Доведення сталі в агрегаті ківш-піч

У технології позапічної обробки сталі та конструкції обладнання для міні заводів зі стратегією виробництва спеціалізованої продукції поряд з оптимальним співвідношенням таких параметрів як продуктивність, енергоємність процесу, капітальні та експлуатаційні витрати, особливої актуальності набуває можливість гарантованого забезпечення високих вимог до якості металопродукції у широкому діапазоні марочного складу та типорозміру зливка (табл. 1.6). Виконання високих вимог стандартів дозволяє виробляти продукцію з високою доданою вартістю, питома ціна якої на світовому ринку перевищує 2500 євро за тонну низьколегованої сталі.

Таблиця 1.6- Сучасний рівень вимог до якості великого зливка

Після випуску металу з плавильного агрегату всі подальші кроки доведення сталі за хімічним складом і температурою виконуються виключно в ковші. Така схема, як показує практика, робить процес виплавки та розливання сталі більш економічним, а також забезпечує найбільш повне поєднання процесу виплавки та розливання сталі.

Слід зазначити, що завдання глибокого рафінування та прецизійного розкислення є дуже актуальним для виробників великих зливків.

В цілому, в ході обробки сталі в ковші можуть виконуватися такі операції: гомогенізація металу за температурою та хімічним складом, коригування хімічного складу сталі шляхом присадки відповідних лігатур, видалення шкідливих домішок (сірка, водень, азот, а іноді вуглець та ін.), доведення температури металу до регламентованого технологією значення, рафінування сталі по неметалевимвключенням, одержання сталі з постійними властивостями від плавки до плавки, керування складом шлаку і т.д.

Загальновизнаним шляхом реалізації перерахованих вище операцій є комплексна обробка розплаву в сталерозливному ковші із застосуванням потужного високотемпературного джерела локального нагріву, який забезпечує безперервну компенсацію теплових втрат. При цьому теплова енергія концентрується в зоні шлаку для підтримки необхідних рафінуючих властивостей і плавлення високотемпературних компонентів шлакової суміші. З іншого боку, поєднання високотемпературного локального нагріву з примусовим перемішуванням розплаву призводить до усереднення температури в усьому обсязі. Примусове перемішування циркуляційного розплаву в ковші є обов'язковою технологічною операцією, що забезпечує високу ефективність позапічної обробки в цілому. У поєднанні з перемішуванням стає можливим реалізація ефективного дугового нагріву розплаву, суттєво зростає швидкість його усереднення, рафінування різними технологічними засобами, у тому числі вакуумною обробкою.

У металургійній практиці установки, що забезпечують нагрівання та перемішування сталі в ковші, її рафінування та коригування хімічного складу, отримали назву «агрегати (установки) ківш-піч» (від англійського ladle-furnace) (рис.1.3). Тим часом протягом останніх двох десятиліть агрегати ківш-піч безперервно вдосконалювалися як у технологічному, так і в конструкційному плані. Це дозволило досягти дуже високих показників, як щодо якості сталі, так і щодо енерго- і ресурсозбереження. Наприклад, середня витрата електродів у процесі обробки на установці ковш-піч складає близько 10 г/кВт·год, а витрати електричної енергії – 0,3-0,6 кВт·год/т град.Більше того, на практиці переконливо доведено високу конкурентоспроможність агрегатів ковш-піч практично для всього діапазону місткості сталерозливних ковшів: від 12-15 т до 350-360 т. При цьому в нормальному технологічному режимі забезпечується нагрівання сталі в ковші зі швидкістю 4-5°С за хвилину.

Малюнок 1.3- Загальна схема установки ківш-піч: 1 - Сталерозливний ківш; 2-Трайб-апарат; 3-Звід агрегату ківш-піч; 4-графітовані електроди; 5- Вирва подачі сипучих, 6. Аварійна фурма

Зазначимо, що комплексна обробка сталі в агрегаті ківш-піч передбачає обов'язкове запобігання попаданню в ківш окислювального пічного шлаку, що містить FeO та MnO. У сучасних дугових сталеплавильних печах операція відсікання шлаку виконується безпосередньо на випуску сталі і забезпечує відсічення щонайменше 85-90% пічного шлаку. У разі відсічення шлаку на випуску з плавильного агрегату в ковші наводиться новий шлак (основність шлаку 2,5-3,0), який відповідає наступним вимогам:

забезпечення роботи електричної дуги в процесі нагрівання (для плавки масою 100 - 150 т величина шару шлаку повинна становити, наприклад, 100-120 мм, що забезпечує спокійне та стійке горіння електричної дуги);
мінімізація ерозії вогнетривів шлакового пояса ковша;
забезпечення асиміляції неметалевих включень та десульфурації сталі.

Якщо ж товщина шлаку недостатня, то останній «роздувається» дугою. У таких умовах дуга горить менш стійко, що, мабуть, пов'язано з оголенням дзеркала рідкої сталі та підвищенням концентрації парів заліза в розрядному проміжку.

Сучасний агрегат ковш-піч має цілком усталену технологічну архітектуру та конструкцію основних функціональнихелементів, до складу яких входять: система для нагрівання металу електричними дугами, система подачі феросплавів та матеріалів для рафінування сталі в ковші, засоби для перемішування металу інертним газом, пристрій для подачі порошкового дроту, кришка, що встановлюється на ківш перед обробкою тощо.

Очевидно, що найбільший вплив на робочі параметри агрегатів ковш-піч надає, перш за все, місткість сталерозливного ковша. Величина потужності пічного трансформатора є основним енерготехнологічним параметром установки дугового нагріву і багатопланово впливає на ефективність її роботи. Зокрема, величина потужності пічного трансформатора безпосередньо впливає на швидкість нагрівання сталі в ковші, тривалість циклу обробки, умови роботи футерування ковша і витрата вогнетривів, а також якість проведення технологічного процесу. Тому створення оптимальних енергетичних умов нагріву є необхідною та вирішальною передумовою ефективного проведення технологічного процесу.

На рис.1.4 представлені графіки зміни необхідної потужності трансформатора агрегату «ківш-піч» залежно від швидкості нагрівання та місткості ковша.

Малюнок 1.4– Залежність активної потужності трансформатора агрегату ковш-піч від маси металу в ковші та швидкості нагрівання

Для прискорення фізико-хімічних процесів, що відбуваються в ході позапічної обробки, практично найбільш широко використовується продування рідкої ванни аргоном. Практика останніх десятиліть показує, що питання раціонального перемішування металу в ковші під час продування аргоном є особливо актуальним при роботі установок ковш-піч. Це тим фактом, що у ківшах, застосовуваних на установках ковш-піч,передбачається, як правило, один-два (іноді три) продувні вузли, розташування яких регламентується певними технологічними міркуваннями.

По-перше, продувні вузли необхідно розташовувати таким чином, щоб аргон, що вдувається в метал, не потрапляв у зону роботи електричної дуги.

По-друге, один з продувних вузлів повинен розташовуватися в зоні подачі феросплавів, що дозволяє забезпечити високий рівень їх засвоєння.

По-третє, продувний вузол не може розташовуватися в зоні падіння струменя металу під час наповнення ковша.

По-четверте, продувний вузол не може розташовуватися поблизу стінки ковша, оскільки в цьому випадку відбуватиметься підвищений знос вогнетривів в області поширення висхідного потоку.

По-п'яте, залежно від конкретної технологічної операції, що виконується в агрегаті ківш-піч, інтенсивність продування металу аргоном повинна змінюватись у значних межах.

В цілому питання організації раціональних режимів продування металу аргоном вимагають певної оптимізації процесів перемішування з метою найбільш повного використання енергії газу, що вдується, для конкретних умов обробки.

Останні два десятиліття практично обов'язковим функціональним елементом агрегатів ковш-піч стала операція введення в розплав порошкового дроту в сталевому оболонці за допомогою спеціальних трайб-апаратів. Цей прийом забезпечує точне введення у розплав необхідних легуючих елементів. Спочатку ця технологія була розроблена для введення кальцію, так як температура його кипіння (1491 ° C) нижче температури розплаву. Зазвичай маса кальцію, що вводиться, не перевищує 0,5 кг/т сталі. При цьому діаметр дроту коливається в межах 9-16 мм та залежить від гнучкості металевої оболонки. В цілому жпорошковий дріт доцільно застосовувати для введення добавок, які мають меншу щільність, ніж розплав, і можуть спливати на поверхню при іншому способі подачі розплав; мають обмежену розчинність; мають високий показник тиску пари; мають високу спорідненість до кисню; вимагають великих витрат та/або додаються у невеликих кількостях; є токсичними тощо. Вважається, що товщина оболонки та швидкість введення дроту повинні забезпечувати її проникнення вглиб металу на 1,5-2,0 м і більше.

Широкі можливості сучасних способів позапечної обробки були досягнуті за рахунок інноваційних процесів у створенні вогнетривких та допоміжних матеріалів, зокрема, завдяки серйозному прогресу в галузі виробництва вогнетривів підвищеної стійкості (футерування сталерозливного ковша, продувні пробки тощо). Це дозволило знизити питомі витрати на вогнетриви для позапічної обробки з $10-15 до $1,2-1,5 на тонну сталі.

Самостійну групу агрегатів ковш-піч являють собою агрегати, що входять до складу цехів зі спеціалізацією виробництва, тобто випуску якісної та високоякісної продукції. Зазвичай такі цехи орієнтовані виробництво ковальських зливків великої маси, і навіть на безперервнолиті заготовки спеціального призначення (наприклад, для труб, залізничних коліс тощо.). Як правило, у такій технологічній побудові сталеплавильного цеху є щонайменше одна установка для вакуумної обробки сталі. Особливістю роботи ківш-печей у такій побудові є збільшення тривалості знаходження металу в ковші (до 2,5-3,0 год і більше), оскільки розширюється спектр операцій з легування, рафінування та модифікування металу. Крім того, необхідно забезпечити перегрів сталі передвакуумуванням.

Агрегати ківш-піч сталеплавильних цехів великих заводів важкого та енергетичного машинобудування мають додаткові функції: збір металу з декількох плавильних агрегатів в один ківш і накопичення необхідної кількості хімічно однорідного металу для відливання великих і надвеликих злитків (тобто, зливків, мас. агрегату). Прикладом роботи такого агрегату є ківш-піч ЗАТ «Новокраматорський машинобудівний завод». Ця ківш-піч має три типорозміри ковша (30 т, 60 т, 90 т) і дозволяє збирати метал із трьох плавильних агрегатів. Слід зазначити, що час перебування металу в ковші за такої схеми роботи ківш-печі становить 120-360 хвилин, що суттєво впливає на стійкість футерування ковшів. Для виробництва злитків масою 150-200 т на Краматорському заводі «Енергомашспецсталь» застосовується ковш-піч, що дозволяє обробляти ковші місткістю 60 т і 130 т (маса плавок ДСП становить 100 т, 50 т, 12 т). Подальший розвиток заводу передбачає виробництво зливків масою до 400 тонн.