Продувка металла аргоном в ковше
Общие положения
Аргон – элемент нулевой группы Периодической системы Д. И.Менделеева, входит в число инертных (нейтральных) газов. Порядковый номер 18, атомная масса 39,944.
Основные физические свойства аргона:
- Температура кипения, °С 185,88
- Температура плавления, °С 189,37
- Удельная теплоемкость, ккал/кг 0,125
- Плотность (0°С и 760 мм рт.ст.), кг/м 3 1,784
Следует подчеркнуть, что аргон по плотности тяжелее воздуха, поэтому при утечке его в больших количествах он может вытеснить воздух из непроветриваемых ям, которые ввиду этого становятся опасными для жизни.
Аргон был впервые получен в 1894 г. английскими учеными У. Рамзаем и Дж. Рэлеем из воздуха, в котором его содержание составляет 0,933%. Широкое практическое применение аргона в металлургии началось только во второй половине XX в., когда было налажено его получение в больших объемах (попутно с получением кислорода из воздуха) и с требуемой чистотой (содержание азота 0,0003-0,0005% и кислорода -0,0001%).
В современной технологии выплавки стали продувка металла аргоном является обязательной операцией, особенно при доводке стали в ковше.
Продувка металла аргоном в ковше позволяет решать следующие задачи:
- умеренное охлаждение металла (не более чем на 10-15°С);
- ускоренное плавление вводимых в ковш раскислителей и легирующих присадок;
- гомогенизация металла по химсоставу и температуре;
- очищение металла от неметаллических включений, неизбежно образующихся во время раскисления-легирования, ввиду выноса их на поверхности пузырей (флотации);
- углеродное раскисление металла и глубокое обезуглероживание его;
- дегазация металла (удаление водорода, частично азота);
- интенсификация процесса взаимодействия металла со шлаком, обеспечивающим десульфурацию его.
Кроме того, аргон используется в качестве газа-носителя при вдувании в металл порошков высокоактивных металлов и сплавов, применяемых для раскисления-легирования стали.
Охлаждающее действие аргона на металл практически реализуется полностью, поскольку пузыри газа, введенные в металл, вполне успевают нагреваться до температуры расплава за время нахождения в нем. Для оценки этого действия аргона целесообразно пользоваться относительной величиной, выражающей возможное охлаждение металла при введении в него аргона в количестве 1 м 3 /т, – удельным охлаждением. Оно практически представляет постоянную величину и может быть легко определено путем составления уравнения теплового баланса рассматриваемого частного процесса для конкретного случая: масса металла 1 т (1000 кг), его удельная теплоемкость 0,2 ккал/кг и температура 1600°С; количество аргона 1 м 3 (1,784 кг), удельная теплоемкость 0,125 ккал/кг. Обозначив удельное охлаждение ΔtAr, можно составить уравнение теплового баланса (количество тепла, теряемое металлом, равно количеству его, приобретаемому аргоном):
1000 • 0,2 • ΔtAr = 1,784 • 0,125(1600-ΔtAr).
Решение этого уравнения дает: ΔtAr ≈1,8 °С. Следовательно, возможное охлаждение металла от взаимодействия его с вдуваемым холодным аргоном можно определить по простой формуле
где VAr – удельный расход аргона на продувку (м 3 /т), который является главным параметром рассматриваемого процесса.
Удельный расход аргона на продувку металла в ковше бывает максимальным при дегазации и особенно глубоком обезуглероживании металла и может составить 5-10 м 3 /т, что может вызвать охлаждение металла на 10-20°С. В этом случае продолжительность продувки доходит до 30 мин, во время которой металл обычно охлаждается со скоростью 0,5-1 °С/мин (в зависимости от вместимости ковша) ввиду потери тепла в окружающую среду. Следовательно, общее охлаждение металла может составить до 50°С.
Удельный расход аргона для решения других технологических задач обычно составляет 0,5-1 м 3 /т, что вызывает охлаждение металла всего на 1-2°С. Продолжительность продувки в этих случаях не превышает 10-15 мин, поэтому общее охлаждение обычно не более 20°С.
Рафинирующее действие аргона, как правило, используется не полностью ввиду недостаточности кинетических условий взаимодействия пузырей аргона с жидким металлом для полной реализации термодинамических возможностей перехода в пузыри аргона молекул СО (при обезуглероживании) и Н2 (при дегазации). Это вызывается в основном недостаточной поверхностью раздела фаз газ-металл и малым временем взаимодействия их. То и другое происходит из-за чрезмерно больших размеров пузырьков. Поэтому при продувке металла аргоном в ковше очень важно обеспечение максимального уменьшения размеров пузырьков. Тогда происходит как огромное увеличение их общей поверхности, т.е. поверхности взаимодействия газ-металл, так и увеличение времени нахождения пузырьков в металле, поскольку скорость всплывания мелких пузырей существенно меньше, чем крупных. Согласно Стоксу, скорость подъема пузырьков пропорциональна квадрату радиуса пузыря.
Рис.109. Зависимость общей поверхности газовых
пузырей, образовавшихся из 1 л аргона, от их диаметра
Возможность увеличения общей поверхности газовых пузырей при уменьшении их диаметра показана на рис. 109, согласно которому необходимо стремиться иметь средний диаметр пузырьков менее 5 мм, лучше 1-2 мм. Выполнение этих требований трудно, поскольку существуют и другие требования. В частности, необходимо обеспечивать введение в металл требуемого количества газа за определенное время. Когда необходимо вводить в металл небольшое количество аргона (до 1 м 3 /т), дробление его на мелкие куски гораздо проще, чем в случае введения до 10 м 3 /т. В последнем случае ввиду ограниченности времени продувки возникает необходимость увеличения интенсивности подачи газа. Тогда, если не обеспечивается требуемое увеличение числа каналов, приходится прибегать к увеличению диаметра каналов и давления газа. В итоге происходит не только увеличение размеров пузырьков, но даже может наблюдаться переход пузырькового режима взаимодействия фаз к так называемому канальному: вводимый в металл газ не образует пузыри, а создает сплошной канал, по которому он проходит толщу расплава.
Канальный режим совершенно недопустим, больше того, необходимо избегать и образования пузырей крупных размеров, поскольку это не только снижает эффективность использования аргона, но и приводит к недопустимому интенсивному бурлению металла с его оголением (нарушением шлакового покрова).
Идеальным является такой режим ввода аргона в металл, когда газ дробится на мелкие пузыри, распределяющиеся равномерно по всему объему расплава. К сожалению, попытки обеспечить такой режим пока не увенчались успехом, однако к этому необходимо стремиться.
Способы введения аргона в металлический расплав
В патентной литературе имеется описание большого количества способов и устройств для введения в металлические расплавы аргона, многие из них прошли производственные испытания, но практическое применение имеют немногие. Все применяемые на практике способы можно подразделить на две основные группы: через пористые блоки (вставки, пробки), установленные в дне ковша, и через блоки, представляющие наконечник фурм, погружаемых в расплав, и имеющие поры или каналы для выхода газа.
Пористые блоки, установленные в дне ковша, обеспечивают наилучшие гидродинамические условия взаимодействия металла и вводимого в него газа. Основные требования к ним: обеспечивать тонкое распыление аргона на мелкие пузыри и пропускать требуемое количество газа за отведенное время.
Рис. 110. Схема расположения трех пористых блоков в дне разливочного ковша:
1 – пористый блок;
2 – разливочный стакан
Как показала практика, выполнение этих требований с помощью одного блока возможно, если вместимость ковша небольшая (не более 100 т) и удельный расход аргона менее 0,5 м 3 /т. В этом случае пористую пробку обычно размещают по центру дна ковша (см. рис. 110). При увеличении вместимости ковша и удельного расхода аргона возникает необходимость в установке двух-трех блоков. Тогда их располагают по окружности на расстоянии примерно половины радиуса дна ковша (рис. 110).
Установка большого количества пористых блоков ослабляет механическую прочность металлического кожуха дна ковша и снижает стойкость футеровки его. Поэтому существует необходимость в увеличении пропускной способности блоков. В этих целях сейчас переходят на производство и применение блоков с направленными (щелевидными) каналами, пропускная способность которых в несколько раз больше, чем обычных, имеющих беспорядочно расположенные поры. Благодаря этому удается вводить в металл аргон в количествах, необходимых для его глубокого обезуглероживания и дегазации, с помощью двух-трех блоков.
Погружные фурмы являются удобными устройствами для ввода в металл относительно небольших количеств аргона, поскольку в ковш целесообразно опускать только одну фурму.
Обычно погружные фурмы по конструкции напоминают стопор, используемый для закрывания отверстия в стакане ковша и состоящий из цельнометаллического стержня, который защищают огнеупорной оболочкой (шамотными катушками) и на нижний конец которого одевают (ввинчивают) стопорную огнеупорную пробку.
Отличие погружной продувочной фурмы от стопора заключается в том, что, во-первых, металлический стержень заменяется трубой, по которой подают аргон, во-вторых, вместо стопорной пробки устанавливают пористый блок, обеспечивающий дробление подаваемого газа на мелкие пузыри.
Поскольку основным недостатком обычных погружных продувочных фурм является их малая пропускная способность (производительность), предпринимаются попытки устранить этот недостаток. Наиболее перспективной является конструкция фурмы, разработанная И. М. Шатохиным и А. Л. Кузьминым. По назначению она универсальна: позволяет совместить продувку металла газом с подачей в него порошкообразных материалов, поэтому основу фурмы составляют две трубы (труба в трубе). Кроме того, ввод газа в металл осуществляется не через поры в огнеупорном блоке, а через специальные металлические сопла, обеспечивающие тангенциальный ввод аргона в расплав с высокой степенью дробления на пузырьки (рис. 111). Их располагают в три яруса, заключают в огнеупорную оболочку, представляющую обмазку. Обмазка держится на трубках, спирально закрепленных на наружной (несущей) трубе фурмы.
Рис.111. Схема ввода аргона в металл:
1 – металлические сопла; 2 – огнеупорная оболочка; 3 – канал для подачи аргона; 4 – канал для подачи порошков
Такая фурма применяется на установке доводки стали (АДС) в конвертерном цехе ОАО “ММК”. Она превосходит прежние типы фурм не только по производительности, но и по стойкости — выдерживает до 7-8 плавок. Естественно, в изготовлении она сложнее обычных фурм, но достигаемые повышения производительности и стойкости оправдывают неизбежные усложнения.
Следует подчеркнуть, что в производственной практике нередко увеличения количества вдуваемого в металл аргона достигают комбинированной подачей – снизу через пористые блоки, сверху через погружную фурму.
Кроме того, весьма эффективной является продувка аргоном через шиберный затвор во время выпуска металла из агрегата, когда в ковш присаживаются раскисляющие и легирующие добавки в значительных количествах (при выплавке легированной стали).
Источник
Как выполняется продувка аргоном расплавленного металла – особенности и технические рекомендации
Повышение требований к качеству металлопроката приводит к необходимости улучшения и совершенствования технологий, применяемых для внепечной обработки металлов и их сплавов. Периодически появляются все новые методы, позволяющие обеспечить создание высококачественной продукции, и одним из них является продувка аргоном. В наши дни эта технология широко применяется для повышения качества стальных сплавов, а также является важным этапом работ по изготовлению стали.
Выполняется она в промежутке между использованием агрегата для плавки стали и разливкой жидкого металлического сплава. Кроме того, такая продувка выполняется в составе распространенного технологического процесса, называемого ковш-печь (с английского Lance-Furnace). Особенностью такого процесса является то, что расплавленный металл тщательно перемешивается путем его продувки в ковше с использованием инертного газа Ar. Одновременно с этим стальной сплав подогревают с помощью электрической дуги и производят его обработку синтетическим шлаком.
Использование технологии продувки аргоном позволяет получить металл с требуемыми характеристиками по температуре и химическому составу. Кроме того, такой метод обработки стали позволяет снизить уровень содержания в ней не относящихся к металлам добавок, в том числе кислорода и серы. В дополнение к своей эффективности и большому количеству преимуществ, подобная технология обработки металла является весьма доступной, а необходимое для ее проведения оборудование может быть установлено практически в любом производственном цеху, предназначенном для плавки сталей.
Что представляет собой газ аргон?
Технический аргон – одноатомный инертный газ, который не обладает вкусом, запахом или цветом. Он занимает третье место по распространенности среди химических элементов, представленных в атмосфере Земли, уступая лишь кислороду и азоту. Тем не менее суммарный объем содержания этого газа в атмосфере не превышает 1% от его общей массы. Кроме того, в незначительных количествах он содержится в земной коре, а также в пресной и морской воде.
Технический аргон добывают в процессе получения кислорода при разделении воздуха на составляющие. Подробнее о способах его получения вы можете прочитать здесь. Этот газ широко применяется в промышленных целях, к примеру, в качестве пищевой добавки, наполнителя для элементов освещения, компонента смесей для пожаротушения. Также он используется для создания защитной среды при лазерной, контактной или дуговой сварке металлов. Но на этом сфера применения аргона не ограничивается.
В настоящее время все чаще аргону отдают предпочтение при выборе газа для продувки раскаленных масс металла. В первую очередь это касается стального сплава, который не содержит в себе нитридообразующих элементов, к примеру, титана ли хрома. Во-первых, в раскаленном металле, температура которого достигает 1600 градусов по Цельсию, процесс растворения азота происходит без каких-либо неблагоприятных последствий. Во-вторых, расход инертного газа в этом случае будет относительно небольшим, так как он составляет не более 3 кубических метров на одну тонну стали.
Из основных преимуществ, благодаря которым стала популярной аргонная продувка, следует выделить:
- Дегазация расплава (за счет снижения концентрации водорода и азота)
- Небольшое контролируемое охлаждение расплава (не более чем на 15 градусов)
- Ускорение плавления присадок в ковше, обеспечивающих раскисление и легирование металла.
- Раскисление и сильное разуглероживание металлического расплава
- Достижение однородности расплава как по температуре, так и по химическому составу.
Как именно выполняется продувка аргоном?
Если внимательно изучить патентную литературу, то можно обнаружить, что в ней присутствует описание большого числа различных устройств, позволяющий осуществлять введение аргона в расплавленную металлическую массу. Многие предназначенные для этой цели устройства смогли успешно пройти необходимые технические испытания, но далеко не все из них получили широкое распространение на практике. Таким образом, все применяемые в реальной жизни приспособления могут быть условно разделены на две части:
- Устройства, вводящие газ через пористые блоки, установленные на дне ковша.
- Устройства, вводящие газ через специальные элементы, которые погружаются в расплавленный металл и имеют поры для выхода Ar.
Стоит отметить, что наиболее оптимального уровня взаимодействия аргона и расплавленной металлической массы можно добиться при использовании первого способа. В этом случае основные требования, которые предъявляются к устройству для введения газа заключаются в разделении аргона на мельчайшие пузырьки для его равномерного распределения по всей массе расплава.
Для ковша вместительностью не более 100 тонн достаточно использовать один пористый блок, который, как правило, размещают в самом центре ковша на его дне. Это касается тех случаев, когда продувка стали аргоном осуществляется с удельным расходом газа в количестве не более 0,5 кубических метро 1 тонну. В других же случаях (при увеличении вместительности ковша или более высокого показателя удельного расхода) следует устанавливать 2 или 3 блока.
Что касается погружных блоков, то они являются весьма практичными приспособлениями для того, чтобы обеспечить введение в расплавленный металл небольшого количества Ar. Как правило, подобные погружные фурмы представляют собой нечто вроде стопора, предназначенного для закрытия отверстия в стакане ковша. Состоят такие стопоры из стержня, отлитого из цельного металла и защищенного специальной термостойкой оболочкой. Нижний край такого изделия оборудуется стопорной огнеупорной пробкой.
Таким образом, разница между продувочной фурмой и стопором состоит в том, что у первого изделия вместо металлического стержня используется труба (по которой перегоняют аргон). Плюс вместо стопорной пробки устанавливается пористый блок, способный разделить инертный газ на мелкие пузыреобразные фракции. Основным недостатком погружных элементов для продувки металла аргоном можно назвать достаточно низкую пропускную способность таких изделий, что делает их менее эффективными (по сравнению с устройствами, которые предназначается для установки на дне ковша).
схема простейшей продувки расплава
Также продувка может осуществляться с помощью кислорода:
внепечная обработка металла кислородом
Где приобрести технический аргон?
Конечно, важную роль в процессе продувки металла играет и качество самого газа. При необходимости приобрести высококачественный аргон вы сможете на сайте компании «ПРОМТЕХГАЗ», проследовав по ссылке https://idealgaz.ru/argon/.
Кроме того, в каталоге предприятия представлены и другие газы, применяемые в промышленности, к примеру, технический кислород, подробнее о котором вы можете прочесть по ссылке.
Источник
