Оформление заявки на изобретение вакуумирования

Министерство образования Украины Национальная Металлургическая Академия Украины Кафедра теплотехники и экологии металлургических печей Курсовая работа по дисциплине: «ОНТТ»

Тема: «Оформление заявки на изобретение вакуумирования»

Днепропетровск 2011

1. Описание вакууматора

2. Использование метода фокальных объектов для создания новых устройств

— теоретические сведения

— выполнение работы

3. Описание изобретения

1. Описание вакууматора В современной практике производства широкого спектра марок стали вакуумная обработка является неотъемлемым интегрированным звеном технологического процесса.

Вакуумирование стали в ковше, является наиболее простым и надежным способом вакуумной обработки жидкого металла. Оборудование камерного вакууматора не контактирует с жидкой сталью, не требует специальных огнеупоров для футеровки камеры, нет необходимости в предварительном подогреве узлов установки, на них не влияет периодичность пользования, что особенно важно при отсутствии поточного производства.

Вакуумной обработке подвергают как нераскисленную, так и раскисленную сталь. Для повышения эффективности вакуумирования применяют перемешивание расплава инертным газом через донные продувочные пробки сталеразливочного ковша, поскольку пузырьки аргона барботирующие расплав в значительной мере способствуют ускорению хода реакций обезуглероживания и дегазации. Кроме того, пневматическое перемешивание обеспечивает усиление взаимодействия высокоосновного рафинировочного шлака с металлом, что благоприятствует десульфурации стали и удалению азота. Таким образом, конечный результат в камерном вакууматоре достигается в ходе одной технологической стадии.

Для достижения необходимого предела содержания водорода в стали (1,5−2,0 ppm), как правило, выбирают путь вакуумирования раскисленной стали в сталеразливочном ковше непосредственно перед разливкой в слитки с применением способов принудительного перемешивания для усиления массообмена между металлом и газовой фазой.

Основная идея технологии вакуумной обработки стали исходит из термодинамической возможности смещения равновесия химических реакций в сторону выделения газообразных продуктов в результате снижения атмосферного давления. Прежде всего, это относится к растворенному в стали водороду, азоту, а также кислороду. При этом в результате химической реакции с углеродом кислород выделяется из расплава в виде оксидов углерода, обеспечивая наряду с раскислением обезуглероживание стали. Данное обстоятельство представляет особый интерес при производстве стали с особо низкой концентрацией углерода, а также высокохромистых низкоуглеродистых сплавов. В последнем случае вакуумирование позволяет избежать чрезмерно высокого перегрева расплава, необходимого для достижения низких концентраций углерода и снижения окисления хрома при атмосферном давлении. При производстве стали с особо низкой концентрацией углерода растворенного в расплаве кислорода недостаточно для проведения глубокого обезуглероживания. Поэтому его вводят в металл под вакуумом через специальную кислородную фурму.

Газообразные продукты реакции окисления углерода выделяются в глубинных слоях расплава и облегчают экстракцию растворенного в металле водорода и азота. Вместе с тем, способ вакуумирования нераскисленной и полураскисленной стали не гарантирует получение низкого содержания газов в готовой продукции в силу ряда причин, одна из которых заключается в том, что после окончания вакуумной обработки, как правило, требуется проведение операций раскисления, легирования и десульфурации. Таким образом, если главной задачей вакуумирования является удаление из металла водорода и азота, то, как правило, вакуумной обработке подвергают глубоко раскисленную сталь непосредственно перед разливкой.

Для обеспечения достаточной площади поверхности раздела взаимодействующих фаз вакуумную обработку раскисленной стали совмещают с продувкой расплава инертным газом. При этом следует отметить, что под вакуумом достижим принципиально новый количественный результат пневматического перемешивания металла инертным газом, так как величина мощности перемешивания при снижении давления до практически достижимых в вакуумной камере значений увеличивается в четыре-пять раз. Следует отметить, что при атмосферном давлении такая величина мощности перемешивания практически недостижима. Поэтому на установке ковшевого вакуумирования необходимо иметь свободный борт сталеразливочного ковша высотой до 600 мм, а в отдельных случаях — до 1000 мм вследствие возможного подъема уровня расплава в ходе вакуумирования.

При обработке стали под низким вакуумом (1 мбар) со держание водорода снижается с 6,0−8,0 до 1,5−2,0 ppm, азота с 80−100 до 70, а при длительном вакуумировании до 40 ppm. Содержание кислорода после вакуумной обработки снижается до уровня 25−30 ppm и менее, то есть существенно повышается чистота стали по оксидными включениями.

Эффективность десульфурации стали существенно повышается в результате перемешивания металла под рафинировочным шлаком в вакууме, что позволяет достигнуть концентрации серы 0,003% и менее.

В состав камерной установки для вакуумирования стали в ковше входит: вакуумкамера (чаще стационарная), накатная крышка, система дозирования и подачи сыпучих материалов, вакуумпровод, высокопроизводительные вакуумные насосы и АСУ ТП (рис. 1.5).

вакуумирование газ Рисунок 1.5 — Общая схема камерного вакууматора: 1 — сталеразливочный ковш; 2 — вакуумная камера; 3- крышка вакуумной камеры; 4 — кислородная фурма; 5 — устройство для подачи сыпучих под вакуум В корпусе вакуумкамеры, которая футерована огнеупорным кирпичом, имеется стенд для размещения сталеразливочного ковша. Корпус оборудован отверстием-мембраной с термодатчиком для аварийного слива стали, соединительным патрубоком вакуумпровода, а также системой подачи азота при разгерметизации. Верхний торец вакуумкамеры имеет уплотнитель для обеспечения надежной герметизации. На рабочей площадке вакууматора устанавливают трайб-аппарат.

Крышка вакуумкамеры установлена на транспортной тележке и может вертикально перемещаться с помощью гидропривода. Крышка вакуумкамеры размещает следующие устройства: защитный тепловой экран с элементами подвода и отвода охлаждающей воды, систему визуального контроля процесса вакуумной обработки, устройство отбора проб и замера температуры, фурму для продувки стали кислородом, шлюзовые устройства для ввода легирующих и добавок.

Для проведения обработки сталеразливочный ковш с помощью мостового крана помещают в вакуумкамеру. Крышку вакууматора с помощью тележки транспортируют к камере и устанавливают на ней. С помощью вакуумных насосов создают необходимое разрежение и проводят необходимые технологические операции.

2. Использование метода фокальных объектов для созданий новых устройств Метод фокальных объектов — метод поиска новых идей путем присоединения к исходному объекту свойств или признаков случайных объектов. Применяется при поиске новых модификаций известных устройств и способов, в частности ТНП, создании рекламы товаров, а также для тренировки воображения.

Другие названия: Метод каталога, Метод случайных объектов. Автор метода Ф. Кунце (Германия), 1926 г.

Цель метода: Совершенствование объекта за счет получения большого количества оригинальных модификаций объекта с неожиданными свойствами.

Суть метода: Перенесение признаков случайно выбранных объектов на совершенствуемый объект, который лежит как бы в фокусе переноса и поэтому называется фокальным. Возникшие необычные сочетания стараются развить путем свободных ассоциаций.

План действий :

· Из условий задачи выделить объект (прототип), подлежащий усовершенствованию (ФО), уточнить цель.

· Выбрать 3−4 случайных объектов (открыв наугад каталог, книгу и т. п.).

· Выписать для каждого из них несколько характерных признаков (свойств).

· Полученные признаки перенести на прототип (фокальный объект) — получить новые сочетания.

· Новые сочетания развить путем свободных ассоциаций. Зафиксировать все интересные идеи.

· Оценить новые идеи и отобрать наиболее эффективные с точки зрения реализации. Сформулировать задачи на разработку новых модификаций объекта.

Результат: Списки идей и предложений по новым модификациям объекта.

Достоинства :

· Простота освоения и неограниченные возможности поиска новых подходов к проблеме.

· Нешаблонность выдвигаемых идей.

· Универсальность метода.

Недостатки :

· Непригодность при решении сложных задач.

· МФО и все его разновидности дают только простые сочетания.

· Отсутствие правил отбора и внутренних критериев оценки получаемых идей.

Совершенствующий объект — очищение подаваемой воды в вакууматор.

Выбираем случайные объекты: кистевой эспандер, парашют, торт, песок.

Характерные свойства или признаки случайных объектов:

Кистевой эспандер: резиновый, круглый, сжимаемый, функциональный.

Парашют: воздушный, раскрывающийся, цветной, надежный.

Торт: малиновый, двухслойный, сладкий, большой Песок: сыпучий, кварцевый, зерновой, строительный.

Новые сочетания Резиновое очищение, круглое очищение, сжимаемое очищение, функциональное очищение.

Воздушное очищение, раскрывающиеся очищение, цветное очищение, надежное очищение.

Малиновое очищение, двухслойное очищение, сладкое очищение, надежное очищение.

Сыпучее очищение, кварцевое очищение, зерновое очищение, строительное очищение.

Развитие сочетаний

· Двухслойная очистка

· Очистка сжатым воздухом

· Надежное очищение

· Двухслойная загрузка при очистке воды антрацита и кварцевого песка Наилучшими вариантами являются:

· Очистка сжатым воздухом

· Двухслойная загрузка при очистке воды антрацита и кварцевого песка

3. Описание изобретения Изобретение относится к схемам оборотного водоснабжения и может быть использовано в металлургии. Способ включает отвод отработанной нагретой воды от вакууматора в отстойник, последующее фильтрование отстоянной воды на фильтровальной станции, которую формируют из напорных фильтров с зернистой фильтрующей загрузкой, диаметр зерен которой последовательно уменьшается сверху вниз по направлению потока фильтруемой воды и рабочее давление на входе которой поддерживают на уровне 0,30−0,40 МПа при перепаде давления на фильтровальной станции 0,04−0,12 МПа, после чего фильтрат подают на охлаждение в градирню и затем снова на вакууматор. При этом фильтры поочередно переводят в режим очистки, на первом этапе которой в фильтрующую загрузку снизу вверх подают сжатый воздух, на втором этапе снизу вверх подают воду. При использовании изобретения обеспечивается повышение эффективности вакуумирования стали.

Изобретение относится к области водоснабжения теплообменных систем и может быть использован в металлургии при водоснабжении и охлаждении технологического оборудования установок вакуумирования стали.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому объекту является выбранный в качестве прототипа способ оборотного водоснабжения установок вакуумирования стали, включающий подвод исходной воды на вакууматор установки вакуумирования стали, отвод нагретой отработанной воды от вакууматора в отстойник и подвод отстоянной очищенной воды в качестве исходной снова на вакууматор У заявляемого способа оборотного водоснабжения установок вакуумирования стали и прототипа совпадают следующие существенные признаки. Оба способа включают подвод исходной воды на вакууматор установки вакуумирования стали, отвод отработанной нагретой воды от вакууматора в отстойник и подвод очищенной воды в качестве исходной снова на вакууматор.

Анализ технических свойств прототипа, обусловленных его признаками, показывает, что получению ожидаемого технического результата при использовании прототипа для обеспечения оборотного водоснабжения установок вакуумирования стали препятствуют следующие причины. Технологический процесс вакуумирования стали цикличный: в течение часа время работы установки вакуумирования стали, осуществляющей извлечение из расплава вредных газов, составляет около 20 минут. При этом рабочая среда вакууматора установки вакуумирования стали насыщается вредными газами и большим количеством твердых взвешенных частиц размером, в основном, менее 1 мкм. Расчетная интенсивность расхода воды для обеспечения работоспособности одного вакууматора достаточно велика и составляет 700−2200 м3/час. От вакууматора в систему оборотного водоснабжения для последующего охлаждения и осветления в отстойнике отводится вода, нагретая до 50 °C. Отработанная вода от вакууматоров характеризуется наличием в ней очень высокодисперсных твердых взвешенных частиц, что затрудняет осветление ее в сооружениях отстойного типа. В отстоянной воде, которая вновь подается на вакууматор, количество твердых взвешенных веществ размером менее 1 мкм находится в пределах до 100 мг/л, что отрицательно влияет на работу вакууматора и снижает эффективность вакуумирования стали.

В основу заявляемого объекта поставлена задача — создать такой способ оборотного водоснабжения установок вакуумирования стали, в котором усовершенствование путем введения новых операций и условий осуществления операций позволило бы при использовании способа обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности вакуумирования стали.

Заявляемый способ оборотного водоснабжения установок вакуумирования стали включает подвод исходной воды на вакууматор установки вакуумирования стали, отвод отработанной нагретой воды от вакууматора в отстойник и подвод очищенной воды в качестве исходной снова на вакууматор. Перед подводом очищенной воды на вакууматор ее фильтруют на фильтровальной станции, которую формируют из напорных фильтров с зернистой фильтрующей загрузкой, диаметр зерен которой уменьшается сверху вниз по направлению потока фильтруемой воды. При этом рабочее давление на входе фильтровальной станции поддерживают на уровне 0,30−0,40 МПа при перепаде давления на фильтровальной станции 0,04−0,12 МПа для расчетной производительности. После достижения в процессе фильтрации заданной продолжительности цикла фильтрования фильтры поочередно переводят в режим очистки, при котором вначале в фильтрующую загрузку снизу вверх против направления потока фильтруемой воды подают сжатый воздух для барботирования зернистого фильтрующего материала, а затем подают воду для вымывания отфильтрованных твердых частиц. Полученный из фильтровальной станции фильтрат вначале подают на охлаждение в градирню и затем снова на вакууматор установки вакуумирования стали.

В частных случаях реализации заявляемый способ характеризуется следующими отличительными от прототипа признаками:

— в качестве зернистой фильтрующей загрузки в напорных фильтрах фильтровальной станции используют двухслойную загрузку из антрацита с диаметром зерен, предпочтительно, 2,5−5,0 мм и кварцевого песка с диаметром зерен, предпочтительно, 1,0−1,8 мм;

— при очистке каждого фильтра фильтровальной станции вначале на первом этапе в фильтрующую загрузку снизу вверх в течение 10−15 минут подают сжатый воздух с интенсивностью 10−14 л/(с· м2) на 1 м² рабочей площади загрузки, а затем на втором этапе в течение 10−15 минут подают воду с интенсивностью 10−14 л/(с· м2) на 1 м² рабочей площади загрузки.

При использовании заявляемого объекта обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности вакуумирования стали.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого способа и достигаемым техническим результатом имеется следующая причинно-следственная связь. Фильтрование отстоянной воды перед подводом ее на вакууматор с использованием фильтровальной станции, которую формируют из напорных фильтров с зернистой фильтрующей загрузкой, диаметр зерен которой уменьшается сверху вниз по направлению потока фильтруемой воды, а поддержание рабочего давления на входе фильтровальной станции на уровне 0,30−0,40 МПа при перепаде давления на фильтровальной станции 0,04−0,12 МПа для расчетной производительности обеспечивает фильтрование на повышенных скоростях через слой загрузки относительно большой высоты при направлении потока фильтруемой воды от крупных зерен загрузки к более мелким зернам. Это предотвращает образование поверхностного слоя осадка с большим сопротивлением и способствует повышению задерживающей способности загрузки при фильтровании воды с очень мелкими взвешенными частицами, размером менее 1 мкм. Формирование фильтровальной станции из отдельных напорных фильтров позволяет после достижения в процессе фильтрации заданной продолжительности цикла фильтрования поочередно переводить фильтры в режим очистки при обеспечении постоянства заданной производительности фильтровальной станции в оборотном водоснабжении установок вакуумирования стали и заданного перепада давления на фильтровальной станции. Подача на первом этапе режима очистки сжатого воздуха в фильтрующую загрузку снизу вверх для барботирования зернистого фильтрующего материала способствует отделению зерен фильтрующей загрузки от конгломератов, образованных этими зернами и осажденными на них очень мелкими взвешенными частицами, а также предварительному отделению осажденных мелких частиц от зерен загрузки. Последующая подача воды под давлением на втором этапе режима очистки обеспечивает вымывания отфильтрованных мелких твердых частиц и эффективную очистку зернистого фильтрующего материала именно от высокодисперсных твердых частиц. При этом взвешенные в водной среде зерна фильтрующего материала из-за разной плотности и разной площади поперечного сечения распределяются по высоте загрузки с последовательным уменьшением их диаметра сверху вниз. После прекращения подачи промывной воды зерна фильтрующего материала самопроизвольно осаждаются с образованием зернистой фильтрующей загрузки, диаметр зерен которой последовательно уменьшается сверху вниз по направлению потока фильтруемой воды. Это для очищенного фильтра предотвращает образование поверхностного слоя осадка с большим сопротивлением и способствует повышению задерживающей способности загрузки при фильтровании воды с очень мелкими взвешенными частицами размером менее 1 мкм. Подача полученного из фильтровальной станции фильтрата на охлаждение в градирню обеспечивается заданным рабочим давлением на входе фильтровальной станции и способствует дальнейшему охлаждению фильтрата и его дегазации перед подачей на вакууматор. Таким образом, качество воды, которая вновь подается в оборотное водоснабжение установок вакуумирования стали, будет приближено к качеству исходной воды и количество твердых взвешенных веществ в ней размером менее 1 мкм будет значительно уменьшено, что позволит повысить эффективность вакуумирования стали.

Указанный рабочий диапазон давления на входе фильтровальной станции на уровне 0,30−0,40 МПа, диапазон перепада давления на фильтровальной станции 0,04−0,12 МПа для расчетной производительности, предпочтительный диаметр зерен антрацита и кварцевого песка в двухслойной загрузке, продолжительность и интенсивность подачи воздуха и воды на 1 м² рабочей площади загрузки при поэтапной очистке каждого фильтра фильтровальной станции определены экспериментально и способствуют дальнейшему повышению задерживающей способности фильтрующей загрузки при фильтровании воды с очень мелкими взвешенными частицами размером менее 1 мкм на повышенных скоростях в оборотном водоснабжении установок вакуумирования стали.

Способ оборотного водоснабжения установок вакуумирования стали осуществляется следующим образом. Для обеспечения работоспособности установок вакуумирования стали на них подается исходная охлажденная вода. Горячая загрязненная вода от вакууматоров установок вакуумирования по самотечным трубопроводам поступает в резервуар и перекачивается на осветление в радиальный отстойник. Осветленная вода после радиального отстойника отводится самотеком по трубопроводу и собирается в резервуаре осветленной воды. Перед подводом отстоянной воды снова на вакууматор ее фильтруют на фильтровальной станции, которую формируют из напорных фильтров с зернистой фильтрующей загрузкой. В конкретном примере для обеспечения расчетной производительности оборотного водоснабжения установок вакуумирования стали, например 2100 м3/час, фильтровальную станцию формируют из 10 параллельно смонтированных фильтров ФН-3000М и ФН-3400М производительностью 180 и 230 м3/час соответственно. В качестве фильтрующих материалов в этих фильтрах при двухслойной загрузке используют антрацит с диаметром зерен, предпочтительно, 2,5 мм для верхнего слоя и кварцевый песок с диаметром зерен, предпочтительно, 1,8 мм для нижнего слоя. Высота слоев антрацита и кварцевого песка по 1100 мм. Диаметр зерен загрузки последовательно уменьшается сверху вниз по направлению потока фильтруемой воды. Отстоянная вода насосами подается на фильтровальную станцию. Рабочее давление на входе фильтровальной станции поддерживают на уровне 0,40 МПа при перепаде давления на фильтровальной станции 0,05 МПа для расчетной производительности. Средняя скорость фильтрования составляет 26 м/ч. После достижения в процессе фильтрации заданной продолжительности цикла фильтрования фильтры поочередно переводят в режим очистки. При очистке каждого фильтра вначале на первом этапе в фильтрующую загрузку снизу вверх в течение 10 минут подают сжатый воздух с интенсивностью 10 л/(с· м2) на 1 м² рабочей площади загрузки, а затем на втором этапе в течение 10 минут подают воду с интенсивностью 10 л/(с· м2) на 1 м² рабочей площади загрузки.

При этом взвешенные в водной среде зерна фильтрующего материала из-за разной плотности и разной площади поперечного сечения распределяются по высоте загрузки с последовательным уменьшением их диаметра сверху вниз. После прекращения подачи промывной воды зерна фильтрующего материала самопроизвольно осаждаются с образованием зернистой фильтрующей загрузки, диаметр зерен которой последовательно уменьшается сверху вниз по направлению потока фильтруемой воды. Очищенный фильтр снова подключают к фильтровальной станции, обеспечивая заданный перепад давления на фильтровальной станции. Полученный из фильтровальной станции фильтрат вначале подают на охлаждение в градирню и затем насосами возвращают на вакууматор установки вакуумирования стали. Очищенная в фильтровальной станции вода, которая подводится на вакууматор установки вакуумирования стали, содержит всего 40 мг/л твердых взвешенных частиц (вместо 100 мг/л), что способствует улучшению работы вакууматора и повышает эффективность вакуумирования стали.

Формула изобретения

1. Способ оборотного водоснабжения установок вакуумирования стали, включающий подвод исходной воды на вакууматор установки вакуумирования стали, отвод отработанной нагретой воды от вакууматора в отстойник и подвод очищенной воды в качестве исходной снова на вакууматор, отличающийся тем, что перед подводом очищенной воды на вакууматор ее фильтруют на фильтровальной станции, которую формируют из напорных фильтров с зернистой фильтрующей загрузкой, диаметр зерен материала которой уменьшается сверху вниз по направлению потока фильтруемой воды, при этом рабочее давление на входе фильтровальной станции поддерживают на уровне 0,30−0,40 МПа при перепаде давления 0,04−0,12 МПа для расчетной производительности, а после достижения в процессе фильтрации заданной продолжительности цикла фильтрования фильтры поочередно переводят в режим очистки, при котором на первом этапе в зернистую фильтрующую загрузку снизу вверх против направления потока фильтруемой воды подают сжатый воздух для барботирования зернистого фильтрующего материала, затем на втором этапе подают воду для вымывания отфильтрованных твердых частиц, а полученный из фильтровальной станции фильтрат вначале под остаточным напором подают на охлаждение в градирню и затем снова подводят на вакууматор установки вакуумирования стали.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве зернистой фильтрующей загрузки в напорных фильтрах фильтровальной станции используют двухслойную загрузку из антрацита с диаметром зерен, предпочтительно, 2,5−5,0 мм и кварцевого песка с диаметром зерен, предпочтительно, 1,0−1,8 мм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при очистке каждого фильтра фильтровальной станции вначале на первом этапе в фильтрующую загрузку снизу вверх в течение 10−15 мин подают сжатый воздух с интенсивностью 10−14 л/(с· м2) на 1 м² рабочей площади загрузки, а затем на втором этапе в течение 10−15 мин подают воду с интенсивностью 10−14 л/(с· м2) на 1 м² рабочей площади загрузки.