Теория и технология производства стали 1. Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act

• Название: Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act
• Анкор: Теория и технология производства стали 1.doc
• Дата: 22.04.2017
• Размер: 7.23 Mb.
• Имя файла: Теория и технология производства стали 1.doc
• Тип: Учебник; #5208
• страница: 44 из 88

16.10.ДВУХВАННЫЕ ПЕЧИ
Широкое развитие кислородно-кон­вертерного производства показало возможность интенсивной переработ­ки больших масс чугуна при его про­дувке кислородом и одновременной переработке некоторого количества металлического лома.

Конструкторы двухванных печей предложили помимо интенсивной продувки ванны кислородом утилизи­ровать непосредственно в рабочем пространстве хотя бы часть тепла вы­деляющихся газов для нагрева шихты.

При этом используется как физичес­кое тепло отходящих газов, так и теп­ло, выделяющееся при окислении СО до СО₂.

Двухванные печи представляют собой плавильные агрегаты с двумя ваннами, двумя головками, двумя вертикальными каналами, двумя шлаковиками и системой боровов и перекидных клапанов. Принцип ра­боты двухванной печи заключается в том, что в то время как в одной ван­не идет продувка металла кислоро­дом, в другой твердая шихта (метал­лолом, добавочные материалы) по­догревается за счет тепла отходящих от первой ванны газов (рис. 16.12). Поскольку плавки в такой печи вы­даются одна за другой, печи эти иногда называют тандем-печами, а процесс — тандем-процессом. Про­изводительность печи при таком ме­тоде работы возрастает.

Расчет показывает, что при продув­ке кислородом обычного передельно­го чугуна приход тепла на 1 т чугуна составляет 3150МДж. Это количе­ство тепла складывается из трех при­мерно равных слагаемых: 1) физичес­кого тепла жидкого чугуна; 2) тепла, выделяющегося при окислении при­месей чугуна; 3) тепла сгорания СО до СО₂.

Статьи расхода тепла в двухванной печи распределяются следующим об-



Рис. 16.12. Схема двухванной сталеплавильной печи:

/ — первая ванна; 2— вторая ванна; 3 — кислородные фурмы; 4 — топливно-кислородные горелки
разом: 50 % — тепло жидкой стали и шлака (энтальпия ванны); 10 % — тепло отходящих газов (в основном СО₂); остальные 40 % — тепло, расхо­дуемое на компенсацию потерь тепла через кладку с охлаждающей отдель­ные элементы печи водой и на перера­ботку лома или железной руды (избы­ток тепла).

Количество переработанного лома (или железной руды) определяется на основе теплового баланса. При содер­жании в шихте более 65—68 % жидкого чугуна двухванные печи могут рабо­тать без расхода топлива. Если же по условиям производства в печь загру­жается лома больше, чем соответству­ет тепловому балансу, то недостаток тепла компенсируется подачей топли­ва. Естественно, что тепловой баланс зависит также от состава чугуна, глав­ным образом от содержания в нем кремния. Топливо в двухванные печи подается с помощью топливно-кисло-родных горелок, установленных в сво­де и торцах печи.

Поскольку на двухванных печах ре­генераторов нет, то нет и необходимо­сти сохранять тепло газов, попадаю­щих из печи в шлаковик. Для сниже­ния температуры отходящих газов в шлаковики впрыскивается вода, и это, в свою очередь, приводит к получе­нию в шлаковика-х рыхлого шлака, удаляемого легко, без взрывов и нару­шения кладки.

Технология плавки в двухванной печи принципиально не отличается от технологии плавки в мартеновс­кой печи, работающей с интенсив­ной продувкой ванны кислородом, однако имеется некоторое различие. В момент окончания заливки чугу­на, когда начинается интенсивная продувка ванны сверху кислородом, технология плавки имеет сходство с технологией плавки в конвертере. В момент начала продувки ванны в шлаке наблюдается высокое содер­жание оксидов железа (30-40 %, а на некоторых плавках оно еще выше). В период интенсивного обез­углероживания содержание оксидов железа в шлаке несколько снижает­ся, однако в конце плавки, при по­нижении концентрации углерода, содержание оксидов железа вновь возрастает.

Основное количество тепла в ванне печи выделяется в результате окисле­ния железа и его примесей, а относи­тельная величина теплоотдающей по­верхности в двухванной печи выше, чем в конвертере, поэтому температу­ра в рабочем пространстве ниже, чем в мартеновских печах (в периоды плав­ления и доводки) и в конвертерах. Температура шлака в двухванной печи, как правило, не превышает тем­пературы металла, а на отдельных плавках даже ниже. Вследствие более низкой температуры шлака наведение активного жидкоподвижного высоко­основного шлака затрудняется, поэто­му предпочитают по ходу плавки не вводить значительных порций извес­ти, а для полного ошлакования извес­ти или известняка, загруженных во время завалки, практикуют метод подъема одной или двух фурм. При этом начинает интенсивно окисляться железо (так же, как в начальный пери­од конвертерной плавки); в результате повышения температуры шлака и его окисленности быстро формируется достаточно жидкоподвижный и гомо­генный шлак.

Достоинствами двухванных печей являются: 1) высокая производи­тельность (по сравнению с марте­новскими печами); 2) возможность размещения печей в условиях суще­ствующих мартеновских цехов. Эти достоинства определили некоторое распространение (в период нехватки стали) печей такого типа для замены мартеновских агрегатов. Накоплен­ный опыт выявил и ряд серьезных •' недостатков, а именно: большие под­сосы холодного воздуха, увеличен­ный расход кислорода, повышенный угар металла, значительный вынос плавильной пыли, серьезные пробле­мы в организации безопасной рабо­ты персонала по причине интенсив­ного выделения пыли из рабочего пространства печи непосредственно в цех и др.

Эти недостатки предопределили постепенный отказ производственни­ков от использования сталеплавиль­ных агрегатов этого типа.

17. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В ЭЛЕКТРОПЕЧАХ
17.1. ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
Производство стали в электропечах от­носится к области техники, именуемой общим понятием «электрометаллур­гия». По сути электрометаллургия ох­ватывает все промышленные способы получения металлов и сплавов с помо­щью электрического тока (в сталепла­вильных электропечах, в руднотерми-ческих печах, в агрегатах электрохими­ческих производств и др.). Чаще всего под словом «электрометаллургия» по­нимают отрасль техники, в которой стали и сплавы получают с использова­нием электрической энергии как ис­точника тепла, а с понятием «электро­печь» связывают соответствующий аг­регат для получения стали и сплавов.

Принятая классификация пла­вильных электрических печей (или просто электропечей) основана на главном признаке — способе превра­щения электрической энергии в теп­ловую. В соответствии с этим электро­печи для плавки металлов можно раз­делить на несколько групп.

17.1.1. Печи сопротивления. В соот­ветствии с известными законами фи­зики при прохождении тока по про­воднику в нем выделяется тепло (ко­личество которого зависит от силы тока и электросопротивления). В ка­честве элемента сопротивления может использоваться сам металл (прямой нагрев) или другой материал (косвен­ный нагрев). Печи такого типа рас­смотрены в гл. 22 (переплавные про­цессы: дуговой переплав, электрошла­ковый переплав).

17.1.2. Дуговые сталеплавильные печи (ДСП). В данных печах преобра­зование электрической энергии в теп­ловую происходит в электрической дуге и выделяемое при этом тепло пе­редается металлу либо с помощью из­лучения (косвенное действие, дуга го­рит между электродами), либо непос­редственно за счет теплопроводности (прямой нагрев, дуга горит между электродом и металлом).

17.1.3. Индукционные сталеплавиль­ные печи. Металл в таких печах нагрева­ется токами, возбуждаемыми в нем пере­менным магнитным полем индуктора.

17.1.4. Плазменные печи. В плаз­менных печах источником тепла слу­жит плазма, получаемая с помощью плазмотронов. Подовые плазменно-дуговые печи (ПДП) по конструкции схожи с обычной ДСП. В ПДП като­дом дугового разряда постоянного тока служат катоды плазмотронов, анодом — обрабатываемый металл. Дуга в ПДП обдувается потоком инер­тного газа (обычно аргона).

Плазменные высокочастотные печи (ПВП) применяют обычно для выращивания монокристаллов и пере­работки чистых веществ.

17.1.5. Электронно-лучевые печи (установки). Преобразование элект­рической энергии в тепловую в дан­ных установках происходит непос­редственно в расплавленном металле как результат соударения с ним элек­тронов, вылетающих из электронной пушки. Переплавляемый металл по­дается в печь в виде расходуемого электрода, слитка, порошка и т.д.; расплавленный металл стекает капля­ми либо в водоохлаждаемый кристал­лизатор — изложницу, либо в тигель. Плавка, происходящая при высокой температуре и глубоком вакууме, ис­пользуется для получения особо чис­тых тугоплавких металлов и сплавов, слитков из стали и сплавов для дета­лей особо ответственного назначения и т. п.

В гл. 22 рассмотрены методы пере­плава в электрошлаковых, дуговых, плазменных и электронно-лучевых пе­чах. Это особая подотрасль металлур­гии, часто называемая «спецэлектро­металлургией». В агрегатах данного типа производится сравнительно не­большое количество металла специ­ального назначения. Возможно, в бу­дущем эти агрегаты, в частности плаз­менные установки, найдут более ши­рокое применение; пока же основная масса электростали, производимой в мире, выплавляется в дуговых печах и под словом «электросталь» понимает­ся именно сталь, выплавленная в дуго­вой сталеплавильной печи (ДСП)¹. Некоторое количество стали и спла­вов выплавляется в индукционных печах.
'В зарубежной технической литературе EAF (от англ. Electric-Arc-Furnace).
17.2. ДУГОВЫЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ
Принято считать, что прототипом со­временных ДСП является изобретен­ная в 1899г. во Франции инженером П. Эру (P. Heroult) печь прямого дей­ствия с двумя электродами, подводи­мыми к металлической ванне. Ток между электродами замыкался через ванну, а дуга горела между каждым из электродов и ванной. Первые ДСП типа «печи Эру» были построены в Германии в 1905 г. (емкостью 500 и 1500кг), в США в 1906г. (емкостью 3 т). В России первая ДСП такого типа была установлена в 1910 г. на Обухове -ком заводе (емкостью 3,5 т).

На начальном этапе развития ДСП были однофазные. Дальнейшее их со­вершенствование показало преимуще­ство печей трехфазных, питаемых пе­ременным током.

Летом 1916г. по проекту инж. Бе­ляева в 58 км от Москвы началось строительство специального электро­металлургического завода. Завод был пущен в 1917г. Ныне это известный завод «Электросталь» в одноименном городе, получившем свое название в 1938 г. Позже крупные электростале­плавильные цехи были построены на Златоустовском и Верх-Исетском за­водах.

В конце 20-х годов в мире уже око­ло 1 % всей выплавляемой стали про­изводилось в дуговых печах.

Конструкции печей и технология выплавки стали в них со временем ме­нялись. Условно в развитии электро­сталеплавильного производства мож­но выделить несколько этапов.

Первый этап — этап становления приходится на первые десятилетия XX в.; вначале небольшие (0,5; 1,5т) печи, поиски оптимальных конструк­тивных решений. Задача — строитель­ство печей емкостью несколько тонн. Оптимальной оказалась конструкция, показанная на рис. 17.1.

Второй этап — 20—40-е годы — этап строительства большого числа


Рис. 17.1. Поперечный разрез ДСП:

1 — электроды; 2 — дуга; 3, 5—шлак; 4— свод; 6— окно; 7— выпуск стали; 8— на разливку

печей на машиностроительных и ме­таллургических заводах, создание и освоение методов ведения плавки, ставших традиционными. Садка печей постепенно увеличилась до 30—50т. Технические вузы начали подготовку и выпуск инженеров-металлургов спе­циально для работы в электростале­плавильном производстве. Появился и получил распространение термин «электропечной сортамент стали», от­носящийся к маркам высококаче­ственных и высоколегированных ста­лей, которые желательно выплавлять именно в электропечах. Основное производство быстрорежущих, инст­рументальных, нержавеющих, транс­форматорных, жаропрочных, подшип­никовых сталей базировалось на ис­пользовании дуговых сталеплавиль­ных печей (подшипниковые стали выплавляли также в кислых мартенов­ских печах).

В 1925-1926 гг. производство элек­тропечей отечественной конструкции начато на харьковском заводе «Элек­тросила», а затем на московском пред­приятии «Электрозавод». В 1935 г. производство электропечей было пе­реведено из Москвы на уральский за­вод «Уралэлектромашина». На рис. 17.2 приведена типовая трехфазная ДСП тех лет. В 1940 г. были выпущены первые отечественные ДСП емкостью 30т.

В тот же период сформировались основные принципы ведения плавки в ДСП, позволявшие в самой печи к концу операции получать сталь нуж-



Рис. 17.2. Трехфазная ДСП:

/ — кожух; 2—съемный свод; 3— сводовое кольцо; 4— загрузочное окно; 5—сливной носок; 6— электрод; 7—электрододержатель; 9— стойки; 10— механизм подъема; 11— охладитель; 12— механизм наклона; 13— гибкий кабель; 14 — токоведущая шина или труба; 15 — верхнее крепление стоек



Рис. 17.3. Печь ДСП-200:

/ — фундамент; 2 — фундаментная балка; 3 — слив­ной желоб; 4— полупортал; 5—телескопическая стойка; 6— электрод; 7—свод; 8— корпус печи; 9— рабочее окно; 10 — люлька; // — привод меха­низма наклона
ного состава и нужного качества. В пе­чах сравнительно небольшого объема можно было проводить так называе­мый «восстановительный период» — выдержку металла под раскисленным шлаком при наличии восстановитель­ной (или нейтральной) атмосферы в рабочем пространстве печи.

Основные показатели работы ДСП этого периода:

Емкость печи, т	Расход энергии, Продолжи-кВт • ч/т стали тельность плавки, ч
10	725	5,5
30	600	6,25

Начало третьего этапа развития электросталеплавильного производ­ства относится к 50-м годам. Этап ха­рактеризуется увеличением емкости печей, повышением мощности транс­форматоров и применением кислоро­да для интенсификации работы печей. Изготовленные Новосибирским заво­дом электротермического оборудова­ния 80-т ДСП вводятся в эксплуатацию на Новолипецком металлургичес­ком комбинате, 100-т печи — на Челя­бинском металлургическом комбина­те; вступают в строй электросталепла­вильные цехи на Кузнецком, Черепо­вецком, Оскольском комбинатах. В 1971 г. на заводе «Красный Октябрь» в Волгограде начинает работать 200-т ДСП (рис. 17.3). Дуговые печи емкос­тью более 100т строятся во всех про-мышленно развитых странах; емкость печей достигает 300 т и больше.

17.2.1. Конструкции крупных ДСП. Принципиальная модель конструкции крупных печей (рис. 17.4) на данном этапе мало отличается от конструкции 10—30-т печей. Совершенствуются ме­тоды загрузки шихты. Все крупные печи работают с загрузкой шихты сверху (рис. 17.5), разрабатываются различные схемы конструкций печей, обеспечивающие такую загрузку (рис. 17.6). В 60-е годы основные показате­ли работы 100-т ДСП (с применением кислорода) равны: производитель­ность (электропечной сортамент) 150 тыс. т/год, продолжительность плавки 5,5ч (в том числе заправка и завалка 35 мин, расплавление 2 ч 20 мин, окисление и доводка 2 ч 35 мин); расход на 1 т стали: электро­энергии 525кВт-ч, кислорода 15м³, электродов 6 кг.

Крупные ДСП оборудуются мощ­ными пылегазоотсасывающими уст­ройствами, при работе которых имеет место подсос воздуха в рабочее про­странство печи; атмосфера печи в та­ких условиях имеет окислительный характер. Создать восстановительную атмосферу в рабочем пространстве печи и получать низкое содержание оксидов железа в шлаке в этом случае трудно даже при интенсивной обра­ботке раскислителями (большая глу­бина ванны, уменьшение величины удельной поверхности раздела шлак-металла, подсос воздуха и интенсив­ный газообмен в печи). Получение глубокораскисленного металла с низ­ким содержанием серы также затруд­нено, всё это сопряжено с определен­ными трудностями производства вы­сококачественных сталей электропеч­ного сортамента.

В какой-то мере эти недостатки ус­траняются при интенсивном раскис-



Рис. 17.4. Общий вид ДСП емкостью 100т:

/ _ гидроцилиндры наклона печей; 2 — фундаментные балки; 3 — секторы люльки печи; 4 — прямоугольные балки люльки печи; 5 — стационарные опоры ванны печи; 6— кожух печи; 7— гидропривод подъема заслон­ки рабочего окна; 8— подвод воды к водоохлаждаемым панелям; 9— заслонка рабочего окна; 10— водоох-лаждаемый свод; // — полупортал; 12 — газокислородные горелки; 13 — электродержатели; 14— электроды; 15— пружинно-гидравлический зажим электродов; 16— токоведущие медные трубки; 17— трубчатые теле­скопические стойки; 18— гибкая часть токоподвода; /9-траверса шахты; 20-тумбы; 21 - несущая травер­са- 22— стойки; 23— конический хвостовик; 24- каретка; 25- направляющие ролики; 26— платформа по­ворота свода; 27- центральная опора; 28- кольцевые рельсы; 29- многократная опорная система; .30 - ­кронштейн; 31 — гидроцилиндр поворота свода; 32 — гидроцилиндр перемещения каретки 24 вверх; 33 — привалочные плоскости каретки; 34— кронштейн траверсы; 35— стопор