Смирнов А.Н., Сафонов В.М. и др. Металлургические мини-заводы

Подождите немного. Документ загружается.

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 191

пературную неоднородность в начале плавки, когда крупные кус-

ки лома находятся в контакте с «холодным» расплавом. Кроме

того, известно, что в отсутствии интенсивного кипения стали (на-

чало и завершение плавки) температура верхних слоев металла и

шлака намного (до 100-150°С) превышает среднюю температуру

жидкой стали.

Дополнительное перемешивание проводится, как правило,

путем продувки

инертным газом через пористые пробки, уста-

новленные в подине печи, что позволяет в ходе всей плавки обес-

печить усреднение температуры и состава жидкой ванны.

При этом, как результат, ускоряются химические процессы

рафинирования, стабилизируется уровень содержания растворен-

ного в стали кислорода и FeO в шлаке. Так, сравнительные ис-

следования технологии донной

продувки металла инертным га-

зом в ДСП–100 «Белорусского металлургического завода» пока-

зали, что продолжительность работы печи под током сокращается

на 3 мин; на 15-20 кВт×ч/т снижается удельный расход электро-

энергии, на 8-10 кг/т - извести (15-20%); содержание фосфора в

металле уменьшается на 45-50%, серы - на 15-20%, азота перед

выпуском из печи - на 15-25%, окисленность металла - на

44%,

угар раскислителей и легирующих - на 5%; перепад температур

между последним измерением в печи и первым измерением в

ковше снижен на 15°С [225]. При этом отмечают также и некото-

рое повышение стойкости футеровки ванны ДСП (примерно на

15-20%).

Рафинирование стали в печи. Фосфор. Работа с «боло-

том» и пенистым шлаком обеспечивает высокую эффективность

удаления

фосфора, так как скачивание самотеком пенистого шла-

ка из печи позволяет удалить значительную часть фосфора.

Обычно содержание фосфора в ковше не превышает 0,010 –

0,015% и легко достигается традиционными методами.

192 Металлургические мини-заводы

Сера. В силу быстротечности плавки стали в современной

дуговой печи и работы с вспененным шлаком «медленные» диф-

фузионные процессы распределения серы между фазами крайне

замедляют десульфурацию. Как правило, содержание серы в вы-

пускаемом из печи полупродукте зависит от загрязненности

стального лома (ржавчина, резина и пр.) и качества применяемых

углеродистых дисперсных

материалов. Обычно в выплавленном

в электродуговой печи полупродукте содержится от 0,035 до

0,080% серы, а в некоторых случаях - в полтора-два раза выше.

Азот. Сталь, выплавленная в электродуговой печи при

применении 100% стального лома в шихте, обычно содержит бо-

лее 0,0080% азота. С целью получения в полупродукте понижен-

ного содержания азота принимают следующие меры

• выпуск плавки проводят сразу после завершения продувки

ванны кислородом;

• применяют жидкий чугун в завалку;

• используют для науглероживания чистые по азоту

материалы.

Водород. Содержание водорода в стали, выплавленной в

ДСП, обычно составляет 0,0004 - 0,0006 % и зависит, как извест-

но, от влажности воздуха и применяемых материалов.

Отсечка печного шлака. Для

выпуска плавки печь на-

клоняют на несколько градусов в положение слива металла перед

тем, как открыть выпускное отверстие. Обычно материал заделки

выпускного отверстия самопроизвольно высыпается, а за ним

сразу же начинается выпуск жидкого полупродукта. Чрезвычайно

важно, чтобы скорость наклона не была большой, так как может

произойти переполнение эркера, который покрыт водоохлаждае

мыми панелями. С другой стороны, уровень зеркала расплава в

эркере должен быть постоянным и составлять величину, равную

не менее, чем три диаметра сталевыпускного отверстия, в про-

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 193

тивном случае шлак попадает в ковш во время выпуска стали из-

за образующейся воронки.

Возвращают печь в нормальное положение с максимальной

скоростью для того, чтобы шлак не попал в ковш в конце выпуска.

Тепловые потери. Продолжительность плавки в совре-

менных дуговых печах составляет от 30 до 60 мин. Тепловые по-

тери в среднем равны 0,4 кВт×ч/(т×мин), но к концу плавки они

достигают максимального значения - до 1,7 кВт×ч/(т×мин). На

основании промышленного опыта считают, что при продолжи-

тельности межплавочных простоев от 8 до 38 мин теплопотери

незначительны, даже

при работе с жидким остатком, и они обыч-

но не превышают 0,4_кВт×ч/(т×мин). Практика эксплуатации пе-

чей показывает, что теплопотери через водоохлаждаемые панели

зависят от толщины гарнисажа. Так, для открытых поверхностей

водоохлаждаемых панелей удельные теплопотери на 1 м

состав-

ляют около 3 кВт×ч/т. Кроме того, в случае возникновения течи

водоохлаждаемых элементов расход энергии может увеличиться

на 15_кВт×ч/т. Существует мнение, что при спрейерном охлаж-

дении электродов в случае, если вода попадает в печь и удаляется

в виде пара через четвертое отверстие в своде, повышение расхо-

да

энергии достигает 20 кВт×ч/т. При этом окисление электродов

при охлаждении снижается, однако стоимость энергии может пре-

вышать экономию электродов.

Установлено, что потери двухкорпусных печей на 27-30

кВт×ч/т выше, чем однокорпусных.

Дуговые печи значительно отличаются одна от другой по

газоплотности. В газоплотных печах расход энергии может быть

снижен на 15 кВт×ч/т, максимальное снижение достигает

50_кВт×ч/т.

194 Металлургические мини-заводы

ГЛАВА 3. ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ

ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Одним из преимуществ процесса непрерывной разливки

стали является возможность повышения качества металла за счет

совокупности целого ряда факторов, к числу которых, прежде

всего, необходимо отнести улучшение показателей химической

однородности заготовки и снижение загрязненности стали неме-

таллическими включениями. Безусловно, вопрос качества не-

прерывнолитой

заготовки должен рассматриваться в комплексе с

обеспечением эффективной внепечной обработки стали в ковше

и изменением системы сталеплавильной технологии в целом.

3.1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К

РЕГЛАМЕНТИРОВАНИЮ КАЧЕСТВА ЖИДКОЙ СТАЛИ

В практике металлургического производства в последнее

время наблюдается тенденция все большего ужесточения требо-

ваний к химическому составу стали и загрязненности её неме-

таллическими включениями, газами и цветными металлами.

Применительно к мини металлургическим заводам эту проблему

следует рассматривать с учетом условий производства жидкого

полупродукта и его доводки.

Исходя из рассмотренных ранее стратегий развития мини-

заводов, можно выделить схему производства стали массового

сортамента, а также качественной и высококачественной метал-

лопродукции.

Сравнительный анализ требований к качеству

стали (ис-

пользованы данные стандартов ГОСТ, DIN, ASTM, BS, JIS) в це-

лом свидетельствует о том, что для стали массового назначения

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 195

(низко- и среднеуглеродистая, низколегированная) допускается

весьма широкий диапазон колебания марочного содержания уг-

лерода (0,07-0,08 %) и марганца (0,30 %), порог максимального

содержания серы (0,040-0,050%) и цветных металлов (0,30 %), а

также кислорода и неметаллических включений.

Многолетняя практика работы сталеплавильных цехов по-

казывает, что все эти требования в полной мере можно соблюсти

без применения современных технологических приемов внепеч-

ной обработки. Однако, применение непрерывной разливки стали

для получения сортовой заготовки существенным образом скор-

ректировало некоторые требования к качеству стали. Прежде все-

го, это относится к содержанию серы. Из практики непрерывной

разливки стали хорошо известно, что одной из главных причин

прорывов и трещин является низкое отношение Mn/S. Принято

считать, что это

отношение должно быть, по меньшей мере, на

уровне 25-30. Однако, многие предприятия для МНЛЗ с высоки-

ми скоростями литья это отношение поддерживают уровне 35 -

40 и более, что фактически соответствует ограничению содержа-

ния серы в стали ниже 0,02 %.

Также определенная специфика имеет место и для регла-

ментирования содержания кислорода и оксидных включений в

стали

. Основным фактором является технология разливки метал-

ла через стакан-дозатор малого (12-18 мм) диаметра, который

может зарастать в ходе разливки вследствие осаждения на его по-

верхности оксидов алюминия. В связи с этим его содержание в

металле, разливаемом в заготовки малых сечений, не должно

превышать 0,007 %. Поэтому на практике часто применяют диф-

фузионное

раскисление на установке «ковш-печь». При этом

содержание активного кислорода удается снизить до 30 – 40 pрm.

196 Металлургические мини-заводы

Хорошо известны технологические приемы, позволяющие

значительно снизить количество неметаллических включений

стали: за счет предотвращения вторичного окисления; обработ-

кой кальцием для изменения морфологии включений, обеспечи-

вающей более полное удаление оксидов; путем исключения опе-

раций прожигания кислородом сталевыпускных каналов за счет

применения высококачественных засыпок, а также применения

основных огнеупорных материалов.

Разработанные на сегодняшний

день многочисленные ва-

рианты техники и технологии внепечной обработки стали массо-

вого сортамента сводятся к следующему:

1. Экстракционное рафинирование металла шлаковыми

смесями.

2. Компенсация тепловых потерь жидкой стали в ковше и

затрат на формирование рафинировочного шлака.

3. Перемешивание для ускорения тепло- и массообменных

процессов в сталеразливочном ковше.

4. Раскисление, легирование, науглероживание и

обработка

различными реагентами, вводимыми в металл.

Основным направлением развития внепечной обработки

является применение комплексных технологических агрегатов,

позволяющих чередовать и сочетать разнообразные технологиче-

ские приемы без затрат на пооперационное перемещение стале-

разливочного ковша. Наиболее универсальным агрегатом такого

типа, который при производстве стали массового сортамента реа-

лизует в едином цикле все необходимые технологические

опера-

ций, является установка «ковш-печь».

Не вдаваясь в рассмотрение особенностей конкретных тех-

нологических схем мини-заводов, которые определяются сорта-

ментом стали, типом сталеплавильного агрегата, условиями раз-

ливки и пр., можно выделить три основные момента, которые

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 197

обусловливают подход к производству металла массового сорта-

мента на этапе ковшевой обработки:

• достижение стабильного качества жидкой стали, уровень

которого часто определяется технологическими требова-

ниями;

• обеспечение технологичности работы МНЛЗ, включая ско-

рость разливки, серийность, а также качество поверхности

и внутренней структуры непрерывнолитого слитка;

• оптимизация технологии дальнейшей термомеханической

обработки заготовки

для получения заданных свойств из-

делий при минимизации материальных, энергетических и

временных затрат для технологической цепочки в целом.

Специализация мини-завода на производстве той или иной

группы марок стали ответственного назначения наряду с обеспе-

чением технологических требований выдвигает на передний план

задачу достижения необходимого уровня потребительских

свойств металлопродукции, которые достигаются,

в первую оче-

редь, высокой степенью рафинирования металла в ковше. Так, на

мини-заводах, выплавляющих легированные и специальные мар-

ки стали (шарикоподшипниковую, трубную, для автолиста и жес-

ти, производства металлокорда, железнодорожных колес и т.п.),

уровень кондиций жидкого металла в ковше во многих случаях

определяется, прежде всего, требованиями к служебным свойст

вам изделий.

Получение оптимального химического состава готового

металла в большинстве случаев требует обеспечения особо низ-

кого содержания вредных примесей:

• кислорода (менее 15 ррm, например, для легированных ма-

рок стали с особо низким содержанием кислорода);

198 Металлургические мини-заводы

• серы (как правило, ниже 0,010 %, а для некоторых марок

стали, например, трубной Х60 – ниже 0,003 %);

• газов: водорода (для флокеночувствительных – ниже

2_ррm) и азота (как правило, ниже 70-80 ррm для электро-

стали и 40 ррm для конвертерной стали);

• углерода (ниже 0,003 % для марок стали с ультранизким

содержанием углерода).

Кроме того, к

металлопродукции ответственного назначе-

ния предъявляются высокие требования по макро- и микронеод-

нородности внутренней структуры готовых изделий и заготовок.

Содержание кислорода и неметаллических включений в

стали. Известно, что на качество поверхности и внутренней

структуры слитка и, как следствие, готовой продукции, сущест-

венное влияние оказывает количество кислорода, растворенного

в жидкой стали. Если

к моменту начала кристаллизации стали со-

держание кислорода превышает максимальную его раствори-

мость в твердом металле, избыточное количество кислорода мо-

жет выделяться из пересыщенного раствора в виде газообразного

оксида углерода и неметаллических включений. Задача процесса

раскисления состоит в получении в готовой стали возможно

меньшего количества неметаллических включений и придания им

благоприятной

формы и свойств.

Основное количество эндогенных включений представляет

собой продукты взаимодействия кислорода, серы, фосфора, угле-

рода и азота с другими компонентами расплава.

Согласно предложенной В.И. Явойским классификации

эндогенных неметаллических включений в зависимости от мо-

мента образования, их подразделяют на: первичные, которые об-

разуются непосредственно после ввода ферросплавов; вторич-

ные,

зарождающиеся во время охлаждения жидкого металла до

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 199

температуры кристаллизации; третичные, возникающие в про-

цессе кристаллизации стали, и четвертичные, которые выделяют-

ся при последующем охлаждении затвердевшей стали до комнат-

ной температуры.

Имеются экспериментальные доказательства того, что сре-

ди эндогенных включений наиболее крупными обычно являются

первичные и вторичные включения. Остальные типы включений

имеют малые размеры и распределены в металле более

равно-

мерно.

Осаждающее раскисление заключается в том, что основное

количество растворенного в стали кислорода переводят в нерас-

творимые оксиды элементов-раскислителей. Последние различ-

ными способами вводят непосредственно в жидкий металл. Этот

способ раскисления широко распространен, главным образом, бла-

годаря простоте его реализации. Основным его недостатком явля-

ется то, что требуется

значительное время и организация специ-

ального режима перемешивания металла для удаления образовав-

шихся неметаллических включений.

Общепризнанно, что процесс осаждающего раскисления

стали проходит через следующие этапы: плавление и растворение

раскислителей в металле; акт химического взаимодействия ки-

слорода, растворенного в металле, с введенными в него раскис-

лителями; образование продуктов раскисления - зародышей но-

вой

фазы в объеме жидкого металла; рост образовавшихся заро-

дышей - продуктов раскисления (их коалесценция и коагуляция);

удаление за счет всплывания и переход включений из металла в

шлаковую фазу.

Для получения стали высокой чистоты при осаждающем

раскислении необходимо обеспечить достаточную полноту уда-

ления неметаллических включений из металла и ассимиляции их

200 Металлургические мини-заводы

шлаком. Известно, что сильное влияние на скорость всплывания

неметаллических включений в стали оказывает размер частиц.

Вместе с тем, практика внепечной обработки показала, что, не-

смотря на относительно малый размер продуктов раскисления,

например, алюминия, его оксиды довольно быстро покидают

жидкий металл.

Как отмечает Г. Кнюппель [245], удаление продуктов рас-

кисления при вводе в

металл сплавов силикокальция и силико-

марганца, а также кремния происходит крайне медленно. В этих

случаях снижение суммарной концентрации кислорода в стали

сравнительно невелико и сильно зависит от продолжительности

выдержки металла в ковше. Силикатные включения, даже если

они имеют большие размеры, плохо удаляются из расплава, по-

этому для производства стали высокой

чистоты необходимо

стремиться к тому, чтобы их образование в расплаве было в зна-

чительной степени подавлено. Для этого к моменту ввода крем-

ния необходимо иметь низкое содержание кислорода в стали.

При добавке кремния и алюминия в сталь рекомендуется

сначала вводить в достаточном количестве алюминий, чтобы свя-

зать и удалить большую часть

кислорода и только потом приса-

живать кремний. В результате высокой скорости удаления вклю-

чений глинозема их содержание в стали после раскисления не за-

висит от исходной концентрации кислорода, а если она велика, то

это способствует образованию крупных включений, которые уда-

ляются особенно быстро. В противном случае, в зависимости от

исходного

количества кислорода, образуются более или менее

грубые алюмосиликаты, которые медленнее удаляются из жид-

кой стали.

Результаты промышленных экспериментов показывают,

что при раскислении стали алюминием в ковше содержание ки-

слорода к концу выпуска плавки в результате быстрого всплыва-