Электротермические процессы и установки. Учебное пособие по теоретическому курсу. Учебное пособие по теоретическому курсу Под ред. В. Н. Тимофеева, Е. А. Головенко, Е. В
 Скачать 7.73 Mb.
|
|
4.1.6 Особенности окислительного периода плавки и доводки Высокая мощность печного трансформатора позволяет быстрее нагреть металл в окислительный период плавки; дефосфорация стали при плавке в сверхмощной печи может быть практически завершена уже в период плавления. В связи с этим главной особенностью окислительного периода плавки является его малая продолжительность (обычно 15-30 мин) [5]. Все технологические задачи окислительного периода решаются намного быстрее, чем в обычной печи, и осуществляются одновременно. Для обеспечения высоких показателей работы сверхмощной печи необходимо уменьшить продолжительность пребывания жидкого металла в печи, что может быть достигнуто в результате быстрого нагрева металла в окислительный период плавки (>10°С/мин), быстрого окисления углерода газообразным кислородом и применения одношлакового процесса плавки. В 302 большинстве случаев сверхмощные печи работают одношлаковым процессом с доводкой под окислительным шпаком. Задачей восстановительного периода является получение готовой стали с низким содержанием оксидных и сульфидных включений. В связи с отсутствием восстановительного периода в сверхмощной печи десульфурация металла должна проходить в окислительных условиях в конце плавления и главным образом в окислительный период плавки. Окислительные условия и малая продолжительность пребывания жидкого металла в печи существенно затрудняют проведение десульфурации металла. Благодаря интенсивному кипению ванны увеличивается поверхность контакта металл-шлак и создаются благоприятные кинетические условия для осуществления десульфурации металла. Возможность быстрого нагрева ванны и высокая окисленность печного шлака позволяют при необходимости быстро повышать основность шлака окислительного периода (CaO)/(SiO 2 ) до 3 - 3,5 и улучшают условия удаления серы из металла в шлак. Как достигаемые, так и равновесные значения коэффициента распределения серы между шлаком и металлом для окислительных условий сравнительно невелики и обычно не превышают 6-8, поэтому одношлаковый процесс плавки с доводкой под окисленным шлаком в печах с большой вместимостью обеспечивает удаление не более 35 - 50 % серы, имевшейся в металле после расплавления шихты. Это дает возможность получать в готовом металле 0,025-0,03% серы при работе на шихте среднего качества. Большая степень десульфурации металла (удаление 50-60% серы, имевшейся в металле после расплавления) может быть обеспечена более ранним и большим повышением основности или увеличением количества окисленного углерода , однако это приводит к увеличению длительности пребывания металла в печи и возрастанию общей длительности плавки. При работе на шихте с повышенным содержанием серы или необходимости получения в стали менее 0,020 % серы одношлаковый процесс плавки обычно сочетают с внепечной десульфурацией металла. Таким образом, все большее место в технологии получения стали приобретают различные методы внепечной обработки стали. 4.1.7 Внепечная обработка стали Важнейшим фактором, характеризующим повышение качественных характеристик металлопродукции является, во-первых, снижение концентрации вредных примесей и, во-вторых – обеспечение выплавки металла со все более узкими пределами колебаний химического состава. 303 Именно это в сочетании с методами точного регулирования макро- и микроструктуры металла обеспечивает повышение прочностных характеристик и пластических свойств и дает возможность уменьшить расход металла в целом [2]. При сравнительно неизменных общих объемах производства стали в мире (700-750 млн т/год) качественная характеристика производимого металла непрерывно растет. Одновременно с этим наблюдается неуклонный рост масштабов непрерывной разливки, которая предъявляет особо высокие требования к качеству жидкой стали. Практически вся сталь, разливаемая непрерывным способом, подвергается внепечной обработке. Таким образом, за последние 25-30 лет внепечная обработка перестала быть экзотическим дополнением к технологической цепочке при производстве особо ответственной или дорогостоящей марки стали. Внепечная обработка стала непременным элементом технологии, и во многих случаях технология плавки в первичном агрегате подстраивается под возможности внепечной обработки (использование менее чистых шихтовых материалов, исключение отдельных металлургических периодов плавки и т.п.). Основная цель внепечной обработки или вторичной металлургии – это более быстрое и эффективное осуществление ряда технологических 304 операций по сравнению с обычными сталеплавильными агрегатами. К числу таких задач относятся: 1) выравнивание температуры металла; 2) выравнивание химического состава металла; 3) легирование и точное доведение химического состава до заданного 4) окончательное раскисление; 5) удаление неметаллических включений; 6) десульфурация металла; 7) дегазация (удаление азота и водорода); 8) снижение содержания нежелательных примесей цветных металлов; 9) регулирование температуры металла; 10) глубокое обезуглероживание. Быстрое распространение внепечной обработки в широких масштабах определяется следующим: 1) обычная двухшлаковая технология в электропечи может быть заменена одношлаковым процессом без скачивания шлака; при этом сокращается время плавки, снижается расход электроэнергии, трудовые затраты и т.д. 2) упрощается технология конвертерной и мартеновской плавки, а также контроль за ее ходом; 3) получил распространение метод непрерывной разливки стали, который требует точного регулирования температуры и химического состава металла (должны быть стандартными от плавки к плавке), а также стандартно высокого качества; 4) непрерывно растут масштабы производства таких марок стали ответственного назначения, которые вообще трудно получить при обычных технологиях; 5) возросли масштабы производства нержавеющей стали и других сталей и сплавов с особо низким содержанием углерода; 6) возможно получать в мартеновских и конвертерных цехах сталь электропечного сортамента; 7) процессы внепечной обработки позволяют коренным образом изменить структуру и тип потребляемых ферросплавов и раскислителей в сторону существенного снижения требований к их качеству и соответственно их удешевления. 8) Основными технологическими приемами вторичной металлургии являются: • обработка металла вакуумом; 305 • продувка металла инертными газами; • перемешивание металла со специально приготовленными шлаками или лигатурой; • продувка порошкообразными материалами; • использование нескольких технологических приемов одновременно. 4.1.8 Способы вакуумирования В результате обработки металла вакуумом • уменьшается содержание растворенного в металле кислорода; • уменьшается содержание растворенных в металле водорода и азота; • уменьшается содержание неметаллических включений; • происходит перемешивание, то есть достигается химическая и температурная однородность; • испаряются примеси цветных металлов (цинк, олово, свинец, сурьма и др.). Самый простой – в ковше в вакуум-камере или в вакуумном ковше (ковшевое вакуумирование)(рис. 4.2). Недостаток – невысокая эффективность при относительно больших массах металла (>50 тонн) и неравномерность состава металла после ввода раскислителей или легирующих из-за слабого перемешивания всей массы металла. Положение улучшается при продувке инертным газом или электромагнитном перемешивании. При продувке происходят потери тепла с газами. Вакуумирование при переливе из ковша в ковш (рис. 4.3); так как при этом обработке вакуумом подвергается струя металла, данный метод называется струйным вакуумированием. Для проведения этого процесса металл должен быть достаточно перегрет. 306 Порционное вакуумирование (рис. 4.4).Или способ DH по названию предприятия, внедрившего его (Dortmund-horder, ФРГ). Металл под действием ферростатического давления засасывается примерно на 1,5 метра в вакуумную камеру, которая периодически поднимается, но так, чтобы конец патрубка все время оставался погруженным в металл в ковше; металл из камеры сливается по патрубку в ковш, затем камера опускается, и в нее вакуум засасывает очередную порцию металла. К вакуум- ному насосу К вакуумно- му насосу Рис. 4.1 – Ковшевое вакуумирование Рис. 4.2 – Струйное вакуумирование Циркуляционное вакуумирование , или способ RH по названию внедрившего его предприятия (Ruhrstahl Heraeus, ФРГ) (рис. 4.5). Вакуумная камера имеет два патрубка, причем оба погружаются в металл. Порция металла засасывается в камеру. По одному из патрубков подают инертный газ, в результате чего металл по нему направляется вверх, в вакуум-камеру, по другому – стекает в ковш, циркулируя таким образом через установку. В России установка циркуляционного вакуумирования успешно работает на Ижевском металлургическом и других заводах. Практика показала, что удаление водорода идет наиболее интенсивно при давлении в вакууматоре ≤0,5 мм рт ст. Совершенные пароструйные насосы позволяют достичь разряжения до 0,1-0,3 мм рт ст. 307 Естественно, что для изготовления камер циркуляционного и порционного вакуумирования требуются высококачественные огнеупоры, особенно для изготовления патрубков. Характерные для вакуумирования повышенные температуры обработки, удлинение времени пребывания металла в ковше и интенсивное перемешивание сделали невозможным использование обычных шамотов. К вакуумно- му насосу К вакуумно- му насосу Ar Рис. 4.4. Порционное вакуумирование Рис. 4.5. Циркуляционное вакуумирование Футеровку необходимо выполнять из более стойких материалов – доломита и магнезита. На японских заводах достигли успехов в области совершенствования качества огнеупоров, что позволило повысить стойкость днища, средней и верхней части стен вакуумной камеры RH установки соответственно до 300, 1800 и 3000 плавок. При подогреве футеровок вакуумных камер DH и RH до 1500 оС тепловые потери при обработке плавок массой 50 тонн и более невелики, и падение температуры металла в процессе обработки не превышает 1 оС/мин. Потери тепла заметно сокращаются при увеличении емкости установок до 200 – 300 тонн и интенсивности обработки. Например, при обработке металла в 300 т ковше на установке DH при пяти циклах в минуту по 30 тонн металла, закачиваемого в камеру, интенсивность обработки достигает 150 т/мин. В Англии крупная RH установка обслуживает конвертер емкостью 300 тонн. Ее пропускная способность 15 тыс. тонн стали в неделю, интенсивность циркуляции металла 100 т/мин. Способы RH и DH обеспечивают примерно одинаковую степень удаления из стали водорода. При RH-способе имеется дополнительная возможность воздействия на процессы удаления примесей путем изменения 308 интенсивности подачи инертного газа. Это имеет большое значение при производстве особонизкоуглеродистого металла. Имеются результаты исследования влияния этого фактора при обработке низкоуглеродистой стали в 275 т ковше. Диаметры патрубков 450 мм. Рабочее давление 0,3 мм рт ст. Интенсивность циркуляции 90 т/мин. Интенсивность растет по мере повышения расхода газа до 1500 л/мин и при дальнейшем повышении не меняется. Обезуглероживание происходит на свободной поверхности металла в камере, на поверхности капель фонтанирующего металла в камере и на поверхности пузырьков газа во всасывающем патрубке. При повышении расхода газа интенсивность обезуглероживания заметно возрастает, при этом повышается доля углерода, окисляющегося на поверхностях капель фонтанирующего металла. При расходе газа 5000 л/мин через 13 мин содержание углерода снижалось до 0,001%. При этом в стали низколегированной содержалось в среднем на 1,82 см3/100г водорода меньше, чем при обычной технологии, а содержание азота в среднем на 0,0026% меньше. К вакуумно- му насосу Ar 309 В ряде зарубежных работ отмечалось, что одно только снижение расходов, связанных с необходимостью подогрева или замедленного охлаждения металла после горячей деформации с целью снижения содержания в нем водорода уже окупает расходы на вакуумную обработку. При дегазации способы RH и DH равнозначны, но для получения стали с особо низким содержанием углерода метод RH представляет больше возможностей. Разработан технологический процесс, в котором для циркуляции металла используется кислород – RH-OB (Oxygen Blowing). Для этих же целей разработана технология VOD (Vacuum Oxygen Decarburisation) – продувка кислородом металла, находящегося под вакуумом в ковше. Примером могут служить данные немецкой фирмы. Методом VOD обрабатываются плавки из двух дуговых печей 30-40 тонн и одной 80-90т. В результате сталь содержит 0,002% кислорода, 0,005% серы (при наведении основного шлака),содержание водорода снизилось с 3,8 до1,8 см3/100г, свинца <0,002%, цинка <0,001%. Методы вакуумной обработки стали непрерывно совершенствуются, отыскивая новые решения более простыми методами. Пример – метод PM (Pulsation Mixing) – пульсирующее перемешивание, разработанный японской фирмой (рис. 4.6). В ковш с металлом опускается примерно на 0,5м цилиндрическая камера длиной 3,0м, внутренним диаметром 0,3м, наружным диаметром 0,6м. Цикл обработки металла состоит из периода нагнетания инертного газа (около 1 с), и откачки (около 5 с). Газ подается под давлением 10 атм, интенсивность откачки 10 м3/мин, рабочее давление в камере 0,5 – 1,5 атм. Таким образам, вакуумирование в чистом виде постепенно уступает место вакуумированию в комбинации с другими методами внепечной обработки. 4.1.9 Продувка инертными газами Продувка инертным газом влияет на качество стали в известной мере также, как и обработка вакуумом, так как парциальное давление водорода и азота в таком пузырьке равно нулю. Технически продувка больших масс металла инертным газом в ковше проще и дешевле, поэтому там, где это возможно, продувка инертным газом заменяет вакуумную обработку. Правда при этом расходуется тепло на нагрев газа. Его расход составляет 1,5 – 3,0 м3/т стали, и в зависимости от емкости ковша снижение температуры составляет 2,5 – 4,5 оС/мин. Большая часть тепловых потерь связана с излучением с поверхности металла, поэтому ковш при продувке целесообразно накрывать. Рис. 4.6. Пульсирующее перемешивание 310 Продувка порошкообразными материалами Обработка стали в ковше порошкообразными материалами обеспечивает: • максимальный контакт твердых реагентов с металлом; • максимальную скорость взаимодействия реагентов; • высокую скорость взаимодействия вдуваемых реагентов. Преимущество также в том, что реагент вдувается газом-носителем, который сам оказывает определенное воздействие на металл. Газ может быть окислительным (кислород), восстановительный (природный газ), нейтральный. При дефосфорации вдувается смесь из извести, железной руды и плавикового шпата, при десульфурации – известь и плавиковый шпат. Сера удаляется до 0,002% (может быть удалена и до 0,0002%). При этом исследования показали, что при содержании серы <0,004% обеспечивается почти полная изотропность стали. На Российском рынке одним из основных производителей оборудования для внепечной обработки стали является ОАО «Сибэлектротерм». Им разработана серия агрегатов «ковш-печь» (АКП) для обработки стали в ковшах различной емкости. Для компенсации тепловых потерь в процессе обработки стали предусмотрен дуговой нагрев. АКП позволяет осуществлять следующие технологические операции: 1 продувка металла аргоном через донную пористую фурму (пробку) ковша; 2 подача в металл кусковых шлакообразующих, легирующих материалов и раскислителей с использованием системы весодозирования и ввода этих материалов в ковш-печь; 3 продувка через рабочее окно металла порошкообразными реагентами в токе аргона через погруженную футерованную огнеупорную фурму; 4 ввод в расплав алюминиевой и порошковых проволок с помощью специального трайб-аппарата; 5 автоматизированный замер уровня металла, величины температуры, активности кислорода в металле и отбор проб металла и шлака. 4.1.10 Современные тенденции развития электросталеплавильного производства Основным конструкционным материалом остается сталь, объемы производства которой в мире непрерывно растут. При этом выплавка стали в дуговых сталеплавильных печах увеличивается опережающими темпами; в 1995 г. мировое производство стали составило 752 млн т, доля производства стали в ДСП 32,6 %, в 1999 г. соответственно 788 млн т и 33,5 %. В таблице 311 2.1 приведен объем производства стали в 1999 г. и доля отдельных способов выплавки в странах - основных производителях. Таблица 4.1 Объем производства стали и доля способов выплавки в странах – основных производителях в 1999 г. Страна Общий объем производств а, млн т Динамика производств а, % к 1998 г. Доля способа выплавки и разливки, % Конвер терный ДСП Мартенов с-кий МНЛ З Китай 123,3 +8,0 66,3 15,8 1,7 (16,2)* 68,9 США 97,2 -1,4 53,8 46,2 - 68,2 Япония 94,2 +0,7 69,5 30,5 - 97,2 Россия 49,8 +17,5 58,9 12,8 28,3 49,8 ФРГ 42,1 -44,5 70,8 29,2 - 96,3 Респ.Коре я 41,0 +2,9 58,4 41,6 - 98,7 Украина 27,- +12,3 52,4 4,4 43,2 19,5 Бразилия 25,0 -3,0 78,1 21,9 - 88,2 Италия 25,0 -3,1 42,2 57,8 - 96,4 Индия 24,2 +3,5 53,9 32,1 14,0 50,9 Франция 20,2 +0,4 62,4 37,6 - 95,4 Примечание: - другие способы Опережающий рост выплавки стали в ДСП в мире связан не только с ростом числа новых ДСП, но и с процессом замены конвертеров на ДСП. Так в 1993-1995 гг. из 6 ДСП, построенных в ФРГ, 5 были введены взамен конвертеров. Точно так же все 4 ДСП, построенные в остальных странах Европейского Союза, заменили конвертеры. Основные изменения за последние годы объемов производства и средних показателей плавки в ДСП по данным Международного института чугуна и стали отражены в таблице 4.2. Современные техника и технологии выплавки стали в ДСП должны обеспечивать производителю возможность получения достаточного дохода, при этом ДСП представляет собой "первичный инструмент" для извлечения дохода. Таблица 4.2 Объемы выплавки стали в ДСП и изменения средних показателей плавки 312 Показатель 1990 г. 1999 г. Δ, % Выплавка стали, млн т Всего 769 787,7 2,43 В ДСП 215 262,8 22,2 Средняя масса стали на выпуске, т 86 110 27,9 Мощность трансформатора, МВ ⋅А 60 80 33,3 Температура металла на выпуске, о С 1660 1635 -1,5 Продолжительность плавки от выпуска до выпуска, мин 105 Расход электроэнергии, кВт ⋅ч/т жидкой стали 450 390 -13,3 Общий расход кислорода, м 3 /т жидкой стали 24 30 25 Расход электродов, кг/т жидкой стали 2,9 1,9 -34,5 Расход огнеупоров, кг/т 7 3 -57,1 Выбор печи и ее дальнейшая работа зависят от свойств агрегата (внутренние ограничения, например, сложность/надежность, тип, мощность, емкость и т, д„), внешних ограничений (например, мощность питающей сети, доступность источников первичного железа, экологические нормативы и др.) и от квалификации и заинтересованности в интенсивной работе персонала. Использование новых разработок должно гарантированно обеспечивать повышение доходности в результате снижения издержек производства и, желательно, приводить к повышению объема производства. Представляя основные тенденции развития техники и технологии плавки в ДСП, проведем оценку предлагаемых решений не только с учетом обеспечения работы печи под током, но и надежности оборудования печной установки. Основные пути развития техники и технологии плавки в ДСП условно можно разделить на две категории: 1 применение ДСП новых конструкций (двухванные, агрегаты с подогревом лома, ДСП с непрерывной подачей лома, шахтные печи к др.); 2 модернизация ДСП традиционной конструкции путем использования оптимизированных современных технологий и оборудования. Представляет интерес сравнение работы ДСП новых конструкций с ДСП переменного тока традиционного типа. Такое сравнение проведено с использованием данных, опубликованных производителями оборудования и эксплуатационниками, в основном, в 1999 г. Обычно все данные приведены в расчете на тонну жидкого металла. Однако, как правило, неизвестно, какие данные приводят в публикациях - то ли рекордные, то ли средние, а если средние, то за какой срок: смена/ сутки/ месяц/ год. Следует отметить, что 313 сравнение часовой производительности печей не является абсолютно корректным, так как при этом не учитывается фактор надёжности и ремонтопригодности оборудования. Объективнее представляются результаты годовой производительности или количество плавок за год. Расход электродов приведен без учета поломок, но для ряда ДСП новых- конструкций вероятность поломок выше, чем для ДСП традиционной конструкции. В качестве лучших показателей желательно сравнивать средние значения хотя бы за сутки работы, а не для единичной плавки. |