutter is cooled with a water-air mixture with a concentration of 1 kg of moisture per 1 kg of compressed air (the best option) for all operating modes (spray speed in the transport hose from 15 to 80 m / s), the longest life of the springs takes place.

При охлаждении затвора водовоздушной смесью концентрацией свыше 5 кг влаги на 1 кг сжатого воздуха надлежащий распыл получается лишь при скорости смеси в транспортом шланге более 30-40 м/с. При остальных режимах из-за большой концентрации влаги, получается недопустимое для разливки попадание воды на разливаемый металл. When the shutter is cooled with a water-air mixture with a concentration of more than 5 kg of moisture per 1 kg of compressed air, a proper spray is obtained only when the speed of the mixture in the hose transport is more than 30-40 m / s. In other modes, due to the high concentration of moisture, an unacceptable ingress of water to the cast metal is obtained for casting.

Claims

1. A method of cooling the shutter of a steel pouring ladle, comprising supplying a refrigerant to the shutter through pipelines during the casting period, characterized in that a water-air mixture is used as a refrigerant, which is obtained by spraying a stream of water with compressed air at a ratio of water to compressed air of 0.1-5 kg of water per 1 kg of compressed air and serves the resulting air-water mixture through pipelines at a speed of 15 - 80 m / s.

2. A device for cooling the shutter of a steel pouring ladle, including a pipeline for supplying a refrigerant to the valve, characterized in that the device is provided with a source of receiving refrigerant in the form of a water-air mixture containing a coaxially mounted water nozzle and an air nozzle with water and compressed air inlets, respectively, while the water nozzle is made with a cylindrical tip, and the air nozzle contains a cylindrical neck, covering the cylindrical tip of the water nozzle, a diffuser and a mixing polo mb.