Вакуумирование стали в ковше

Введение

 

Ограниченные возможности регулирования физических и физико-химических условий протекания процессов плавки стали в сталеплавильных агрегатах, повышение требований к качеству стали, а также необходимость разработки технологии и производства стали принципиально нового качества привели к созданию новых сталеплавильных процессов, соответствующих современному уровню развития техники. Одним из элементов таких технологий является внепечная обработка стали. Обеспечивая получение не только высокого, а в ряде случаев нового качества, но и повышение производительности сталеплавильных агрегатов, внепечная обработка стали начала особенно быстро развиваться в 60-70-х годах и стала неотъемлемой частью сталеплавильного производства.

Внепечная обработка стали - промежуточный передел между выплавкой стали и её разливкой - является относительно новым переделом и обязан своим развитием и успехами в первую очередь достижениям физической химии металлургических процессов и гидродинамики. Внепечная обработка стали начала активно применяться с 60-х годов, главным образом для повышения производительности дуговых сталеплавильных печей и конвертеров, позволяя вынести часть процессов рафинирования из этих агрегатов в ковш. Однако уже начало внедрения современных процессов внепечной обработки показало, что они позволяют существенно улучшить качество стали (механические свойства, коррозионную стойкость, электротехнические показатели и др.), но и получить сталь с принципиально новыми свойствами. Повышение качества стали привело к росту работоспособности машин и конструкций при уменьшении их массы. Другим важным фактором, обеспечившим этот результат, явилась возможность гарантированно получать сталь с узкими пределами содержания элементов.

 

Вакуумирование стали

Вакуумирование стали в ковше

Установки без принудительного перемешивания

Первая промышленная установка этого типа вообще, и в СССР в частности, была построена в 1952 г. на Енакиевском металлургическом заводе. В последующие годы аналогичные установки были сооружены на заводах «Днепроспецсталь», «Серп и молот», Красный Октябрь», Верх-исетском, Серовском, Челябинском и других.

Установки этого типа состояли из вакуумной камеры, насосной станции и соединяющего их вакуум-провода.

Данный способ относится к обработке полностью раскисленных плавок массой 12-22 т. Для вакуумирования же плавок большой массы он неприменим [3].

 

Установки с электромагнитным перемешиванием в ковше

Эффективность способа вакуумирования стали в ковше была увеличена за счет принудительного перемешивания металла при помощи электромагнитного поля. Этот вариант вакуумной обработки стали в ковше в электрмагнитным перемешиванием (ЭМП) в иностранной и переводной литературе иногда именуют методом Стокса по названию американской фирмы, проектирующей и поставляющей оборудование для этих установок. Авторское свидетельство на этот способ внепечного вакуумирования было выдано в СССР Самарину и Новикову в 1948 г.

Установки этого типа по сравнению с вышеописанными установками ковшевого вакуумировнаия имеют дополни тельное оборудование для электромагнитного перемешивания. Взаимодействие движущегося магнитного потока с наводимыми им вихревыми токами и вызывает принудительное перемешивание металла в ковше.

Электромагнитное перемешивание обеспечивает равномерное распределение вводимых в металл добавок.

Данные установки для вакуумирования стали оборудовались довольно мощными пароэжекторными насосами, обеспечивающими хорошую дегазацию всего находящегося в ковше металла и равномерное распределение вводимых в ковш раскислителей и легирующих. Поэтому этот тип установок применим для вакуумирования без ограничения массы металла. Так, например, американская фирма «Рипаблик стил»в разное время ввела в эксплуатацию на своих заводах четыре установки этого типа для вакуумирования плавок массой 40, 80 и впоследствии 180 и 135 т.

Первая установка для 40-т ковшей в Кливленде, как и введенная в 1965 г. вторая 80-т установка этого типа на заводе в Кентоне, были использованы для опробования различных энергетических устройств и выбора оптимального режима ЭМП [3].

 

Установки с перемешиванием металла в ковше аргоном

Если продувка стали в ковше аргоном не может дать значительного эффекта, то в сочетании с вакуумированием дает положительные результаты. Этот процесс вакуумной обработки металла, предложенный и осуществленный французским научно-исследовательским институтом черной металлургии ИРСИД и фирмой «Эр Ликид», известен как процесс или способ ГАЗИД.

Процесс ГАЗИД естественно получил распространение сначала во Франции. Одна из первых установок начала работать на завод Крезо в 1966 г.

Исключительно перспективное оборудование для окислительного вакуумирования было разработано фирмой «Вакметалл» применительно к условиям завода фирмы «Крупп» в Бохуме [3].

 

Установки с дополнительным подогревом металла

Установки ковшевого вакуумирования с принудительным перемешиваниме и подогревом металла электрическими дугами до и (или) после вакуумирования позволяет осуществлять в ковше не только дегазацию и раскисление стали, вводить значительное количество легирующих. Но и удалять из нее избыточное количество серы. По ходу всех этих процессов металл в ковше принудительно перемешивается.

В 1965 г. в Швеции была введена в эксплуатацию первая установка внепечного вакуумирования типа АСЕА-СКФ по названию создавших и освоивших ее фирм. В созданном ими агрегате металл вауумированли в сталеразливочном ковше, накрытом вакуумноплотной крышкой. Затем сталеразливочный ковш на сталевозе подавали под свод с электродной группой, и сталь нагревали. Очередность операций могла меняться. Как при подогреве, так и при вакуумировании металл в ковше перемешивался электромагнитным способом. В таком агрегате металл может выдерживаться под вакуумом длительное время (до 2 ч), что обеспечивает высокую степень рафинирования его от вредных примесей. В некоторых случаях на поверхность перемешиваемого под воздействием индуктора металла вводят также некоторое количество шлакообразующих. Способ сложен и дорогостоящ, однако высокое качество металла компенсирует затраты и данный способ получил достаточно широкое распространение [4], [6].

Первая 30-т промышленная установка АСЕА-СКФ работала в паре с дуговой электропечью на заводе СКФ в Хелелфорсе (Швеция). В 1967 г. начала работать 50-т установка АСЕА - СКФ на заводе в Бофоре (Швеция).

В 1969 г. была введена в эксплуатацию установка для 30-т ковшей на заводе в Ниби Брукс (Швеция), имевшая передвижной цилиндрический индуктор и стационарные крышки ковша. Установку обслуживал пароэжекторный четырехступенчатый насос.

В 1971 г. на заводах Швеции работало уже 10 установок подобного типа для ковшей емкостью 30-140 т. Самая крупная установка построена на заводе в Оклесунде в 1971 г. для обработки металла, выплавляемого в конвертерах. По две установки АСЕА-СКФ было введено в Японии и в Бразилии, по одной в США, Италии, Бельгии и Доминиканской республике.

Оригинальный вариант внепечного вакуумирования с дополнительным подогревом металла в ковше электрическими дугами был разработан фирмой «Финкл Мор», называемый иногда процессом VAD (Vacuum arc degazing). Нагрев металла здесь осуществляется в вакуум-камере, на крышке которой установлены три электрода для подогрева металла. Металл в ковше перемешивается инертным газом.

Другим вариантом процесса АСЕА-СКФ является технология производства нержавеющей стали на заводе фирмы «Аллигени стил» на заводе Брикенридже (США), известная под названием AVR (argon vacuum refining) [3].

 

Вакуумирование стали в струе

Установки порционного типа

Порционный способ внепечного вакуумирования был разработан и применен в промышленных условиях в 1956 г. западно-германской фирмой «Дортмунд Хердер Хюттеннюнион» и обычно назывался способ DH по первым буквам наименования фирмы.

Такая установка внепечного вакуумирования была также установлена в электросталеплавильном цехе завода фирмы «Лукенс стил корп».

Крупнейшая вакуумная установка порционного типа, рассчитанная на вакуумирования плавко массой до 420 т, была введена в эксплуатацию в декабре 1970 г. в кислородно-конвертерном цехе завода фирмы «Август Тиссен» в Буркхаузене (ФРГ).

Оригинальная установка порционного типа, работавшая в мартеновском цехе завода в Питтсбурге фирмы «Джонс энд Лафлин стил», была предназначена для обработки 360-т плавок [3].

На заводе в Явате фирмы «Nippon Steel», Япония, з50-т порционный вакууматор был преобразован в установку REDA. Принципиальным отличием этой установки является всасывающий патрубок большого диаметра [2].

 

Решения зарубежных ученых

 

Впервые задача внепечного подогрева стали была решена фирмами ASEA и SKF в 1965г. в Швеции (гл. 2, п.2.5). В 1967 г. фирма Finkl and Sons (США) разработала метод внепечного рафинирования, при котором в одном агрегате проводили вакуумирование и дуговой подогрев. Однако процесс VAD не нашел широкого распространения из-за конструктивных сложностей.

Первый агрегат ковш-печь (АКП), или процесс LF, обеспечивающий нагрев металла дугами, совмещенный с перемешиванием инертным газом и не связанный с вакуумной обработкой. Был введен в эксплуатацию в 1971 г. японской фирмой Дайдо Сэйко [6], [8].

Ковш-печь с плазменным нагревом создает лучшие условия, поскольку для нагрева используются водоохлаждаемые плазмотроны. Исторически первые установки работали на постоянном токе, в них был предусмотрен электрический контакт с ковшом, содержимое которого подвергалось обработке. Первая 30-т установка с трехфазной системой переменного тока создана фирмой «Krupp Stahl», ФРГ. В течение нескольких лет фирма «Kobe Steel», Япония, эксплуатировала два 80-т ковша с плазменным нагревом на заводе в Какогаме. В конце 1995 г. фирма «Hitachi Metalls», Япония, ввела в действие первый в мире плазменный рафинировочный агрегат на своем заводе в Ясуги емкостью до 60 т, оборудованной двумя плазмотронами. (красный сборник).

Помимо установок LF с дуговым подогревом разрабатываются установки с использованием методов индукционного нагрева (и перемешивания). В качестве примера рассмотрим агрегат, разработанного SCRATA* (ЮАР). Процесс назван LMR*. По сообщениям процесс особенно удобен для получения сравнительно небольших порций легированных (например, 13 % Сг и 4 % Ni) сталей, где требуется гарантированно низкое содержание примесей. Необходимо упомянуть и о попытках использовать в процессе внепечной обработки и такой традиционный способ нагрева, как топливные горелки. Так, на заводе " Holmstad" (Швеция) с 1986 г. работает 50-т печь-ковш с двумя топливно-кислородными горелками мощностью по 5 МВт, в которой обрабатываются плавки из 50-т дуговой печи. В процессе обработки металл продувается инертным газом. Горелки установлены в крышке ковша.

Оригинальная установка для рафинирования стали в ковше создана фирмой «Davy International» для завода «Вэйлинг Питтсубрг стил» в штате Огайо, США, имеющую конвертеры емкостью по 275 т. Установка создана на основе процесса регулирования химического состава стали с использованием перемешивания и верхней продувки кислородом [2].

Да данный момент времени на развитии концепции построения агрегатов ковш-печь фокусируют усилия ведущие европейские производители металлургического оборудования: «SMS», «Demag», «VAI-FUCHS» (Германия), « Daniele», Италия и т.д. Все эти фирмы свои первые агрегаты ковш-печь построили в начале или середине 80-х годов прошлого века [1].

 

Отечественные разработки

 

На территории СССР перый агрегат печь-ковш был построен в 1985 г. (проект ВНИИМЕТМАШ-ЮУМЗ) на Молдавском металлургическом заводе [1].

В нашей стране первый двухпозиционный агрегат емкостью 70 т конструкции ASEA-SKF, обеспечивающий вакуумирование и нагрев металла дугами, был введен в эксплуатацию на Ижорском заводе. Оборудование для первого в России классического агрегата ковш-печь в современном понимании его роли в технологии сталеплавильного производства было поставлено фирмой Фукс Системтехник. Этот агрегат был введен в эксплуатацию на Оскольском электрометаллургическом комбинате в 1991 г. Дальнейшее развитие внепечной обработки стали на металлургических предприятиях нашей страны во многом связано с фирмой «Фукс Системтехник», которая поставила оборудование для заводов «Красный октябрь», «Мотовилихинские заводы», Челябинский, Череповецкий, магнитогорский металлургические комбинаты и другие.

Первый отечественный агрегат ковш-печь емкостью 300 т был спроектирован фирмой НТ ЗАО «Аконт» в 1991 г. и немного позже введен в эксплуатацию в мартеновском цехе на Череповецком металлургическом комбинате. Проекты системы весодозирования, верхней фурмы и установки трайб-аппарата были выполнены Липецким отделением института «Стальпроект». Основная часть оборудования АКП-300 была изготовлена самим комбинатом, а отдельные узлы поставлены ОАО «Сибэлектротерм» (г. Новосибирск).

При разработке этой конструкции был использован опыт работы дуговых сталеплавильных печей на Челябинском металлургическом комбинате. Подобное техническое решение было использовано также на 100-т АКП, разработанных для ОАО «Носта» и Узбекского металлургического комбината.

В период 1991 - 2003 гг. НТ ЗАО «Аконт» разработал серию отечественных АКП емкостью 12 - 300 т для электросталеплавильных, конвертерных и мартеновских цехов.

При разработке АКП ставили задачу - создание высокоэффективных высокоэффективных агрегатов, отвечающих современным требованиям, при минимальных затратах.

Следует также отметить, что уровень технических решений, закладываемых в каждый следующий агрегат, продолжает повышаться.

В зависимости от того, в каком сталеплавильном цехе устанавливают АКП. И от поставленных задач агрегат оснащают верхней (аварийной) фурмой, установкой для взятия проб и изменения температуры, устройством для вдувания порошкообразных материалов, трайб-аппаратом для подачи алюминиевой и порошковой проволоки, а также стендом для хранения и наращивания электродов [6].

Агрегат ковш-печь непрерывно совершенствуется. Одной из разработок является создание двухпозиционного АКП. Из 37 действующих на 2005 году в России АКП только четыре были двухпозиционными. Спроектрированы и изготовлены эти агрегаты инофирмами: «Даниели», «Маннесман Демаг», «Фукс Системтехник».

К концу 2008 г. в России насчитывалось около 70 действующих АКП [1].

Первый отечественный двухпозиционный АКП емкостью 160 т разработан фирмой ЗАО НТ «Аконт» в тесном содружестве со специалистами ОАО «Челябгипромез» и проектно-конструкторского центра ОАО «Челябметкомбинат» [7].

Ученые МГТУ также занимаются разработками в этой области металлургии. Например, авторским коллективом в составе В.А. Бигеева, Е.Б. Агапитова и др. был запатентован АКП с полыми электродами. Научно-технической производственной фирмой «Эталон» (г. Магнитогорск) постоянно совершенствуются конструкции вспомогательного оборудования, такого как всевозможные фурмы, донные устройства ковшей, узлы для вдувания порошкообразных материалов, а также совместно с ЗАО «Минимакс» (г. Магнитогорск) разрабатываются отечественные аналоги зарубежных десульфураторов, например, такого как флюидизированная известь.

За рубежом данный материал производится немецкой фирмой «Almamet», он обладает совершенно отличными от существующих порошкообразных материалов свойствами [10].

На ОАО «ММК» в кислородно-конвертерном цехе построена установка для вдувания флюидизированной извести немецкого производства в АКП также немецкой фирмы SMS MEVAG, в электросталеплавильно цехе же проводятся опыты по вдуванию данной извести производства ЗАО «Минимакс» [5].

Подобные установки по вдуванию порошкообразных материалов в АКП освоены и на других отечественных заводах, например ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат». Там же освоено производство флюидизированной извести по немецкой технологии. На ОАО «Мечел» (г. Челябинск) вдувание порошкообразных материалов освоено на установке производства НТ «Аконт» [6].

Заключение

 

Все рассмотренные выше способы и агрегаты для внепечной обработки металла на данный момент времени достаточно хорошо развиты, но в то же время непрерывно морально устаревают. Необходимо постоянно искать новые способы, позволяющие совершенствовать технологию, ускоряя время обработки и повышая качество продукции, а также желательно в современных послекризисных условиях «бороться» за повышение прибыли.

Вдувание флюидизированной извести является перспективным направлением в обработке стали на ковше-печи. За рубежом этот метод уже давно освоен, в отечественном производстве еще недостаточно изучен. Данный метод обработки позволяет существенно сократить время обработки металла за счет особых свойств материала.

Диссертационная работа предполагает в себе не только обработку результатов вдувания флюидизированной извести в металл на агрегате ковш-печь, но и изучение физико-химических аспектов данного метода.

 

Введение

 

Ограниченные возможности регулирования физических и физико-химических условий протекания процессов плавки стали в сталеплавильных агрегатах, повышение требований к качеству стали, а также необходимость разработки технологии и производства стали принципиально нового качества привели к созданию новых сталеплавильных процессов, соответствующих современному уровню развития техники. Одним из элементов таких технологий является внепечная обработка стали. Обеспечивая получение не только высокого, а в ряде случаев нового качества, но и повышение производительности сталеплавильных агрегатов, внепечная обработка стали начала особенно быстро развиваться в 60-70-х годах и стала неотъемлемой частью сталеплавильного производства.

Внепечная обработка стали - промежуточный передел между выплавкой стали и её разливкой - является относительно новым переделом и обязан своим развитием и успехами в первую очередь достижениям физической химии металлургических процессов и гидродинамики. Внепечная обработка стали начала активно применяться с 60-х годов, главным образом для повышения производительности дуговых сталеплавильных печей и конвертеров, позволяя вынести часть процессов рафинирования из этих агрегатов в ковш. Однако уже начало внедрения современных процессов внепечной обработки показало, что они позволяют существенно улучшить качество стали (механические свойства, коррозионную стойкость, электротехнические показатели и др.), но и получить сталь с принципиально новыми свойствами. Повышение качества стали привело к росту работоспособности машин и конструкций при уменьшении их массы. Другим важным фактором, обеспечившим этот результат, явилась возможность гарантированно получать сталь с узкими пределами содержания элементов.

 

Вакуумирование стали

Вакуумирование стали в ковше

12Следующая ⇒

Поделиться: