печи. ПЕЧИ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ. Печи черной металлургии 41. Технологические цепочки в металлургии
 Скачать 2.15 Mb.
|
|
4.1. Установка вакуумирования Обработка жидкого металла вакуумом влияет на протекание тех реак- ций и процессов, в которых присутствует или образуется газовая фаза. Та- кая обработка (вакуумирование) является частным случаем процесса дега- зации, что, в свою очередь, означает удаление из жидкой стали растворен- ных в ней газов, ухудшающих качество стали. Можно дать такую форму- лировку: вакуумирование – кратковременная обработка под вакуумом ста- ли, выплавленной в каком-либо сталеплавильном агрегате открытым спо- собом, и проводимая с целью удаления из стали растворенных в ней газов. В вакуумных установках низкому вакууму соответствует область дав- лений выше 100 Па, среднему – от 100 до 0,1 Па, высокому – от 0,1 до 0,00001 Па. Область давлений глубже 0,00001 Па относится к сверхвысо- кому. Чаще всего газовая фаза образуется при вакуумировании в 3 случаях: а) образование СО при окислении углерода, который всегда содержит- ся в стали, кислородом, находящимся в составе оксидных неметаллических включений. Чем прочнее включения, тем глубже требуется вакуум для их разрушения; 73 б) выделение растворённых в металле водорода и азота, содержание которых в стали определяется парциальным давлением водорода и азота в газовой фазе и коэффициентом диффузии. Для удаления азота требуется более глубокий вакуум, т.к. коэффициент диффузии у азота на порядок меньше, чем у водорода. Если при вакуумировании выделяется большое количество СО, то это резко ускоряет отвод из стали Н 2 и N 2 , т.к. в пузырь- ках СО парциальные давления Н 2 и N 2 равны нулю; в) испарение примесей цветных металлов. Чем глубже вакуум, тем быстрее происходит испарение. Одновременно испаряется и железо, одна- ко его потери ощутимы лишь при очень глубоком вакууме и длительной выдержке. Успешное проведение процесса удаления примесей обеспечивается при среднем и низком вакууме, когда абсолютное давление составляет 10-1000 Па. При вакуумировании происходит потеря большого количества энергии. Скорость снижения среднемассовой температуры около 2 град/мин. Создание низкого давления за короткое время возможно с ис- пользованием очень мощных откачивающих устройств, типа пароэжектор- ных (пароструйных) насосов. Схемы наиболее распространённых простейших конструкций ваку- уматоров представлены на рис. 4.1. Из представленных схем самыми эффективными и распространенны- ми являются устройства порционного и циркуляционного вакуумирования. Самым простым считается способ вакуумирования в ковше (рис. 4.1, вариант "а"). Рассмотрим конструкцию установки, реализующей именно этот вариант, как наиболее легкий для понимания. Принцип работы по это- му варианту следующий. Ковш с металлом опускают в камеру, которую плотно накрывают крышкой. Чтобы избежать остывания металла из каме- ры быстро откачивают воздух. При этом растворённый в металле кислород Рис. 4.1. Устройства для вакуумирования стали: а - вакуумирование металла в ковше; б - вакуумирование струи при переливе из ковша в ковш; в - вакуумирование струи при разливке; г - порционное вакуумирование; д - ваку- умирование циркуляционным способом 74 взаимодействует с растворённым углеродом, образуя газ СО. Одновремен- но выделяются растворённые в металле водород и азот и ванна в ковше как бы вскипает. Для исключения попадания металла в вакуумную камеру его уровень в ковше на 1-1,5 м ниже верха ковша. После удаления основных объёмов газа в металл сверху из помещённого в вакуумной камере бункера вводят раскислители и легирующие добавки. Цель ввода раскислителей – получение легкоплавких продуктов раскисления, быстро формирующихся в относительно крупные капельки. Продукты раскисления всплывают и об- разуют шлак, покрывающий металл. Ввод добавок в ковш является пред- почтительным по сравнению с вводом в сталеплавильную печь, т.к. при этом угар раскислителей меньше. В качестве раскислителей – элементов, соединяющихся с растворён- ным в металле кислородом и обеспечивающих получение требуемого при данной концентрации углерода в металле содержания растворённого ки- слорода, чаще всего применяются марганец, кремний и алюминий. Их вво- дят в виде ферросплавов – ферромарганец, ферросилиций, силикомарганец и др., либо в чистом виде – металлический алюминий и др. – небольшими кусками диаметром до 50-60 мм или в виде проволоки. Легирующие эле- менты, обладающие более высоким сродством к кислороду, чем железо (Cr, W, V, Ti и др.) дают в ковш только после раскисления металла. Преимущества вакуумирования стали: 1. высокое качество металла (почти полное удаление водорода, сокраще- ние неметаллических включений и др.); 2. возможность совершенствования технологии, включая продувку инертным газом, электромагнитное перемешивание металла и т.д. Недостатки вакуумирования: 1. относительная дороговизна и сложность (наличие мощных устройств для создания достаточно глубокого вакуума); 2. периодичность процесса; 3. ограниченность воздействия на металл (практически только дегазация); 4. необходимость перегрева жидкой стали перед вакуумированием для компенсации падения температуры металла в ковше. Возможные варианты совершенствования установок с целью повыше- ния качества металла и снижения расхода энергии: 1. подвод энергии к ковшу во время вакуумирования для компенсации тепловых потерь через кладку ковша (теплопроводностью), с поверх- ности зеркала металла (излучением) и при вводе легирующих элемен- тов (нагрев, плавление и разложение элементов). Это позволит увели- чить время очистки и снизить расход энергии в сталеплавильной печи из-за отсутствия необходимости высокого перегрева жидкой стали; совмещение установки вакуумирования и машины непрерывного литья за- готовок (МНЛЗ) для создания условий непрерывной обработки стали. Воз- 75 можный вариант конструкции приведён на рис. 4.2. В данном случае промежуточный ковш МНЛЗ является придатком ка- меры вакуумирования. В нём проводится легирование по- рошками, обработка нейтраль- ным газом и плазменный по- догрев. Это обеспечивает не- прерывность операций обра- ботки, широкую возможность корректировки химсостава ста- ли и температурного режима процесса разливки, и, следова- тельно, стабильность процесса. При этом сокращается расход дорогостоящих легирующих и микролегирующих материалов на 25-50 %, сокращается расход энергии на перегрев металла, компенсирующий потери теп- лоты при транспортировке от сталеплавильной печи до МНЛЗ; комбинация различных способов извлечения примесей на базе вакуумной установки. 4.2. Установка для обработки стали инертным газом Продувка металла инертными газами не так эффективна, как вакууми- рование, но проще и дешевле. При такой продувке можно достичь следую- щих целей: а) уменьшения содержания газов (N 2 и Н 2 ), растворённых в металле. Механизм извлечения газов тот же, что и в вакууматоре, т.е. создание пар- циального давления N 2 и Н 2 равного нулю на возможно большей поверхно- сти. Это достигается путём наполнения объёма стали тысячами пузырьков инертного газа, внутри которых создаются маленькие "вакуумные камеры"; б) хорошего перемешивания расплава, в результате чего облегчается переход в шлак неметаллических включений и происходит усреднение со- става металла; в) получения стали с особо низким содержанием углерода (например, качественной нержавеющей стали). Для этого металл продувают кислоро- дом с добавкой инертного газа, в результате чего снижается парциальное давление СО и облегчается процесс газоотделения; Рис. 4.2. Совмещение камеры вакуумирования с промежуточным ковшом МНЛЗ: 1 - раскисление, микролегирование порошко- вой проволокой; 2 - раскисление, легирование; 3 - вакуумирование в потоке; 4 - контроль температуры, окисленности металла; 5 - подо- грев металла плазматроном; 6 - шиберный за- твор; 7 - продувка металла инертным газом 76 г) снижения температуры металла за счёт нагрева инертного газа при контакте со сталью. Это позволяет регулировать до определенного уровня температуру металла в ковше. Вероятность чрезмерного охлаждения стали во время продувки только инертным газом ограничивает длительность продувки. Желательно, чтобы ковши со сталью, помещаемые на стенд для продувки инертным газом или помещаемые в вакууматор, имели подвод энергии. Для этой цели подводится теплота, генерируемая электрическими источниками (индуктор, плазматрон, электрическая дуга) или химическими реакциями при продувке металла кислородом. В обогреваемых ковшах ме- талл можно выдержать длительное время (до 2 часов) и обеспечить высо- кую степень очистки от примесей. В качестве инертного газа чаще всего используется аргон. Его главное преимущество в том, что он практически не растворяется в стали, в отли- чие, например, от азота. Хотя аргон, конечно, гораздо дороже азота. Пример конструкции ковша с продувкой инертным газом (аргоном) в смеси с кислородом представлен на рис. 4.3. Данный ковш предназначен для получения стали с особо низ- ким содержанием углерода. По внешнему виду ковш похож на конвертер из-за наличия верхней надставки, предназначенной для уменьшения выбросов. Принцип работы установки следующий. Ковш с жидкой ста- лью, заполненный примерно на- половину (без учёта надставки), устанавливается на стенд. Для вдувания кислорода и инертного газа используются дутьевые уст- ройства, через которые газ подво- дится к нижней части стенки ковша. В стенке вставлены труб- ки – фурмы. Фурма для подачи дутья состоит из двух концентрических труб. По внутренней трубе подают смесь аргона с кислородом, а по кольце- вому зазору – аргон, служащий защитным газом. Соотношение расходов О 2 и Ar изменяют по ходу продувки, добиваясь максимального окисления уг- лерода. Соотношение меняется от О 2 :Ar = 3:1 в начале до 1:3 в конце про- дувки. После окончания обезуглероживающей продувки ковш продувают чистым аргоном для снижения концентрации кислорода и восстановления окисленных кислородом легирующих составляющих (Cr и др.). В процессе продувки ковш может наклоняться. При продувке вблизи фурм образуются газовые полости, форма которых зависит от расхода газа, его температуры, Рис. 4.3. Ковш (конвертер) для аргоно-кислородной продувки жидкой стали: 1, 2 - фурмы для подачи смеси; 3 - ванна ме- талла; 4 - надставка; 5 - футеровка ковша 77 ферростатического давления. Эти полости пульсируют и могут распадаться на группы пузырьков небольших размеров. В пузырьки выделяются H 2 , N 2 и СО, получаемый при окислении углерода кислородом дутья. Интенсификации процесса способствуют малые расстояния между пу- зырьками, большое время пребывания пузырьков в расплаве, высокая ско- рость диффузии удаляемых газов, большая поверхность раздела газовой и жидкой фаз, высокий градиент концентраций удаляемых газов между ме- таллом и пузырьком. Мелкие пузырьки всплывают медленнее и поэтому дольше находятся в металле. Процедура послепродувочного ввода раскислителей и легирующих добавок та же, что и в вакууматорах: сначала раскислители (ферромарга- нец, ферросилиций и т.п.), а далее легирующие добавки (Cr, W, Ti и т.п.). Потери среднемассовой температуры при продувке стали только арго- ном в большегрузных ковшах составляют от 1 до 3,5 град/мин и в целом, при отсутствии обогрева снижение температуры за время продувки (10-15 мин.) составляет не менее 10-20 °С. Подача кислорода без аргона приводит к повышению температуры стали на 2 ÷5 град/мин за счёт окис- ления углерода, марганца и кремния. Преимущества обработки металла в ковше при продувке инертным га- зом: 1. простота и дешевизна; 2. высокая эффективность в сочетании с кислородом при глубоком обез- углероживании стали. Недостатки обработки стали в ковше при продувке инертным газом: 1. быстрое снижение температуры металла при вдувании холодного арго- на, что ограничивает время процесса очистки или требует ввода допол- нительной энергии для компенсации потерь теплоты; 2. сравнительно высокая стоимость аргона. В виде предложений по совершенствованию технологий продувки инертным газом может быть следующее: 1. замена части аргона более дешёвыми газами (азотом или даже паром) при производстве стали простых марок. При этом сталь насыщается азотом и водородом. Они удаляются короткой продувкой аргоном; 2. подвод энергии к ковшу для продления процесса продувки; 3. использование теплоты отработанного газа для подогрева газа, вдувае- мого в ковш. 4.3. Установка для обработки стали жидкими шлаками Перемешивание металла со специально подготовленным (синтетиче- ским) жидким шлаком позволяет ускорить процесс перехода в шлак вред- ных примесей (сера, фосфор, кислород). Скорость процесса пропорцио- 78 нальна площади контакта шлаковой и металлической фаз. Обычно сталь обрабатывают шлаком для удаления серы: в этом случае основу шлака со- ставляет известь (СаО) – 85-90 % и плавиковый шпат (CaF 2 ) – 10-15 %. Плавиковый шпат добавляется для разжижения шлака. Для снижения тем- пературы плавления вводят Al 2 O 3 или другие добавки. Допустимо содер- жание SiO 2 – до 10 %, MgO – до 5 % и FeO – до 1 %. Наличие в шлаке фос- фора исключается, т.к. фосфор переходит в металл. Шлак перед подачей в ковш должен быть предварительно расплавлен, что требует большого ко- личества энергии на производство одной тонны шлака. Для производства синтетических шлаков применяют три типа печей: 1. электродуговую стационарную печь; 2. циклонную плавильную печь; 3. печь для расплавления самоплавких синтетических шлаков. Пример установки для обработки стали в ковше с помощью синтети- ческого шлака приведён на рис. 4.4. Принцип работы установки следующий: шлак с высоким содержанием СаО и Al 2 O 3 расплавляют в специальной электродуговой печи и выдают в промежуточный ковш. Этот ковш со шлаком передаётся к сталеплавильной печи и во время выпуска стали шлак и сталь выливаются в сталеразливоч- ный ковш. Масса шлака составляет примерно 3-6 % от массы стали. При этом происходит интенсивное перемешивание стали и шлака со взаимным внедрением фаз друг в друга в виде эмульсии. Площадь контакта металла и шлака составляет 100-300 м 2 /м 3 . Далее с течением времени происходит раз- деление фаз и шлак мо- жет быть отделён. Если печь для плав- ки синтетического шлака находится в непосредст- венной близости от ста- леплавильной печи, то промежуточный ковш не нужен: синтетический шлак выливается в стале- разливочный ковш, далее этот ковш перемещается к сталеплавильной печи и в него (на шлак) вылива- ется сталь. В процессе переме- шивания сера жидкой стали взаимодействует с СаО шлака и переходит в Рис. 4.4. Схема совмещённого процесса раскисления, легирования и рафинирования стали: а - выпуск синтетического шлака; б - выпуск жидкой ста- ли и слив жидкой лигатуры (ферросплава) и синтетиче- ского шлака; 1 - электродуговая печь для плавки шлака и, возможно, раскислителей (ферросплавов); 2 - сталеплавильная печь; 3 - сталеразливочный ковш для обработки стали синтети- ческим шлаком; 4 - промежуточный ковш 79 шлак. Таким образом, при использовании синтетического шлака обеспечи- вается глубокая десульфурация стали. В шлак переходит также некоторое количество окислов, которые хорошо смачиваются шлаком или взаимодей- ствуют с ним. Качество обработки шлаком зависит от высоты падения струи метал- ла, массы металла и шлака, температуры, вязкости, состава шлака и неко- торых других факторов. Должно быть исключено попадание в ковш шлака из сталеплавильной печи из-за содержащихся в нём закиси железа (FeO) и фосфора, что на практике осуществить очень трудно: отсечка шлака от ме- талла весьма сложна. Раскислители, типа ферромарганца, ферросилиция и феррохрома, ста- раются вводить во время падения струи металла в ковш. Алюминий вводят вглубь ковша на штангах после окончания выпуска плавки. Преимущества обработки стали жидким шлаком: 1. удаление из стали серы (степень десульфурации составляет 30-50 %) и неметаллических включений; 2. получение стандартных показателей качества металла (до известных пределов, т.е. S до 0,01-0,015 %) от плавки к плавке невзирая на коле- бания состава и свойств стали; 3. быстротечность процесса. Недостатки обработки стали жидким шлаком: 1. наличие печного участка для подготовки (плавки) шлака; 2. необходимость расходования энергии для плавки шлака; 3. требуется добавка раскислителей (ферромарганец, алюминий и т.п.) невзирая на высокую восстановительную способность шлака. Расход электроэнергии на производство 1 тонны шлака в электродуго- вой печи составляет примерно 500 кВт ⋅ч/т или 60 кг у.т./т. Предложения по совершенствованию обработки металла шлаком: 1. регенерация отработанного синтетического шлака. Заключается в уда- лении серы, перешедшей из жидкой стали в шлак. Сера удаляется в ви- де окислов при продувке шлакового расплава кислородом или газооб- разными продуктами горения (СО 2 , Н 2 О); 2. использование теплоты отработанного шлака для подогрева шлакооб- разующей шихты, для подогрева ковшей перед разливкой и т.д.; 3. использование двух ковшей для взаимного перелива металла и шлака или другого способа для продолжения во времени турбулентных тече- ний смеси; 4. сочетание обработки жидкой стали синтетическим шлаком с другими способами: вакуумирование и продувка инертным газом. Это обеспе- чивает резкое увеличение контакта "металл–шлак". 80 4.4. Дуговая ковшовая печь (ковш-печь) В данном разделе рассмотрен способ компенсации тепловых потерь от жидкой стали при внепечной обработке с помощью электрической дуги. Этот способ позволяет создавать установки, в которых могут быть реализо- ваны комбинированные (комплексные) методы внепечной обработки: ва- куумирование, обработка аргоном, синтетическим шлаком и др. На таких установках можно стабильно получить сталь с уникальными свойствами: с низким содержанием углерода, серы, фосфора, неметаллических включе- ний, водорода, азота. Кроме того, такие установки своим существованием снижают тепловую нагрузку и повышают производительность сталепла- вильных печей, повышают стойкость огнеупорной кладки сталеплавильных печей. В самих установках стабилизируется температура стали, повышает- ся вероятность попадания в заданный химический состав и снижается рас- ход дорогостоящих легирующих элементов. Пример установки внепечной обработки с электродуговым подогре- вом стали показан на рис. 4.5. Здесь реализован LF-процесс, разработанный в Японии. От названия этого процесса появился целый класс установок, на- зываемых "ковш-печь", реализующих разновидности LF-процесса. В лите- ратуре встречается и другое название этих установок: дуговые ковшовые печи. В дальнейшем изложении этого раздела будем придерживаться по- следнего названия. Центральная часть печей – собственно ковш – называется тигель-ковш. Не менее распространенным является и аб- бревиатурное название установок "ковш-печь": АКОС – агрегат ком- плексной обработки стали. Емкость ковшовых печей от 30 до 150 т. Они могут устанавли- ваться после любой сталеплавиль- ной печи, в том числе мартенов- ской печи и конвертера. Принцип работы ковшовой печи, изображенной на рис. 4.5, следующий. В предварительно ра- зогретый тигель-ковш заливают металл из сталеразливочного ков- ша. При переливе стали как можно тщательнее отделяется шлак, обра- зовавшийся в сталеплавильной пе- чи и имеющий повышенное содер- жание фосфора (лучше, если в ста- Рис. 4.5. Схема дуговой ковшовой печи ("ковш-печь"): 1 - тигель-ковш; 2 - свод; 3 - графитовые электроды; 4 - подача инертного газа; 5 - технологическое отверстие; 6 - син- тетический шлак; 7 - пористая пробка; 8 - шиберный затвор для выпуска стали 81 леплавильной печи не прошла стадия раскисления во избежание обратного перехода фосфора из шлака в сталь). Далее в тигель-ковш вводят ферро- сплавы, требуемые для доводки стали до нужного химсостава, и вводят шлакообразующие. После этого тигель-ковш помещают под водоохлаж- даемый свод, через отверстие в котором проходят три графитированных электрода (подробнее об электродах на с. 15), и опускают свод на упоры тигель-ковша. Во время простоев свод может поворачиваться в сторону при помощи гидропривода. Электроды опускаются ниже верхнего уровня шла- ка для экранирования футеровки от излучения дуг и начинается дуговой нагрев. Скорость нагрева стали в ковшовых печах в зависимости от техно- логии обработки металла обычно составляет 3-5 °С/мин. Желательный уро- вень температуры металла, поддерживаемой в тигель-ковше, составляет 1600-1670 °С. Для исключения попадания в рабочее пространство кислоро- да и поддержания восстановительной атмосферы под свод дополнительно вводят инертный газ. Одновременно с нагревом или немного раньше начи- нают продувку металла аргоном через пористую пробку в днище тигель- ковша. Благодаря этому образующийся основной шлак интенсивно пере- мешивается с металлом, ускоряя процессы раскисления стали и удаления серы. Через технологическое отверстие в своде проводятся замеры темпе- ратуры, отбор проб, наблюдение за ходом процесса и добавка легирующих для точной доводки химического состава стали. Полная длительность об- работки стали в этой ковшовой печи 60-90 минут, из них в течение 10- 30 минут циклически может происходить дуговой нагрев. После окончания каждого цикла нагрева электроды поднимаются. После окончания рафини- рующих операций сталь из тигель-ковша через шиберный затвор выливает- ся в обычный сталеразливочный ковш, из которого уже поступает на МНЛЗ или на разливку в слитки. В результате обработки не только обеспечивает- ся получение заданного химсостава и температуры стали, но и происходит улучшение основных показателей, в частности, содержание серы снижается с 0,004-0,01 % до 0,001-0,002 %, кислорода – с 0,01-0,03 % до 0,001- 0,003 %. Футеровка ковшовой печи: свод – из плавленых высокоглиноземистых (85 % Al 2 O 3 ) огнеупоров, стенки тигель-ковша – из высокоглинозёмистого (85 % Al 2 O 3 ) или магнезитохромитового огнеупора, шлаковый пояс – из магнезитового или графито-магнезитового огнеупора и днище тигель- ковша – из высокоглинозёмистого или цирконо-кремнеземистого огнеупо- ра. Над ковшовой печью располагается камин (зонт) для улавливания га- зов и пыли, выбивающихся через щели и отверстия свода, и отвода их на газоочистку. Удельный расход условного топлива в ковшовой печи составляет до 8- 12 кг у.т./т металла. 82 Для сокращения расхода энергии и повышения качества обработки стали можно предложить следующее: 1. использование теплоты отработанного шлака для подогрева шлакооб- разующей шихты, для подогрева ковшей перед разливкой и т.д.; 2. вдувание порошкообразных материалов в струе аргона через отдель- ную фурму для ускорения раскисления стали и удаления серы. За счет сокращения времени обработки снижается и расход энергии; 3. установку перемешивающего индуктора с целью интенсивного пере- мешивания шлака с металлом и на этой основе сокращение времени обработки; 4. оснащение ковшовой печи двумя сводами: один обычный – с электро- дами, а другой – герметичный, подключенный к вакуумной системе с давлением менее 100 Па. Своды устанавливаются на тигель-ковш по- переменно. Это позволит получить сталь, которая может использовать- ся для ответственных работ, вплоть до применения на атомных реакто- рах; 5. размещение всего ковша в герметичной камере и проведение процесса вакуумирования одновременно с дуговым нагревом. |