Современные огнеупоры и эффективность их применения при производстве и разливке стали
  Доклад №15

Особенности применения огнеупоров при производстве и разливке рафинированной меди

Спиридонов Д.В., Шутов И.В., Верзилов А.П.

Рассмотрены особенности применения погружного стакана типа «тройник» с различной конфигурацией внутреннего контура и количеством выпускных отверстий в процессе полунепрерывной разливки меди. Согласно результатам физического моделирования и промышленных испытаний выбрана конструкция погружного стакана в достаточной степени удовлетворяющая условиям разливки меди в промышленных условиях.

Ключевые слова: медь, огневое рафинирование, огнеупоры, полунепрерывная разливка, кристаллизатор, литниковая система, фронт затвердевания, моделирование.

Артемовский завод по обработке цветных металлов (ПАО «АЗОЦМ») в течение многих десятилетий являлся одним из крупнейших производителей металлопродукции из меди и медных сплавов в Восточной Европе. До распада СССР этот завод был ориентирован на выпуск плоского и круглого проката из первичных металлов (катодная медь, чушковой цинк и т.п.) в объеме до 150 тыс.т в год. Увеличение доли лома и отходов в составе шихты за счет уменьшения доли катодной меди потребовало установки принципиально нового технологического оборудования. Таким оборудованием стала 120т отражательная печь фирмы «Континиус – Проперси», в которой методами огневого рафинирования из лома со средним содержанием меди 97-99% удается получить жидкий металл с содержанием меди 99,9-99,95% (рис. 1).

отражательная печь, рафинирование меди

Рисунок 1 – Качающаяся отражательная печь емкостью 120 т для плавки и рафинирования меди

Установленное на ПАО «АЗОЦМ» оборудование позволяет получать медные слитки круглого сечения (максимальным диаметром 400 мм) и прямоугольного сечения (максимальным размером 240x1000 мм) массой до 11 т и длиной до 5 м со скоростью отливки до 25 м/ч. Отливка медных слитков прямоугольного сечения (до двух третей объема выплавки) осуществляется полунепрерывным методом на МПНЛЗ в медные водоохлаждаемые кристаллизаторы высотой 405 мм через разливочную емкость миксера и систему стопорно-разливочного дозирующего устройства (рис. 2).

машина полунепрерывной разливки меди

Рисунок 2 – Стопорно-разливочная система для разливки слитков прямоугольного сечения на МПНЛЗ

Известно [3,4], что при полунепрерывной разливке меди затвердевание обычно заканчивается в пределах кристаллизатора, что в совокупности с наследственно высоким содержанием кислорода в меди огневого рафинирования определяет особые требования как к конфигурации стопорно-разливочной системы, так и к применяемым материалам. Распределение подаваемого в кристаллизатор металла осуществляется посредством распределительного тройника, в теле которого выполнены отверстия, которые направляют расплав вверх к зеркалу металла и вниз по ходу вытягивания слитка. Количество отверстий обычно составляет 8-12 и может варьироваться в зависимости от конкретных условий разливки (рис. 2). При этом сечение отверстий и их положение в жидкой ванне оказывает существенное влияние на геометрическую форму и глубину проникновения жидкой лунки. Для улучшения условий работы тройника в центре нижней его части предусмотрено два разгрузочных отверстия, которые позволяют уменьшить давление внутри литниковой системы и обеспечивают слив металла в начальный момент разливки и при ее окончании, а также снижают вероятность разбрызгивания жидкого металла в начальной стадии литья. С целью уточнения исходных данных для дальнейшего физического моделирования был определен профиль лунки. Для этого в конце разливки слитков после закрытия стопора в кристаллизатор заливали 2 кг жидкого свинца, подогретого до температуры 400 oС. При этом жидкий свинец, в силу его более высокой плотности, стекал вниз к границе фронта затвердевания. Конфигурацию лунки определяли на продольных сечениях, вырезанных из слитков сечением 200x600 мм (рис. 3).

темплет медного слитка

Рисунок 3 – Продольный по стороне 600 мм разрез 1/2 части лунки на слитке 200x600мм (граница лунки сверху наведена маркером)

Гидродинамические потоки в кристаллизаторе изучались на лабораторной установке (рис. 4). Для удобства визуализации происходящих процессов вода подкрашивалась цветными чернилами.

Основные задачи, решаемые в настоящей работе с помощью физического моделирования, можно сформулировать следующим образом:

  • изучение особенностей наполнения кристаллизатора и распространения в жидкой ванне вытекающих из литниковой системы струй, а также оценка их влияния на перемешивание жидкой фазы;
  • определение рациональной конструкции литниковой системы и ее положения в жидкой ванне слитка с целью оптимизации условий затвердевания слитка и уменьшения дефектов литой структуры, которые образовываются при затвердевании.

лабораторная установка мпнлз

Рисунок 4 – Схема лабораторной установки для изучения гидродинамики потоков в кристаллизаторе МПНЛЗ: 1 – подводящий трубопровод; 2 – стопорное устройство; 3 – модель разливочной коробки; 4 – модельная жидкость; 5 – распределительный тройник; 6 – видеокамера; 7 – модель кристаллизатора; 8 – система отвода воды

В начальный период разливки процесс заполнения внутренней полости кристаллизатора характеризуется бурлением поверхности жидкости и ее разбрызгиванием (рис. 5). По мере наполнения кристаллизатора и достижения металлом номинального уровня бурление значительно уменьшается и практически прекращается после достижения уровня металла над распределительным тройником более 50 мм. При моделировании процессов происходящих при заливке меди в кристаллизатор учитывался тот факт, что скорость разливки на начальной стадии меньше технологической в 1,5 раза.

заполнение кристаллизатора

Рисунок 5 – Моделирование процесса заполнения кристаллизатора

Предметные исследования были проведены по изучению гидродинамических особенностей истечения затопленной струи из тройника литниковой системы при установившемся процессе литья. В основу экспериментальных исследований были положены шесть различных конструкций тройников (рис. 6). При этом, задачу оптимизации потоков металла сводили к определению рационального соотношения потоков металла, направленных в верхнюю и нижнюю часть лунки с выполнением условия равномерного их распределения по ширине кристаллизатора.

кристаллизатор мпнлз, движение потоков

Рисунок 6 – Характер распространения потоков жидкости, поступающей в кристаллизатор МПНЛЗ с использованием тройников различной конструкции: 1 – тройник, направляющий весь объем жидкости вниз; 2 – тройник, направляющий большую часть жидкости вверх; 3 – тройник, направляющий потоки жидкости в соотношении 50/50%; 4 – тройник, существующей конструкции; 5 – тройник с измененными углами выпускных отверстий; 6 – тройник, конструкция которого была оптимизирована с учетом результатов испытания предыдущих конструкций

Кинограмма истечения металла посредством промышленного тройника представлена на рисунке 6, поз.4. В результате экспериментов установлено, что в существующей литниковой системе потоки моделирующей жидкости, исходящие из нижних выпускных отверстий тройника, характеризуются неравномерным распределением, в результате струи металла истекающие из крайних нижних отверстий обладают значительно большей кинетической энергией, чем смежные. Данный факт способствует подмыванию твердой фазы, расположенной в зонах выхода струй металла из крайних нижних отверстий.

Следующая конструкция предусматривала изменение углов наклона существующих отверстий. Для верхних отверстий слева направо угол был изменен на 45o, 30o и 15o градусов, для нижних на 45o и 30o. В это же время угол технологических отверстий не изменялся. Картины истечения жидкости посредством модифицированного тройника литниковой системы представлены на рисунке 6, поз. 5. Анализ результатов позволил сделать вывод о том, что такой тройник лишь локально улучшает условия распределения металла по сечению кристаллизатора, как например в угловых зонах на мениске. При этом, верхние выпускные отверстия удаленные от узких стенок кристаллизатора теряют свою функциональность, за счет неэффектив-ного использования площади сечения. В это же время, в нижней части кристаллизатора происходит объединение струй металла из шести выпускных отверстий вследствие чего происходит интенсивный подмыв затвердевшей корочки металла в осевой зоне слитка, что в силу малой длинны кристаллизатора создает условия для прорыва жидкого металла.

Исходя из полученных результатов исследовали тройник с тремя отверстиями в патрубках, направленными вверх. При этом оставили только нижние технологические отверстия. Однако такая конструкция показала существенное ухудшение стабильности гидродинамических потоков (рис.6, поз.2) и возможность возникновения волнообразных процессов.

Улучшило картину потоков в верхней части использование тройника, в котором потоки распределены в соотношении 50/50 (рис.6, поз.3), однако равномерная картина в нижней части достигнута не была. Следующим этапом было исследование тройника, в патрубках которого были выполнены по два ориентированных вниз отверстия (рис.6, поз.1). Динамика истечения струи металла из погружного стакана с отверстиями, ориентированными вниз характеризуется высокой стабильностью турбулентности по всему сечению кристаллизатора. При этом, жидкостные потоки истекающие из погружного стакана носят сконцентрированный характер, равномерно распределены по всему кристаллизатору и характеризуются практически равной интенсивностью истечения. Однако, такие потоки способствуют увеличению глубины лунки. Также, при использовании данного стакана повышается вероятность переохлаждения металла в углах кристаллизатора. Исходя из этого, использование данной конфигурации тройника признано нецелесообразным.

Проведенное физическое моделирование литниковых систем различных конструкций привело к следующим выводам:

  • направление потоков металла только в нижнюю часть лунки при-водит к необоснованному увеличению ее глубины, увеличению температурного градиента в зоне вторичного охлаждения, сокращению зоны снятия теплоты перегрева и, как следствие, укрупнению литой структуры в поверхностных слоях слитка;
  • направление части потоков металла в верхнюю часть лунки пре-дотвращает переохлаждение поверхностных слоев металла до температуры кристаллизации, особенно в углах, что способствует формированию более ровной бездефектной поверхности слитка.

На основе анализа результатов проведенных лабораторных исследований разработан новый вариант литниковой системы, обеспечивающий оптимальное распределение потоков жидкости, подаваемой вверх и вниз кристаллизатора, в соотношении 35%/65%. Такое распределение достигается при двух отверстиях диаметром 12 мм в каждом патрубке в верхней части распределительного тройника и трех отверстиях диаметрами 12, 11, 10 мм в нижней части каждого патрубка. Центральные отверстия выполнены диаметром 8 мм. Исследование потоков на физической модели с использованием новой конструкции дали положительные результаты (рис. 6, поз. 6). В таблице 1 приведены сравнительные качественные показатели полученные при оценке влияния конструкции тройника на развитие потоков и волнообразование жидкости в кристаллизаторе.

Таблица 1 – Влияние конструкции тройника на развитие потоков жидкого металла в кристаллизаторе МПНЛЗ

конструкция погружного стакана, кристаллизатор мпнлз

Из приведенных данных следует, что испытанные распределительные тройники последней конструкции показали предпочтительные результаты по равномерному распределению потоков жидкости и состоянию мениска (табл. 1, поз. 6). Полученные результаты математического моделирования были проверены в промышленных условиях (табл.1, поз.1, 2). С использованием распределительных тройников, конструктивно обеспечивающих преимущественное направление потоков жидкости в кристаллизаторе вниз и вверх, было отлито два слитка с соблюдением идентичности технологических параметров (табл. 2).

Таблица 2 – Режимы отливки слитков

отливка медных слитков, режимы отливки,слитки из меди

В конце отливки каждого слитка для определения формы лунки выполнялась заливка жидкого свинца по вышеописанной методике. Оценивая полученные результаты, следует отметить, что характер подвода жидкой меди в кристаллизатор оказывает существенное влияние на конфигурацию и глубину распространения жидкой лунки в промышленных слитках (рис. 7).

сечение медного слитка, медный слиток, слиток меди

Рисунок 7 – Фотографии продольных сечений медных слитков с подачей меди вверх к зеркалу (а) и вниз вглубь кристаллизатора (б)

Так, глубина лунки составляла 225 мм и 270 мм для слитков с подачей металла вверх и вниз соответственно. Уменьшение глубины распространения жидкой лунки при подаче металла из тройника вверх к зеркалу, видимо, объясняется тем фактом, что в этом случае горячие порции разливаемой меди, двигаясь вверх, не оказывают влияния на затвердевание металла в нижней части жидкой ванны. Фактически такая схема подачи металла в кристаллизатор обеспечивает подогрев верхней области жидкой ванны.

Таким образом, путем исследования на физических моделях различных конструкций литниковых систем для подачи медного расплава в кристаллизатор и проверки результатов моделирования в промышленных условиях разработан усовершенствованный вариант этой системы. Новая конструкция литниковой системы обеспечивает оптимальное соотношение потоков, в которой 35 % жидкого металла направляется вверх, а 65 % вниз жидкой ванны. Такое соотношение обеспечивают шесть отверстий диаметром 12 мм, выполненные в верхней части тройника и шесть отверстий внизу на каждом патрубке тройника (диаметр 10-12 мм). При использовании этой конструкции тройника обеспечивается необходимый подогрев верхней части жидкой лунки, а в нижней ее части жидкостные струи перемешивают жидкую ванну, не оказывая влияние на формирование твердой фазы. При использовании тройника новой конструкции количество продольных трещин на поверхности слитков уменьшается в 3-5 раз, что повышает выход годной продукции в среднем на 8-12%.

Библиографический список

  • 1. Савенков Ю.Д. Рафинированная медь Украины / [Ю.Д. Савенков, В.И. Дубоделов, В.А. Шпаковский и др.]. – Днепропетровск: Арт-Пресс, 2008. – 176 с.
  • 2. Шинкаренко П.С. Комплекс огневого рафинирования меди на ОАО «Артемовский завод по обработке цветных металлов» / П.С. Шинкаренко, Ю.Д. Савенков, Н.Е. Кваченюк // Металл. – 2007. – № 3.– С. 60-62.
  • 3. Кац А.М. Теплофизические основы непрерывного литья слитков цветных металлов и сплавов / [А.М. Кац, А.Г. Шадек]. – М.: Металлургия, 1983. – 208 с.
  • 4. Гридин С.В. Исследование явлений усадки при формировании медных слитков / С.В. Гридин, Д.В. Спиридонов, Ю.Д. Савенков, О.М. Смирнов // Металловедение и обработка металлов. – 2009. – №2. – С. 35-39.
  Доклад №15
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ